ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

นวัตกรรมต้นไม้ใส่ปุ๋ยตัวเอง

 

ในช่วงนี้แอบงงว่าเรากำลังเข้าสู่ฤดูไหน เพราะจะหนาวก็ไม่ใช่ จะฝนก็ไม่เชิง บางวันแดดก็ออก ฝนก็ตก เล่นเอาทั้งนกทั้งคนสับสนชีวิตไปตามๆ กัน

นี่อาจจะเป็นผลมาจากสภาพภูมิอากาศแปรปรวน (climate change) ที่กำลังเป็นเทรนด์ติดลมบนไปทั่วโลกในงานประชุม COP26 ที่เพิ่งจะผ่านไป ที่กลาสโกว (Glasgow, UK)

สภาพภูมิอากาศแปรปรวนมิใช่จะกระทบแต่กับมนุษย์และสัตว์เท่านั้น แม้แต่พืชและจุลินทรีย์ก็ยังมักโดนหางเลขไปด้วย ยิ่งอุณหภูมิโลกสูงขึ้น สภาวะอากาศก็จะยิ่งแปรปรวนมากยิ่งขึ้น ภัยธรรมชาติก็เริ่มดาหน้าเข้ามา ไฟป่า มลพิษและอีกจิปาถะวนเป็นวงจร ความหลากหลายทางชีวภาพก็ค่อยๆ หายไป พืชพันธุ์ธัญญาหารที่เคยให้ผลอุดมก็ได้รับผลกระทบทำให้ผลผลิตลดน้อยถอยลง ซึ่งย้อนแย้งกับแนวโน้มของจำนวนประชากรโลกที่ทะยานเพิ่มทวีจำนวนสูงขึ้นจนอาจจะแตะหมื่นล้านคนได้ภายในปี 2050

ฟังดูเหมือนว่าสังคมมนุษย์จะรุ่งเรือง สามารถขยายเผ่าพันธุ์จนลูกเต็มบ้านหลานเต็มเมือง แต่อย่าลืมว่าจำนวนประชากรที่เพิ่มมากขึ้นเท่ากับปากท้องที่ต้องเลี้ยงดูย่อมมากขึ้นไปด้วย และเมื่อกำลังการผลิตอาหารลดลง (เพราะสภาวะอากาศที่แปรปรวน) แต่มีคนช่วยกินมากขึ้น

นั่นเป็นปัญหาแน่ๆ

“ในปี ค.ศ.2030 ในขณะที่จำนวนประชากรโลกจะพุ่งสูงขึ้นแบบทวีคูณ ผลผลิตข้าวโพดและธัญพืชกลับจะลดลงไปมากถึงร้อยละ 30 และนั่นคือวิกฤตการณ์ด้านอาหารที่จะระบาดลุกลามไปทั่วโลก ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้านี้ เราอาจจะได้เห็นการแพร่ภาพเด็กน้อยผู้หิวโหยนอนอดตายอยู่ในจอโทรทัศน์”

แครี ฟาวเลอร์ (Cary Fowler) ผู้ก่อตั้งธนาคารเมล็ดพันธุ์สวาลบาร์ด (Svalbard Global Seed Vaught) ที่เปรียบเสมือนคลังแห่งความหลากหลายทางชีวภาพที่ใหญ่ที่สุดในโลกได้ทำนายเอาไว้อย่างน่าสะเทือนใจ ตั้งแต่ปี 2009 ในการบรรยาย TED ของเขา

คงต้องยอมรับว่าคำทำนายของแครีมีเค้าโครงความเป็นจริง นอกเสียจากว่าเราจะสามารถหาพืชหรือแหล่งอาหารอื่นที่สามารถให้ผลผลิตสูงปรี๊ดมาเลี้ยงปากท้องที่เพิ่มขึ้นมาได้อย่างพอเพียงก่อนเวลาวิกฤตจะมาถึง

และที่สำคัญคือ ต้องไม่เพิ่มก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซเรือนกระจกอื่นๆ ที่อาจจะไปส่งผลซ้ำเติมสภาพอากาศให้แปรปรวนหนักขึ้น

งานนี้อาจจะไม่ง่าย เพราะการปลูกพืช ถ้าอยากให้เจริญงอกงามก็ต้องใส่ปุ๋ยทำนุบำรุง และในภาคการเกษตรในปัจจุบัน ปุ๋ยที่เกษตรกรส่วนใหญ่ยังคงใช้กันอยู่แบบขาดไม่ได้ก็คือปุ๋ยไนโตรเจนสังเคราะห์ จากการประมาณการคร่าวๆ ในเวลานี้ เพียงเพื่อผลิตพืชผักผลไม้มาใช้เป็นอาหารแค่อย่างเดียว ก็ต้องใช้ปุ๋ยไนโตรเจนมากถึง 110 ล้านตันต่อปีเลยทีเดียว

และปัญหาก็คือในกระบวนการผลิตปุ๋ยไนโตรเจนสังเคราะห์จะมีการใช้พลังงานอย่างมหาศาล อีกทั้งยังมีการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาอีกมากมายเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ โดยเฉลี่ยแล้วคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมาจากการผลิตปุ๋ยในภาคการเกษตรอาจจะมีมากถึง 2 เปอร์เซ็นต์ของปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทั้งหมดที่ถูกปล่อยออกไปยังชั้นบรรยากาศ

นอกจากนี้ การยึดติดอยู่กับการใช้ปุ๋ยไนโตรเจนมากจนเกินพอดี เป็นระยะเวลายาวนาน ยังก่อมลพิษได้ทั้งในดินและในน้ำ ถ้าใช้ปุ๋ยบำรุงสะสมในดินเยอะไป ดินก็เค็ม สภาพดินก็จะเสื่อม จุลินทรีย์ที่เป็นประโยชน์ที่เคยอยู่ในดินก็จะค่อยๆ ตายหายไป และถ้าปุ๋ยไนโตรเจนจำนวนมากถูกชะล้างลงไปปนเปื้อนในแหล่งน้ำก็จะทำให้เกิดการสะพรั่งของสาหร่าย เป็นต้นเหตุของน้ำเน่าได้อีก

เพื่อหาวิธีแก้ปัญหา นักวิจัยจำนวนมากจึงได้เริ่มมองย้อนกลับไปในธรรมชาติ แล้วดูว่ามีอะไรที่เราจะสามารถยึดเอามาใช้ หรืออย่างน้อยก็แอบลอกเลียนมาใช้ประโยชน์ได้บ้าง

หนึ่งในกรณีตัวอย่างที่น่าสนใจก็คือ แบคทีเรียไรโซเบียมที่อาศัยอยู่ในปมรากถั่ว

สิ่งมีชีวิตทั้งสองอย่างนี้ อาศัยอยู่ร่วมกันผ่านร้อนผ่านหนาวมานานนับล้านปี เกื้อกูลกัน ร่วมวิวัฒนาการกันมาจนแทบจะแยกกันไม่ออก พืชรับไรโซเบียมเข้าไปอยู่ในเซลล์ในปมราก แบ่งปันสารอาหารให้แบคทีเรียสามารถเจริญเติบโตได้ในเซลล์พืช และในทางกลับกัน แบคทีเรียไรโซเบียมก็ตรึงไนโตรเจนจากอากาศ ส่งกลับไปเป็นปุ๋ยส่งเสริมให้ต้นไม้เอาไปใช้ในการเจริญเติบโต อยู่รอดและดำรงเผ่าพันธุ์ สามารถต่อกรแข่งขันกับพืชอื่นๆ ได้ในสังเวียนชีวิตในสิ่งแวดล้อม

ความสัมพันธ์ที่แสนจะลึกซึ้งของแบคทีเรียไรโซเบียมกับต้นถั่วเป็นความสัมพันธ์ที่ทั้งคู่ได้ประโยชน์

แต่ไรโซเบียมจะพบก็แต่ในปมรากพืชตระกูลถั่ว ทำให้การที่จะนำเอาแบคทีเรียไรโซเบียมไปใช้ประโยชน์กับวงการเกษตรในฐานะผู้ผลิตปุ๋ยไนโตรเจนฟรี ช่วยบำรุงต้นพืชนั้น เป็นไปได้อย่างจำกัด

“ถ้าเอาไรโซเบียมมาใช้กับพืชเศรษฐกิจที่ไม่ใช่แค่ถั่วได้ ก็คงจะดี เพราะนั่นหมายความว่าไรโซเบียมที่อยู่ในปมรากก็จะตรึงปุ๋ยจากอากาศมาให้พืชเองได้ เกษตรกรก็ไม่จำเป็นต้องใช้ปุ๋ยไนโตรเจนอีกต่อไป”

ถือเป็นวิธีแก้ปัญหาแบบยิงปืนนัดเดียวได้นกถึงสองตัว เพราะหากสำเร็จ จะช่วยลดความต้องการใช้ปุ๋ยไนโตรเจนสังเคราะห์ลงไปได้อย่างมหาศาล ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนในการทำการเกษตร ลดการใช้พลังงานในการหมักปุ๋ย แถมยังช่วยลดคาร์บอนฟุตปริ้นต์ที่เกิดในกระบวนการการผลิตปุ๋ยเคมีสังเคราะห์อีกด้วย ยิ่งไปกว่านั้น ยังเป็นมิตรกับธรรมชาติ ลดปัญหามลภาวะตกค้างจากการใช้ปุ๋ยเคมีอย่างพร่ำเพรื่อได้อีก

นักวิจัยมากมายจึงเริ่มตั้งธงหาวิธีที่จะปรับเปลี่ยนไรโซเบียมให้สามารถเข้าไปช่วยให้ปุ๋ยในพืชอื่นได้

 

คริสโตเฟอร์ โวจ์ต (Christopher Voigt) ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพ จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (Massachusetts Institute of Technology) พยายามที่จะศึกษาและทำความเข้าใจความสัมพันธ์ของเชื้อไรโซเบียมกับปมรากถั่วให้ถ่องแท้ เพื่อที่จะนำองค์ความรู้ดังกล่าวมาใช้เพื่อปรับแต่งเมล็ดธัญพืช (cereal) ให้สามารถอยู่ร่วมกันกับไรโซเบียมแบบเกื้อกูล จนสามารถตรึงไนโตรเจนมาใช้เองได้ เช่นเดียวกับถั่ว

ทว่ากลไกการอยู่ร่วมกันของไรโซเบียมกับถั่วนั้น ไม่ใช่จะลอกเลียนได้ง่าย เพราะโครงสร้างของปมรากถั่วนั้นวิวัฒน์ขึ้นมาเพื่อให้เหมาะสมกับการอยู่ร่วมกันกับไรโซเบียม เซลล์ในปมรากจะช่วยในการสร้างน้ำตาลจากการสังเคราะห์แสงที่เรียกว่า โฟโต้ซินเทต (photosynthate) ให้ไรโซเบียมเอาไปใช้เป็นสารอาหารในการเจริญเติบโต อีกทั้งยังสร้างเลกเฮโมโกลบิน (Leghemoglobin) ที่คอยดึงออกซิเจนออกไป เพื่อให้เอนไซม์ไนโตรจีเนสของไรโซเบียมที่ทำหน้าที่ในการตรึงไนโตรเจนสามารถทำงานได้อย่างเต็มที่ในสภาวะที่มันชอบที่สุด คือสภาวะไร้ออกซิเจน แถมเลกเฮโมโกลบินยังช่วยทำให้ปมรากมีสีชมพูสดใสอีกด้วย

นอกจากนี้ กลไกการผลิตเอนไซม์ไนโตรจีเนสของแบคทีเรีย ยังมีความเฉพาะ แตกต่างจากการผลิตโปรตีนอื่นๆ ในพืชอยู่มาก

กลยุทธ์ในการปรับแต่งผูกสัมพันธ์ระหว่างไรโซเบียมกับธัญพืชจึงมีความซับซ้อน และจำเป็นต้องมีการวางแผนทีดี เพราะอาจจะทำได้ในหลายแนวทาง ทั้งโดยการปรับแต่งเซลล์พืชให้สามารถตรึงไนโตรเจนได้เอง เช่น การโคลนเอายีนผลิตเอนไซม์ไนโตรจีเนสของไรโซเบียมใส่เข้าไปในเซลล์พืช และเพื่อจำลองสภาพแวดล้อมในการผลิตเอนไซม์ให้ใกล้เคียงกับสภาพในเซลล์แบคทีเรียที่สุด นักวิจัยก็จะเลือกโคลนยีนไนโตรจีเนสเข้าไปในส่วนของเซลล์พืชที่มีโครงสร้างคล้ายแบคทีเรีย เช่น ในออร์แกเนลล์ ไมโทคอนเดรีย และคลอโรพลาสต์

หลังจากนั้นก็ได้แต่ลุ้นดูแล้วว่า เอนไซม์จากไรโซเบียมจะสามารถทำงานได้หรือไม่ในออร์แกเนลล์เหล่านั้น

แต่อีกไอเดียที่อาจจะน่าสนใจไม่แพ้กันคือ เปรียบเทียบการแสดงออกของยีนในเซลล์ของธัญพืชกับเซลล์ในปมรากถั่วกันแบบวางเทียบ ให้รู้ชัดว่าเซลล์ที่ได้ไรโซเบียมเข้าไปมีแบบแผนการแสดงออกทางพันธุกรรมแตกต่างจากเซลล์พืชปกติอย่างไร แล้วเอาข้อมูลที่ได้มาทดลองปรับเปลี่ยนยีนในธัญพืชให้สอดคล้อง

ไม่แน่ว่าอาจจะกระตุ้นให้เซลล์ของธัญพืชที่สนใจเติบโตกลายเป็นปมรากได้เช่นเดียวกับพืชตระกูลถั่ว เมื่อปมรากเกิดขึ้น ไม่นาน ไรโซเบียมในดินก็น่าที่จะหาวิธีอพยพย้ายถิ่นเข้ามาขออยู่ด้วยเอง

ความเจ๋งของทั้งสองกลยุทธ์ที่ว่ามา ก็คือถ้าทำได้สำเร็จ จะเปลี่ยนพืชที่เคยต้องรอเกษตรกรให้ปุ๋ย ให้กลายเป็นพืชที่สามารถตรึงไนโตรเจนได้ด้วยตัวเอง ซึ่งนั่นจะเป็นสิ่งที่เพอร์เฟ็กต์ที่สุด การสร้างธัญพืชตรึงไนโตรเจนได้ด้วยตัวเอง จึงเป็นอะไรที่น่าตื่นเต้น ไม่ต้องเติมไรโซเบียม ไม่ต้องทำอะไรเลย พืชหาปุ๋ยมากินเองได้ แบบนี้สบาย ใช้ง่าย ไม่ยุ่งยาก

วิธีการนี้คุ้มค่าเป็นสิ่งที่ทุกคนใฝ่หา

 

แต่อย่างที่บอกไปก่อนหน้า การปรับเซลล์พืชถือเป็นเรื่องใหญ่ เพราะธัญพืชคือธัญพืช จะให้ทำตัวเหมือนถั่ว ก็อาจจะไม่ใช่เรื่องที่ทำได้ง่ายดาย

และถ้ากลยุทธ์การปรับเปลี่ยนพืชที่วางแผนมาอย่างแยบยลทั้งหมดไปไม่ถึงดวงดาว

ไอเดียสุดท้ายที่อาจจะช่วยให้ธัญพืชสามารถตรึงไนโตรเจนเองได้ ก็คือ แทนที่จะปรับแต่งที่ต้นพืช ก็เปลี่ยนเป้าหมายไปปรับแบคทีเรียที่ไม่สามารถตรึงไนโตรเจนเองได้ในตระกูลเดียวกับไรโซเบียมที่อาศัยอยู่กับพืช ตัดต่อเอายีนสร้างเอนไซม์ไนโตรจีเนสไปใส่ให้ พวกมันก็จะสามารถตรึงไนโตรเจนให้พืชได้

นี่คือหนึ่งความหวัง ที่อาจจะช่วยการันตีความมั่นคงแห่งอาหารในอนาคต สำหรับมวลมนุษยชาติ และช่วยทำให้คำทำนายเรื่องวิกฤตอาหารของแครีนั้นเป็นแค่เรื่องที่กังวลไปเกินกว่าเหตุ

แน่นอนว่าวิกฤตอาหารที่แครี ฟาวเลอร์ได้ทำนายเอาไว้ อาจจะไม่มีวันเกิดขึ้นจริงๆ เลยก็เป็นได้ เพราะในอดีต พอล เอร์ลิช (Paul Ehrlich) นักประชากรศาสตร์ชื่อดังจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Stanford University) ก็เคยทำนายวิกฤตเอาไว้ในทำนองเดียวกันมาก่อนแล้ว ว่าอาหารจะขาดแคลนเพราะประชากรล้นโลก ในหนังสือขายดี “The Population Bomb” ของเขา ตั้งแต่ปี 1968

ในตอนนั้น วิกฤตอาหารสลายไปอย่างน่าอัศจรรย์ ต้องขอบคุณนักปรับปรุงพันธุ์พืช นอร์แมน บอร์ล็อก (Norman Borlaug) ที่เฝ้าเพียรพยายามผสมพันธุ์พืชจนได้ต้นพันธุ์ที่ให้ผลิตผลสูงมากจนเป็นประวัติการณ์ เรียกว่าถึงขั้นแก้วิกฤตอาหารขาดแคลนไปได้อย่างเฉียดฉิว และยังช่วยวางรากฐานทางการเกษตรที่ช่วยให้เรามีความมั่นคงทางอาหารอยู่ได้นานมาจนถึงปัจจุบัน

วีรกรรมของนอร์แมน ทำให้เขาได้รางวัลโนเบลสาขาสันติภาพไปในปี 1970 และได้รับการขนานนามเป็นบิดาแห่งการปฏิวัติเขียว (Father of green revolution)

แม้ว่าตอนนี้ธัญพืชตรึงไนโตรเจนเองได้นั้นจะยังไม่ได้ออกมาเป็นรูปเป็นร่างให้เห็นชัดเจน แต่ผมยังแอบเชื่อว่าสถานการณ์จะสร้างวีรบุรุษ

คงจะเป็นข่าวดี ถ้าในเร็วๆ วันนี้จะมีวีรบุรุษผุดออกมาแก้ปัญหาวิกฤตได้ทันท่วงทีและเซฟมวลมนุษยชาติไว้ได้อีกครั้ง