กำเนิดเจ้าตัวจิ๋ว ทฤษฎีพลิกโลกแห่งวงการวิวัฒนาการ

ดร.ประเสริฐ ปิ่นงาม (Ph.D., TREES-A NC)

วท.บ. สาธารณสุขศาสตร์ ม.มหิดล

จากความหลากหลายทางชีวภาพของจุลินทรีย์ซึ่งเปรียบเสมือนหัวใจหลักของการสร้างภูมิต้านทานโรค ทั้งในมนุษย์ สัตว์และพืช ในตอนที่ผ่านมา ทำให้ได้ทราบกันว่าตัวขับเคลื่อนที่แท้จริงในกระบวนการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตบนโลกใบนี้ก็คือเจ้าตัวจิ๋วๆหรือจุลินทรีย์นั้นเอง ถ้าจุลินทรีย์มีความหลากหลายระบบนั้นๆก็จะอยู่ร่วมกันอย่างสันติสุข แต่ถ้าสูญเสียความหลากหลายของจุลินทรีย์ระบบของสิ่งมีชีวิตนั้นก็จะเกิดการเสียสมดุลหรือเกิดโรคขึ้นมาได้ ดังนั้นการรักษาไว้ซึ่งความหลากหลายทางชีวภาพของจุลินทรีย์จึงเป็นหลักสำคัญของการดำรงชีวิตอยู่อย่างยั่งยืน แต่เนื่องจากมนุษย์เพิ่งเริ่มรู้จักโลกของจุลินทรีย์เมื่อไม่นานมานี้เอง โดยดูได้จาก การที่เราสามารถนำจุลินทรีย์ที่อยู่บนโลกใบนี้มาเพาะเลี้ยงในห้องทดลองได้จริงๆไม่เกิน 5% อีกมากกว่า 95% เราแค่รู้ว่ามีจริงแต่ไม่สามารถแยกเอามาเลี้ยงเพื่อศึกษาวิจัยในเชิงลึกได้ จึงทำให้เราได้แต่ใช้หลักการของความหลากหลายมาเป็นแนวทางปฎิบัติ

Lynn Margulis คืออัลเบิร์ต ไอน์สไตน์แห่งวงการชีววิทยา

นับตั้งแต่หลุยส์ ปาสเตอร์ คิดค้นวัคซีนสำเร็จในปี ค.ศ.1881 ความก้าวหน้าในวงการจุลชีววิทยาที่จะคิดค้นหรือค้นพบอะไรใหม่ๆก็ดูเหมือนกับว่าจะด้อยวงการฟิสิกส์หรือเคมี โดยเฉพาะด้านที่มีผลต่อองค์ความรู้ระดับโลก โดยการค้นพบทางด้านฟิสิกส์ที่ทำให้คนทั้งโลกเกิดการตื่นตัวมากที่สุดคือทฤษฎีสัมพันธภาพของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ โดยที่ไอน์สไตน์พยากรณ์ไว้ในปี ค.ศ. 1915 ว่าการเดินทางของแสงนั้นจะมีการโค้งงอได้ตามแรงโน้มถ่วงของจักรวาล ซึ่งบุคคลเบื้องหลังที่ทำให้อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์โด่งดังมาจนถึงทุกวันนี้ก็คือ Sir Arthur Stanley Eddington โดยที่ท่านเซอร์อาเทอร์ได้พิสูจน์ทฤษฎีสัมพันธภาพของไอน์สไตน์ว่าเป็นจริงในวันสุริยุปราคาปี ค.ศ. 1919 ซึ่งผลการทดสอบครั้งนั้นทำให้อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เป็นที่รู้จักของคนทั้งโลกและเปรียบเทียบว่าเป็นการล้มล้างกฎแห่งแรงโน้มถ่วงของเซอร์ไอแซค นิวตันอย่างสิ้นเชิง เหตุการณ์ลักษณะเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับวงการชีววิทยาเหมือนกันโดย Lynn Margulis

Lynn Marguris เป็นผู้หญิงชาวอเมริกัน เชื้อสายยิว เกิดวันที่ 15 มีนาคม 1938 โดยที่ในปี ค.ศ. 1967 ใน ขณะที่ Lynn Marguris ทำงานเป็นอาจารย์อยู่ที่บอสตันนั้นเธอได้เสนอขอตีพิมพ์บทความเรื่อง “On the origin of mitosing cells” ซึ่งพยายามอธิบายว่าไมโตคอนเดียและคลอโรพลาสที่อยู่ในเซลของโปรคาริโอตนั้นมีดีเอ็นเอหรือสารพันธุกรรมของตัวเอง ด้วยกระบวนการที่เกิดมาจาก Endosymbiosis หรือเป็นการฝั่งตัวเข้าไปอยู่อาศัยร่วมกันของสิ่งมีชีวิตต่างสปีชีส์กัน จึงทำให้ไมโตคอนเดียและคลอโรพลาสไปกลายเป็นองค์ประกอบส่วนหนึ่งของกลุ่มสิ่งมีชีวิตประเภทโปรคาริโอต ซึ่งก็คือกลุ่มสิ่งมีชีวิตหลายเซลทั้งหมด คนสัตว์และพืชเป็นต้น ซึ่งในช่วงแรกของการพยายามนำเสนอเพื่อขอตีพิมพ์นั้นถูกปฏิเสธจากสำนักพิมพ์ 15 แหล่ง เนื่องจากถูกประเมินว่าไม่มีความน่าเชื่อถือและยังถูกดูถูกต่างๆนานามากมาย แต่สุดท้ายก็ได้ตีพิมพ์ของ Journal Theoretical of  biology ซึ่งในระหว่างนั้นก็ถูกวิจารณ์อย่างหนักจากนักทฤษฎีสายหลัก จนกระทั่งใน  ปี ค.ศ. 1978 Robert Schwartz และ Margaret Dayhoff ได้พิสูจน์ว่าผลงานที่ Lynn Margulis นำเสนอนั้นเป็นเป็นความจริง โดยค้นพบว่าทั้งไมโตคอนเดียและคลอโรพลาสนั้นมีดีเอ็นเอที่เป็นของตนเองและแตกต่างไปจากดีเอ็นเอของเจ้าบ้าน ซึ่งการพิสูจน์การค้นพบครั้งนี้ทำให้ Lynn Margulis ได้รับรางวัลต่างๆมากมาย โดยมีนักประวัฒิศาสตร์เปรียบเทียบไว้ว่า Charles Darwin คือตัวแทนของคำว่า Evolution หรือวิวัฒนาการ ส่วน Lynn Margulis คือตัวแทนของคำว่า Symbiosis หรือการอยู่อาศัยร่วมกันและกัน ซึ่งถ้าจะเปรียบเทียบความยิ่งใหญ่ของทฤษฎี Endosymbiosis สำหรับนักชีววิทยารู้กันเป็นอย่างดีว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงองค์ความรู้ที่ได้ร่ำเรียนกันมาทั้งหมดเลยที่เดียว ในขณะที่ไอน์สไตน์ใช้เวลาแต่ 4 ปีในการพิสูจน์ทฤษฎี แต่ Lynn Margulis ต้องใช้เวลาต่อสู้ถึง 11 ปี เนื่องจากความเป็นผู้หญิง เพราะในช่วงนั้นนักวิทยาศาสตร์ผู้หญิงไม่เป็นที่ยอมรับ จึงถือได้ว่า Lynn Margulis เป็นผู้หญิงผู้บุกเบิกโลกวิทยาศาสตร์สาขาชีววิทยาและจุลชีวะที่ยิ่งใหญ่คนหนึ่งของโลก เพราะสิ่งที่เธอค้นพบทำให้ความเจริญก้าวหน้าในการศึกษาวิจัยด้านที่เกี่ยวข้องต่างๆอีกมากมายจนถึงปัจจุบัน

Endosymbiosis การอาศัยอยู่ร่วมกันภายในแบบยั่งยืน

ทฤษฎีของชาร์ล ดาร์วินประสบความสำเร็จในการอธิบายกระบวนการวิวัฒนาการที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงจากภายนอกเซล สิ่งที่ยังไม่สามารถอธิบายได้อย่างชัดเจนคือเรื่องของการเกิดขึ้นของสปีชีส์ใหม่ โดยชาร์ล ดาร์วินอธิบายไว้ว่าการเกิดขึ้นของสปีชีส์ใหม่เกิดขึ้นจากการกลายพันธ์ทางพันธุกรรมแบบสุ่มอย่างค่อยๆเป็นค่อยๆไป โดยที่แนวคิดนี้ไม่สามารถหาหลักฐานประกอบได้อย่างเป็นทางการจึงทำให้เรื่องนี้ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันมาอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งเกิดทฤษฎี Endosymbiosis  ของ Lynn Margulis ซึ่งสามารถให้คำตอบเรื่องนี้ไว้ได้อย่างชัดเจน โดยที่จุดเริ่มต้นของทฤษฎีนี้ต้องย้อนกลับตั้งแต่แรกเริ่มของการกำเนิดโลก

รูปแสดงเหตุการณ์สำคัญที่เกิดขึ้นตั้งแต่กำเนิดโลกจนถึงการเกิดมีสิ่งมีชีวิตหลายเซล

จากรูปแสดงเหตุการณ์สำคัญที่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตตั้งแต่แรกเริ่ม สามารถแบ่งเป็นช่วงเวลาตามหลักฐานของซากฟอสซิลที่ค้นพบได้ดังนี้

ยุคแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจน : ตามหลักฐานทางวิทยาศาสตร์พบซากฟอสซิลที่มีอายุอยู่ในช่วง 3,800 ล้านปีที่ผ่านมา โดยที่ในช่วงนั้นชั้นบรรยากาศของโลกยังไม่มีออกซิเจนจึงทำให้สิ่งมีชีวิตในช่วงแรกนั้นมีแต่แบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนเกิดขึ้น

ยุคของแบคทีเรียสังเคราะห์แสง : ตามหลักฐานที่ค้นพบคาดว่ากลุ่มของแบคทีเรียสังเคราะห์แสงหรือก็คือกลุ่มของไซยาโนแบคทีเรีย น่าจะมีอายุประมาณ 3,200 ล้านปีที่ผ่านมา ซึ่งแบคทีเรียกลุ่มนี้จะใช้แหล่งพลังงานจากแสงแดดมาผลิตเป็นน้ำตาลและได้ผลผลิตข้างเคียงออกมาเป็นออกซิเจนด้วย ซึ่งมีผลทำให้เกิดการสะสมของออกซิเจนในชั้นบรรยากาศมากขึ้นตามลำดับ ซึ่งออกซิเจนเป็นพิษโดยตรงกับแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจน จึงทำให้แบคทีเรียกลุ่มที่ไม่ใช้ออกซิเจนตายลงอย่างมาก ซึ่งนำไปสู่กระบวนการปรับตัวครั้งยิ่งใหญ่

ยุคแบคทีเรียที่ใช้ออกซิเจน : ตามหลักฐานคาดกันว่าน่าจะมีอายุในช่วง 2,500 ล้านปีที่ผ่านมา ซึ่งเชื่อกันว่าหลังจากที่บรรยากาศเต็มไปด้วยออกซิเจนก็เกิดมีการปรับตัวทำให้แบคทีเรียกลุ่มที่สามารถใช้ออกซิเจนเกิดขึ้นและกลุ่มนี้เป็นกลุ่มที่มีการดำรงอยู่ได้จนถึงปัจจุบัน

ผลของการเปลี่ยนแปลงทั้งสามยุคทำให้สามารถแสดงความแตกต่างระหว่างเซลแต่ละชนิดได้ดังนี้

ตารางแสดงความแตกต่างระหว่างโปรคาริโอต ยูคาริโอต ไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาส

จากตารางจะเห็นได้ว่าในช่วงเวลา 2500 ล้านปีถึง 1500 ล้านปีที่ผ่านมา เป็นช่วงเวลาของการวิวัฒนาการตามทฤษฎี Endosymbiosis โดยสามารถแสดงขั้นตอนได้ดังนี้

รูปแสดงการเข้าไปอยู่ในเซลของไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาส

หลังจากกำเนิดโลกต้องใช้เวลาประมาณ 800 ล้านปีจึงเริ่มมีสิ่งมีชีวิตชนิดแรกเกิดขึ้นเป็นแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจน และหลังจากนั้นอีก 600 ล้านปีจึงเกิดมีสิ่งมีชีวิตชนิดที่สองคือแบคทีเรียสังเคราะห์แสง ซึ่งผลผลิตที่ได้จากการสังเคราะห์แสงของกลุ่มนี้ก็คือน้ำตาลและออกซิเจน ซึ่งในส่วนของออกซิเจนนี้เองที่เป็นปัจจัยผลักดันให้เกิดสิ่งมีชีวิตชนิดที่สามซึ่งก็คือแบคทีเรียใช้ออกซิเจน โดยมีช่วงเวลาห่างกัน 700 ล้านปี

หลังจากสิ่งมีชีวิตชนิดที่สามเกิดขึ้นนี้เองที่ทฤษฎี Endosymbiosis เข้ามาอธิบายว่า กลุ่มสิ่งมีชีวิตกลุ่มที่สองหรือแบคทีเรียสังเคราะห์แสงกลายไปเป็นคลอโรพลาส (คลอโรฟิลอยู่ในคลอโรพลาส) ในเซลของโปรคาริโอตที่ใหญ่กว่า แล้วกลายเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลที่เป็นกลุ่มของสาหร่ายและพืชในปัจจุบันได้อย่างไร กับกลุ่มสิ่งมีชีวิตกลุ่มที่สามหรือแบคทีเรียที่ใช้ออกซิเจน (Aerobic bacteria) กลายไปเป็นไมโตคอนเดรียในโปรคาริโอตที่ใหญ่กว่าและกลายเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลของทั้งกลุ่มพืชและสัตว์ได้อย่างไร ซึ่งสิ่งที่เกิดขึ้นเป็นนั้นมันกระบวนการที่มีแรงผลักดันจากปัจจัยภายนอกเป็นตัวกำกับควบคุม ที่ทำให้สิ่งมีชีวิตเซลเดียวเอาจุดแข็งของสิ่งมีชีวิตต่างสปีชีส์กันมารวมและอยู่อาศัยร่วมกันเพื่อความอยู่รอดในระยะยาว ซึ่งถือได้ว่าทฤษฎีนี้มีหลักฐานประกอบที่ทำให้กระบวนการศึกษาเรื่องวิวัฒนาการและชีววิทยาเกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งยิ่งใหญ่ที่สุด โดยหลังจากจากนั้นนักวิทยาศาสตร์ยังมีการใช้การเปลี่ยนแปลงสารพันธุกรรมในไมโตคอนเดรียของคนเพื่อศึกษาย้อนกลับเรื่องเส้นทางการอพยพเคลื่อนย้ายถิ่นฐานที่อยู่ของมนุษย์ตั้งแต่สมัยโบราณอีกด้วย ซึ่งผลที่ได้ก็ทำให้เกิดความเข้าใจในเรื่องการย้ายถิ่นฐานอย่างแม่นย่ำมากยิ่งขึ้น จึงถือได้ว่าทฤษฎีของ Lynn Margulis เป็นอีกทฤษฎีที่ทุกคนต้องจำไว้เพราะว่าทฤษฎีนี้สามารถอธิบายโรคที่เกิดจากการบริโภคอาหารของปัจจุบันได้อย่างแม่นย่ำ ซึ่งเพียงแค่เข้าใจหลักการบ้างอย่างก็สามารถนำมาใช้ในชีวิตประจำวันเพื่อสร้างภูมิต้านทานโรคให้กับตัวเองได้เป็นอย่างดี

บทเรียนจากทฤษฎี Endosymbiosis

การเข้าไปฝั่งตัวของสิ่งมีชีวิตต่างสปีชีส์กันและกลายเป็นส่วนประกอบของเซลที่ทำงานร่วมกับอวัยวะอื่นๆตามทฤษฎีของ Dr.Lynn Margulis เกิดขึ้นมานานกว่า 2500 ล้านปีที่ผ่านมานั้น ปัจจุบันกระบวนการดังกล่าวก็ยังคงดำเนินต่อไปอย่างต่อเนื่อง โดยมีงานวิจัยของ Zhiqing Li และทีมงาน เรื่อง MicroRNAs from plants to animals, do they define a new messenger for communication? ที่ตีพิมพ์เมื่อปี 2018 ที่อธิบายถึงเหตุการณ์ในลักษณะเดียวกันเกิดขึ้นในเซลของสัตว์ที่มีการเคลื่อนย้ายไมโครอาร์เอ็นเอจากพืชหรืออาหารที่สัตว์หรือคนบริโภคเข้าไป โดยไมโครอาร์เอ็นเอนั้นจะเข้าไปเป็นองค์ประกอบในดีเอ็นเอเจ้าบ้านอย่างถาวร

รูปแสดงการเคลื่อนย้าย miRNAs ของอาหารที่กินเข้าไปแล้วกลายเป็นประกอบของดีเอ็นเอของเจ้าบ้าน

และยังมีงานวิจัยกับเรื่องที่เกี่ยวข้องแบบนี้อีกมากมาย ซึ่งแสดงให้เห็นได้ว่าเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อ 2500 ล้านปีที่ผ่านมาก็ยังคงดำเนินต่อไปอย่างต่อเนื่อง

บทเรียนสำคัญลำดับที่หนึ่ง ที่ได้จากเรื่องนี้ก็คือการบริโภคอาหาร เนื่องจากการทำเกษตรกรรมและกระบวนการผลิตอาหารในปัจจุบัน มีการใช้สารเคมี ยาฆ่าแมลง ยากำจัดวัชพืชกันอย่างมากมายและสิ่งต่างๆเหล่านั้นก็จะปนเปื้อนมาเป็นอาหารให้กับพวกเราไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ซึ่งสุดท้ายแล้วสิ่งต่างๆเหล่านั้นมันจะเข้ามาฝั่งในยีนส์ของเราเอง ดังนั้นถ้าเราไม่อยากให้ Homo sapiens รุ่นต่อจากเรากลายพันธ์เป็นมนุษย์สารเคมีที่เดินสองขาได้เหมือนกับเราเกิดขึ้น เราก็ควรกลับมาบริโภคสิ่งที่มาจากธรรมชาติให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้

บทเรียนสำคัญลำดับที่สองก็คือหลักการอยู่อาศัยร่วมกัน ซึ่งปัจจุบันก็ได้เห็นอย่างชัดเจนแล้วว่าเราไม่ได้อยู่เพียงลำพัง ในตัวของเราเองก็มีจุลินทรีย์ที่เป็นประโยชน์อยู่ร่วมกับเรามากมาย และเนื่องจากเราเป็นผู้ควบคุมประเภทของอาหารที่เรากินเข้าไปเอง ซึ่งจากทฤษฎี endosymbiosis นี้ ทำให้เราต้องกลับมาทบทวนอีกครั้งว่าอาหารที่เรากินเข้าไปสร้างประโยชน์และโทษให้กับใครบ้าง เปรียบเสมือน เหมือนกับแม่ที่ต้องให้นมลูก ซึ่งถ้าเราสามารถควบคุมได้ก็จะเป็นการสร้างภูมิต้านทานที่ดีที่สุด โดยไม่ต้องกังวลว่าจุลินทรีย์อีก 95% ที่เรายังไม่รู้จักนั้นเป็นอย่างไร เพราะถ้าเราสามารถปรับพฤติกรรมให้สอดคล้องตามทฤษฎีนี้ได้ ผลของการค้นพบของ Dr.Lynn Margulis ก็พิสูจน์มาแล้วว่าเราสามารถอยู่ต่อได้อีกนานกว่า 1500 ล้านปีแน่นอน