ชีวิตเกิดในทะเลหรือในน้ำจืด?

By: terminus
Writer
on Mon, 23/01/2012 - 02:41

หนึ่งในคำถามทางชีววิทยาที่สะกิดติ่งหัวใจนักชีววิทยามากที่สุด คือ คำถาม "ชีวิตกำเนิดมาได้อย่างไร?" ฟังดูแล้วมันเป็นคำถามพื้นฐานที่ชีววิทยาควรรู้คำตอบก่อนที่จะมีวิชาชีววิทยาด้วยซ้ำ (จะเรียนเกี่ยวกับชีวิตไปทำไม ถ้าไม่รู้ว่ามันเกิดมาได้อย่างไร) แต่คำตอบที่คุณจะได้จากนักชีววิทยาในทุกวันนี้ก็คือ "เรา(ยัง)ไม่รู้"

เอาแค่ว่าจุดกำเนิดของชีวิตเกิดที่ไหนก็ยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่เลย ปัจจุบันนักชีววิทยาส่วนใหญ่เชื่อว่าชีวิตจะต้องกำเนิดในทะเลหรือถ้าจะเรียกให้ถูกก็คือ "มหาสมุทร" เพราะเมื่อประมาณ 4 พันล้านปีที่แล้วพื้นน้ำทั่วทั้งโลกเชื่อมต่อถึงกันหมดเป็นมหาสมุทรขนาดยักษ์

รอยฝากของจุดเริ่มต้นจากทะเล?

เหตุผลที่สนับสนุนทฤษฎีชีวิตเกิดในทะเลที่ตรงไปตรงมาที่สุดคงไม่พ้นเรื่องของความน่าจะเป็น น้ำบนโลกเราเป็นน้ำเค็มถึง 98% และแร่ธาตุในน้ำทะเลหลายตัวก็เป็นองค์ประกอบที่จำเป็นในกระบวนการต่างๆ ของชีวิต เราอาจพูดได้ว่าน้ำทะเลเปรียบเสมือนอาหารเหลวในขวดเลี้ยงเชื้อขนาดยักษ์

หลักฐานร่องรอยของทะเลก็ยังคงอยู่ในตัวเราทุกคน เริ่มจากเลือดของเราที่มีเกลือของแร่ธาตุต่างๆ ปนอยู่มากมาย โดยเฉลี่ยเลือดคนมีความเค็มประมาณหนึ่งในสี่ของน้ำทะเล กระบวนการต่างๆ หลายกระบวนการในเซลล์จำเป็นต้องพึ่งพาการขับเคลื่อนของประจุไอออนของเกลือต่างๆ เหล่านี้ ที่คุ้นเคยกันดีคงจะเป็นโซเดียมไอออนซึ่งพบได้มากที่สุดและเกี่ยวข้องกับการรักษาสมดุลไอออนของเซลล์ ในเซลล์บางชนิด ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เกิดจากประจุไอออนยังมีหน้าที่พิเศษด้วย เช่น เซลล์ประสาท เป็นต้น

Shiladitya DasSarma แห่ง University of Maryland คิดว่าการที่เซลล์สิ่งมีชีวิตพึ่งพาไอออนมากขนาดนี้คงเป็นไปไม่ได้ถ้าชีวิตแรกไม่ได้ถือกำเนิดขึ้นมาในที่ที่มีไอออนต่างๆ ละลายอยู่ในปริมาณมาก เขาเชื่อว่าชีวิตอาจถือกำเนิดในแหล่งน้ำที่เค็มมากกว่าน้ำทะเลในปัจจุบันหลายเท่าด้วยซ้ำ

> I wouldn't think ions could play such an important role unless they were around in the beginning.

ไม่ใช่ทะเลหรอก น้ำจืดต่างหาก

แต่ (ในชีววิทยาต้องมี "แต่" เสมอ) นักชีววิทยาเสียงส่วนน้อยก็เชื่อไปอีกทางว่าน้ำทะเลไม่เอื้อต่อพัฒนาการแรกเริ่มของชีวิต แหล่งน้ำจืดต่างหากที่ควรเป็นจุดกำเนิดของชีวิตบนโลก (มีคนตั้งข้อสังเกตว่าแม้แต่ ชาร์ลส์ ดาร์วิน บิดาของวิชาวิวัฒนาการสมัยใหม่ ก็อาจคิดจินตนาการถึงแหล่งกำเนิดของชีวิตว่าเป็นแหล่งน้ำจืด เพราะเขาใช้คำว่า "some warm little pond" ในการบรรยายถึงสภาวะที่ปฏิกิริยาเคมีของชีวิตเกิดขึ้นเป็นครั้งแรก - อ่านประโยคเต็มๆ ที่ปรากฏในจดหมายของดาร์วินได้จาก www.nsf.gov/news/special_reports/darwin/textonly/polar_essay1.jsp)

David Deamer แห่ง University of California, Santa Cruz เป็นคนที่ค้านว่าไอออนในน้ำทะเลนั่นแหละที่เป็นตัวต่อต้านไม่ให้ชีวิตเกิดขึ้นในทะเลตั้งแต่แรก

ปัญหาของน้ำทะเลในมุมมองของ David Deamer อยู่ที่ไอออนที่มีประจุ +2 เช่น แมกนีเซียมไอออน แคลเซียมไอออน เป็นต้น ไอออนพวกนี้จะจับกับฟอสเฟตและตกตะกอน หมู่ฟอสเฟตเป็นสิ่งที่สำคัญกับชีวิตมากถึงมากที่สุด มันเป็นส่วนประกอบของสาย DNA กับ RNA, เป็นตัวแปรพลังงานของเซลล์ (ATP), เป็นส่วนประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์ หากขาดฟอสเฟต ก็ไม่มีทางเลยที่ชีวิตแบบที่เรารู้จักจะเกิดขึ้นได้

นอกจากนี้ แมกนีเซียมไอออน, แคลเซียมไอออนยังทำให้น้ำเป็นน้ำกระด้างอีกด้วย เมื่อกรดไขมันซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของเยื่อหุ้มเซลล์เจอเข้ากับน้ำกระด้าง มันก็จะจับตัวตกตะกอน (นึกถึง "ไคลสบู่") แทนที่จะได้ไปจับกับหมู่ฟอสเฟตแล้วเรียงกันเยื่อหุ้มเซลล์แบบ lipid bilayer ให้กิจกรรมต่างๆ ทางชีวเคมีดำเนินไปได้อย่างราบรื่นตามทฤษฎี

แค่กำแพงปราสาท

อย่างไรก็ตาม สมมติฐานของ David Deamer ก็มีจุดอ่อนให้ตีโต้ได้ ตัวแมกนีเซียมไอออน, แคลเซียมไอออนเองมีบทบาทสำคัญในกระบวนการบางอย่างของเซลล์มาจนทุกวันนี้ ฝ่ายที่สนับสนุนทฤษฎีชีวิตเกิดในทะเลยังชี้ให้เห็นอีกว่าไอออนของโลหะเหล่านี้และโลหะทรานซิชัน (ธาตุโลหะที่อยู่ตรงกลางของตารางธาตุ เช่น เหล็ก นิกเกิล) ยังมีคุณสมบัติที่เอื้อต่อปฏิกิริยาของชีวิตในยุคแรกเริ่มด้วยซ้ำ เพราะมันเป็นตัวให้อิเล็กตรอน แม้ปัจจุบันหน้าที่ในการเร่งปฏิกิริยาจะถูกโปรตีนรับเหมาเอาไปทำเกือบหมดแล้ว แต่ในตอนเริ่มต้นที่ยังไม่มีโปรตีนที่ซับซ้อนทำหน้าที่นี้ ธาตุโลหะจะต้องมีบทบาทสำคัญในฐานะของตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst)

และในสายตาของ Michael Russell แห่ง Jet Propulsion Lab ที่เดียวที่ปฏิกิริยาเหล่านี้จะเกิดขึ้นได้ต้องเป็นทะเลที่มีคลอไรด์ไอออนอยู่เป็นปริมาณมาก คลอไรด์ไอออนจะทำให้ไอออนของโลหะพวกนี้คงรูปอยู่ในสถานะของสารละลายในน้ำได้ ไม่จับตัวกับไอออนอื่นตกตะกอน

ส่วนเรื่องที่ว่าแคลเซียมไอออนจะไปจับกับกรดไขมันกลายเป็นไคลสบู่นั้น Michael Russell เห็นว่าถึงแม้มันจะเกิดขึ้น เรื่องนี้ก็ยังไม่ได้รบกวนการกำเนิดของชีวิตอยู่ดี กระบวนการชีวเคมีของชีวิตแรกๆ อาจเกิดขึ้นในรูเล็กๆ ของหินตะกอนก็ได้ (อ่านข่าวเก่า "หินลอยน้ำอาจเป็นบ้านหลังแรกของชีวิต") ตรงจุดนั้นแม้ไม่มีเยื่อหุ้มเซลล์กั้นเป็นอาณาเขต ปฏิกิริยาทางชีวเคมีของเซลล์ก็ยังดำเนินได้อย่างไม่มีปัญหา เยื่อหุ้มเซลล์ที่เป็น lipid bilayer อาจพัฒนาขึ้นมาทีหลัง เขาเทียบว่าไขมันเป็นเพียงกำแพงของปราสาทเท่านั้น โปรตีนต่างหากที่เป็นตัวทำงาน

> It's the proteins that do the work. The lipids are merely the castle wall.

ถึงตรงนี้ David Deamer เถียงว่า ต่อให้การเกิดชีวิตในตอนแรกจะไม่จำเป็นต้องพึ่งเยื่อหุ้มเซลล์ แต่พอมาถึงจุดหนึ่ง เซลล์ก็ต้องพัฒนาเยื่อหุ้มเซลล์ขึ้นมา และในสภาวะแวดล้อมของน้ำทะเล มันแทบเป็นไปไม่ได้เลยที่เอนไซม์โปรตีนง่ายๆ กับไอออนโลหะไม่กี่ตัวจะเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยาที่สร้างเยื่อหุ้มเซลล์ขึ้นมาได้ ต่างจากในน้ำจืดที่โครงสร้าง lipid bilayer สามารถเกิดขึ้นได้เองโดยธรรมชาติ

ส่วนธาตุโลหะที่จำเป็นนั้น แม้แหล่งน้ำจืดจะมีน้อยเมื่อเทียบกับน้ำทะเล แต่มันก็ไม่ใช่ว่าไม่มีเอาเสียเลยอย่างในน้ำกลั่นบริสุทธิ์ หากมันขาดแคลนแร่ธาตุจริงๆ เซลล์ในยุคแรกก็คงหาทางย่อยเอาออกมาจากเซลล์อื่นจนได้ ธาตุโลหะและไอออนในน้ำทะเลต่างหากที่มีมากเกินไปจนขัดขวางจุดเริ่มต้นของชีวิต

> I certainly would not claim that life began in distilled water. It's just that seawater is too much of a good thing.

บึงแห่งชีวิต

สมมติว่าเรายอมรับสิ่งที่ David Deamer พูดมาทั้งหมดว่าจริง ปัญหาก็ยังมีต่ออีกว่า "แล้วน้ำจืดอยู่ตรงไหน?" เพราะอย่างที่บอกไปตั้งแต่ต้นแล้วว่าน้ำบนโลกเกือบทั้งหมดเป็นน้ำเค็มและผืนแผ่นดินเมื่อ 4 พันล้านปีก่อนก็เชื่อมต่อกันเป็นแผ่นเดียว แม่น้ำหรือทะเลสาบก็ยังไม่มีเป็นตัวเป็นตน (อาจจะมีบ้างแต่คงไม่ถาวรยาวนานพอให้ชีวิตวิวัฒนาการขึ้นมาได้)

Jack Szostak แห่ง Harvard University เสนอว่าเกาะที่เกิดจากหินเหลวที่พ่นออกมาจากภูเขาไฟนั่นไงที่เป็นแหล่งกักเก็บน้ำฝนได้ นอกจากนี้การที่มันอยู่ใกล้ภูเขาไฟยังช่วยให้เกิดวัฎจักรท่วม-แห้งสลับกัน ส่งผลให้โมเลกุลของกรดไขมันรวมตัวกันได้เร็วยิ่งขึ้นอีกด้วย

David Deamer ก็เคยทำการทดลองเอากรดไขมันไปลองเทใส่ในบึงบนเกาะภูเขาไฟด้วยตัวเอง ผลปรากฏว่ากรดไขมันจับตัวจริง แต่ไม่ได้จับกันเอง มันดันไปจับกับตะกอนโคลนก้นบึงแทน O.o

แม้ผลการทดลองในแหล่งธรรมชาติจะไม่ได้ผล David Deamer ก็ไม่ยอมแพ้ เขาเชื่อว่าแหล่งน้ำบนเกาะภูเขาไฟที่เป็นต้นกำเนิดชีวิตคงจะไม่ได้มีก้นบึงโคลนแบบในที่ที่เขาทดลอง เขาจึงสร้างบึงภูเขาไฟดึกดำบรรพ์จำลองขึ้นมาในห้องปฏิบัติการโดยใส่น้ำและสารต่างๆ ที่จำเป็นต่อชีวิตเข้าไปในหลอดทดลอง จากนั้นก็ให้ความร้อนสลับกับหยดน้ำลงไปซ้ำๆ กันหลายรอบ ให้เหมือนกับวัฎจักรท่วม-แห้งที่เกิดจากฝนตกและความร้อนของภูเขาไฟ

> I've learned from visiting these places what to do to simulate these environments in the lab.

ผลในห้องปฏิบัติการออกมาดีเกินคาด ไม่เพียงแต่ไขมันจะจับตัวกันเป็นกระเปาะของ lipid bilayer เท่านั้น ในตัวกระเปาะไขมันยังมีโครงสร้างที่น่าจะช่วยให้ DNA เกิดกระบวนการจำลองตัวเองได้ด้วย

David Deamer วางแผนว่าเขาจะลองเปลี่ยนจากน้ำจืดมาเป็นน้ำทะเล แล้วดูว่าผลที่ออกมาจะเป็นอย่างไร

คำตอบของคำถามง่ายๆ เอาเข้าจริงมันไม่ได้ง่ายเลย...


...บางทีการที่เรายังหาคำตอบให้กับบางเรื่องไม่ได้นั้นอาจเป็นเหตุผลที่ทำให้วิทยาศาสตร์ต้องดำรงอยู่ต่อไป หากว่ามนุษยชาติไขปัญหาทุกเรื่องได้หมดแล้ว ผมก็ไม่เห็นว่าเรามีความจำเป็นอื่นใดที่จะต้องมาทนนั่งเรียนวิทยาศาสตร์กันอีก สู้เอาเวลาไปสวดมนต์ข้ามปีหรือไปเตรียมตัวรับมือเขื่อนแตกตามคำทำนายของเด็กชายปลาบู่ดีกว่า :P

แปลและเรียบเรียงจาก: "A Salt-Free Primordial Soup?" โดย Michael Schirber. Astrobiology Magazine

11 Comments

terminus's picture

ไม่ง่ายจริงๆ
ตอนแรกผมนึกว่าข่าวนี้เขียนแค่ครึ่งชั่วโมงก็เสร็จ เอาเข้าจริงล่อไปสองชั่วโมงกว่า สาดดดด

neizod's picture

ไม่ง่ายเลย..
ตอนแรกผมกะจะอ่านสองนาทีเสร็จ อ่านจริงกินเวลาไปเป็นครึ่งชั่วโมง สาดดดดด

superballsj2's picture

ไม่ง่ายเลย...
ตอนแรกกะจะอ่านให้จบบทความ เลื่อนลงมาเรื่อย ไม่อ่านแล้ว เยอะจริง สาดดดดดดด

ปล. ขอบคุณที่เขียนมาให้อ่านนะครับ ไว้ว่างๆ จะมาอ่านต่อ

soginal's picture

ไม่ง่ายเลย...
ตอนแรกผมนึกว่าจะได้รู้แล้วว่าต้นกำเนิดชีวิตคือที่ไหน แต่หลังอ่านจบผมก็พบว่า มันไม่ง่ายเลยจริงๆ

BLiNDiNG's picture

ไม่ง่ายเลย...
ตอนแรกผมนึกว่าจะมีข้อสรุปที่ฟันธงได้ หรือ มีการทดลองที่ทำสำเร็จเรียบร้อยชี้ชัดลงไป
แต่อ่านจนจบแล้วก็พบว่าแม้แต่ทฤษฎีเรื่อง ไอออน, ประจุ, ชั้นไขมัน, เยื่อหุ้มเซลล์, ฯลฯ ก็เข้าใจยากไม่น้อย มันไม่ง่ายเลย...

-Rookies-'s picture

ไม่ง่ายเลย...

อุตส่าห์อ่านจบจบ ยาวเป็นบ้า เข้าใจยากอีก วนอ่านซ้ำไปหลายจุดเลย จบแล้วต้องมาอ่านคอมเมนต์ยาวๆ อีก ไม่ง่ายเลย...

terminus's picture

ถ้ามันยาก ให้โทษวิชาเคมีครับ ความจริงข่าวนี้ยากตรงเคมี :P

wichate's picture

โอ้ว มีกัดเด็กชายปลาบู่ นิดหน่อย สวดมนต์ข้ามปีก็ด้วย (มีเวลาทั้งปีไม่สวด มาสวดเอาอะไรป่านนี้)

ปล. ความจริงเด็กชายปลาบู่น่าจะทำนายว่าน้ำท่วมกรุงเทพนะ จะได้ไม่ฉุกละหุกแบบนี้

skycreeper's picture

รู้สึกว่า ประเด็นนี้ยังเป็นจุดที่วิทยาศาสตร์"ยัง"หาคำตอบไม่ได้ และเป็นประเด็นที่คนที่ไม่เชื่อในทฤษฎีวิวัฒนาการโจมตี

hisoft's picture
  • หัวใจนักขีววิทยา

ว้าว สาขาใหม่ (>_<)

ว่าแต่ มีสิทธิ์ที่ว่าตอนโลกยังอุณหภูมิสูงอยู่จะมีเมฆปกคลุมเกือบตลอดเวลา แล้วเกิดไปมีสิ่งมีชีวิตอยู่ในก้อนเมฆได้ไหมครับ น้ำจืดซะด้วย (แต่จืดจนเป็นน้ำบริสุทธิ์ขนาดนั้นถึงมีตัวอะไรเข้าไปก็คงไม่รอด - -" เว้นแต่จะได้เถ้าภูเขาไฟเข้าไปผสมจน !@#$%)

ชักจะเพ้อเจ้อแฮะผม (O_o)

The Phantom Thief