איתי הלוי

זוכה פרס קריל 2016

ד"ר איתי הלוי (Itay Halevy)

מכון ויצמן למדע 

 

ההיסטוריה והתהליכים המניעים את הכימיה, הביולוגיה והאקלים בכדור הארץ מטרת העל במחקרי היא לפתח הבנה, שהיא באחת כללית ומפורטת דיה, של התהליכים החשובים באבולוציה הביוגיאוכימית והאקלימית של כדור הארץ וכוכבי לכת אחרים, בטווחי זמן שונים. לשם כך נדרשות בחינה מעמיקה של מאזני חומר ואנרגיה במערכות קיימות )למשל, מאזני שטף במחזורים ביוגיאוכימיים או מאזני אנרגיה פלנטריים(, והערכה מבוססת-תצפיות של איך ולמה מאזנים מעין אלו השתנו בזמן. גישת המחקר היא שילוב ניסויי מעבדה, תצפיות גיאולוגיות וגיאוכימיות, ומודלים כמותיים ברמות תחכום שונות לפתרון בעיות כימיות, ביולוגיות ואקלימיות הנובעות מבחינת הרקורד הגיאולוגי של ארבעת מיליארד השנים האחרונות בכדור הארץ ובמאדים. שילוב גישות זה כבר סיפק תובנות ייחודיות בטווח רחב של תחומים, החל ממחזור הגפרית של כדור הארץ לאורך העידנים, דרך האבולוציה האקלימית והגיאוכימית של מאדים ועד להתמיינות איזוטופים יציבים בעת פעילות מטבולית חיידקית. המשך המחקר יניב הבנה מנגנונית וכמותית של התהליכים המניעים מחזורים גיאוכימיים, פעילות ביולוגית ואקלים, והאופן בו תהליכים אלו משולבים זה בזה. ניתן לחלק את תכנית המחקר שלי לשלושה תחומים עיקריים:

 

1. הביוגיאוכימיה המשתנה של האוקינוסים והאטמוספירה בכדור הארץ: הרקורד הגיאולוגי הוא המאגר הסופי של שטפי חומר דרך סביבת פני השטח, וככזה הוא משמר עדויות לשינויים בתנאי סביבה קדומים, מיחזור ביוגיאוכימי של היסודות ואירועים בסדר גודל אזורי או עולמי (למשל, התחמצנות האטמוספירה לפני כ 2.5- מיליארד שנה, עידני קרח גלובליים לפני 0.6- 0.8 מיליארד שנה, וכו׳ ) עם זאת, עדויות אלו מפורשות לרוב באופן איכותני בלבד. בקבוצתי אנו משלבים ניסויים, תצפיות ומודלים להשגת הבנה כמותית של האבולוציה הביוגיאוכימית של סביבת פני השטח בכדור הארץ. שלוש דוגמאות למחקר מעין זה כוללות א( סינתזה נסיונית של מינרלים ברזליים בתנאים נטולי חמצן להבנת תהליכים במחזור הברזל הקדום, ב( שילוב תצפיות שדה, מדידות כימיות ואיזוטופיות ומידע סטרטיגרפי להבנת תהליך הדולומיטיזציה, שהוא גורם מכריע בקביעת ההרכב הכימי של מי הים, ו-ג( פיתוח מודלים מצומדים של מחזורים ביוגיאוכימיים של יסודות ראשיים )למשל, פחמן, חמצן, גפרית(, בשילוב מידע מניסויים ותצפיות, להבנת הקו-אבולוציה ארוכת הטווח של סביבת פני השטח, הביוספירה והאקלים בכדור הארץ.

 

2. מגבלות תיאורטיות ונסיוניות על אינדיקטורים לסביבות קדומות: מידע המקודד בטקסטורה ובהרכב הכימי והאיזוטופי של סלעים שופך אור על מגוון תופעות שאינן ניתנות לתצפית ישירה, כגון תנאי סביבה קדומים, הכימיה של האוקינוסים לאורך העידנים ופעילות ביולוגית קדומה. את המידע ניתן לפענח רק אם מבינים את התהליכים שגרמו להשתמרות האותות הנמדדים או הנצפים בסלעים. עם זאת, רבים מהאינדיקטורים המשמשים לפיענוח המידע בסלעים אינם מובנים ברמה הבסיסית, המנגנונית, ומעולם לא נבדקו ואושרו נסיונית באופן מעמיק ושיטתי. תחום עניין נוסף בקבוצתי הוא ביצוע מחקרים נסיוניים ותיאורטיים, המגובים בתצפיות שדה, להבנת התהליכים המשפיעים על אינדיקטורים מעין אלו, ומכאן לאישור ולעידון המידע הנרכש מבחינתם. שלוש דוגמאות למחקר בתחום זה הן א( בחינה נסיונית ותיאורטית של הפרדת איזוטופים יציבים של פחמן וחמצן בתגובות של מערכת הקרבונט בתמיסה ובעת היווצרות מינרלים קרבונטיים, ב ( שילוב שיקולים ביו-אנרגטיים וקינטיים עם עקרונות כימיה איזוטופית להבנת הפרדת איזוטופים יציבים של גפרית בעת חיזור מיקרוביאלי של סולפט, שהוא מטבוליזם אנאירובי מרכזי באוקינוס, היום ובעבר), ו-ג פיתוח מדידות איזוטופיות של חמצן בתחמוצות ברזל להבנת ההרכב האיזוטופי של מי האוקינוסים על פני ההיסטוריה של כדור הארץ – בעיה בסיסית ולא פתורה.

 

3. האקלים והגיאוכימיה הקדומים של מאדים: בנסיון לפתח הבנה כללית של מחזורים גיאוכימיים ואקלים פלאנטריים, מספק מאדים הזדמנויות ייחודיות. ראשית, במאדים עדויות ברורות לאבולוציה אטמוספרית, מאטמוספירה קדומה ומאסיבית בהרבה מזו הקיימת כיום, שאפשרה זרימת תמיסות מימיות על פני השטח לפני 3.5 מיליארד שנה ויותר, ועד לאטמוספירה המודרנית הדלילה והאקלים הקפוא והצחיח המלווה אותה. שנית, העדויות הגיאולוגיות שמורות בצורה יוצאת מן הכלל בשל היעדר טקטוניקת לוחות במאדים ובשל קצבי בלייה איטיים מאד תחת האטמוספירה הדלילה. שלישית, היעדר פעילות ביולוגית מאפשרת לחקור תהליכים אביוטיים, שבכדור הארץ ממוסכים לגמרי על ידי הביולוגיה, ושייתכן והיו חשובים בכדור הארץ הקדום. שתי דוגמאות למחקר בתחום זה הן א ( שילוב שיטות מתקדמות לאנליזה איזוטופית של מינרלים קרבונטיים ממטאוריט בן 4 מיליארד שנה ממאדים, עם מודלים של התמיינות איזוטופים בעת אובדן אטמוספרי, להבנת

 

האבולוציה האטמוספרית ארוכת הטווח של מאדים, ו-ב ( פיתוח מודלים אקלימיים לבדיקת ההשפעות של אבק ושל התפרצויות געשיות בעוצמה גבוהה על האקלים הקדום במאדים, שאפשר זרימת מים בפני השטח, בשונה מהיום.

זוכי פרס קריל

// order posts by year $posts_by_year;