יחסי רדפילד

מתוך אנציקלופדיה, המכון למדעי כדור הארץ, האוניברסיטה העברית

קפיצה אל: ניווט, חיפוש

יחסי רדפילד אלו יחסים סטוכיומטריים בין פחמן, חנקן,זרחן וחמצן C:N:P:O 106:16:1:135 , בהתאמה.

תוכן עניינים

היסטוריה

אלפרד קלרנס רדפילד(Alfred Clarence Redfield-1890-1983) היה אוקיאנוגרף שפרסם במאמרו בשנת 1934 את הקשר ההדוק בין היסודות האלו, לאחר שאסף דגימות רבות מאזורים ומעומקים שונים באוקיינוס של ביומסה. התרומה של יחס זה לחקר האוקיינוס היא עצומה, מכיוון שהוא מרחיב לנו את התמונה לגבי המחזורים הביוגיאוכימיים והתהליכים השולטים בהם באוקיינוס. בשביל להבין מחזורים אלו עלינו להסתכל על המרכיבים העיקריים (פחמן, חנקן, זרחן וחמצן) ולראות את היחסים בינם לבין עצמם בתוך חומר אורגני ואי אורגני. רדפילד תחילה מדד את היחס בין חנקן לזרחן,N:P, בתוך חומר אורגני באוקיינוס. רדפילד מדד בעומקים שונים והשווה עם אזורים אחרים באוקיינוס. מתוך המדידות עולה כי ריכוז החנקן:זרחן הוא 16:1, בהתאמה. כלומר על כל 16 מול חנקן ישנו מול זרחן 1. יחס זה נשאר קבוע ברחבי האוקיינוס בייחוד במים העמוקים. מכאן רדפילד וחוקרים נוספים קיבלו כבר את היחס המלא בין ארבעת היסודות C:N:P:O 106:16:1:135.

מכניזם או מזל?

המסקנה של רדפילד לגבי יחס זה הייתה, שהוא אינו אקראי ושיחס זה נובע מפני שלחיים "נוח" שאלו יהיו היחסים. הוא הגיע למסקנה זו מתוך הסתכלות על אותם יסודות שמכילים הניוטריאנטים האי אורגניים במי הים. כאשר בוחנים יחס ניטראט:פוספט במי האוקיינוס מגלים יחס דומה של 15:1, בהתאמה. הדמיון ביחסים הקבועים נשמר בין החומר האורגני לאי אורגני גם בשל העובדה שזמן השהות של חומרים אלו הוא כ-10,000 שנה ובעוד זמן הסירקולציה של מי האוקיינוס הוא כ-1,000 שנה. עוד עובדה שתמכה במסקנה זו היא שיסודות אלו הם חלק מששת היסודות העיקריים בהרכבת כל תא חי (זרחן, חמצן, חנקן, מימן, פחמן וגופרית), לכן לחיים יש אינטרס לשמור על היחסים הנוחים האלו קבועים למרות שהמקורות והתהליכים שעוברים חומרים אלו שונים זה מזה. אין זה מן הצפוי שהחומר האורגני יישמר ביחס קבוע אם  כל אחד מגיע ממקורות שונים אל הים אשר משתנים בקצבים שונים. פחמן מגיע מהאטמוספרה וחלקו מהביוספירה, חנקן גם בעיקרו מהאטמוספירה וזרחן מהיבשה בעיקר מנהרות. בנוסף התהליכים שעוברים יסודות אלו בגוף החי שונה מאחד לשני. פחמן עיקרי לחלבונים ול-,DNA זרחן מצוי בפוספוליפידים שמרכיבים את קרום התא וב-ATP וחנקן נמצא בכלורופיל ובחומצות אמינו.הסיבה להיווצרות יחסי רדפילד קבועים כאשר מסתכלים בממוצע גדול ברחבי האוקיינוס עדיין לא ברורה לחלוטין, אולם הרעיון שהחיים הם גורם עיקרי ביצירת תנאים אלו הוא הדעה הרווחת אצל רוב המדענים בתחום. מתוך כך יש המניחים כי יחסי רדפילד אינם קבועים בסקאלת זמן גיאולוגית, מכיוון שבסקלה זו משתנים צרכי החיים ואיתם גם היחסים הנוחים להם למחייה.

שימושים

  • יחסי רדפילד מאפשרים לנו ללמוד רבות על שני התהליכים הדומיננטים שמקשרים בין החומר האורגני לאי אורגני, יצרנות ראשונית(פוטוסינתזה) ויצרנות שניונית(נשימה),מתוך כך להשפיע על מחזור החומר באוקיינוס הכולל שקיעה של חומר אורגני והרמת חומר אי אורגני. בתהליך הפוטוסינתזה יש קיבוע של חומר אי אורגני לסוכר(חומר אורגני) ע"י אנרגיית השמש ובתהליך זה משתחרר חמצן. נשימה היא התהליך ההפוך בדיוק. ניתן ללמוד רבות בעזרת יחסי רדפילד על קצבי התהליכים הללו ומתוך כך להעריך צריכה של חומרים במים רק ממדידה של חומר אחר. בממוצע גדול תהליך הפוטוסינתזה-נשימה מתאזן כך:                                                                                                                        106CO2 +122H2O + 16HNO3 +H3PO4 = 106(CH20)16(NH3) (H3PO4) + 138O2
  • בנוסף יחסי רדפילד מאפשרים לנו להבין מי הוא הנוטריאנט המגביל בסביבת המדידה שלנו. בגרף הנ"ל קיבלנו את היחס בין N:P ומכיוון שהגרף נחתך בציר הפוספט(X) ניתן להבין שחנקן הוא הנוטריאנט המגביל, בנוסף כאשר היחס בין הנוטריאנטים יסטה מיחסי רדפילד ה"אופטימליים" נדע להגיד האם מקום המדידה הינו מגביל בחנקן או זרחן. ככל שהשיפוע ילך ויחריף המערכת תהיה יותר מוגבלת זרחן.
  • יחסי רדפילד ניתנים להרחבה לעוד נוטריאנטים בים ובכך לקבל מידע על השפועתיהם על הסביבה.

בעיות

  • יחסי רדפילד הינם יחס של ממוצע כולל וזה לא תמיד יתאים עם מקרים פרטניים.כאשר רדפילד פרסם את מאמרו ב-1934 היו גם התנגדויות שנבעו מכך שישנן עדויות לאורגניזמים שחיים תחת תנאים מגבילים של זרחן או חנקן, ולא מתקיים בהם יחסי רדפילד אידיאליים. בים התיכון לדוגמא, קיים יחס חנקן זרחן של 23,28:1 (תלוי בעומק המדידה). ניתן לראות שהים התיכון נמצא בעודף חנקן או בחוסר זרחן יחסית ליחסי רדפילד אופטימאליים. כלומר הפיטופלנקטון שגדל באזורים אלו מכיל יחס שונה.
  • האנליזה של יחסי רדפילד אינה מכילה ניוטריאנטים אורגניים מומסים. ניוטריאנטים אלו זמינים לחלק מהביוטה ולכן הם משפיעים על כל מעגל החומר האורגני באוקיינוס.
  • חשוב לדעת שקיימות עוד מגבלות מלבד הנוטריאנטים שיכולות להשפיע לנו על צריכתם ועל היצרנות הראשונית.לדוגמה אור ועמוק שכבת הערבוב.
  • יחסי רדפילד נשענים על תהליכי יצירת חומר אורגני ופירוקו, אך בפועל ישנם תהליכים אחרים אשר הונטריאנטים עוברים שגורמים להם לסטייה מיחסים אלו.למשל:דה-ניטריפיקציה של נתרן,כלומר, הפיכת חנקן בצורת ניטריט או ניטראט לחנקן גזי, אשר לא זמין לביוטה.

רדפילד עצמו היה מודע לבעיות אלו ולא נתן לכך הסבר.

כך או כך, עד היום לא הובא הסבר המפריך את האחידות הגלובלית שיחסי רדפילד מראים ולכן הם משמשים ככלי חשוב להבנת המחזורים הביוגאוכימיים ,להבנת קצבי ריאקציות באוקיינוס ולחישוב שטפי החומר האורגני והאי אורגני בים.

נושא זה נחקר במכון למדעי כדור הארץ באוניברסיטה העברית בירושלים http://earth.huji.ac.il

כלים אישיים