ชีวะแห่งจักรวาล: มาคิดถึงปัญหา ว่าชีวิตเกิดมาได้อย่างไร

ในปี คศ 1953 นักเคมีจากมหาวิทยาลัยชิคาโกสองท่าน คือ สแตนลี่ย์ มิลเล่อร์(Stanley Miller) และ แฮรอล อูรี่(Harold Urey) ได้จำลองการทดลอง เพื่อแสดงว่า สารอินทรีย์ จะเกิดขึ้นมาได้อย่างไรบนโลกดึกดำบรรพ์เมื่อ 3.9 พันล้านปีมาก่อน โดยนำสารอนินทรีย์พื้นๆมาใส่รวมกัน มิลเล่อร์ และ อูรี่ ใส่น้ำในหลอดทดลอง แล้วอัด ก๊าซ ที่ "เชื่อว่า" เป็นส่วนประกอบของบรรยากาศโลกในสมัยนั้น ที่มีก๊าซที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนมากๆ คือ เม็ธเธน(methane) แอมโมเนีย ก๊าซไข่เน่า(hydrogen sulfide) และไอนำ้ แล้วปล่อยประกายไฟแลบแปลบปลาบ เลียนแบบการเกิดฟ้าผ่า หรือความร้อนจากแสงแดดเข้มข้น ที่ทะลุช่องโหว่บนเมฆ ก่อกำเนิดเกิดเป็นสารอินทรีย์ที่สลับซับซ้อนขึ้น อันเป็นส่วนประกอบเบื้องต้นของสิ่งมีชีวิตบนโลก อยู่เป็นเวลาสองวัน จึงนำของเหลวที่ได้มาทำการวิเคระาห์ ปรากฏว่า เกิดสารประกอบอินทรีย์มากมายหลายอย่าง ที่สำคัญคือ กรดอะมิโน(amino acids) ที่เมื่อมาต่อกันเข้า จะก่อตัวเป็นโปรตีนชึ้นมา การทดลองง่ายๆนี้ ดูจะยืนยันสมมติฐานที่ ชารลส์ ดาร์วิน ได้อธิบายไว้ร้อยกว่าปีมาแล้วว่า สิ่งมีชีวิตดูจะถือกำเนิดเกิดมาใน "บึงนำ้อุ่นน้อยๆ ที่ประกอบไปด้วยสารประกอบสารพัดของ แอมโมเนีย เกลือฟอสฟอริค แสงสว่าง ความร้อน และกระแสไฟฟ้า" ความที่การเกิดสารอินทรย์ดูง่ายอย่างไม่น่าเชื่อนี้ ทำให้เชื่อกันว่า อีกไม่กี่สิบปี เราก็คงรู้เข้าใจได้หมดว่า ชีวิตเกิดขึ้นมาบนโลกได้อย่างไร

อูรี่ ได้ตั้งสมมติฐานการจำลองแบบบรรยากาศโลกยุคดึกดำบรรพ์นี้ ด้วยข้อมูลสดๆร้อนๆที่เพิ่งได้จากการวิเคราะห์สเปคตรัมของดาวเคราะห์ยักษ์ คือ ดาวพฤหัส ดาวเสาร์ ยูเรนัส และเนปจูน ว่าอุดมไปด้วยก๊าซเม็ธเธน และแอมโมเนีย ซึ่งเชื่อกันว่า หลงเหลือมาจากการก่อตัวเมื่อแรกเริ่มระบบสุริยะ และนักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้น ยังเข้าใจว่า ดาวเคราะห์ทั้งหมด มีส่วนประกอบคล้ายๆกันในระยะแรกเกิด เนื่องจากดาวเคราะห์ยักษ์มีแรงโน้มถ่วงมากกว่า จึงสามารถยึดเหนี่ยวก๊าซเหล่านี้ไว้ได้ ในขณะที่ บนดาวเคราะห์เล็กๆ อย่าง โลก และดาวอังคาร ก๊าซที่มีนำ้หนักเบา เช่น ไฮโดรเจน หรือก๊าซที่เป็นส่วนประกอบของไฮโดรเจน ก็หลุดลอยสูญหายไปในอวกาศเป็นส่วนใหญ่ อูรี่ จึงสันนิษฐานว่า บรรยากาศบนโลกในยุคแรกๆนั้น ก่อนที่จะสูญพวกส่วนไฮโดรเจนไปในอวกาศ และถูกแทนที่ด้วยอ๊อกซิเจน จากการสังเคราะห์แสงของพืช คงจะมีส่วนประกอบคล้ายๆกับบรรยาการของดาวเคราะห์ยักษ์เหล่านี้

หลังจากที่มิลเล่อร์และ อูรี่ ตีพิมพ์ผลงานการทดลองชิ้นนี้ได้ไม่นาน นักธรณีวิทยาได้เริ่มทำการสำรวจส่วนประกอบของก๊าซ ที่ภูเขาไฟพ่นออกมาอย่างจริงจัง แต่ข้อมูลที่ได้กลายเป็นว่า พลิกพื้นฐานการให้เหตุผลอย่างกลับตาลปัตรไปเลย คือปรากฏว่า ก๊าซที่พ่นออกมาจากภูเขาไฟ ไม่ใช่เม็ธเธนหรือแอมโมเนีย แต่เป็นไอนำ้เป็นส่วนใหญ่ ถึง 80% อีก 15-20% เป็นก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์ และคาร์บอนมอน๊อกไซด์ กับโมเลกุลของไฮโดรเจนอีกเล็กน้อย James C.G. Walker แห่งมหาวิทยาลัยมิชิแกน เอาข้อมูลใหม่ของก๊าซจากภูเขาไฟนี้ มาคำนวนส่วนประกอบหลักของบรรยากาศโลกในยุคนั้น โดยคำนวณการสูญเสียไฮโดรเจนไปจากความที่มันหลุดไปจากแรงดึงดูดของโลกแล้ว ปรากฏว่า ได้ผลที่ต่างออกไปมาก คือ บรรยากาศของโลกในสมัยแรกๆนั้น มีก๊าซทีี่มีส่วนประกอบของอ๊อกซิเจนอยู่เป็นหลัก คือ คาร์บอนไดอ๊อกไซด์ ไนโตรเจน และไอนำ้

ปัญหาก็คือ แม้ว่าอ๊อกซิเจนจะมีความสำคัญอย่างยิ่งยวดต่อสิ่งมีชีวิตชั้นสูงที่เกิดขึ้นมาบนโลกในภายหลัง แต่มันกลับเป็นพิษต่อการสังเคราะห์สารอินทรีย์ขั้นแรกเริ่ม หากทำการทดลองของ มิลเล่อร-อูรี่ ในส่วนผสมของก๊าซเช่นนี้แล้ว จะไม่มีทางได้กรดอะมิโนเลย มันมีอะตอมของอ๊อกซิเจนอยู่มากเกินไป ดังนั้น ทฤษฎีบึงอุ่นน้อยๆก็ค่อยๆเสื่อมความน่าเชื่อถือไปตามกาลเวลา

มีทฤษฎีใหม่ๆ 2 ทฤษฎีเริ่มก่อตัวขึ้นมาแทนที่ แต่ก็ยังไม่มีข้อสรุปที่แน่นอนลงไปว่า ทฤษฎีไหนถูกต้องน่าเชื่อถือกว่ากัน

ทฤษฎีแรกก็คือ จากการที่เพ่ิงมีการค้นพบจุลินทรีย์ และสิ่งมีชีวิตขนาดจิ๋วที่อาศัยอยู่ในแหล่งนำ้พุร้อนใต้ทะเล (hydrothermal vent) ที่เดือดปุดผุดออกมาจากภายในเปลือกโลกใต้ทะเลลึก ทำให้โน้มน้าวให้เกิดความคิดที่ว่า สิ่งมีชีวิต อาจจะถือกำเนิดมาจากใต้ทะเลลึก ความแตกต่างอย่างมากของอุณหภูมิและความเข้มข้นของอ๊อกซิเจนตามขอบนอกของปล่องนำ้พุร้อนนี้ อาจเป็นตัวเร่งให้เกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นมาได้ แต่จุดอ่อนของข้อสมมติฐานนี้มีอยู่ว่า สารอินทรีย์ที่เกิดขึ้นมา จะไม่สามารถคงตัวอยู่ได้ในที่ที่มีอุณหภูมิสูงขนาดนี้ แทนที่กรดอะมิโนจะมาต่อรวมกัน มันกลับจะแตกแยกตัวสลายไปด้วยความร้อน

อีกทฤษฎีหนึ่งตั้งอยู่บนข้อสันนิษฐานว่า สารอินทรีย์ประกอบตัวขึ้นท่ามกลางความหนาวเย็นในอวกาศ สารอินทรีย์ที่มีโมเลกุลสลับซับซ้อนและยืดยาว อาจจะก่อตัวขึ้นมาจากการแผ่รังสี จนเกิดปฏิกิริยาระหว่างพลาสม่าและโมเลกุลในบริเวณนั้น อุณหภูมิอันหนาวเย็น ก็จะช่วยสร้างความเสถียรให้สารอินทรีย์เหล่านี้คงอยู่ได้ไม่สลายไป ในทฤษฎี "เมล็ดพันธุ์จากอวกาศ" นี้ อธิบายว่า สารอินทรีย์เหล่านี้เกาะติดมากับอุกกาบาตหรือดาวหาง ที่ถล่มโลกในยุคแรกๆ แต่สมมติฐานนี้ มีจุดอ่อนตรงที่ สารอินทรีย์ จะรอดพ้นจากการเผาไหม้ในบรรยากาศมาได้อย่างไร เมื่อเทหวัตถุเหล่านี้ตกใส่โลก

จิม แค้สติ้ง (Jim Kasting) แห่ง Penn State Astrobiology Research Center ยังไม่จำนนต่อการล้มล้างทฤษฎี "บึงน้อยของดาร์วิน" ไปง่ายๆนัก เขากลับหันไปจำลองแบบด้วยคอมพิวเต้อร์ เพื่อหาผลลัพท์ของกระบวนการเคมีที่กระตุ้นด้วยแสง โดยกำหนดเงื่อนไขขึ้นใหม่ ให้เข้ากับข้อมูลใหม่ที่ว่า บรรยากาศโลกยุคนั้น มีสารประกอบของอ๊อกซิเจนอยู่มาก

"ความคิดของผมก็คือ หากบรรยากาศมีเมธเธนสักเล็กน้อย ก็พอจะทำให้ก่อเป็น โมเลกุลของไฮโดรเจนไซยาไนด์ อันเป็นกุญแจสำคัญดอกหนึ่งที่จะไขประตูไปสู่การสร้าง ทั้งกรดอะมิโนและนิวเคลอิคได้

สิ่งมีชีวิตในปัจจุบัน ประกอบด้วยส่วนสำคัญ อันมีโมเลกุลสามอย่างคือ DNA เพื่อเก็บข้อมูลทางพันธุกรรม RNA เพื่อถ่ายทอดข้อมูลพันธุกรรม และโปรตีนที่เป็นตัวเร่งให้เกิดปฏิกิริยาเหล่านี้ ซึ่งเป็นเรื่องที่สลับซับซ้อนมาก กระนั้นก็ดี ในปี คศ 1989 Thomas Cech แห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโด และ Sidney Altman แห่งเยล ได้รับรางวัลโนเบล จากการแสดงให้เห็นว่า ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง RNA ไม่เพียงแต่ขยายพันธุ์ได้เอง แต่ยังสามารถเก็บสะสมข้อมูลทางพันธุกรรมได้เองอีกด้วย

พูดง่ายๆก็คือว่า RNA ทำได้ทุกอย่าง จึงเป็นที่เชื่อกันแล้วว่า สิ่งมีชีวิตชั้นตำ่มากๆในยุคแรกๆ เริ่มพัฒนามาจากช่วงที่มีแต่ RNA เท่านั้น

ถ้าจะนับเช่นนั้น ก็เลยเหลือว่า ส่วนประกอบหลักของสิ่งมีชีวิต นอกจากกรดอะมิโนแล้ว ก็คือสารประกอบที่สร้าง RNA ขึ้นมา คือ ribose ซึ่งเป็นนำ้ตาลอย่างหนึ่ง เกลือฟอสเฟต และด่างอีก 4 ชนิด adenine, cytosine, guanine และ uracil (ตัวสุดท้ายนี้แทนที่ thymine ใน DNA) ปัญหาก็อยู่ที่่ว่า เราจะหาส่วนประกอบสารอินทรีย์พวกนี้ ในบรรยากาศที่มีอ๊อกซิเจนอยู่ด้วย ได้หรือไม่ แค้สติ้งตอบว่า "ได้ หากเรามีก๊าซเม็ธเธนสักเล็กน้อยในบรรยากาศ"

แค้สติ้งอธิบายเพิ่มเติมว่า ribose นั้น ก็เป็นเพียง ฟอร์มาลดีไฮด์(นำ้ยาดองศพ) 5 โมเลกุลร้อยเรียงต่อกันเท่านั้นเอง เราจะสร้างฟอร์มาลดีไฮด์ได้ง่ายมาก หากมีคาร์บอนไดอ๊อกไซด์และแสงสว่าง เกลือฟอสเฟตก็มีอยู่แล้ว จากการผุพังของหินตามธรรมชาติ ส่วนด่างทั้งสี่ตัวนั้น ก็สังเคราะห์ได้จาก ไฮโดรเจนไซยาไนด์ ส่วนประกอบที่เราต้องการในที่นี้คือ ก๊าซเม็ธเธนเท่านั้น เพราะอย่างอื่นก็มีอยู่แล้ว

กุญแจสำคัญที่จะไขความสว่างให้ทฤษฎีบึงน้อยของดาร์วินก็คือ เราต้องหาให้ได้ว่า แหล่งของก๊าซเม็ธเธนจะได้มาจากไหน

แหล่งก๊าซเม็ธเธนนั้น มาจากใต้ทะเล ตามข้อสันนิษฐานของแค้สติ้ง จากภูเขาไฟใต้ทะเลที่พ่นก๊าซร้อนออกมาจากปล่องใต้ทะเลเหล่านี้ ในปัจจุบัน ข้อมูลจากปล่องไฟใต้ทะเลบอกให้เราทราบว่า ก๊าซที่ถูกพ่นออกมา ประกอบด้วย คาร์บอนไดออกไซด์ถึง 99% และเป็นก๊าซเม็ธเธนอีก 1% ต่างจากส่วนประกอบของก๊าซจากภูเขาไฟบนดินอยู่เล็กน้อย และมันก็มีความเป็นไปได้ทางธรณีฟิสิกส์ว่า สมัยก่อนในยุคที่โลกเพิ่งเกิด ยังร้อนๆอยู่นั้น เปลือกโลกยังบางกว่าปัจจุบันนี้มาก ก็น่าเชื่อได้ว่า อาจจะพ่นก๊าซเม็ธเธนออกมามากกว่าข้อมูลที่ได้ในปัจจุบัน มากพอที่จะทำให้เกิดสารอินทรีย์ขึ้นมาได้

นี่ก็ไม่ใช่ข้อสรุปแน่นอนอะไรนัก เป็นเพียง "ความเป็นไปได้" เท่านั้น แต่ถ้ามันเกิดขึ้นได้จริงๆ เราก็ต้องมาหาคำตอบกันอีกว่า แล้วทำไมสิ่งมีชีวิตถึงเกิดขึ้นบนโลกเท่านั้น หากมันจะเกิดขึ้นได้ง่ายๆอย่างนี้

อ้างอิง
Reflections From a Warm Little Pond By David Pacchioli, Penn State University
http://nai.arc.nasa.gov/index.cfm?page=warm_pond

(คนเขียนขอลาไปเกาหัวต่อค่ะ เพราะว่าอ่อนทั้งเคมีและชีวะ)