אותם אטומים, שוב ושוב
כל אטום בגוף שלכם היה קודם במקום אחר. הפחמן שבשרירים שלכם היה לפני שנה בשדה חיטה או בפרה, ולפני כן באוויר. החנקן שבשיער שלכם אולי היה פעם בדינוזאור. יצורים חיים לא יוצרים אטומים חדשים; הם שואלים אותם מהאוויר, מהמים ומהקרקע, בונים מהם את גופם לזמן מה, ומחזירים אותם כשהם נושמים, מפרישים או מתים. הדרכים שבהן האטומים האלה עוברים שוב ושוב, דרך היצורים החיים והעולם שסביבם, הן מחזורי החומרים.
הסצנה עוקבת אחרי שניים מהיסודות החשובים ביותר לחיים במטר רבוע אחד של אחו, במשך שנה. פחמן הוא השלד של כל סוכר, שומן, חלבון וגדיל דנ״א. חנקן נמצא בכל חלבון ובכל גן. שניהם עוברים דרך האוויר, אבל בצורות שונות מאוד, והאחו צריך לפעול בדרכים שונות מאוד כדי להשיג אותם.
נסו את זה: צפו בשנה אחת, מ־1 במרץ ועד 1 במרץ הבא. באביב האטומים יורדים מהאוויר אל העשב כמו גשם; בסתיו הם נופלים אל הקרקע כשהעשב קמל; ובמשך החורף הם עולים חזרה אל האוויר. לחצו על עצירת התנועה כדי לעצור בעונה אחת.
פחמן: מהאוויר וחזרה אליו
כל אטום אפור באוויר הוא הפחמן של מולקולת פחמן דו־חמצני, עם שני אטומי חמצן אדומים. יש 72 כאלה, כי כל עמוד האוויר שמעל מטר רבוע אחד, עד קצה החלל, מכיל כך כ־1.8 kg פחמן, בריכוז של כ־420 חלקים למיליון.
באביב ובקיץ העלים קולטים פחמן דו־חמצני דרך נקבוביות זעירות ומשתמשים באנרגיה של אור השמש כדי לבנות ממנו סוכר, בפוטוסינתזה. הביטו באטום שיורד אל העשב: בדרך הוא משיל את אטומי החמצן שלו. בשנה אחת האחו הזה מוציא מהאוויר כקילוגרם פחמן מעל כל מטר רבוע, יותר ממחצית כל מה שיש מעליו. אילו שום דבר לא היה מחזיר אותו, האחו היה מרוקן את האוויר שמעליו מפחמן דו־חמצני בתוך שנתיים.
אבל משהו כן מחזיר אותו, ומיד. צמחים שורפים כמחצית מהסוכר שהם מייצרים כדי להפעיל את התאים שלהם, בנשימה תאית, ונושפים את הפחמן הזה ישר החוצה. השאר בונה עלים ושורשים. הארנב אוכל חלק מהעלים ונושף גם הוא את רוב הפחמן שבהם; מעט ממנו יוצא בגללים. בסתיו העשב קמל, והפחמן שבעלים שלו נופל אל הקרקע בתור עלים מתים.
המפרקים סוגרים את המעגל
עלה מת הוא מזון. פטריות, חיידקים, תולעי אדמה, קפזנבים ואקריות אוכלים אותו, וכמו כל יצור חי אחר הם נושפים את רוב הפחמן שבו בתור פחמן דו־חמצני. אלה המפרקים, ורוב עבודתם נעשית בחודשים הרטובים, ככל שהחום מאפשר. בסצנה כ־70% מהפחמן שהם אוכלים חוזר לאוויר, והשאר הופך לרקבובית (הומוס), החומר הכהה והפירורי שצובע את החלק העליון של הקרקע, ואותה הם אוכלים בתורם, לאט יותר. פטריות מראה איך החוטים של פטרייה מפרקים עלה.
בסוף השנה החשבון מתאזן. האחו הוציא מהאוויר כקילוגרם פחמן מעל כל מטר רבוע והחזיר את אותה כמות, דרך העלים, הארנב והמפרקים. בכל מאגר, צמחים, עלים מתים ורקבובית, יש מה שהיה בו שנה קודם. אבל אלה לא אותם אטומים: הפחמן שבעשב עכשיו יצא מהאוויר השנה, והפחמן של השנה שעברה כבר עלה חזרה.
נסו את זה: הורידו את המפרקים עד 0 % וצפו בשנה עד סופה. העשב עדיין גדל וקמל, אבל שום דבר לא נרקב. העלים המתים נערמים לעובי כמעט כפול, ושליש קילוגרם של פחמן שנלקח מהאוויר לא חוזר אליו. עכשיו העלו את המפרקים עד 200 %: המפרקים מכרסמים גם ברקבובית, והקרקע מחזירה לאוויר יותר פחמן ממה שהעשב קלט.
כך ביצות כבול וקרקעיות היער העבות והקפיציות של אזורים קרים אוגרות פחמן: במקום שבו הריקבון איטי מהצמיחה, חומר מת מצטבר. הדלקים המאובנים שאנחנו שורפים הם אותו דבר בקנה מידה עצום, שרידים של צמחים ופלנקטון שנקברו לפני שהספיקו להירקב, ושריפתם מחזירה את הפחמן שלהם לאוויר בתוך מאות שנים במקום מיליוני שנים. הפחמן הדו־חמצני הנוסף הזה הוא מה שמחמם את האקלים.
חנקן: נמצא בכל מקום, וקשה להשיג
העבירו את עקבו אחרי לחנקן. ארבע חמישיות מהאוויר הן גז חנקן, כשמונה טונות ממנו מעל כל מטר רבוע, הרבה יותר ממה שאפשר לצייר. ובכל זאת צמחים לא יכולים להשתמש בו ישירות. כל מולקולה היא שני אטומי חנקן שמוחזקים בקשר משולש, מהחזקים בכימיה, ואף צמח או בעל חיים לא יכול לשבור אותו.
רק חיידקים מסוימים יכולים. בסצנה הם חיים בפקעיות הוורודות שבשורשי התלתן הלבן (1 עד 3 מ״מ, מצוירות בערך פי שלושה כדי שייראו), שם התלתן מזין אותם בסוכר והם הופכים גז חנקן לאמוניה שהצמח יכול לנצל. זהו קיבוע חנקן, ובגללו חקלאים זורעים תלתן, שעועית ואפונה כדי להזין את הקרקע. כאן הוא מכניס כ־5 גרם למטר רבוע בשנה.
אבל את רוב החנקן שהעשב משתמש בו מקבלים שוב מתוך האחו עצמו:
- אל הצמחים. השורשים קולטים חנקה, אטום חנקן עם שלושה אטומי חמצן, ואמוניום, אטום חנקן עם ארבעה אטומי מימן, מומסים במים שבקרקע, ובונים מהם חלבונים.
- דרך הארנב. הוא אוכל עלים, שומר מעט מהחנקן שבהם ומוציא את רובו בשתן, שהקרקע הופכת חזרה לאמוניום.
- אל הקרקע. לפני שעלה מת, הצמח מושך חזרה כ־40% מהחנקן שבו כדי להשתמש בו שוב באביב; השאר נופל עם העלים המתים.
- משתחרר שוב בריקבון. המפרקים אוכלים את העלים המתים ומשחררים את החנקן שבהם בתור אמוניום, ושומרים ממנו ברקבובית יותר ממה שהם שומרים מהפחמן.
- משתנה בידי חיידקים. חיידקים אחרים מסירים מהאמוניום את המימנים ומוסיפים חמצנים, וכך נוצרת חנקה. בקרקע רטובה סוג שלישי עושה ההפך מהחיידקים של התלתן, והופך חנקה חזרה לגז חנקן.
חנקה מתמוססת בקלות והקרקע לא מחזיקה בה, ולכן גשמי החורף שוטפים חלק ממנה מטה דרך הקרקע אל הנקזים, הנהרות והים. בשנה היציבה התלתן מקבע בדיוק כמו שבורח כך ובחזרה אל האוויר.
נסו את זה: כשעקבו אחרי על חנקן, הורידו את המפרקים עד 0 % והביטו בקיץ. כששום דבר לא נרקב, לא משתחרר אמוניום; עד אמצע הקיץ הקרקע מתרוקנת, והעשב מחוויר ומפסיק לגדול מוקדם, עוד לפני שהגיע לגובהו הרגיל. החנקן שהוא צריך כלוא בעלים המתים של השנה שעברה.
יותר מדי מדבר טוב
בני אדם מקבעים היום יותר חנקן מכל מקבעי החנקן הטבעיים ביבשה יחד. מאז תחילת המאה ה־20 תהליך הבר–בוש מייצר אמוניה מהחנקן שבאוויר בטמפרטורה ובלחץ גבוהים, לדשנים. הוא מזין כמחצית מבני האדם שחיים היום. אבל חנקה שהגידולים לא קולטים נשטפת לנהרות ולים, שם היא מזינה פריחות של אצות שנרקבות ומכלות את החמצן, וחלק ממנה בורח בתור תחמוצת דו־חנקן, גז חממה חזק.
נסו את זה: העלו את המפרקים עד 200 %. הריקבון משחרר יותר חנקה ממה שהעשב יכול לנצל, והעודף נשטף אל הנחל, כמעט פי שניים משנה רגילה. שדה שמקבל יותר דשן ממה שהגידול צריך דולף באותה דרך.
המעגלים הגדולים
המעגלים של האחו נמשכים שנה. המחזורים המלאים מגיעים רחוק הרבה יותר ונעים לאט הרבה יותר. פחמן מתמוסס באוקיינוסים, שמכילים בערך פי חמישים ממה שיש באוויר; שוקע בקונכיות של פלנקטון; ונכלא למיליוני שנים באבן גיר ובפחם, עד שהרי געש ובליה מחזירים אותו. למים, שנושאים את החנקה הלאה, יש מחזור משלהם, שמתואר במחזור המים. אותו רעיון עובר בכולם: על פני כדור הארץ חומר לא נגמר, הוא רק עובר ממקום למקום, והחיים תלויים בחלקים של כל מעגל שמחזירים אותו.
מה המודל משאיר בחוץ
האחו הוא מטר רבוע אחד עם ארנב אחד, מזג אוויר זהה בכל שנה וזרימות שנקבעות בקצבים פשוטים: הפוטוסינתזה עוקבת אחרי עונת הגידול, המפרקים עובדים מהר פי שניים על כל 10 °C של חום, וחנקה נשטפת עם גשמי החורף. הקצבים אופייניים לשטח עשבוני באקלים ממוזג, ולא נמדדו בשדה מסוים. המחוון מפרקים משנה רק את הקצב שבו חומר מת ורקבובית נרקבים; החיידקים שיוצרים חנקה ומפרקים אותה שומרים על הקצב הרגיל שלהם, והוא לא מראה מה היה קורה במשך שנים רבות, כשהקרקע הייתה מתייצבת לאט על איזון חדש. בכל סבב הסצנה מתחילה שוב מאותו 1 במרץ, כך שהיא מראה שוב את אותה שנה, ולא את השנים שהיו באות אחריה.
הסצנה מראה רק את החלק של הרקבובית שמתחלף בתוך כמה שנים. באחו אמיתי יש בקרקע פי עשרים ויותר פחמן, ורובו כלוא בה עשרות או מאות שנים. האוויר מצויר כאילו הפחמן הדו־חמצני שבו נשאר מעל האחו; במציאות הרוח מערבבת אותו עם האוויר שמעל כל כדור הארץ בתוך שנה או שנתיים. אחו אמיתי גם מאבד ומקבל כמויות קטנות בדרכים אחרות: חנקן מברקים ומזיהום שבגשם, ופחמן שמומס במים שמתנקזים ממנו.
כל אטום מייצג המון אטומים: אטום פחמן אפור אחד מייצג 25 גרם פחמן, כ־ אטומים אמיתיים, ואטום חנקן כחול אחד מייצג גרם אחד של חנקן. הם מצוירים עם השותפים שיש להם במאגר שבו הם נמצאים, אבל בצמחים, בארנב, בעלים המתים וברקבובית אטום אמיתי יושב בתוך מולקולה גדולה בהרבה, סוכר, חלבון או הסבך הכהה של הרקבובית, שהסצנה לא מציירת.