הסודות שמתחת לאדמה: חקר השורשים עושה קאמבק

בדומה להיום, גם בתחילת המאה ה־20 חשש העולם ממחסור דרמטי במזון. התחזיות הקודרות התבססו אז על התיאוריה של הכלכלן והדמוגרף תומר רוברט מלתוס, אשר טען כי אוכלוסיית העולם נוטה להכפיל את עצמה בטור הנדסי, בעוד ייצור המזון בעולם מסוגל לצמוח רק בטור חשבוני. כלומר, הפער בין צריכה לאספקה של מזון לעולם ילך ויגדל. 

● לאכול סרטים זה רע? החוקר שגילה את חשיבות השיחות שלנו עם עצמנו 
● מחקר: התמותה מקורונה בעולם הייתה גבוהה פי 2.7 מכפי שהוערך תחילה 
● חשיפה: אלה 10 הסטארט-אפים המבטיחים של גלובס לשנת 2022 

עם זאת, משנות ה־40 ועד ה־60, חלה "המהפכה הירוקה" - רצף מהיר של התפתחויות טכנולוגיות שהובילו לשפע המזון ממנו נהנה העולם (מי שיכול להרשות לעצמו) בעשורים האחרונים. כיום, השפע הזה נמצא שוב בסכנה. "הטכנולוגיה של שיפור המזון הגיעה לפלאטו, ושוב תפוקת המזון אינה צומחת", אומר פרופ' שמעון רחמילביץ', מהמכון לחקלאות וביוטכנולוגיה, המכונים לחקר המדבר ע"ש בלאושטיין, אוניברסיטת בן גוריון. "המהפכה הירוקה הראשונה הובילה לגידול משמעותי ביבול של מינים שונים, אבל ההתקדמות הזו לא ממשיכה היום". אולם, יש מקום לתקווה. זאת, משום שהמהפכה הירוקה הדגישה רק את מה שמעל הקרקע.

עולם המחקר הזניח את השורשים במשך שנים

"החצי החבוי", כפי שמכנה רחמילביץ' את מושאי המחקר שלו, השורשים, עדיין כמעט ולא טופל על ידי המחקר החקלאי.

"לאחר שלפני עשור כמעט ולא ניתן היה לראות בכתבי העת של מחקר החקלאות עבודות הקשורות לשורשים, עכשיו זה משתנה - ובגדול", אומר רחמילביץ'. ייתכן כי החצי הזה דווקא כולל את המפתח ליותר מחצי מאיכות חיי הצמח והיכולת שלו לייצר מזון. לכן, מדבר רחמילביץ' על המהפכה הירוקה הראשונה, והוא מצפה לעוד אחת. רחמילביץ' הסביר את הדברים בכנס המדבור הבינלאומי שהתקיים בסוף נובמבר במכונים לחקר המדבר באוניברסיטת בן גוריון.

מדוע הוזנח חקר השורשים עד כה? נראה די ברור שהצמח עומד על שורשיו.
"מהסיבה הפשוטה שלא רואים אותו. המבט תמיד הלך אל היבול, ורוב היבול הוא קרקעי - למעט ירקות שורש".

מה שקבור מתחת לאדמה, רחוק מהעין ולרוב לא יקבל את תשומת הלב המחקרית. לא רק מתוך הזנחה, אלא גם כי זה מסובך יותר. בגזע או בעלה אפשר להתבונן ולגעת, אבל איך בוחנים שורש בעת צמיחתו בתוך האדמה מבלי להפריע לו ובעצם להרוס את התופעה שאותה רוצים לחקור? זה נשמע על פניו פשוט, אך במחשבה שנייה - בלתי אפשרי. בשנים האחרונות התפתחו מכשירים לחקר שורשים בתוך הקרקע, אפילו מכשירי MRI לצמחים (הם צריכים להיות בנויים לגובה, במקום במנח שוכב), מצלמות בתוך הקרקע, חיישנים בתוך הקרקע, ועוד. כך ניתן להתחיל לגלות חלק מן הסודות שמסתירים הצמחים מתחת לאדמה.

"אם בעבר כל תשומת הלב ניתנה להגדלת היבול, הרי שהיום אנחנו יודעים שאם היבול גדול, בדרך כלל השורשים הם קטנים. למשל, השורשים של תירס הבר הרבה יותר גדולים מאלה של התירס המתורבת. הטיה כזו עלולה בתנאים מסויימים להזיק לצמח, בגלל כל התפקידים החשובים שהשורש ממלא".

וזה לא היה ידוע עד לאחרונה?
"אם חקרו שורשים, זה היה בעיקר בהקשר של יציבות הצמח, של עמידות בפני עקה, בפני מחלות. אבל שורשים הם הרבה יותר מזה".

צ'ארלס דרווין האמין שלצמח יש מוח קטן

כשרחמילביץ' מדבר על "יותר מזה", הוא מתייחס לעולם שלם שגלום בתוך השורש. "צ'ארלס דרווין האמין שלצמח יש מן מוח קטן בקצה של השורש, באמצעותו הוא חש את סביבתו ונע לכיוון משאבים", אומר רחמילביץ'. "עם השנים מסתבר שזה לא מדוייק, אבל גם לא לגמרי בלתי נכון".

השורשים אחראים להפיק עבור הצמח כל חומר שהוא צריך מהסביבה מלבד הפחמן, הנקלט בעלים. סידן, חנקן, חמצן ואשלגן - כולם מגיעים אל השורש. וזו, אגב, הדרך היחידה שבה רוב המינרלים הללו מגיעים גם אלינו. דרך השורש, דרך הצמח.

עם זאת, אף יותר מעניין הוא התפקיד של השורש ביחסי הגומלין של הצמח עם סביבתו. "השורש משפיע על הקרקע, אבל גם מאוד מושפע ממנה. שורשים באדמת לס לעומת חרסית, יודעים לצמוח במבנה אחר וגם לתפקד בצורה אחרת, מבחינת החומרים שהם סופחים אליהם".

כיצד השורש חש באיזו אדמה הוא נמצא? ומתי בדיוק הוא מקבל את ה"החלטה" לצמוח בצורה מסויימת משום שהוא באדמת לס? האם זה קורה בכל מפגש של שטח הפנים שלו עם האדמה באופן נפרד, או שיש לו מעין חיישני סוג אדמה אשר "מבינים" זאת פעם אחת - ונותנים הוראה למרכז הפיקוד של הצמח כיצד על השורשים לצמוח? את זה אנחנו עוד לא יודעים.

החלפת חיידקים עשויה לשנות את ניצול המים

או, למשל, יש לו יחסי גומלין עם חיידקים בסביבתו, ברמה שהחלפה של שני חיידקים באדמה יכולה לשנות משמעותית את יעילות ניצול המים של השורש, או את העמידות שלהם בפני טמפרטורת קיצון. אלה תופעות מורכבות שעובדות בשורשים מסויימים ובאחרים לא.

אולי הדבר המעניין ביותר שהשורשים עושים הוא לזהות את השכנים שלהם. "לכל צמח יש כמה שורשים, כמו ידיים. אנחנו יודעים, במידה מסויימת, איך יד אחת של אדם יודעת אם היא נוגעת ביד השנייה של אותו אדם או ביד של מישהו אחר. יש לנו חוש מישוש, ויש לנו חוש שיודע היכן האיברים שלנו במרחב, אבל האם צמחים יודעים גם הם להבדיל בין שורש עצמי ללא עצמי?"

מסתבר שהשורשים יודעים לזהות זאת, ונוכחות של שורש אחר משפיעה על התפקוד שלהם. "בניסוי שערכנו גידלנו אפונים לבד או עם אפונים נוספים. חשוב לדעת לצורך הסבר הניסוי, שהשורשים גם 'נושמים'. כלומר, הם לוקחים חמצן מן הקרקע, שורפים באמצעותו סוכרים ויוצרים אנרגיה ושלדי פחמן לבנייה של המשך הצמח. כמובן, הצמחים גם מייצרים חמצן באמצעות פוטוסינתזה, אבל הם גם צורכים קצת חמצן. זו בעצם הסיבה שבגללה לא כדאי להציף צמח במים. כך פוגעים ביכולת של השורש לצרוך את החמצן".

כשצמח גדל עם שכן, הוא נושם 30% יותר מלבד

מסתבר כי כאשר הצמח גדל עם שכן, הוא נושם 30% יותר מאשר כשהוא נמצא לבד. "מדוע? אנחנו חושבים שאולי הצמח נמצא בסוג של סטרס כשהוא בחברה, ואומר - אולי אני אצור יותר אנרגיה, וזה ישמש אותי בעתיד. אולי לתחרות".

אפשר לדמות זאת לאדם שמודע לסביבתו, ומתנהג אחרת כאשר הוא בחברה מאשר כשהוא לבד. "כשאנחנו רבים עם השכנים שלנו, אנחנו יכולים לעבור דירה. הצמחים לא יכולים לעשות זאת, ולכן הם צריכים להשתמש בסיגנלים שונים כדי להימנע מתחרותיות או להיערך לתחרות עתידית", אמר בעבר לעיתון הגרדיאן החוקר ולדימיר ניקוביק מאוניברסיטת אופסלה בשוודיה.

מדוע הם נדרכים בקרבת שכנים? מה הם חוששים שיקרה להם?
רחמילביץ': "אני לא רוצה להאניש אותם יותר מידי, אני שואל - האם שינוי התנהגות כזו נותן יתרון תחרותי? בינתיים זה לא לגמרי ברור, אבל אנחנו כן רואים שכאשר הם נמצאים עם שכנים, יש שינוי בביטוי הגנים שלהם, כך שהם מייצרים יותר חומרי הגנה. נראה שכשהם פוגשים שכנים, הם אכן דרוכים יותר. ההגנות הללו שנוצרות כשיש שכנים בסביבה, אכן עוזרות אם על כל הקבוצה נופלים תנאי עקה, למשל אם המליחות של הקרקע עולה".

אצל בני אדם, רמת הדריכות שלנו תלויה גם בשאלה מיהו השכן שנמצא לידנו. האם זה נכון גם בצמח?
"החלטנו לבדוק האם רמת הנשימה מושפעת מהיחסים בתוך המשפחה. בחרנו שני מינים ממשפחת הסולניים - עגבנייה ופלפל, ומבין העגבניות בחרנו עגבניות שרי וגם שדה. וכך שתלנו במרחבים שונים: שרי לבד, שרי עם שרי, שרי עם עגבניית שדה, או שרי עם פלפל".

  

רמת הנשימה מושפעת מהקרבה המשפחתית

האם רמת הקרבה המשפחתית תשפיע על רמת הנשימה? מסתבר שכן. "בכל אחד מהמקרים, כשצמח נמצא לבד הוא נושם פחות. כשהוא עם שכן, הוא נושם יותר, וככל שהשכן הוא מקרבה משפחתית רחוקה יותר, כך קצב הנשימה עולה - וזה היה נכון לכל הצמחים שבדקנו". עם זאת, לא כל ההשפעות דומות. "מבחינת גודל השורש, כאשר עגבניית שרי הייתה עם שכנים, השורשים שלה היו ארוכים יותר. פלפל, לעומת זאת, גדל פחות טוב עם שכנים".

אנחנו יודעים איך השורשים מזהים את השכן?
"אנחנו רואים שהשורשים מפרישים חומרים שונים בתגובה לנוכחות של שכנים שונים. באופן כללי, בנוכחות שכנים, תכולת החלבונים גבוהה יותר, ותכולת החנקן נמוכה יותר. לא מולקולה אחת משתנה, אלא יש כנראה שילוב מסויים".

לדבריו, לא ידוע אם הם מפרישים את החלבונים האלה כדי לתקשר את זהותם, או שהם תופעות לוואי של הנשימה המוגברת. "הייתי רוצה לומר שהשרי או הפלפל יודע מי נמצא לידו לפי החומרים האלה, אבל זה עדיין לא הוכח. אנחנו כרגע לא יודעים איך השרי יודע מה יש לידו".

העתיד נמצא בהרכבות המתוחכמות יותר

השלב הבא, אומר רחמילביץ', הוא הרכבות. "שורש פלפל עם נוף של שרי, לאיזה שכן הוא מגיב וכיצד? כך נדע האם הסיגנל הוא מהשורש, או מהצמח כולו".

רק עם התפתחות מחקר השורשים, הובן עד כמה הם מורכבים - ולכן עד כמה אנחנו לא יודעים בקשר אליהם, וכן כמה מורכב עומד להיות המחקר. "מלבד העובדה שהם אוספים מידע וכנראה גם משחררים מידע מול המון גורמים בבת אחת, יש גם הבדלים בין השורשים. יש היררכיה של שורשים, סדר ראשון, שני ושלישי, ולשורש מכל סדר יש גם תפקידים שונים. חלק מהשורשים מתחלפים יותר מהר מאחרים, והתפקידים של השורש מושפעים גם מהגיל שלהם".

נראה כי יידרשו מערכות של ביג דאטה ולמידת מכונה, כדי למדל שורש על כל מורכבותו ולהתחיל ללמוד את תפקודו.

מחקר השורשים משליך על המאבק במשבר האקלים 

למחקר השורשים מתגלה חשיבות רבה במסגרת ההתמודדות עם משבר האקלים, מכיוונים שונים ומגוונים. למשל, כולנו יודעים שצמחים עוזרים להתמודד עם משבר האקלים, אך גם פה - זה מורכב.

"אין ספק שצריך להפחית את רמות הפחמן הדו־חמצני באוויר, ואין ספק שבני האדם אשמים בכמותו, שעולה מאז המהפכה התעשייתית", אומר פרופ' שמעון רחמילביץ', ממכון יעקב בלאושטיין לחקר המדבר באוניברסיטת בן גוריון. "אנחנו גם יודעים שצמחים צורכים פחמן, אבל מה הם עושים איתו? אנחנו רוצים שהם יכניסו אותו לתוך הקרקע, ולא שיפלטו אותו לאוויר. אם עלה נופל על הקרקע, הפחמן שבתוכו נשאר בסירקולציה. מהבחינה הזו, העמקה של שורשים לתוך הקרקע היא חשובה יותר".

לדבריו, בזכות השורשים, כרגע עד מחצית מהפחמן נקברת מתחת לקרקע. "ההשפעה של התהליך הזה על משבר האקלים היא קריטית", הוא מסביר.

אך זה הפוך מהאינטרס של רוב החקלאים, שרוצים שהאנרגיה תושקע בעלים או פירות.
"נכון, וזו דילמה האם להכניס את הממד הזה לחקלאות או לא. אולי אפשר לתגמל חקלאים שהצמח שהם מגדלים קובר יותר פחמן. בנוסף, אם יש יותר Co2 באוויר לכאורה הצמחים נהנים ומשגשגים, אבל ייתכן שהם גם מתאימים את עצמם למצב הזה. ואז, עם הזמן - רמות ה־CO2 הגבוהות יובילו דווקא להיווצרות צמחים עם פחות חלבונים וריכוז נמוך יותר של מינרלים רצוניים".

משבר האקלים משפיע מאוד על המידבור, מציין רחמילביץ'. "לרכיב המידבור של משבר האקלים אין יחסי ציבור חזקים מספיק", נאנח רחמילביץ'. מידבור פירושו פגיעה בקרקע באופן שלא מאפשר גידול של צמחים. זו עשויה להיות תוצאה של פעילות של בני אדם, של שינויי אקלים, או של תופעות גיאולוגיות, כאשר גם סביבות אורבניות יכלות להיחשב כמדבריות.

"40% מכדור הארץ נמצאים באזורים צחיחים ו־90% נתונים לסכנה של מידבור", הוא אומר. "שורשים מייצבים את הקרקע ושומרים על הקרקע. לכן, חשוב שתהליכים חקלאיים ייעשו בצורה שלוקחת בחשבון גם את הממשק בין השורשים לבין הקרקע".