מדוע ציפורים יכולות לעוף מעל הרי ההימלאיה?

סיפור על חמצן, התפתחות וגורל הפלנטה שלנו. זה גם סיפור על אבולוציה, שהיא מחלקת המחקר והפיתוח של הטבע. וכיצד האבולוציה מנסה להמציא פתרונות. אך לעיתים לפתרונות אלה יש השלכות בלתי צפויות. איך הציפורים קיבלו ריאות כה גדולות? הם ירשו אותם מהדינוזאורים. אבל מדוע הדינוזאורים קיבלו אותם?

מה עושים האווזים בלונדון בינואר? בחורף הם גרים בדרך כלל באמצע הודו, ובקיץ הם גרים בקזחסטן או במונגוליה. אם אתה מסתכל על מפת כדור הארץ, אתה יכול לראות את המחסום בין קזחסטן להודו, הוא רכס הרי ההימלאיה, הגבוה בעולם. מדי שנה נודדים מיליוני אווזים מעל ההימלאיה, והם עושים זאת מזה מיליוני שנים. הם נצפו עפים בגובה 28,000 רגל. הם טסו מעל הר האוורסט! איך הם עושים את זה?

נראה שהתשובה היא שלאווזי הבר, כמו לכל הציפורים – יונקי דבש, יענים, יונים – יש ריאות יעילות במיוחד. זה גורם לריאות שלנו – ולריאות של כל היונקים – להראות פרימיטיביים. כל היונקים, כולל אותנו, נושמים פנימה דרך אותו פתח שאנו נושמים החוצה. האם אתה יכול לדמיין מה אם מערכת העיכול שלנו הייתה עובדת באותה צורה? מה אם האוכל שהכנסנו לפה, לאחר העיכול, ייצא באותה דרך? זה לא נושא לחשוב עליו! למרבה המזל, לצורך העיכול, יש לנו הפרדה פנימה והחוצה. וזה מה שיש לציפורים עם הריאות: נקודה פנימה ונקודה החוצה. יש להם גם שקיות אוויר וחללים חלולים בעצמותיהם. כאשר הם נושמים פנימה, מחצית מהאוויר הטוב (עם חמצן) נכנס למרחבים חלולים אלה, והחצי השני נכנס לריאותיהם דרך הכניסה האחורית. כאשר הם נושמים החוצה, האוויר הטוב שנאגר במקומות החלולים נכנס כעת לריאותיהם דרך אותה הכניסה האחורית, והאוויר הרע (פחמן דו חמצני ואדי מים) נדחק החוצה מהיציאה הקדמית. כך שזה לא משנה אם ציפורים נושמות פנימה או החוצה: אוויר טוב תמיד הולך בכיוון אחד דרך הריאות שלהן, דוחף את כל האוויר הרע החוצה לפניו.

איך הציפורים קיבלו ריאות כה גדולות? הם ירשו אותם מהדינוזאורים. ציפורים הן דינוזאורים! אז, לדינוזאורים הייתה מערכת ריאות יעילה במיוחד, והם צעדו בהצלחה על כדור הארץ כמין הדומיננטי, החל לפני כ – 250  מיליון שנה ועד לפני כ – 65 מיליון שנה. אבל למה מלכתחילה הייתה לדינוזאורים מערכת ריאות העל הזו? כדי לענות על כך, עלינו לחזור אחורה, כאשר צמחים יצאו מהאוקיאנוס ליבשה, לפני כ – 450 מיליון שנה. קודם לכן חיי הצומח חיו רק באוקיאנוס: פני האדמה היו מדבר. כשראו הזדמנות, כמה צמחים חלוצים התכנסו ואמרו: "בואו נלך!" ונדדו מעלה ליבשה. אבל ברגע שהצמחים יצאו מהמים, הם גילו משהו שמעולם לא נאלצו להתמודד איתו באוקיאנוס: כוח המשיכה. באוקיאנוס, אם אתה צמח, אתה יכול פשוט לצוף, מכיוון שצפיפות הצמח אינה שונה כל כך ממים. מחוץ לאוקיאנוס, צפיפות הצמח גדולה הרבה יותר מאוויר, ולכן כוח המשיכה יכול למשוך אותו מטה. אז במשך עשרות רבות של מיליוני שנים, הצמחים ביבשה נאלצו להידבק כמו טחב למשטחי הסלעים. אך ברור שבאיזשהו שלב החליטו לקרוא תיגר על כוח המשיכה, שמעולם לא היינו צריכים להתמודד עם זה באוקיאנוס, אך ביבשה היווה בעיה.

מדוע כוח הכבידה היה בעיה עבור הצמחים? הם רצו לעשות את מה שהם עשו באוקיאנוס, וזה לספוג הרבה אור שמש, והדרך הטובה ביותר לעשות זאת היא להיות גבעול ארוך ואז לקבל ענפים עם עלים בקצה הענפים ולמקסם את פוטנציאל לספיגת אור שמש. זה לקח כמיליון שנה, אך לבסוף מעבדת האבולוציה פיתחה את הלגינין, מולקולה נוקשה העשויה מפחמן ומימן. אם הצמח יספוג אותו לתאי גופו, הוא יקיים אינטראקציה עם מולקולות התאית התקינות שכבר יש לו, וזה ייצור מבנה יציב מאוד שיאפשר לתאים שלו להיות כמו לבנים, כך שהצמחים יוכלו לערום תא אחד על גבי השני, ולהגיע גבוה ככל שירצו. אז הצמחים בלעו את הליגנין בשמחה, ובוודאי שזה עבד בדיוק כמו שהאבולוציה תכננה, ותוך זמן קצר גבעולים, גזעים, ענפים, שורשים, עלים החלו לצוץ בכל רחבי כדור הארץ. ובאותה תקופה גם לא היה נדיר לראות צמחים בגובה של 300 מטר!

הבעיה היחידה הייתה שכאשר אחד העצים האלה הגיע לסוף חייו הטבעיים, חיידקים ונבגי פטרייה התכוננו לפרק אותו, וחידדו את הסכינים. אבל כשהגיעו לליגנין, הסכינים שלהם נתקעו: הם לא הצליחו לעכל את הליגנין. הדבר שהפך את הליגנין לחזק הביס את החיידקים והפטריות אז. אז הם אכלו את כל החלקים הרכים של הצמח והשאירו את העצמות, כלומר: הליגנין. בסופו של דבר עץ אחר ימות וייפול על גבי הראשון, ואז אותו הדבר היה קורה שוב, ועוד אחד ועוד אחד, וזה המשיך ככה במשך מאות אלפי, מיליונים, עשרות מיליוני שנים. בסופו של דבר, למעלה מ – 100 מיליון שנה של עצים ושרכים מתים וליגנין לא מעוכל הופקדו מתחת לפני האדמה. אנו מכנים את הזמן שרוב זה קרה עידן הפחמן. אך להתפתחות האבולוציונית יש גם השלכות לא צפויות. ובכן, פיקדון זה של ליגנין ייצר גל חמצן באטמוספירה. מכיוון שלכל אטום פחמימנים שנכנס לכדור הארץ, אטום חמצן אינו מנוצל בתהליך הריקבון. כמויות אדירות של פחמן (ליגנין) נכנסו לכדור הארץ, וכך הצטברו כמויות אדירות של חמצן באטמוספירה. כיום חמצן הוא 21 אחוז מהאטמוספירה. אבל לפני כ – 300 מיליון שנה חמצן היה הרבה יותר מ – 30%. היה כל כך הרבה חמצן, שחרקים, שיש להם דרכי נשימה מאוד לא יעילות, הצליחו להיות עצומים. לשפיריות היו מוטות כנפיים של שלושה מטרים. לדו-חיים – צפרדעים וכאלה – יש ריאות לא יעילות, והם הצליחו להיות גדולים כמו שולחנות אוכל.

כעת התרחש מצב מסוכן מכיוון שרמות החמצן עלו מדי שנה והן עשויות להיות כעת על 35 אחוזים. עם ליגנין שאינו ניתן לעיכול, אין שום דבר שמונע ממנו להמשיך לעלות. מעבר ל 40% חמצן מכת ברק תגרום לכל האטמוספירה להתלקח, וכל הניסוי של החיים על כדור הארץ יסתיים. במשך מיליון שנה רמות החמצן ממשיכות לעלות. לבסוף, יש תא פטרייתי גאוני אחד שמתעורר באמצע הלילה וחושב, "יש לי את זה!" במשך כל 100 מיליון השנים הללו, מאז המצאת הליגנין, החיידקים ניסו ללעוס אותו, ופשוט לא הייתה להם את היכולת לעשות את זה: זה קשה מדי והם היו רכים מדי. אבל נבגי הפטריות הבינו מה עליהם לעשות. הם נאלצו למסור אנזים כימי מיוחד הממיס את הליגנין ומפרק אותו לחלקים קטנים יותר חיצונית. וכך המציאו ריקבון יבש.

תהליך הריקבון מושך חמצן מהאטמוספרה וקושר אותו לפחמימנים, ומשחרר כתוצאה פחמן דו חמצני (CO2) ומים (H2O). זה מה שקורה כשעץ נשרף (חמצון מהיר מאוד), כשאנחנו מעכלים מזון (חמצון מתון), וכשחומר אורגני מתפורר (חמצון איטי).

לאחר שהובן סוד אופן החמצון של ליגנין, נבגים פטרייתיים וחיידקים החלו לפרק את כל העץ המת שעדיין לא היה מאובן, תוך שימוש בחמצן תוך כדי כך, וכך החמצן באטמוספירה החל לרדת במהירות. זה עבר משיא של מעל 30 אחוזים בתקופת הפחמן (לפני 300 מיליון שנה) לסביבות 12 אחוז בסוף התקופה הפרמית (לפני 250 מיליון שנה). אלה היו חדשות רעות לרוב החיים על פני כדור הארץ, מכיוון שהם התמכרו לרמת החמצן הגבוהה באופן חריג. תשעים וחמישה אחוזים מכל החיים על פני כדור הארץ מתו, נחנקים מאטמוספירה דלה בחמצן. זה היה אירוע ההכחדה הגדול ביותר בתולדות החיים על פני כדור הארץ.

חלק מחמשת האחוזים מצורות החיים שהצליחו לשרוד, בפיתוח אבולוציוני שלקח כמה מיליוני שנים עיצבו את הדבר המסובך מאוד הזה, מערכת ריאות עם נקודת כניסה ונקודת יציאה, עם עצמות חלולות ושקי אוויר לאחסון זמני של חמצן מהאוויר. זה היה יעיל במיוחד בהשוואה לכל מערכת ריאות קודמת ועשה שימוש מיטבי בחמצן המוגבל.

בעלי החיים שקיבלו את המתנה הזו מהאבולוציה היו הדינוזאורים. הריאות החדשות שלהם היו יעילות כל כך, שכאשר רמות החמצן התגנבו לאט לאט עד 20 אחוזים בעשרות רבות של מיליוני השנים הבאות, דינוזאורים הצליחו להגיע לגדלים אדירים. הריאות הסופר-יעילות של דינוזאורים רבים יכולים להעביר חמצן לכל חלק בגופם המסיבי. והעצמות החלולות סייעו להפחתת משקלם הכללי. וכאשר העופות התפתחו מהדינוזאורים הם הצליחו לעשות שימוש טוב מאוד במערכת הריאות היעילה ביותר הזו. אז זה הסיפור כיצד הדינוזאורים גדלו כל כך, ולמה אווזי הבר יכולים לעוף מעל ההימלאיה!

אך זה לא סוף הסיפור. כי יום אחד נכנס לתמונה פרימאט חכם מאוד, או כך לפחות הוא החשיב את עצמו, והכוונה היא שזה אנו בני האדם. לפני כ – 400 שנה מצא אותו פרימאט גאון שהוא יכול לחפור מתחת לפני האדמה ולחלץ את הליגנין המאובן הזה, שהפך לפחם ולשרוף אותו כדי לשחרר את האנרגיה שנלכדה כשהופקדה שם לראשונה. זה אפשר לציביליזציה לצמוח בקצב פנומנלי. זה היה סיפור הצלחה משמח פעם. עכשיו זה התחיל להיות בעיה גדולה.

תשעים אחוז מכל הדלקים המאובנים – פחם, נפט, גז – שאנו שורפים היום הופקדו בתקופות הדבונית, הפחמנית והפרמית. כל אותו פחמימן משוחרר כעת לאטמוספרה. כל הציוויליזציה שלנו מבוססת על שריפת דלקים מאובנים, שהיא תוצאה של מבנה הליגנין, וחוסר יכולתם של מיקרואורגניזמים – חיידקים ופטריות – מהעבר הרחוק מאוד לפרק אותו. מה שמביא אותנו לבעיה הגדולה שלנו. על ידי שריפת כל הדלקים המאובנים הללו אנו משחררים פחמן דו חמצני לאטמוספירה בקצב מהיר פי 500,000 מכפי שהופקד מלכתחילה. זה גורם לאטמוספירה של כדור הארץ להתחמם כל כך מהר עד שהיא תפגע בקרוב, אולי אף בצורה קטלנית, כפי שאנו כבר יכולים להיות עדים לתהליך ההרסני.

אלא אם כן, הציוויליזציה שלנו תגלה פתרון. ואם לא נפתור זאת, אז האבולוציה כדרכה תפתור זאת במקומנו, ותמצא את הנוסחה הנכונה, אבל אז כבר לא בטוח שנהיה בצד הנכון של המשוואה.

אז זה המקום שאנחנו נמצאים בו עכשיו. ולוואי שנשכיל לעבוד באותה המעבדה עם כוחות הטבע האדירים, ולא חלילה כנגדם. לחיי האבולוציה!

שלכם, ריקי שחם.