สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ เล่มที่ 4 (การเรืองแสงของสิ่งมีชีวิต)
เราจะลองพิจารณาเปรียบเทียบสิ่งมีชีวิตต่างๆ ตามลำดับขั้นวิวัฒนาการ เริ่มจากพวกที่มีวิวัฒนาการน้อยกว่า จนถึงพวกที่มีวิวัฒนาการขั้นสูงสุด คือ ตั้งแต่สัตว์พวกเซลล์ เดียวขึ้นมาถึงสัตว์ชั้นสูง
สิ่งที่มีชีวิตเซลล์เดียวสามารถเปล่งแสงสีได้ สีของแสงที่เปล่งออกมานั้นอาจเปลี่ยนได้ตามสภาพแวดล้อม เช่น นอคติลูคา (noctiluca) ชนิดต่างๆ ตามปกติจะเปล่งแสง สีแดงจนทำให้ผิวทะเลที่มีสิ่งที่มีชีวิตนี้อาศัยอยู่อย่างหนาแน่นเป็นสีแดงเต็มไปหมด แต่ในเวลากลางคืน ถ้ามีคลื่นมารบกวนมาก นอคติลูคาจะเปล่งแสงเป็นสีน้ำเงินแทนสีแดง สิ่งที่มีชีวิตพวกเซลล์เดียวอีกชนิดหนึ่ง คือ โกนีออแลกซ์ (gonyaulax) มีความสามารถในการผลิตแสงได้มากที่สุดในเวลากลางคืน และน้อยที่สุดในเวลากลางวันไม่ว่าจะอยู่ในสภาพแวดล้อมตามธรรมชาติของมันเองคือในทะเล หรือภายในสภาพห้องทดลองที่ห่างไกลจากทะเลหลายพันกิโลเมตร กำหนดเวลาของการเปลี่ยนแสงดังกล่าวนี้จะเที่ยงตรงราวกับมี "นาฬิกา" ตั้งไว้ภายในเซลล์ นอกจากนี้ บัคเตรีซึ่งก็เป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวจะผลิตแสงสีน้ำเงินหรือน้ำเงินเขียว และตราบใดที่สภาพแวดล้อมเหมาะสมกับปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ของมัน แสงที่เรืองนั้นจะต่อเนื่องกันโดยไม่หยุด
ในสัตว์ทะเลพวกหนึ่งซึ่งมีขนาดและลำตัวคล้ายช่อดอกไม้เล็กๆ เช่น แคมพานูลาเรีย เฟลกซูโอสา (Campanularia flexuosa) การเรืองแสงเกิดในเซลล์ที่เป็นแกนในของลำตัว ผ่านผิวชั้นนอกซึ่งใสบาง ส่วนแมงกะพรุนซึ่งเป็นสัตว์กลุ่มใกล้เคียงกันถัดขึ้นมาในลำดับวิวัฒนาการ จะมีการเรืองแสงเกิดขึ้นตามกลุ่มเซลล์ที่กระจายอยู่ตามขอบร่ม เช่น เอควอเรีย เอควอร์ (Aequorea aequore)
หนอนทะเลชนิดหนึ่งซึ่งเป็นสัตว์กลุ่มที่ใกล้เคียงมากกับไส้เดือนดิน และเป็นที่รู้จักกันดีในบริเวณหมู่เกาะอินเดียตะวันตก คือ โอดอนโตซิลลิส อีโนปลา (Odontosyllisenopla) จะมีการเรืองแสงเป็นหมู่ ประมาณ ๒-๓ วันหลังจากเดือนเพ็ญ พวกตัวเมียซึ่งมีไข่สุกและมีขนาดถึง ๓ ๑/๒ซ.ม. จะว่ายวนตามผิวน้ำเปล่งแสงสีเขียว เริ่มประมาณ ๑ ชั่วโมง หลังจากตะวันตกดิน มีตัวผู้ซึ่งเปล่งแสงวาบๆ ว่ายตามมา และต่อมามีการปล่อยเซลล์สืบพันธุ์ทั้งสองฝ่ายออกผสมพันธุ์ในน้ำ
ส่วนสัตว์ทะเลอีกชนิดหนึ่งซึ่งเป็นสัตว์คล้ายกับไรน้ำในน้ำจืด คือ ไรน้ำทะเล ไซปริดิน่า ฮิลเกนดอร์ฟิอิ (Cypridinae hilgendorfii) นี้ เป็นสัตว์ที่รู้จักกันดีในสมัยสงครามโลกครั้งที่ ๒ ทหารญี่ปุ่นได้นำมาใช้ประโยชน์ในการอ่านแผนที่ขณะที่มีการพรางไฟ สัตว์ชนิดนี้เมื่อนำมาตากให้แห้งจะเก็บไว้ได้นานในลักษณะเป็นผง เมื่อต้องการใช้ก็นำมาผสมกับน้ำจะได้แสงสีน้ำเงินที่สว่างพอที่จะอ่านแผนที่ได้โดยไม่ต้องกลัวว่าจะถูกเครื่องบินค้นพบ ได้มีผู้นำไรน้ำทะเลชนิดนี้มาศึกษาปฏิกิริยาชีวเคมีอย่างละเอียด
ในสัตว์พวกแมลงที่เรืองแสง หิ่งห้อยหลายชนิด เช่น โฟทูริส ไพราลิส (Photurispyralis) และ พี. เพนซิลวานิคัส (P. Pennsylvanicus) เป็นแมลงที่พบทั่วไปทั้งในยุโรป เอเชีย และอเมริกา มีการผลิตแสงสีเขียวเหลืองตรงปลายท้อง และมีการเปล่งแสงเป็นจังหวะ ตัวผู้ในฝูงเดียวกันจะเปล่งแสงเป็นจังหวะพร้อมกัน หิ่งห้อยต่างชนิดจะมีจังหวะแตกต่างกัน ส่วนตัวเมียปกติจะไม่เปล่งแสงก่อน แต่จะเปล่งแสงตอบต่อเมื่อได้รับแสงจากตัวผู้ชนิดเดียวกัน เป็นการบอกทิศทางให้ตัวผู้บินตามมา แมลงปีกแข็งไพโรโฟรัสนอคติลูคัส (Pyrophorus noctilucus) อีกชนิดหนึ่งซึ่งพบในอเมริกาเหนือและมีลักษณะภายนอกคล้ายกับหิ่งห้อย แต่มีการเรืองแสงที่ตำแหน่งต่างกันมาก คือ ที่จุด ๒ จุด ตรงทรวงอกด้านบน ในประเทศบราซิลมีหนอนซึ่งเป็นตัวอ่อนของแมลงชนิดหนึ่ง มีลวดลายการเรืองแสงที่เหมาะสมกับชื่อของมัน คือ มีจุด เรืองแสงสีแดงที่เรืองแสงต่อเนื่องกันตลอดเวลา ๒ จุดตรงหัว ส่วนตามลำตัว มีจุดเรืองแสง ๑๑ คู่ เรียงตามยาวลำตัวปล้องละ ๑ คู่ จุดเหล่านี้ปกติไม่เปล่งแสง แต่หากถูกรบกวน หรือเมื่อเคลื่อนไหวจะเปล่งแสงสีเขียว จึงทำให้ได้สมญาว่า "หนอนรถไฟ"
สัตว์ทะเลกลุ่มหอย ได้แก่ หอยสองกาบ โฟลาส แดคติลุส (Pholas dactylus) และปลาหมึก เธามาโตแลมพัส ไดอะเดมา (Thaumatolampus diadema) ซึ่งเป็นสัตว์ที่ใกล้เคียงกับหอยมาก สัตว์สองชนิดนี้เป็นตัวอย่างของสัตว์ทะเลขนาดใหญ่ที่เรืองแสงขณะเคลื่อนไหว ปรากฏเห็นได้ชัดเจน
ในสัตว์ทะเลชั้นสูงจำพวกที่มีกระดูกสันหลังนั้น การเรืองแสงปรากฏเฉพาะในพวกปลา โดยเฉพาะปลาน้ำลึก ซึ่งแต่ละชนิดมีลวดลายบริเวณเรืองแสงบนลำตัวต่างกัน ในทะเลที่แสงแดดส่องไม่ถึง มันจะจำศัตรูหรือเพื่อนชนิดเดียวได้กันในที่มืดโดยทราบจากลวดลายการเรืองแสงบนลำตัว ปลาบางชนิดมีอวัยวะเรืองแสงลักษณะคล้ายคันเบ็ดที่ห้อยจากหัวลงมา เหนือบริเวณปาก ปลายสายเบ็ดนี้มีแสงเรืองล่อปลาขนาดเล็ก หรือสัตว์ทะเลอื่นๆ ให้เข้ามาใกล้ ปลาที่มีการเรืองแสงตามบริเวณต่างๆ เหล่านี้ส่วนมากมิได้มีเซลล์ของตนเองที่ผลิตแสงได้ดังสัตว์อื่นที่กล่าวข้างต้น การเรืองแสงเกิดจากเซลล์ของบัคเตรีที่มาอาศัยอยู่เป็นประจำในบริเวณเหล่านั้นซึ่งประกอบด้วยเนื้อเยื่อที่เจริญเป็นพิเศษ เพื่อการรองรับบัคเตรีเหล่านี้ เช่น โฟโตเบลฟารอน (Photoblepharon)
ในสิ่งมีชีวิตอื่นนอกจากสัตว์และจุลินทรีย์ที่ได้กล่าวข้างต้นแล้ว พืชจำพวกเห็ดที่เจริญตามพื้นดินในป่า หรือขอนไม้ผุชื้นก็เรืองแสงได้ แสงของมันจะมีสีเขียว-เหลือง
ปฏิกิริยาการเรืองแสงในสิ่งมีชิวิต
ในบรรดาสิ่งมีชีวิตที่เรืองแสงชนิดต่างๆ ดังกล่าวข้างต้น สิ่งที่มีผู้พยายามศึกษา ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เป็นชนิดแรกคือหอยสองกาบ โฟลาส แดคติลุส (Pholas dactylus)ผู้ทดลองนำมาสกัดในน้ำเย็น สารละลายที่ได้จากการสกัดจะเรืองแสงอยู่ชั่วครู่แล้วก็หยุดแต่สารละลายที่ได้จากการสกัดด้วยน้ำร้อนจะไม่เรืองแสง แต่เมื่อตั้งทิ้งไว้ให้เย็นและนำไปผสมกับสารละลายแรกที่ดับแล้ว จะกลับมีการเรืองแสงขึ้นมาใหม่
ผู้ทำการวิจัยเรื่องนี้ คือ ดูบัวส์ (Dubois) ได้สรุปผลของเขาว่าในสารละลายที่สกัด ด้วยน้ำร้อนนั้น ความร้อนได้ทำลายสารชนิดหนึ่งไป (ก) ส่วนสารอีกชนิดหนึ่ง (ข) ไม่ถูกทำลายโดยความร้อน ดังนั้น ในสารละลายที่สกัดด้วยน้ำเย็นซึ่งมีการผลิตแสงเป็นผลจากปฏิกิริยาระหว่าง (ก) และ (ข) ซึ่ง (ข) จะค่อยๆ หมดไป เมื่อนำสารละลายที่สกัดด้วยน้ำร้อนมาผสมด้วยภายหลัง (ก) ซึ่งยังคงอยู่โดยไม่หมดไปขณะทำปฏิกิริยา ก็จะเข้าทำปฏิกิริยากับ (ข) ที่เติมมาใหม่ เกิดการผลิตแสงได้ใหม่
ก + ข ในเซลล์ → เย็น ก + ข (แสง) → ก (ไม่มีแสง)
ก + ข ในเซลล์ → ร้อน ก + ข (ไม่มีแสง) → ก (แสง)
ดูบัวส์เรียก (ข) ว่า ลูซิเฟอริน (luciferin) และ (ก) ว่า ลูซิเฟอรัส (luciferous)ตามชื่อเทพบุตรแห่งแสง คือ ลูซิเฟอร์ (Lucifer) ลูซิเฟอริน คือ สารที่ทำหน้าที่เป็นวัตถุดิบ ส่วนลูซิเฟอรัสเป็นสารเอนไซม์ (enzyme) ซึ่งถูกทำลายง่ายด้วยความร้อน สารเอ็น-ไซม์นี้ทำปฏิกิริยากับวัตถุดิบ (ลูซิเฟอริน) ทำให้เกิดแสง
ลูซิเฟอริน (ข) + ลูซิเฟอรัส (ก) → แสง
กลไกควบคุมการเรืองแสง
เมื่อเปรียบเทียบปฏิกิริยาการเรืองแสงของสิ่งมีชีวิต (bioluminescence) ดังกล่าวข้างต้นกับการเรืองแสงในระบบสิ่งไร้ชีวิต (phosphorescence หรือ fluorescence) แล้ว ข้อแตกต่างสำคัญก็คือ การเรืองแสงในระบบสิ่งไร้ชีวิตเป็นผลของการเปลี่ยนแปลงความร้อนหรือกระแสไฟฟ้าหรือการสั่นสะเทือนของอณู ส่วนการเรืองแสงของสิ่งมีชีวิตเป็นผล จากปฏิกิริยาชีวเคมีภายในเซลล์มีการผลิตแสงที่ไม่มีพลังงานความร้อน และสีที่ปรากฏพบในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว จะเป็นแสงในช่วงคลื่นตั้งแต่ประมาณ ๐.๐๐๐๐๔๘-๐.๐๐๐๐๕๐ ซม.(น้ำเงิน หรือน้ำเงินปนเขียว) ถึงประมาณ ๐.๐๐๐๐๕๖๕ ซม. (เขียวปนเปลือง) เช่นในหิ่งห้อย จนกระทั่งถึง ๐.๐๐๐๐๖๑๔ ซม. (แดง) ในพวกหนอนรถไฟ เป็นต้น
ถึงแม้การเรืองแสงในสิ่งมีชีวิตต่างๆ จะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะแวดล้อมต่างกัน มีผลลัพธ์ซึ่งแตกต่างกันมากมายในแง่ของสี แสง ตำแหน่ง ช่วงเวลา และจังหวะการเรืองแสงแต่การเรืองแสงในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดเป็นปฏิกิริยาชีวเคมีทั้งหลายภายในเซลล์ ภายใต้การควบคุมงานของสารที่เรียกว่า เอนไซม์ ปฏิกริยาชีวเคมีภายในเซลล์ที่มีชีวิตมีผลสำคัญ คือ การเปลี่ยนแปลงทางเคมีของสารในเซลล์ และการหมุนเวียนพลังงาน ในปฏิกิริยาการเรืองแสงของสิ่งมีชีวิต เอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง คือ ลูซิเฟอรัส จะทำปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงสารลูซิเฟอริน ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาที่ต้องการก๊าซออกซิเจนไปทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบปฏิกิริยาการเผาไหม้ภายในเซลล์ ต่างกันที่พลังงานที่ผลิตขึ้นในกรณีนี้เป็นพลังงานแสง
แสงที่เกิดขึ้นจึงเป็นพลังงานที่ถูกเปลี่ยนรูปมาจากพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีที่อาจเกิดได้ในหลอดแก้วที่มีเอนไซม์และวัตถุดิบลูซิเฟอริน ที่สกัดจากเซลล์เรืองแสง ก๊าซออกซิเจนและ ATP (เอ.ที.พี.) ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีพลังงานสูง พบในเซลล์มีชีวิตทั่วไป แสงเรืองที่เกิดจากการใช้ ATP จากเซลล์ปกติจะมีความเข้มมากกว่าแสงเรืองที่เกิดในการใช้ ATP จากเซลล์มะเร็ง ข้อแตกต่างนี้นอกจากจะแสดงกลไกของปฏิกิริยาการเรืองแสงแล้ว ยังให้ความหวังว่าอาจใช้การวัดความเข้มของแสงที่ได้เป็นดรรชนีในการวินิจฉัยสภาพของเซลล์ในการตรวจสอบมะเร็งได้
เนื่องจากลักษณะของการเรืองแสงแตกต่างกันไปตามชนิดของสิ่งมีชีวิต ความสามารถในการเรืองแสงและลักษณะการเรืองแสงนั้นเป็นสิ่งที่ถ่ายทอดได้ทางพันธุกรรมและปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ในการเรืองแสงถูกควบคุมโดยเอนไซม์ที่อยู่ภายใต้อิทธิพลของหน่วย กรรมพันธุ์ จากรายงานการศึกษาการเรืองแสงในจุลินทรีย์พบว่าหน่วยกรรมพันธุ์ที่ควบคุมการเรืองแสงนั้นอาจเกิดการกลายพันธุ์ขึ้นได้ และหน่วยกรรมพันธุ์ใหม่นี้ทำให้เกิดเซลล์ที่ไม่อาจเรืองแสงได้ในสภาพปกติ แต่จะเรืองแสงได้ในสภาพที่เติมสารเคมี ATP แสดงว่าการกลายพันธุ์คือการสูญเสียความสามารถในการสังเคราะห์สารบางชนิดที่จำเป็นในการเรืองแสง หรือการขาดเอนไซม์ในการสังเคราะห์สารนั้น
ผลจากการเปรียบเทียบสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ ที่มีการเรืองแสง ปรากฏว่าปรากฏการณ์การเรืองแสงนี้มีในสิ่งมีชีวิตทุกลำดับขั้นวิวัฒนาการ ตั้งแต่จุลินทรีย์ต่างๆ ที่มีเซลล์เดียวขึ้นมาถึงพวกที่มีกระดูกสันหลัง และในทุกชนิดพบว่าเป็นปฏิกิริยาชีวเคมีแบบเดียวกัน คือเป็นปฏิกิริยาที่ต้องใช้ออกซิเจนไปทำปฏิกิริยากับสารในเซลล์ โดยความควบคุมของเอนไซม์และปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสง การวิวัฒนาการเกิดขบวนการเรืองแสงนี้จึงสันนิษฐานว่าเป็นขบวนการที่เกิดในระยะแรกเริ่มของโลก โดยเฉพาะในยุคที่โลกนี้เริ่มมีการผลิตออกซิเจนโดยขบวนการสังเคราะห์แสงของพืชสีเขียว และเป็นขบวนการที่เกิดระยะเดียวกับที่มีการเกิดการหายใจโดยใช้ออกซิเจน การผลิตแสงเป็นการปรับตัวของสิ่งมีชีวิตบางอย่างที่รอดตายจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติและอยู่มาได้จนถึงปัจจุบัน เป็นการปรับตัวแบบหนึ่งที่ส่งเสริมการสืบพันธุ์ และการรอดตายจากศัตรู
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น