วันเสาร์ที่ 28 สิงหาคม พ.ศ. 2553

กำเนิดสิ่งมีชีวิต (Origin of life)

คำเตือน : บล็อกเนื้อหายาก ต้องการความรู้ชีววิทยาระดับมัธยมปลายขึ้นไป

คำ ถามหนึ่งที่ยังเป็นปริศนาที่มนุษยชาติต่างพากันสังสัยและใคร่รู้คำตอบคือ "สิ่งมีชีวิตบนโลกใบนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร" ก่อนที่จะตอบคำถามข้อนี้ เราคงต้องตอบคำถามข้อแรกๆ ก่อนที่ว่า "สิ่งมีชีวิตคืออะไร" ซึ่งแม้แต่นักวิทยาศาสตร์เอง ก็ยังหาคำจำกัดความที่แน่ชัดไม่ได้

เริ่ม ต้นง่ายๆโดยลองนึกย้อนดูถึงตัวเราเอง ว่าตัวเรานี้มาจากไหนกัน? เราเกิดมาจากพ่อและแม่ พ่อและแม่เกิดมาจากปู่ย่าตายาย…ไล่ย้อนกลับเรื่อยๆเราทุกคนเกิดมาจาก บรรพบุรุษมนุษย์กลุ่มหนึ่ง มนุษย์กลุ่มหนึ่งนั้นวิวัฒนาการมาจากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมตระกูลไพรเมท สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมวิวัฒนาการมาจากสัตว์เลื้อยคลาน สัตว์เลื้อยคลานวิวัฒน์มาจากปลา ปลาวิวัฒน์มาจากสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์รูปแบบซับซ้อน สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์รูปแบบซับซ้อนวิวัฒน์มาจากสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์รูปแบบ ไม่ซับซ้อน สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์รูปแบบไม่ซับซ้อนวิวัฒน์มาจากสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว ชีวิตตามทฤษฎีวิวัฒนาการนั้นเปรียบเสมือนต้นไม้อันมีกิ่งก้านสลับซับซ้อนที่ บังเกิดขึ้นจากรากเล็กๆเพียงรากหนึ่ง(1) ความคิดของเราหยุดอยู่ ณ ตรงนี้ แล้วสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวแรกสุดนั้นมาจากไหน?

ข้อ ที่มีคนเข้าใจผิดกันมากที่สุดคือ ความคิดว่ากำเนิดสิ่งมีชีวิตเป็นปัญหาหนึ่งที่ทฤษฎีวิวัฒนาการสามารถให้คำ ตอบนี้ได้ ทั้งที่ความจริงแล้วผิดเป็นอย่างยิ่ง ทฤษฎีวิวัฒนาการไม่ได้อธิบายว่าสิ่งมีชีวิตถือกำเนิดมาได้อย่างไร หากแต่อธิบายว่าสิ่งมีชีวิตที่เราเห็นในทุกวันนี้วิวัฒน์มาจากอดีตได้อย่าง ไร

กำเนิดสิ่งมีชีวิต (Origin of life) เป็นหัวข้อศึกษาหนึ่งในแขนงวิชาจักรวาลวิทยา (Cosmology)(2) และชีวดาราศาสตร์ (Astrobiology)(3) อันเป็นการศึกษาขั้นสูงที่ต้องอาศัยสหสาขาวิชาบูรณาการเพื่อค้นคว้าหาคำตอบ เช่น ฟิสิกส์ ดาราศาสตร์ ชีวเคมี อณูชีววิทยา พันธุศาสตร์ ปรัชญา เป็นต้น

เนื่อง จากการศึกษาเกี่ยวกับกำเนิดสิ่งมีชีวิต เป็นหัวข้อที่มีความซับซ้อนและยังไม่มีข้อสรุปที่แน่ชัด มีหลากหลายทฤษฎีที่ออกมารองรับ ผมจึงขอแบ่งนักวิทยาศาสตร์ออกเป็นสองกลุ่มใหญ่ตามแนวคิดหลักสองประการคือ Inevitablilist (เลี่ยงไม่ได้ต้องเกิดขึ้นอย่างแน่นอน) คือกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่เชื่อว่าสิ่งมีชีวิตบังเกิดขึ้นบนโลกนี้อย่างแน่ นอน (ตัวแทนของนักวิทยาศาสตร์ในกลุ่มนี้คือ ริชาร์ด ดอว์กิ้น (Richard Dawkins) นักเขียนหนังสือวิทยาศาสตร์ผู้มีชื่อเสียงครับ) และ Improbabilist (ยากที่จะเป็นไปได้) หรือกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่เชื่อว่ายากที่จะเป็นไปได้ หากสิ่งมีชีวิตบังเกิดขึ้นได้เองบนโลกใบนี้ (นักวิทยาศาสตร์ในกลุ่มนี้รวมถึง ฟรานซิส คริก (Francis Crick) ผู้ที่ได้รับรางวัลโนเบลจากการพิสูจน์โครงสร้างของ DNA ด้วยนะครับ) และเราจะมาค่อยๆไล่ดูนะครับว่าแต่ละฝั่งเขามีความคิดเห็นอย่างไรกันบ้าง





ก่อน อื่นเรามาดูโลกของเราก่อน สถานที่ต้นกำเนิดแห่งปริศนาทั้งมวล โลกของเรามีความเหมาะสมหลายสิบประการที่จะให้สิ่งมีชีวิตบังเกิดขึ้นมาได้ แต่ในที่นี้ผมขอพูดแค่กาลและสถานที่ครับ

สถานที่ โลกของเราตั้งอยู่ใน บริเวณที่อยู่อาศัย (habitable zone) อันเป็นบริเวณที่มีคุณสมบัติเหมาะสมในจักรวาลที่สิ่งมีชีวิตจะบังอาจอยู่อาศัยได้ กล่าวในระดับกาแล็กซี่ (galactic habitable zone) โลก/ระบบสุริยะของเราไม่อยู่ไกลจากศูนย์กลางทางช้างเผือกจนเกินไป จึงไม่ขาดวัตถุดิบ ธาตุหนักต่างๆที่จำเป็นในการก่อร่างสร้างดวงดาว ขณะเดียวก็ไม่อยู่ใกล้ศูนย์กลางทางช้างเผือกจนเกินไปจนอาจได้รับอันตราย จากรังสีอวกาศความถี่สูง การปะทะชนของดาวฤกษ์ และหลุมดำ-ที่คาดว่าดำรงอยู่บริเวณใจกลางกาแล็กซี่

กล่าวในระดับระบบสุริยะ (circumstellar habitable zone) โลกของเราอยู่ในเขตแดนของเด็กหญิงแอบกินข้าวหมี (goldilocks zone)(4) ซึ่งแคบมาก คืออยู่ระหว่างดาวศุกร์และดาวอังคาร(5) ปัจจัยสำคัญที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการกำหนดเขตแดนของเด็กหญิงแอบกินข้าวหมี คือน้ำครับ น้ำเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่งยวดในการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตแบบคาร์บอน (carbon based life) นั่นหมายความว่า หากโลกเราอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์กว่านี้สัก 5 เปอร์เซ็นต์ พื้นผิวดาวเคราะห์ก็จะร้อนจนกักเก็บน้ำไว้ไม่ได้เหมือนกับดาวศุกร์ หรือหากโลกอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์กว่านี้สัก 15 เปอร์เซ็นต์ ดาวของเราก็จะหนาวเย็นเป็นขยะน้ำแข็งเหมือนดาวอังคาร





เวลา เราอยู่ในช่วงเวลาที่เหมาะสมในจักรวาล เราไม่ได้อยู่ในยุคปฐมกาลของดาราจักร ที่ทั่วทั้งจักรวาลขาดแคลนธาตุหนัก มีแต่ไฮโดรเจนและฮีเลียมก่อปฏิกิริยานิวเคลียร์กำเนิดเป็นดาวฤกษ์ หากอยู่ในยุคดังกล่าว การกำเนิดของสิ่งมีชีวิตคงเป็นไปได้ยากเนื่องจากถูกกำจัดด้วยอะตอมองค์ ประกอบที่ไม่มีความหลากหลาย หรือหากเราอยู่ในช่วงปลายของจักรวาล เมื่อเอนโทรปี(6)ของระบบดำเนินไปถึงจุดสูงสุด เมื่อนั้นการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตก็คงลำบาก เนื่องจากไม่สามารถนำพลังงานไปใช้ (เพิ่มความไม่เป็นระเบียบ) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

กล่าวโดยสรุป โลกของเรามีคุณสมบัติเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิต ไม่ว่าสิ่งมีชีวิตจะมาจากไหน บังเกิดขึ้นเองหรือมาจากต่างดาวก็ตาม และจากการประมาณ สิ่งมีชีวิตอุบัติขึ้นในโลกใบนี้เมื่อราว 3.85 พันล้านปีก่อน

ทีนี้เรามาดูแนวคิดแรก คือแนวคิดที่ว่า สิ่งมีชีวิตบังเกิดขึ้นเองบนโลกใบนี้หรือพวก Inevitablilist (เลี่ยงไม่ได้ต้องเกิดขึ้นอย่างแน่นอน) กลุ่มนี้เป็นพวกที่มีทฤษฎีหนาแน่นแต่ขาดซึ่งหลักฐานครับ

ประเด็น ของแนวคิดที่ว่าสิ่งมีชีวิตบังเกิดขึ้นเองบนโลกก็คือ ในเมื่อบนโลกนี้มีวัตถุดิบพร้อมและมีคุณสมบัติเหมาะสมทุกประการที่เอื้อให้ สิ่งมีชีวิตดำรงอยู่ได้ ดังนั้นสิ่งมีชีวิตจึงบังเกิดขึ้นเองบนโลกนี้ การทดลองที่มีชื่อเสียงตามแนวคิดนี้คือการทดลองของสแตนลีย์ มิลเลอร์ (Stanley Miller) เมื่อปีคศ. 1953 มิลเลอร์ทำการทดลองโดยนำขวดแก้วสองใบ ใบหนึ่งใส่น้ำเล็กน้อยเปรียบเสมือนมหาสมุทรในยุคดึกดำบรรพ์ อีกใบผสมก๊าซมีเทน แอมโมเนีย ไฮโดรเจนซัลไฟด์ จำลองบรรยากาศโลกยุคดึกดำบรรพ์ นำสายยางเชื่อมต่อทั้งสองขวด แล้วใช้ไฟฟ้าเร่งปฏิกิริยา สิ่งที่ได้คือสารอินทรีย์ง่ายๆเช่นกรดอะมิโน กรดไขมัน น้ำตาล การทดลองดังกล่าวพอสรุปได้ว่า สารเคมีที่เป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตสามารถบังเกิดขึ้นเองได้ภายใต้บรรยากาศ โลกยุคดึกดำบรรพ์





อย่าง ไรก็ตาม ผ่านมากว่าครึ่งศตวรรษจากการทดลองของมิลเลอร์ ก็ยังไม่สามารถสรุปว่าสิ่งมีชีวิตสามารถผุดบังเกิดได้เองในโลกนี้ได้จริง หรือไม่เพราะสารอินทรีย์ที่เกิดขึ้นในขวดแก้วของมิลเลอร์นั้นเรียบง่ายและ ห่างไกลจากคำว่า “สิ่งมีชีวิต” อยู่หลายขุมครับ

สารชีวโมเลกุลที่ ประกอบเป็นสิ่งมีชีวิตแม้ในรูปแบบที่ง่ายที่สุดก็ยังมีความซับซ้อนใช่เล่น เซลล์ในรูปแบบพื้นฐานที่สุดมีชั้นกรดไขมันชนิดฟอสโฟลิปิดเรียงตัวสองชั้น (bilayer) เป็นเยื่อหุ้มเซลล์ ภายในบรรจุสารละลายที่ประกอบไปด้วยโปรตีนหลายชนิด โปรตีนเหล่านั้นประกอบด้วยกรดอะมิโนมาเรียงต่อกันเป็นสายยาวเป็นโพลี เป็บไทด์น้ำหนักโมเลกุลหลักพันขึ้นไป ยังไม่รวมถึง “สารพันธุกรรม” DNA หรือ deoxyribonucleic acid สารชีวโมเลกุลซับซ้อนที่เรียงตัวต่อกันจากหมื่นหน่วยย่อยขึ้นไป

หากมันเกิดขึ้นจริง นักชีวเคมีพอจะคาดการณ์ได้ว่า น่าจะมีลำดับเหตุการณ์สำคัญๆ (Key steps) ดังนี้

1. การสังเคราะห์โมเลกุลเดี่ยว (Abiotic synthesis of monomers เช่น amino acids, nucleotides)

2. การรวมตัวกันของพวกโมเลกุลเดี่ยวเป็นโพลีเมอร์ (Polymerization of monomers เช่น protein, nucleic acids)

3. การรวมกันของพวกโพลีเมอร์แล้วมีคุณสมบัติแตกต่างจากสิ่งแวดล้อมรอบตัว (เช่น membrane selectivity, permeability) และอาจมีการสะสมพลังงานในตัว

4. การเกิดขึ้นของการถ่ายทอดทางพันธุกรรม
ลำดับ เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นข้างต้น ข้อ 4. เป็นข้อที่มีปัญหามากที่สุดครับ แต่เราจะพักตรงนี้สักครู่ ผมจะนำทุกท่านเข้าสู่การทดลองที่พิสูจน์เหตุการณ์ข้อ 1-3. ซึ่งสลับซับซ้อนน้อยกว่าครับ

ช่วงต้นศตวรรษ 1970 เป็นช่วงที่ทฤษฎีระบบซับซ้อน (complex system)(7) เพิ่งก่อตัวขึ้น ฟรานซิสโก วาเรลา (Francisco Valera) และคณะประสบความสำเร็จในการใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ “เซลลูล่าร์ ออโตมาตอน” (cellular automaton) จำลองการสร้างตนเองของเซลล์สิ่งมีชีวิตจากโมเลกุลที่มีอยู่ธรรมชาติที่ไม่มี ชีวิตโดยนำทฤษฎีระบบซับซ้อนมาประยุกต์ กล่าวอีกนัยหนึ่ง วาเลราได้พิสูจน์ว่าชีวิตสามารถผุดบังเกิดจากสิ่งไม่มีชีวิตได้อย่างไร

องค์ ประกอบของ cellular automaton ได้แก่ ตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) และโมเลกุลของสารอีกชนิดหนึ่งซึ่งเคลื่อนที่ไปมาอย่างสุ่ม โมเลกุลนี้สามารถจับตัวกันเป็นอีกโมเลกุลอีกชนิดหนึ่งได้ นอกจากนี้โมเลกุลที่เกิดขึ้นมาใหม่ยังสามารถต่อเข้าด้วยกันเป็นสายยาวได้ ตามกฎการจำลองการสร้างตัวเองของเซลล์สิ่งมีชีวิตดังนี้

1.การเกิดโมเลกุลชนิดที่สอง
E + O + O -----> X

สารชนิดแรกสองโมเลกุลจับตัวกันเป็นสารชนิดที่สองโดยมี catalyst เร่งปฏิกิริยา

2.การจับตัวกันเป็นสาย
X + X -----> X-X
X-X + X -----> X-X-X

สารชนิดที่สองสามารถเชื่อมต่อกันเป็นสาย ซึ่งมีความยาวไม่จำกัดได้

3.การแยกสาย
X -----> O + O

โมเลกุลของสารชนิดที่สองสามารถย่อยสลายกลับไปเป็นโมเลกุลของสารชนิดแรกได้

4.O สามารถคลื่อนไปยังที่ว่างได้ แต่ไม่สามารถเคลื่อนไปยังตำแหน่งที่มีโมเลกุลอื่นอยู่ได้

5.E และ X สามารถคลื่อนไปแทนที่ O ได้ โดยดันให้ O ไปอยู่ที่ว่างถัดจากตำแหน่งเกิม นอกจากนี้ E ยังแทนที่ X ได้ในลักษณะเดียวกัน

6.E และ X สามารถสลับที่กับ O ได้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง E และ X สามารถเคลื่อนที่ผ่าน O ได้

7.เฉพาะ O เท่านั้นที่สามารถผ่านสายของ X ไปยังตำแหน่งที่ว่างทางด้านหลังได้ กฎข้อนี้เป็นการจำลองการที่ผนังเซลล์อนุญาตให้สารบางประเภทเท่านั้นผ่านไป ได้ (semi permeability)

8.X ที่ต่อกันเป็นสายไม่สามารถเคลื่อนที่ได้

การ ทดลองของวาเรลากำหนดให้โมเลกุลต่างเคลื่อนที่ไปมาแบบสุ่มโดยเริ่มต้นจาก O จำนวนมากที่รอบล้อมด้วยหนึ่งโมเลกุลของ E สิ่งที่น่าสนใจจากการทดลองซ้ำๆกันหลายครั้งคือ ผนังเซลล์สามารถคงตัวอยู่ได้อย่างมีเสถียรภาพ ผนังบางส่วนอาจถูกย่อยสลายตามกฎข้อที่สาม พร้อมกับมีผนังใหม่ผุดบังเกิดขึ้นมาทดแทนกันตลอดเวลา





*สำหรับผู้ที่สนใจการทดลองของวาเรลา สามารถใช้คำค้นหา cellular automaton เพื่ออ่านเพิ่มเติม และจขบ.ขอแนะนำบทความ http://www.astrobio.net/index.php?option=com_news&task=detail&id=3172 เกี่ยวกับการจำลองการก่อตัวของสิ่งมีชีวิตรูปแบบ 3 มิติด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์

จาก การทดลองของวาเรลา แม้ว่าจะพิสูจน์ได้ว่า เซลล์สิ่งมีชีวิตสามารถก่อกำเนิดขึ้นได้เอง แต่ปัญหาก็ยังไม่จบเนื่องจากเรายังค้างคากันที่เหตุการณ์ข้อ 4. ปัญหาต่อไปคือแล้วเซลล์สิ่งมีชีวิตที่เกิดขึ้นส่งต่อสารพันธุกรรมได้อย่าง ไร? หากไม่มีการส่งต่อสารพันธุกรรม องค์ประกอบของชีวิตก็ไม่สมบูรณ์ครับ

เพื่อ ขยายความให้ชัดเจน ผมจำเป็นต้องกล่าวถึง central dogma of molecular biology หรือกลไกการส่งต่อข้อมูลพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต กลไกดังกล่าวถูกเสนอโดย ฟรานซิส คริก (Francis Crick) ครั้งที่เขาได้โนเบลจากการพิสูจน์โครงสร้างของ DNA นั่นแหละครับ คุณคริกกล่าวว่า การส่งต่อข้อมูลพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตนั้นเป็นไปในทิศทางเดียวจากนิ วคลีโอไทด์ไปยังโปรตีน(8)





ข้อมูล ทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดถูกเก็บอยู่ใน DNA-deoxyribonucleic acid หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต (ไวรัสบางชนิดอาจมีสารพันธุกรรมเป็น RNA อย่างไรก็ตาม ข้อควรจำอย่างหนึ่งคือไวรัสไม่จัดเป็นสิ่งมีชีวิต) DNA สามารถจำลองตัวเองโดยอาศัยการทำงานของเอ็นไซม์ DNA polymerase (ข้อควรจำคือเอ็นไซม์ก็เป็นโปรตีนชนิดหนึ่ง) ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า replication และจาก DNA จะมีการส่งต่อข้อมูลทางพันธุกรรมต่อไปยัง RNA-ribonucleic acid ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า transcription สุดท้ายจาก RNA ถอดรหัสเป็นโปรตีนที่มีหน้าที่ทางชีวภาพต่อไปด้วยกระบวนการที่เรียกว่า translation

กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นเป็นขั้นเป็นตอน สมบูรณ์แบบในตัวเอง ปัญหามันอยู่ตรงนี้นั่นแหละครับ การจำลองตัวเองของสารพันธุกรรมหรือ DNA นั้นต้องอาศัยโปรตีนเร่งปฏิกิริยา ส่วนการสร้างโปรตีนนั้นก็ต้องอาศัยข้อมูลจากสารพันธุกรรม ดังนั้นแล้ว สารอะไรที่เกิดก่อนและสารอะไรที่เกิดทีหลัง (ไก่กับไข่ อะไรเกิดก่อนกัน?) ระหว่างสารที่เป็นข้อมูลพันธุกรรมกับสารที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ดังที่พอล เดวีส์ (Paul Devies) นักฟิสิกส์เคยกล่าวไว้ “ถ้าทุกสิ่งต่างก็ต้องการสิ่งอื่นๆ แล้วแรกเริ่มเดิมทีชุมชนโมเลกุลเกิดขึ้นมาได้อย่างไร? มันเหมือนกับว่า จู่ๆส่วนผสมทั้งหมดในครัวก็มารวมกัน แล้วอบตัวเองให้กลายเป็นเค้ก”

เพื่อตอบปัญหาดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นต้องตั้งทฤษฎี “โลกของ RNA” ขึ้นมาเพื่ออธิบายครับ

นัก วิทยาศาสตร์เชื่อโลกในยุคแรกๆเป็นโลกของกรดนิวคลีอิก กรดนิวคลีอิกจำนวนมากและหลากหลายกำเนิดขึ้นเองภายใต้สภาพแวดล้อมที่เหมาะสม บรรยากาศโลกในยุคดึกดำบรรพ์นั้น ปัญหาสำคัญคือ กรดนิวคลีอิกแรกเริ่มของโลกนี้เป็นประเภทใดระหว่าง RNA ซึ่งเป็นโมเลกุลสายเดี่ยวที่ไม่ยาวและไม่สลับซับซ้อนมากนัก หรือจะเป็น DNA ซึ่งเป็นโมเลกุลสายเกลียวคู่ซึ่งมีความยาวและความสลับซับซ้อนมากกว่า





ใน อดีตนั้น จากความรู้ทางชีวเคมีและอณูชีววิทยา เรารู้ว่า DNA นั้นเป็นแหล่งรวมข้อมูลทางพันธุกรรมในทุกสิ่งมีชีวิตแต่ไม่มีคุณสมบัติเป็น ตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ทราบบทบาททางชีวภาพของ RNA มากนักนิกจากการเป็นตัวกลางของการส่งต่อข้อมูลจาก DNA ไปยังโปรตีน จนกระทั่งประมาณปี 1970 มีนักวิทยาศาสตร์ค้นพบคุณสมบัติในการเร่งปฏิกิริยาเคมีของ RNA โดยตั้งชื่อว่า ribozyme ซึ่งสามารถตัดโมเลกุลของตนเองหรือ RNA ตัวอื่นได้ การค้นพบดังกล่าวนี้นำไปสู่ทฤษฎีที่ว่า RNA ที่อุบัติขึ้นมาในยุคแรกน่าจะเป็นสารประกอบที่มีคุณสมบัติพิเศษ 2 อย่างภายในตนเองคือ สามารถจำลองแบบตนเองและเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีได้

หาก ทฤษฎีข้างต้นเป็นจริง นั่นหมายความว่า โลกในยุคแรกก่อนที่จะมีสิ่งมีชีวิตอุบัติขึ้นคงจะมี RNA อยู่ในธรรมชาติในปริมาณที่มากพอควร RNA ดังกล่าวมีการพัฒนาทางด้านโครงสร้างจนมีคุณสมบัติที่สามารถจำลองตนเองได้โดย อาศัยการช่วยตัวเองจากคุณสมบัติในการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา มีการเกิด RNA รูปแบบสายใหม่ๆที่แตกต่างกันออกไป บางรูปแบบมีความคงทนต่อสภาวะมากกว่า บางรูปแบบมีคุณสมบัติในการจำลองตนเองมากกว่า ก่อให้เกิดความเหลื่อมล้ำและเกิดการคัดเลือกทางโมเลกุล (molecular selection) เพื่อให้ได้รูปแบบโมเลกุลที่เหมาะสมที่สุด ในปี 1986 วอลเตอร์ กิลเบิร์ต (Walter Gilbert-คนที่พัฒนาเทคนิค DNA sequencing นั่นแหละครับ) จึงตั้งชื่อยุคนั้นว่าเป็น “โลกของ RNA” ครับ





จาก ทฤษฎีโลกของ RNA การแข่งขันทางเคมีของ RNA คงจะดำเนินต่อไปเรื่อยๆร่วมกับสารโมเลกุลอื่นๆรอบข้างอย่าง DNA และโปรตีน ที่ผุดบังเกิดขึ้นมาในยุคแรกๆเช่นกัน เมื่อมีวิวัฒนาการเชิงโมเลกุล (molecular evolution) มาถึงจุดที่กรดนิวคลีอิกและโปรตีนมีการประสานประโยชน์ซึ่งกันและกันได้ โดยกรดนิวคลีอิกทำหน้าที่กำหนดโครงสร้างและคุณสมบัติของโปรตีน ในขณะเดียวกันโปรตีนก็มีส่วนช่วยในการเร่งปฏิกิริยาเคมีในการจำลองตัวของกรด นิวคลีอิก จึงทำให้เกิดกฎเกณฑ์ทางธรรมชาติของการทำงานร่วมกันในที่สุด แน่นอนว่าในระหว่างนั้นก็คงมีการเปลี่ยนแปลงบทบาทให้ DNA ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ความจุของข้อมูลมากกว่า สลับซับซ้อนกว่าและมีเสถียรภาพมากกว่า เป็นสารพันธุกรรม ขณะที่ RNA ลดบทบาทลงมาเป็นตัวกลางในการถ่ายทอดข้อมูล กลไกการเปลี่ยนแปลงทางธรรมชาติที่เกิดขึ้นนี้ฟังแล้วช่างน่าอัศจรรย์

อย่าง ไรก็ตาม ถึงแม้ว่าทฤษฎีโลกของ RNA จะฟังดูน่าเชื่อถือและมีเหตุผล แต่ข้อเสียสำคัญคือ นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถทำการทดลองเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีได้เลยครับ สุดท้าย เราจึงไม่สามารถสรุปได้ว่า สิ่งมีชีวิตสามารถผุดบังเกิดขึ้นจากความไม่มีชีวิต บนโลกใบนี้ได้หรือไม่?

หลัง จากที่หลายๆคนมึนหัวไปกับหลายๆทฤษฎีและการทดลองจากฝั่ง Inevitablilist (เลี่ยงไม่ได้ต้องเกิดขึ้นอย่างแน่นอน) แล้วผมก็จะนำทุกคนเข้าสู่แนวคิดของอีกฝั่งบ้างครับ ฝั่ง Improbabilist (ยากที่จะเป็นไปได้) นั่นกล่าวว่า สิ่งมีชีวิตมีกำเนิดมาจากนอกโลก ที่ฟังได้สบายๆและปวดหัวน้อยกว่า //ฮ่าฮ่าฮ่า น่าแปลกที่แนวคิดของฝั่งนี้มีทฤษฎี คำอธิบายที่สมเหตุผลน้อยกว่าแต่กลับมีหลักฐานเชิงประจักษ์มากกว่าครับ

ทฤษฎีที่กล่าวว่ากำเนิดชีวิตมาจากต่างดาวนั้นที่มีชื่อเสียงมากคือทฤษฎีแพนสเปอร์เมีย (Panspermia theory) (9) ซึ่งถูกเสนอเป็นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เฟรด ฮอยล์ (Fred Hoyle)(10) ว่า สารอินทรีย์ที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตนั้นมีอยู่ทั่วไปนอกโลก แพร่กระจายไปในห้วงอวกาศและอาจติดมากับเทหวัตถุที่ตกลงสู่โลก ทฤษฎีนี้มีหลักฐาน (evidence) สนับสนุนค่อนข้างมากครับ

ตัวอย่างเช่น ปี 1969 อุกกาบาตเมอร์ซิสันตกลง ณ ประเทศออสเตรเลีย อุกกาบาตลูกดังกล่าวมีอายุ 4.5 พันล้านปี และมีกรดอะมิโน 70 กว่าชนิดกระจายอยู่ทั่วไปหมด ในจำนวนดังกล่าวมี 8 ชนิดที่มีความสัมพันธ์กับโปรตีนที่พบบนโลก ในปลายปี 2001 คณะนักวิทยาศาสตร์ยังตรวจพบน้ำตาล polyol ในอุกกาบาตเมอร์ซิสันอีกด้วย

หลัง จากนั้นก็มีการค้นพบสารอินทรีย์ในอุกกาบาตชิ้นเล็กชิ้นน้อยทั่วโลกจำนวนมาก ในแต่ละวัน อุกกาบาตและสะเก็ดดาว จำนวนมากตกลงสู่โลก สิ่งที่มาด้วยคือ คาร์บอนโมเลกุล Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) ในรูปอนุภาคฝุ่นอวกาศปริมาณตกสู่โลก นับรวมมีน้ำหนักหลายสิบตัน โดยตกกระจัดกระจายทั่วไป เช่นในมหาสมุทร ป่าทึบ ทะเลทราย หรือขั้วโลก แม้กระทั้งในเมือง

อุกกาบาตเหล่านี้เป็นหลักฐานยืนยันว่าจักรวาล อุดมไปด้วยสารอินทรีย์ สารอินทรีย์จำนวนมากกระจัดกระจายไปทั่วทุกหนทุกแห่ง-สารที่นักวิทยาศาสตร์ เคยเชื่อกันว่าบังเกิดเฉพาะบนโลก-ที่อยู่อาศัยเดียวของสิ่งมีชีวิต มีการคาดการณ์ว่าดาวหางมีองค์ประกอบเป็นสารอินทรีย์จำนวนมากเช่นกัน หากสารอินทรีย์เหล่านี้ตกลงสู่โลกในยุคแรกๆในปริมาณที่มากพอ โลกก็มีสารประกอบพื้นฐานเพียงพอในการสร้างสิ่งมีชีวิต (จินตนาการคล้ายๆกับมีตัวต่อเลโก้จากฟากฟ้าหล่นลงมายังหลังคาบ้านของคุณทุก วัน ไม่นานนักก็คงต่อก็อตซิลล่าสักตัวได้)





นอก จากทฤษฎีแพนสเปอร์เมียอย่างอ่อน ยังมีผู้เสนอว่าสิ่งที่มาจากอวกาศอาจจะไม่ใช่แค่สารอินทรีย์พื้นฐานแต่เป็น โมเลกุลที่มีความซับซ้อนมากอย่างเช่น สารพันธุกรรมหรือกระทั่งโครงสร้างในรูปแบบเซลล์สิ่งมีชีวิต ซึ่งก็ไม่ใช่คำกล่าวอ้างเลื่อนลอยเสียด้วยครับ ปี 1996 มีการค้นพบจุลินทรีย์ที่ติดมากับอุกกาบาตซึ่งเชื่อว่าเป็นชิ้นส่วนหนึ่งของ ดาวอังคารเมื่อประมาณ 16 ล้านปีที่แล้วและตกลงสู่ทวีปแอนตาร์กติกาเมื่อ 13,000 ปีก่อน ปัจจุบันนักชีวดาราศาสตร์แห่งนาซ่าก็ยังคงทำการวิจัย ศึกษาตัวอย่างจากอวกาศอย่างต่อเนื่องถึงรูปแบบสิ่งมีชีวิตง่ายๆ (สิ่งมีชีวิตจำพวกจุลินทรีย์) บนดาวอังคารที่คาดว่าน่าจะเคยมีสิ่งมีชีวิตอยู่อย่างต่อเนื่องครับ





กล่าว โดยสรุป สมมติฐานชีวิตจากอวกาศคือ สิ่งมีชีวิตในรูปแบบง่ายๆนั้นบังเกิดขึ้นในอวกาศ ล่องลอยอยู่ในเมฆหมอก interstellar coulds ซึ่งเป็นฉากหลังของกาแล็กซี่ พาตัวเองติดไปกับดาวหาง สะเก็ดดาว เทหวัตถุต่างๆที่พร้อมจะตกลงสู่ดาวเคราะห์ต่างๆ หากมีสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม (มีแหล่งน้ำ สภาพอากาศ อุณหภูมิเหมาะสม องค์ประกอบทางเคมีธรรมชาติ มีความมั่นคงเพียงพอ) ก็วิวัฒน์เป็นสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนต่อไปในดาวเคราะห์นั้นๆ

แนวคิด ทฤษฎีที่ว่าสิ่งมีชีวิตมาจากอวกาศนอกโลกนั้นมีข้อกังขา 2 ประการหลักๆ ประการที่หนึ่ง มันเป็นการตอบคำถามแบบกำปั้นทุบดิน ผลักภาระ โยนความรับผิดชอบไปยังที่อื่น เมื่อมีผู้ตั้งคำถามว่า สิ่งมีชีวิตบนโลกกำเนิดขึ้นได้อย่างไร? คนที่ยึดถือตามแนวคิดนี้ก็ตอบว่า “สิ่งมีชีวิตมีต้นกำเนิดมาจากนอกโลก” ซึ่งไม่ได้ช่วยให้เรากระจ่างในคำถามขึ้นเท่าไรนัก ประการที่สอง บรรดานักวิทยาศาสตร์ที่ผู้คนต่างให้ความเคารพนับถือพากันตื่นเต้นกับแนวคิด ดังกล่าวในระดับที่บางคนมองว่าขาดการใช้วิจารณญาณอย่างรอบคอบ ฟรานซิส คริก นักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลที่กล่าวถึงบ่อยๆในบล็อกนี้เคยพูดกับเพื่อนร่วม งานว่า “โลกจะต้องถูกมนุษย์ต่างดาวผู้มีสติปัญญาสูงส่งหว่านเมล็ดพันธุ์แห่งชีวิต ไว้อย่างแน่นอน” จนมีผู้วิจารณ์ว่า “อยู่สุดขอบของความน่าเคารพนับถือทางวิทยาศาสตร์” ส่วนเฟรด ฮอยล์กับจันทรา วิกรมสิงห์ (Chandra Wickramasighe) บั่นทอนความน่าเชื่อถือของทฤษฎีนี้ลงไปอีกว่า อวกาศนอกโลกไม่เพียงแต่ให้ชีวิตแก่เราเท่านั้น แต่ยังนำโรคภัยไข้เจ็บมากมายมาสู่เราด้วยเช่น ไข้หวัดใหญ่และกาฬโรค

ไม่ ว่าอย่างไรก็ตาม คำถามที่ว่า กำเนิดของสิ่งมีชีวิตมาจากไหน นั้นก็ยังไม่สรุปได้ การเชื่ออย่างฟันธงไปทางฝั่งใดฝั่งหนึ่งนั้นเท่ากับการสรุปจากความไม่รู้ (Argumentum ad ignorantiam) ไม่ว่าสิ่งมีชีวิตจะบังเกิดขึ้นเองบนโลกนี้ มาจากที่อื่นในอวกาศ หรือถูกสร้างขึ้นจากสิ่งมีชีวิตทรงปัญญา ก็ยังคงเป็นปริศนาให้เราค้นคว้าต่อไปครับ





(1) นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าทุกสายพันธุ์บนโลก (รวมทั้งสัตว์ พืช และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ) ล้วนมีต้นกำเนิดมาจากจุดเดียวกัน จากสิ่งมีชีวิตแรก ที่มีลักษณะคล้ายสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวแบบง่าย (prokaryotic cell) ที่ไม่มีผนังล้อมสารพันธุกรรมและโครงสร้างอื่นๆภายในเซลล์

(2) จักรวาลวิทยา (Cosmology) เป็นการศึกษาเอกภพโดยรวม ซึ่งนับว่าเป็นการศึกษาถึงสิ่งที่ยิ่งใหญ่ที่สุดและเป็นพื้นฐานที่สุดในเวลา เดียวกัน จักรวาลวิทยามุ่งเน้นที่จะศึกษาถึงองค์ประกอบและความสัมพันธ์ของสรรพสิ่ง ทั้งหลายในเอกภพ พร้อมกับพยายามที่จะอธิบายความเป็นมาของเอกภพในอดีต และทำนายความเป็นไปของเอกภพในอนาคต เอกภพเป็นอย่างไร เอกภพมีขอบเขตจำกัดหรือไม่ เอกภพเกิดขึ้นได้อย่างไร เพราะเหตุใดเอกภพจึงมีรูปร่างลักษณะอย่างที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน และอนาคตข้างหน้าเอกภพจะเป็นอย่างไร ปัญหาเหล่านี้คือสิ่งที่นักจักรวาลวิทยาทั้งหลายสนใจ

(3) ชีวดาราศาสตร์ (Astrobiology) เป็นการศึกษาการถือกำเนิด วิวัฒนาการ รูปแบบและการกระจายตัวของสิ่งมีชีวิตในจักรวาล รวมถึงการค้นหาแหล่งที่อยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิตภายในและภายนอกระบบสุริยะ การศึกษาเกี่ยวกับสารเคมีที่ก่อให้เกิดชีวิต

(4) Goldilocks zone คือชื่อเล่นชื่อหนึ่งของ habitable zone ที่มาของชื่อนี้มาจากนิทานโกลดิล็อค (Goldilocks) หรือนิทานเด็กหญิงแอบกินข้าวหมี เนื้อเรื่องมีอยู่ว่า มีหนูน้อยผมทองคนหนึ่งชื่อโกลดิล็อค (Goldilocks) วันหนึ่ง หนูน้อยผมทองออกจากบ้านไปเที่ยวในป่า หนูน้อยผมทองเดินเรื่อยๆ ไปจนพบบ้านหลังหนึ่ง เห็นปิดประตูสนิทอยู่ หนูน้อยตะโกนถามแต่ไม่มีเสียงตอบ หนูน้อยคิดว่าคงไม่มีใครอยู่ข้างในแน่ จึงเปิดประตูเข้าไปห้องแรก หนูน้อยหยิบช้อนตักข้าวต้มในชามใหญ่ชิมดู แล้วพูดว่า "ข้าวต้มในชามนี้เย็นเกินไป" แล้วหนูน้อยก็ตักข้าวต้มในชามในกลาง ชิมดู แล้วพูดว่า "ข้าวต้มในชามนี้ร้อนเกินไป" หนูน้อยหยิบช้อนตักข้าวในชามเล็กชิมดู รู้สึกอร่อย จึงตักข้าวต้มในชามเล็กกินจนหมด เมื่อรับประทานข้าวต้มจนหมดชามแล้ว หนูน้อยก็ออกไปเดินดูบริเวณบ้าน พบห้องๆ หนึ่ง มีเก้าอี้ตั้งอยู่ตรงกลางห้องสามตัว หนูน้อยจึงลองนั่งเก้าอี้ตัวใหญ่ แล้วนึกในใจว่า เก้าอี้ตัวนี้แข็งเหลือเกิน นั่งไม่สบายเลย แล้วหนูน้อยจึงลุกขึ้นไปนั่งเก้าอี้ตัวกลาง แล้วพูดว่า "ตัวนี้นุ่มเกินไป นั่งไม่สบาย" หนูน้อยจึงลุกขึ้นไปนั่งเก้าอี้ตัวเล็กสุด แล้วพูดว่า "เก้าอี้ตัวนี้ กำลังพอดี" นั่งสบายดีเหลือเกิน ทันใดนั้นเอง ขาเก้าอี้หักหลุดออก หนูน้อยตกลงจากเก้าอี้ ก้นกระแทกกับพื้น จากนั้นหนูน้อยก็เดินไปถึงห้องหนึ่ง ซึ่งมีเตียงอยู่ 3 เตียง หนูน้อยเดินไปที่เตียงใหญ่ขึ้นนอน แล้วพูดว่า "เตียงใหญ่นี่แข็งเกินไป นอนไม่สบาย" หนูน้อยจึงลุกขึ้นไปนอนเตียงกลาง แล้วพูดว่า "เตียงนี้ก็นุ่มเกินไป นอนไม่สบายเลย" หนูน้อยจึงเดินไปนอนเตียงเล็ก แล้วก็พูดว่า "แหมเตียงนี้นอนสบายดีเหลือเกิน" หนูน้อยนอนเล่นอยู่ครู่หนึ่ง ก็หลับไป ด้วยความอ่อนเพลีย
เมื่อ พ่อ แม่ และลูกหมี ที่เป็นเจ้าของบ้านกลับมา พ่อหมีเห็นชามข้าวต้มพร่องไป ก็พูดว่า "ดูซิ ใครมาแอบกินข้าวต้มของฉันก็ไม่รู้" แม่หมีหันไปมองชามข้าวต้ม ก็พบว่า ข้ามต้มชามของแม่ก็พร่องไป "ใครมาแอบกินข้าวต้มของฉันก็ไม่รู้" แม่หมีพูด ลูกหมีหันไปดูชามข้าวต้มใบเล็ก แล้วพูดว่า "ดูซิ ใครมาแอบกินข้าวต้มชามของหนูจนหมดเลย" เมื่อ พ่อ แม่ ลุกเดินไปที่ห้องกลาง ลูกหมีก็พบว่า เก้าอี้ตัวเล็กล้มอยู่กลางห้อง ลูกหมีร้องไห้ด้วยความเสียดาย พ่อ แม่ ลูกหมี เดินไปถึงห้องนอน พ่อหมีเห็นเตียงที่นอน มีรอยยับ จึงพูดว่า "ดูซิมีใครมาแอบนอนเตียงฉันก็ไม่รู้" ลูกหมีเดินไปเตียงของตนเอง แล้วพูดว่า "ดูซิมีใครมาแอบนอนบนเตียงหนูก็ไม่รู้" ฝ่ายหนูน้อยผมทองกำลังนอนหลับสนิทอยู่บนเตียง สะดุ้งตื่นขึ้นมา ได้ยินเสียงหมี 3 ตัวพูดกันอยู่ใกล้เตียง ก็ตกใจกลัว รีบกระโดดจากเตียง วิ่งหนีออกไปจากบ้านหมีทั้งสามโดยเร็ว หนูน้อยผมทองวิ่งจนออกนอกเขตป่าไม้ นับตั้งแต่นั้นมา หนูน้อยผมทองก็ไม่กล้าเดินเข้าไปในเขตบ้าน ของหมีสามตัวนั้นอีกเลย

(5) อย่างไรก็ตาม จากการศึกษา ณ ปัจจุบัน วงโคจรแคบๆของดวงจันทร์บริวารดาวพฤหัสก็จัดเป็นเขตแดนของเด็กหญิงแอบกินข้าว หมีเช่นกัน เนื่องจากนักชีวดาราศาสตร์เชื่อว่าดาวพฤหัสนั้นมีพลังงานมากพอที่จะก่อให้ เกิดชีวิตบนดวงจันทร์บริวารได้ในรูปแบบเดียวกับที่ความร้อนจากดวงอาทิตย์ก่อ ให้เกิดชีวิตบนโลก

(6) เอนโทรปี (Entropy) คือ ปริมาณที่แสดงความไม่เป็นระเบียบของระบบ ตามทฤษฎีอุณหพลศาสตร์นั้น เมื่อใดที่มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น เอนโทรปีรวมของสิ่งต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะเพิ่มขึ้นเสมอ ดูตัวอย่างจากความไม่เป็นระเบียบภายในห้องเป็นต้น จะพบว่า ของใช้ที่มีการจัดระเบียบไว้ดีแล้วจะมีความยุ่งเหยิงขึ้น หากเราพยายามจัดให้ห้องมีระเบียบมากขึ้น เราจะต้องใช้แรงงานและมีความเหน็ดเหนื่อย แสดงให้เห็นว่าร่างกายของเรามีความยุ่งเหยิงเพิ่มขึ้น ถึงแม้ว่าเอนโทรปีของห้องจะน้อยลง และเอนโทรปีของเราที่เข้าไปเกี่ยวข้องจะสูงขึ้น และให้เอนโทรปีรวมของห้องและของเราเองสูงขึ้นด้วย

(7) ระบบซับซ้อน (complex system) คือการศึกษาเกี่ยวกับระบบที่มีส่วนประกอบจำนวนมาก ส่วนประกอบเหล่านั้นมีปฏิกิริยาต่อกันแบบไม่เป็นเชิงเส้น ผลของปฏิกิริยาทำให้เกิดผุดบังเกิดของแบบแผนหรือความสามารถต่างๆซึ่งทำให้ ระบบรวมมีความแตกต่างจากผลรวมของส่วนประกอบย่อยทั้งหมดโดยสิ้นเชิง และการผุดบังเกิดนั้นมักกลับมามีผลกระทบกับองค์ประกอบย่อยนั้นอีก โดยระบบมักมีโครงสร้างต่อเนื่องเป็นลำดับชั้น การศึกษาระบบซับซ้อนเป็นรากฐานหนึ่งของทฤษฎีโกลาหล (Chaos theory)

(8) The central dogma of molecular biology deals with the detailed residue-by-residue transfer of sequential information. It states that information cannot be transferred back from protein to either protein or nucleic acid. Francis Crick, 1958

(9) ทฤษฎีนี้มีใครก็ไม่ทราบตั้งชื่อไทยให้โก้เก๋?ว่า ทฤษฎีอสุจิสากล และสื่อหนังสือพิมพ์ก็นิยมนำชื่อนี้ไปใช้ในหน้าข่าววิทยาศาสตร์เสียด้วย ในความเห็นส่วนตัวผมรับไม่ได้กับชื่อนี้โดยสิ้นเชิงครับ

(10) แม้ว่าก่อนหน้านั้น วิลเลียม ทอมสัน เคลวิน (William Thomson Kelvin) นักฟิสิกส์ผู้คิดมาตราอุณหภูมิตามสกุลของเขาจะเคยกล่าวไว้ว่า “อุกกาบาตอาจเป็นผู้นำเมล็ดพันธุ์แห่งชีวิตมาสู่โลก” แต่เขาก็ไม่ได้เสนอทฤษฎีขึ้นอย่างเป็นทางการ






Reference

ประเวศ วะสี. ธรรมชาติของสรรพสิ่ง การเข้าถึงความจริงทั้งหมด. 2547. สำนักพิมพ์ร่วมด้วยช่วยกัน.
Bryson Bill. ประวัติย่อของเกือบทุกสิ่ง จากจักรวาลถึงเซลล์. 2551. สำนักพิมพ์วงกลม.
Kaku Michio. Parallel worlds. 2005. Penguin books.
ฉัตรชัย งามเรียบสกุล. ต้นกำเนิดสิ่งมีชีวิต (The origin of life). site: http://www.vcharkarn.com/varticle/441
อภิธานศัพท์ฟิสิกส์ site: http://www.electron.rmutphysics.com
นิทานแสนสนุก site: http://advisor.anamai.moph.go.th/tamra/nitan/tale03.html
NASA Astrobiology Program site: http://astrobiology.nasa.gov
http://www.th.wikipedia.org
http://www.en.wikipedia.org

ภาพประกอบ

http://www.nature.com/nchembio/journal
http://www.en.wikipedia.org
http://www.nasa.gov
http://innovech.files.wordpress.com
http://faculty.uca.edu

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น