ที่มาของภาพ, Lars Behrendt
เมื่อเฮเซล บาร์ตัน นักชีววิทยาเกี่ยวกับถ้ำเดินลึกเข้าไปในความมืดมิด เธอกลับพบสิ่งสุดท้ายที่เธอคิดว่าจะพบ อันได้แก่ สิ่งมีชีวิตที่สามารถดึงพลังงานจากแสงได้
การค้นพบกระบวนการสังเคราะห์แสงในความมืดแบบใหม่นี้ยังได้จุดประกายความคิดให้เธอด้วยว่าชีวิตในที่อื่นของจักรวาลอาจดำรงอยู่ในสถานที่ที่ไม่เคยคิดว่าจะเป็นไปได้มาก่อนก็เป็นได้
“ผนังถ้ำมีสีเขียวสด เป็นสีเขียวที่เปล่งประกายที่คุณไม่เคยเห็นมาก่อน ทั้งที่จุลชีพเหล่านี้อาศัยอยู่ในความมืดมิดโดยสมบูรณ์” บาร์ตัน ศาสตราจารย์ด้านธรณีวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยแอละแบมา กล่าว
ใต้ผืนดินลึกของหุบผาหินในทะเลทรายชิฮัวฮวน ทางตอนใต้ของรัฐนิวเม็กซิโก มีถ้ำกว่า 119 แห่งเชื่อมต่อกันเป็นเครือข่าย ถ้ำเหล่านี้เกิดจากกระบวนการที่กรดกำมะถัน กัดกร่อนหินปูนเมื่อราว 4-11 ล้านปีก่อน และกลายเป็นส่วนหนึ่งของอุทยานแห่งชาติคาร์ลสแบด แคเวิร์นส์ในปัจจุบัน
แหล่งท่องเที่ยวหลักของอุทยานแห่งนี้ คือถ้ำจัดแสดง “คาร์ลสแบด แคเวิร์น” ภายในถ้ำมีห้องโถงใหญ่ซึ่งเป็นพื้นที่ใต้ดินขนาดมหึมา มีหินงอกระยิบระยับห้อยลงมาจากเพดาน ห้องโถงแห่งนี้มีความยาวเกือบ 4,000 ฟุต (1,220 เมตร) และกว้าง 625 ฟุต (191 เมตร)
“ถ้ำคาร์ลสแบดเข้าถึงได้ง่ายมาก มันเป็นถ้ำหินปูนขนาดใหญ่ที่นักท่องเที่ยวสามารถเดินลงไปได้ มีบันไดและทางเดิน ทุกคนลงไปชมได้” ลาร์ส เบห์เรนต์ นักจุลชีววิทยาจากมหาวิทยาลัยอุปป์ซาลา กล่าว พร้อมเสริมว่า บางส่วนของระบบถ้ำยังรองรับการเข้าถึงด้วยรถเข็นอีกด้วย
ในแต่ละปีมีนักท่องเที่ยวเดินทางมาเยือนถ้ำคาร์ลสแบดเกือบ 350,000 คน ทว่าแทบไม่มีใครตระหนักเลยว่า ถ้ำแห่งนี้คือสถานที่ซึ่งเกิดการค้นพบทางวิทยาศาสตร์อย่างหนึ่งที่ชวนพิศวงที่สุดในรอบทศวรรษที่ผ่านมา
ในปี 2018 ลาร์ส เบห์เรนต์ เพิ่งสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอก และได้รับรางวัลทางวิชาการพร้อมเงินทุนสนับสนุน เขาติดต่อเฮเซล บาร์ตัน และชักชวนให้เธอร่วมเดินทางสำรวจด้วยกัน ซึ่งก็เป็นโชคดีของเธอที่เธอตอบตกลง
“สิ่งแรกที่คุณทำเมื่อเข้าถ้ำคาร์ลสแบด คือเดินตามเส้นทางนักท่องเที่ยว จากนั้นก็เลี้ยวตรงหัวมุม” บาร์ตันกล่าว “ฉันไม่รู้ว่าฉันเดินเส้นทางนั้นมาแล้วกี่ครั้ง น่าจะประมาณ 40 ครั้งได้ พอเลี้ยวตรงมุมนั้น แล้วมองกลับไปข้างหลัง จะเห็นเป็นโพรงเว้าเล็ก ๆ ซึ่งมืดสนิท”
ตลอดเวลากว่า 20 ปี บาร์ตันศึกษาชีวิตขนาดจิ๋วที่อาศัยอยู่ลึกใต้ผืนโลก แต่สิ่งที่เกิดขึ้นต่อจากนั้นกลับทำให้เธอยังต้องประหลาดใจ
เบห์เรนต์ส่องไฟฉายไปยังผนังโพรง ทั้งที่บริเวณนั้นมืดมิดไร้แสงโดยสมบูรณ์ แต่เมื่อแสงไฟกวาดผ่าน ก็เผยให้เห็นผืนสีเขียวของจุลชีพที่ปกคลุมผนังถ้ำอยู่ การตรวจสอบในภายหลังพบว่า จุลชีพเหล่านั้นคือไซยาโนแบคทีเรียซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวในกลุ่มแบคทีเรีย ไซยาโนแบคทีเรียหรือที่รู้จักกันในชื่อสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินนี้สามารถใช้แสงอาทิตย์ในการสร้างอาหารได้ ทว่า พวกมันทำด้วยวิธีที่แตกต่างจากแบคทีเรียส่วนใหญ่
ที่มาของภาพ, Lars Behrendt
คำบรรยายภาพ, นักวิจัยพบไบโอฟิล์ม หรือกลุ่มของจุลินทรีย์สีเขียวหนาแน่นอยู่ลึกเข้าไปในถ้ำ แม้ในบริเวณที่ไม่มีแสงอยู่เลยก็ตาม
“พวกเราเริ่มเดินลึกเข้าไปเรื่อย ๆ ในถ้ำ” บาร์ตันเล่า “ท้ายที่สุด เราไปถึงจุดที่ไม่สามารถมองเห็นอะไรได้เลยหากไม่มีไฟฉาย เราต้องใช้ไฟคาดศีรษะเพื่อให้เห็นมือของตัวเองที่อยู่ตรงหน้า แต่ถึงอย่างนั้น เราก็ยังมองเห็นเม็ดสีเขียวบนผนังถ้ำ”
สีเขียวของพืชเกิดจากสารคลอโรฟิลล์ ซึ่งทำหน้าที่ดูดซับพลังงานแสง ในกระบวนการสังเคราะห์แสง พลังงานนี้จะถูกใช้ในการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำให้กลายเป็นกลูโคสและออกซิเจน กระบวนการนี้เกิดขึ้นในไซยาโนแบคทีเรียเช่นกัน ทว่าในถ้ำแห่งนี้ไม่มีแสงอาทิตย์ส่องลงมาแม้แต่น้อย
แล้วเกิดอะไรขึ้นกันแน่?
ปรากฏว่าไซยาโนแบคทีเรียในถ้ำมีคลอโรฟิลล์ชนิดพิเศษที่สามารถจับคลื่นแสงใกล้อินฟราเรด (near-infrared light)ได้ แสงชนิดนี้มีความยาวคลื่นยาวกว่าแสงที่มองเห็น และอยู่ถัดจากช่วงอินฟราเรดบนสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งไม่สามารถตรวจจับได้ด้วยตาเปล่าของมนุษย์
แม้พืชและไซยาโนแบคทีเรียทั่วไปจะใช้คลอโรฟิลล์ชนิดเอ (chlorophyll a) ในการสังเคราะห์แสง แต่ไซยาโนแบคทีเรียในถ้ำคาร์ลสแบดกลับใช้คลอโรฟิลล์ชนิดดีและเอฟ (chlorophyll d และ f) ซึ่งสามารถสร้างพลังงานจากคลื่นแสงใกล้อินฟราเรดได้
แม้ว่าแสงที่มองเห็นได้ด้วยตาจะสามารถส่องทะลุเข้าไปในถ้ำได้เพียงไม่กี่ร้อยฟุต แต่แสงใกล้อินฟราเรดนั้นเดินทางได้ลึกกว่ามาก เนื่องจากหินปูนที่ประกอบเป็นถ้ำมีคุณสมบัติสะท้อนแสงสูง “หินปูนที่สร้างถ้ำจะดูดซับแสงที่ตามองเห็นเกือบทั้งหมด แต่สำหรับคลื่นแสงใกล้อินฟราเรดแล้ว ถ้ำแทบจะกลายเป็นห้องกระจกเงาเลยทีเดียว” บาร์ตันกล่าว
ในความเป็นจริง เมื่อทีมวิจัยวัดระดับแสงในส่วนหลังของถ้ำซึ่งมืดที่สุด พวกเขาพบว่าความเข้มข้นของแสงใกล้อินฟราเรดสูงกว่าบริเวณปากถ้ำถึง 695 เท่า ขณะเดียวกัน แม้ไซยาโนแบคทีเรียที่มีคลอโรฟิลล์ชนิดดีและเอฟจะพบได้ทุกส่วนของถ้ำ แต่พวกมันกลับมีความหนาแน่นมากที่สุดในพื้นที่ที่มืดและลึกที่สุด
ทีมวิจัยยังได้เดินสำรวจถ้ำอื่น ๆ ในอุทยานแห่งชาติคาร์ลสแบด แคเวิร์นส์ รวมถึงถ้ำที่อยู่นอกเส้นทางท่องเที่ยวทั่วไป และตรวจสอบสภาพภายในแต่ละแห่ง ผลลัพธ์คือพวกเขาพบจุลชีพที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ในทุกพื้นที่ใต้ดินลึกที่เข้าไปถึง
“เราพิสูจน์ได้แล้วว่าไม่เพียงแต่พวกมันอาศัยอยู่ที่นั่น แต่พวกมันยังสังเคราะห์แสงในสภาพแวดล้อมที่ถูกปิดกั้นอย่างสมบูรณ์ และอาจอยู่อย่างนั้นโดยไม่ถูกรบกวนมานานถึง 49 ล้านปี” เบห์เรนต์กล่าว
ที่มาของภาพ, Getty Images
คำบรรยายภาพ, นักวิจัยค้นพบสิ่งที่ไม่คาดคิดนี้ในพื้นที่นอกเส้นทางท่องเที่ยวยอดนิยมของถ้ำคาร์ลสแบด
ทั้งนี้ บาร์ตันและเบห์เรนต์ไม่ใช่นักวิทยาศาสตร์เพียงสองคนที่ค้นพบว่ามีจุลชีพสามารถดำรงชีวิตในความมืดได้
ในปี 1890 เซอร์เกย์ นีโคลาเอวิช วิโนกราดสกี นักจุลชีววิทยาชาวยูเครน-รัสเซีย ผู้บุกเบิกวงการ ได้ค้นพบว่าจุลชีพบางชนิดสามารถมีชีวิตอยู่ได้ด้วยสารอนินทรีย์เพียงอย่างเดียว ผ่านกระบวนการที่เรียกว่าเคโมซินเธซิส (chemosynthesis) จุลชีพเหล่านี้ได้รับพลังงานจากปฏิกิริยาเคมี โดยใช้สารอย่างมีเทนหรือไฮโดรเจนซัลไฟด์จากหินและน้ำรอบตัวเป็นแหล่งพลังงาน
ต่อมาในปี 1996 ฮิเดอากิ มิยาชิตะ ซึ่งขณะนั้นเป็นนักศึกษาในโครงการหลังปริญญาเอกของนาซา ค้นพบไซยาโนแบคทีเรียในทะเลชนิดหนึ่งชื่ออาคาร์โยคลอริส มารีนา (Acaryochloris marina) ซึ่งสามารถสังเคราะห์แสงได้ทั้งจากแสงที่ตามองเห็นและแสงใกล้อินฟราเรด การค้นพบนี้ได้จุดประกายงานวิจัยที่เกี่ยวกับช่วงความยาวคลื่นของแสงที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์แสงเป็นเวลานานหลายทศวรรษ
จากนั้นในปี 2018 นักวิทยาศาสตร์จากอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอน (Imperial College London) พบไซยาโนแบคทีเรียที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ ในสภาพแสงรำไรภายในคราบจุลชีพที่อุทยานแห่งชาติเยลโลว์สโตน (Yellowstone National Park) และภายในหินชายหาดบางแห่งในออสเตรเลีย พวกเขายังประสบความสำเร็จในการเพาะเลี้ยงจุลชีพที่สังเคราะห์แสงได้ภายในตู้เก็บของมืดที่ติดตั้งหลอดไฟแอลอีดีอินฟราเรดอีกด้วย
ในแต่ละกรณี ไซยาโนแบคทีเรียจะใช้คลอโรฟิลล์ชนิดเอในการสังเคราะห์แสงจากแสงที่ตามองเห็น แต่จะสลับไปใช้คลอโรฟิลล์ชนิดเอฟเพื่อสังเคราะห์แสงจากแสงใกล้อินฟราเรด ซึ่งอยู่นอกเหนือขอบเขตการมองเห็นของมนุษย์
ข้อค้นพบนี้มีนัยสำคัญต่อภาพที่เราอาจคาดหวังเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์อื่น เมื่อต้องค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่อาจเอื้อต่อการอยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิต นักดาราศาสตร์จำเป็นต้องคำนึงถึงลักษณะของดาวฤกษ์ที่ดาวเคราะห์นั้นโคจรรอบด้วย
นักดาราศาสตร์ได้พยายามจัดกลุ่มดาวฤกษ์ตามสีของแสงที่พวกมันปลดปล่อยออกมา ซึ่งนำไปสู่การแบ่งดาวฤกษ์ออกเป็นเจ็ดชนิด ได้แก่ O, B, A, F, G, K และ M โดยเรียงตามอุณหภูมิจากร้อนที่สุดไปหาเย็นที่สุด ดาวประเภท O และ B เป็นดาวฤกษ์ที่ร้อนที่สุด มีมวลมากที่สุด และปล่อยพลังงานมากที่สุดในเอกภพ ลักษณะเด่นคือสีฟ้าอมขาว
“ดาวประเภทนี้ปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตออกมามาก ซึ่งเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิต” บาร์ตันกล่าว
ดาวประเภท G ซึ่งรวมถึงดวงอาทิตย์ของเรา มีสีเหลืองและปล่อยแสงปริมาณมากในช่วงที่ตามองเห็นได้ ดาวประเภทนี้ถือเป็นเป้าหมายเหมาะสมในการค้นหาโลกที่อาจอยู่อาศัยได้ในทางทฤษฎี ทว่า ดาวประเภท G มีสัดส่วนเพียงราว 8% ของดาวฤกษ์ทั้งหมดในเอกภพ ซึ่งคาดว่ามีอยู่ราวหนึ่งล้านล้านล้านดวง
ที่มาของภาพ, Alamy
คำบรรยายภาพ, เชื่อกันว่าไซยาโนแบคทีเรียที่สร้างโครงสร้างหินเหล่านี้เมื่อราว 2.5 พันล้านปีก่อน มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในเหตุการณ์ “สร้างออกซิเจนครั้งใหญ่” (Great Oxygenation Event) ของโลก
เนื่องจากดาวแคระแดงเป็นดาวที่มีมวลต่ำ ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบจึงมักอยู่ใกล้พื้นผิวดาว ซึ่งทำให้นักดาราศาสตร์สามารถตรวจจับได้ง่าย อีกเหตุผลหนึ่งที่ดาวประเภท M กลายเป็นแหล่งข้อมูลสำคัญในการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบ คือจำนวนที่มีมากมายมหาศาล อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันเชื่อกันว่าดาวแคระแดงมีเขตเอื้ออาศัยที่แคบมาก คือบริเวณรอบดาวที่ไม่ร้อนหรือเย็นเกินไปจนทำให้น้ำในสถานะของเหลวสามารถคงอยู่บนพื้นผิวดาวเคราะห์ได้ (อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการตามหาดาวเคราะห์ที่คล้ายโลกอย่างยิ่งยวด )
เนื่องจากการมีอยู่ของน้ำในสถานะของเหลวเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตบนโลก มาตรวัดนี้ ซึ่งเรียกว่า “โซนโกลดิล็อกส์” (Goldilocks zone) ของดาวฤกษ์ จึงเป็นสิ่งที่นักชีวดาราศาสตร์ (astrobiologists) ให้ความสำคัญในการค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกโลก จนถึงขณะนี้พวกเขาพบตัวเลือกที่เป็นไปได้หลายสิบดวง แต่ก็ไม่ใช่ว่าทุกดวงจะสามารถรองรับสิ่งมีชีวิตได้ อีกทั้งการใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศอย่างกล้องโทรทัศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (James Webb Space Telescope -JWST) เพื่อสำรวจโดยละเอียดแต่ละครั้งต้องใช้เวลาและทรัพยากรจำนวนมาก
ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่กำหนดว่าสิ่งมีชีวิตจะดำรงอยู่ได้หรือไม่ คือความเป็นไปได้ของการสังเคราะห์แสงบนโลก การสังเคราะห์แสงเป็นฐานของห่วงโซ่อาหารเกือบทั้งหมด และเป็นแหล่งกำเนิดออกซิเจนที่เราหายใจ ดังนั้นการจำกัดการค้นหาไปยังดาวเคราะห์ที่สามารถรองรับการสังเคราะห์แสงจึงเป็นเหตุผลที่สมเหตุสมผล และอาจทำให้เขตรอบดาวฤกษ์ที่สิ่งมีชีวิตสามารถดำรงอยู่ได้แคบลงอย่างมาก
ในอดีต นักชีวดาราศาสตร์กำหนดขีดจำกัดสำหรับการสังเคราะห์แสงไว้ที่ความยาวคลื่นราว 700 นาโนเมตร ซึ่งเทียบเท่ากับแสงสีแดง เพราะเป็นช่วงที่ประสิทธิภาพของการสังเคราะห์แสงโดยใช้คลอโรฟิลล์ชนิดเอ เริ่มลดลง ทว่าการค้นพบไซยาโนแบคทีเรียในระบบถ้ำคาร์ลสแบดเผยว่าพวกมันสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานแสงที่มีความยาวคลื่นสูงถึง 780 นาโนเมตรได้ โดยใช้คลอโรฟิลล์ชนิดเอฟ
“ดาวส่วนใหญ่ในดาราจักรของเราเป็นดาวประเภท M และ K” บาร์ตันกล่าว “นั่นหมายความว่า ดาวส่วนใหญ่ในดาราจักรนี้ปล่อยแสงใกล้อินฟราเรดออกมา แต่เราแทบไม่รู้เลยว่าการสังเคราะห์แสงและสิ่งมีชีวิตจะอยู่รอดได้อย่างไรภายใต้สภาวะแสงที่ดาวฤกษ์แบบนั้นผลิตขึ้น”
ที่มาของภาพ, Nasa, ESA and G. Bacon (STScI)
คำบรรยายภาพ, ห่างออกไปราว 40 ปีแสง ดาวเคราะห์สองดวงซึ่งมีขนาดใกล้เคียงกับโลกกำลังโคจรผ่านหน้าดาวแคระแดง
บาร์ตันมีแผนที่จะเปลี่ยนแปลงสถานการณ์นี้ เธอและเบห์เรนต์ได้ยื่นข้อเสนอโครงการวิจัยต่อองค์การนาซา เพื่อค้นหาขีดจำกัดของพื้นที่ที่สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงสามารถดำรงอยู่ได้ งานวิจัยดังกล่าวจะต้องลงไปยังส่วนลึกที่สุดของถ้ำที่มืดที่สุด เพื่อวัดให้ได้อย่างแม่นยำว่าไซยาโนแบคทีเรียต้องการแสงในปริมาณเท่าใดจึงจะมีชีวิตอยู่ได้ ข้อมูลเหล่านี้จะช่วยจำกัดขอบเขตการค้นหาดาวเคราะห์ที่อาจเอื้อต่อการอยู่อาศัย
ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดปริมาณและชนิดของแสงที่ดาวเคราะห์นอกระบบได้รับจากดาวฤกษ์แม่ได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์
“สิ่งที่งานวิจัยของเราพยายามทำ คือหาว่าความยาวคลื่นแสงที่ยาวที่สุด และระดับแสงที่ต่ำที่สุด ที่ยังสามารถสังเคราะห์แสงได้คือเท่าใด” บาร์ตันกล่าว
“จากนั้น สิ่งที่เราสามารถทำได้คือ นำดาวฤกษ์ที่มีศักยภาพ 100 พันล้านดวงที่เราสามารถใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ สามารถชี้ไปสำรวจได้ มาคัดกรองเหลือเพียงราว 50 ดวง [ที่อาจมีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ได้]”
กล่าวอีกนัยหนึ่ง งานวิจัยนี้อาจทำให้นักชีวดาราศาสตร์ขยายกรอบความคิดเกี่ยวกับประเภทของดาวเคราะห์ที่อาจรองรับสิ่งมีชีวิตได้ สิ่งที่เหลืออยู่คือการหันกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ไปยังดาวฤกษ์ที่ต้องการศึกษา จากนั้นเฝ้าดูดาวเคราะห์ที่โคจรตัดผ่านหน้า เมื่อแสงจากดาวฤกษ์เดินทางผ่านบรรยากาศของดาวเคราะห์ ความถี่ของแสงบางช่วงจะถูกดูดซับไป ขึ้นอยู่กับธาตุที่มีอยู่ในบรรยากาศนั้น นักดาราศาสตร์จึงสามารถตรวจสอบได้ว่ามีองค์ประกอบซึ่งอาจบ่งชี้ถึงร่องรอยของสิ่งมีชีวิต เช่น ออกซิเจน อยู่ในบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบหรือไม่ โดยการค้นหาเส้นที่หายไปในสเปกตรัมการดูดกลืนแสง
“มีวิธีเพียงไม่กี่วิธีที่ออกซิเจนจะเกิดขึ้นในบรรยากาศได้โดยไม่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิต” บาร์ตันกล่าว “ดังนั้น หากคุณพบออกซิเจนในบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบสักดวง นั่นคือสัญญาณที่บ่งชี้ได้อย่างหนักแน่นมากว่ามีโอกาสพบสิ่งมีชีวิตอยู่ที่นั่น”
*บทความนี้ได้รับการปรับปรุงข้อมูลให้ถูกต้องเกี่ยวกับการจัดจำแนกสเปกตรัมของดาวฤกษ์ตั้งแต่ O ถึง M และแก้ไขข้อความที่ระบุผิดว่า ดาวเคราะห์นอกระบบทั้งหมดที่ค้นพบจนถึงปัจจุบันพบรอบดาวแคระแดงเท่านั้น ข้อเท็จจริงคือมีการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบรอบดาวหลากหลายประเภท
