“ถ้าเอเลี่ยนต้องอ่านหนังสือหนึ่งเล่มเพื่อเข้าใจมนุษย์ คุณจะเลือกหนังสืออะไร?” โปรเฟสเซอร์ Ron Milo ถามผู้ชมในงาน TEDx ที่ Weizmann Institute ประเทศอิสราเอล

“Bible!” “Harry Potter!” “50 Shades of Gray!” เสียงผู้ชมตะโกนมาแว่วๆ จากด้านล่างเวที

“ผมจะให้อ่านทะเบียนราษฎร์” Ron Milo ตอบ

“นี่คือรายงานที่บอกว่าเรามีกันกี่คน อยู่กันกี่ครัวเรือน แต่งงานเมื่อไหร่ มีลูกตอนไหน ตายตอนไหน ตายยังไง ฯลฯ ข้อมูลตัวเลขพวกนี้ทำให้เราเข้าใจภาพรวมประชากรมนุษย์…ผมกำลังทำทะเบียนราษฎร์แบบนี้กับโมเลกุลในเซลล์ กับเซลล์แต่ละเซลล์ และกับสิ่งมีชีวิตทั้งหลายบนโลก”

Milo นักชีวฟิสิกส์จาก Weizmann Institute หลงใหลในศาสตร์สองอย่าง ศาสตร์แห่งจำนวน/ตัวเลข/คณิตศาสตร์ และศาสตร์แห่งการวิศวกรรมสิ่งมีชีวิตเพื่อแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อม

Milo เล่าว่าความเข้าใจในตัวเลขและคณิตศาสตร์เปรียบเสมือน “สัมผัสที่หก” ของมนุษย์

ประสาทสัมผัสทั้งห้าอาจจะเพียงพอสำหรับการเอาตัวรอดไปวันๆ ของพวกเรา แต่การจะเข้าถึงปรากฏการณ์ที่เกินสามัญสำนึกทั่วไปประสาทสัมผัสทั้งห้าล้วนๆ เป็นเครื่องมือที่เชื่อถือไม่ได้

สำหรับปรากฏการณ์ธรรมชาติในสเกลเล็กมากๆ หรือใหญ่มากๆ เกิดขึ้นเร็วมากๆ หรือช้ามากๆ เราต้องการตัวเลขและคณิตศาสตร์เพื่อการวัด เปรียบเทียบ และคาดคะเน

ร่างกายมนุษย์มีเซลล์กี่เซลล์?

เซลล์แต่ละเซลล์มีเอนไซม์กี่โมเลกุล?

เอนไซม์แต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่ไปกี่เมตรต่อชั่วโมง?

แต่ละชั่วโมงวิ่งชนกันเองกี่ครั้ง?

เสียพลังงานไปกี่แคลอรี? ฯลฯ

Milo ชอบตั้งคำถามพวกนี้ตั้งแต่สมัยที่ยังเรียนอยู่

และเขาก็ต้องประหลาดใจที่ข้อมูลพวกนี้หายากสุดๆ

บางส่วนอาจจะมีคำตอบตรงๆ ซุกซ่อนอยู่หน้าท้ายๆ ในภาคผนวกของกองงานวิจัยเก่าๆ หลายทศวรรษก่อน

แต่ส่วนมากอาจจะต้องกะประมาณเอาหยาบๆ จากข้อมูลหลายๆ แหล่ง

ข้อมูลพวกนี้จำเป็นมากสำหรับนักชีวฟิสิกส์อย่าง Milo ในการสร้างแบบจำลองเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ทางชีววิทยา และสำหรับการออกแบบวิศวกรรมสิ่งมีชีวิตให้ทำงานตามที่เราต้องการ

ช่วงปี 2007 Milo ชักชวนมิตรสหายนักชีวฟิสิกส์ช่วยกันรวบรวมข้อมูลพวกนี้จนออกมาเป็นฐานข้อมูลสาธารณะในชื่อ BioNumbers (bionumbers.hms.harvard.edu)

หลังจากมาเป็นอาจารย์ที่ Weizmann Institute ก็เปิดวิชาเรียนชื่อ “Cell Biology by The Numbers” สอนการใช้คณิตศาสตร์พื้นฐานในการวัด เปรียบเทียบ และคาดคะเน ข้อมูลเชิงปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับเซลล์

ทีมวิจัยของ Milo ยังสนใจงานด้านชีวสังเคราะห์โดยเฉพาะการพัฒนาระบบตรึงคาร์บอนไดออกไซด์สมรรถนะสูงเพื่อช่วยแก้ปัญหาก๊าซเรือนกระจกและเพิ่มผลผลิตทางการเกษตร

หนึ่งในงานที่โด่งดังของทีมนี้คือการวิศวกรรมแบคทีเรีย Escherichia coli ให้สามารถเติบโตได้ด้วยคาร์บอนจากการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์เพียงอย่างเดียว

งานชิ้นนี้ถูกตีพิมพ์ในวารสารวิชาการชั้นนำอย่าง Cell เมื่อปี 2019

ในการสังเคราะห์ด้วยแสงพืชและสาหร่ายใช้เอนไซม์ชื่อ RuBisCO ตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ให้มาอยู่ในรูปสารคาร์บอนอินทรีย์อย่างน้ำตาล เอนไซม์ตัวนี้เป็นชิ้นส่วนสำคัญที่ต้องถูกนำมาวิศวกรรมใส่ใน E.coli ในงานข้างต้น

RuBisCO เป็นหนึ่งในเอนไซม์ที่ทำงานได้เชื่องช้าที่สุด

ทำให้มันเป็นเป้าหมายของหลายทีมวิจัยในการวิศวกรรมอัพเกรด ตามธรรมชาติพืชและสาหร่ายชดเชยความเชื่องช้าของ RuBisCO ด้วยการผลิตมันออกมาปริมาณมากๆ จนมีการประมาณกันว่านี่น่าจะเป็นโปรตีนที่มีมวลรวมมากที่สุดในโลก

 

Yinon M. Bar-On นักศึกษาปริญญาเอกในทีมของ Milo ตั้งคำถามเล่นๆ ว่า RuBisCO ทั้งโลกมีปริมาณเท่าไหร่กันแน่

แต่จะตอบคำถามนี้ได้ก็ต้องรู้ก่อนว่าทั้งโลกมีพืช สาหร่าย และสิ่งมีชีวิตที่น่าจะต้องใช้ RuBisCO มากน้อยขนาดไหนก่อน Bar-On

ลองหาคำตอบเบื้องต้นจากงานวิจัยก่อนๆ แล้วก็ยังไม่ได้ข้อมูลครบถ้วนถึงระดับที่น่าพอใจ แถมยังต้องประหลาดใจว่าข้อมูลปริมาณสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ทั้งหลายในโลกก็ยังกระจัดกระจายไม่ครบสมบูรณ์นัก

Milo ผู้เป็นอาจารย์ที่ปรึกษาก็เลยยุว่าไหนๆ ก็ไหนๆ แล้วลองคำนวณหาปริมาณสิ่งมีชีวิตแม่งทั้งหมดเลย!

ว่าแล้วทีมเฉพาะกิจนำโดย Yinon M. Bar-On, Ron Milo และ Rob Phillips (โปรเฟสเซอร์ด้านชีวฟิสิกส์จาก Caltech) ก็เริ่มปฏิบัติการคำนวณหาปริมาณสิ่งมีชีวิตทั้งโลก

หน่วยวัดปริมาณสิ่งมีชีวิตที่ทีมวิจัยเลือกใช้คือชีวมวลคาร์บอน (carbon biomass) สิ่งมีชีวิตทั้งโลกประกอบจากธาตุหลักๆ สี่ชนิดคือคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน

คาร์บอนทำหน้าที่เป็นโครงหลักของสารอินทรีย์แทบทุกชนิดในเซลล์

ส่วนไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจนเป็นส่วนมาเติมแต่งอยู่บนโครงคาร์บอนอีกที

พืชและสาหร่ายตรึงคาร์บอนจากคาร์บอนไดออกไซด์มาสร้างเป็นชีวโมเลกุลในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง สิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่ตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ไม่ได้ก็กินพืชและกินกันเองต่อๆ ไปเพื่อรับโครงคาร์บอนเหล่านี้ไปใช้งาน

ชีวมวลคาร์บอนเป็นตัวชี้วัดว่าสิ่งมีชีวิตประเภทนั้นมีบทบาทกับระบบนิเวศน์มากขนาดไหน ยิ่งสะสมชีวมวลคาร์บอนไว้มากก็แปลว่าสิ่งมีชีวิตนั้นๆ ไปตรึงหรือไปกินคาร์บอนมาได้เยอะและก็มีโอกาสส่งต่อคาร์บอนไปยังสิ่งมีชีวิตตัวอื่นๆ ในห่วงโซ่อาหารได้สูง

การหมุนเวียนคาร์บอนระหว่างในสิ่งมีชีวิตกับในชั้นบรรยากาศยังเป็นปัจจัยสำคัญต่อระดับของก๊าซเรือนกระจกและการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศอีกด้วย

น้ำหนักตัวเฉลี่ยของมนุษย์อยู่ที่ประมาณ 50 กิโลกรัม (เฉลี่ยหมดตั้งแต่ทารกถึงคนแก่ ทั้งหญิงและชาย) เป็นน้ำซะ 70% เหลือมวลแห้ง 15 กิโลกรัม ในนี้เป็นคาร์บอนประมาณครึ่งหนึ่ง ดังนั้นมวลคาร์บอนคือ 7.5 กิโลกรัมต่อคน

ประชากรโลกมีราวๆ 7-8 พันล้านคน คูณออกมาแล้วได้มวลคาร์บอนรวมประมาณ 0.06 พันล้านตัน (Gt C) ถ้าเอาไปยัดใส่กล่องขนาด 100 x 100 x 100 เมตร จะได้ประมาณ 60 กล่อง

 

สําหรับสิ่งมีชีวิตอื่นๆ การคำนวณไม่ง่ายขนาดนี้ ทีมวิจัยต้องไปรวบรวมข้อมูลจากงานวิจัยและการสำรวจก่อนหน้านี้มาหลายร้อยชิ้น ส่วนมากบอกแค่เพียงปริมาณสิ่งมีชีวิตบางชนิดในบางพื้นที่ อย่างจำนวนปลาในบึงแห่งหนึ่ง จำนวนแมลงในสวนที่หนึ่ง มวลสาหร่ายในทะเลเขตหนึ่ง ฯลฯ ทีมวิจัยใช้ข้อมูลพวกนี้สร้างแบบจำลองความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดกับตัวแปรทางสิ่งแวดล้อมต่างๆ

(เช่น อุณหภูมิ ความชื้น ระดับน้ำ ประเภทดิน ฯลฯ)

จากนั้นก็ใช้แบบจำลองนี้ทำนายปริมาณสิ่งมีชีวิตนั้นๆ ในพื้นที่อื่นๆ บนโลก ด้วยเทคนิคทางสถิติเราสามารถประเมินความแม่นยำของการทำนายได้ด้วยว่ามีโอกาสคลาดเคลื่อนจากค่าจริงมากน้อยแค่ไหน

มวลชีวภาพคาร์บอนรวมทั้งโลกอยู่ที่ 550 Gt C กว่า 80% (~ 450 Gt C) เป็นของพืช อีกประมาณ 15% (~ 70 Gt C) เป็นของแบคทีเรีย รองๆ ลงมาเป็นพวก รา อาร์เคีย โปรติสต์ ส่วนสัตว์ทั้งหมดรวมกันมีไม่ถึง 0.4% (~ 2 Gt C)

มวลชีวภาพคาร์บอนบนบกมีมากกว่าในน้ำเกือบ 80 เท่า ทั้งที่โลกเราปกคลุมด้วยมหาสมุทรถึงสามในสี่ มวลบนบกพวกนี้ส่วนมากเป็นต้นไม้ใบหญ้าที่อยู่ฐานล่างสุดของห่วงโซ่อาหาร ส่วนในน้ำฐานของห่วงโซ่อาหารเป็นสาหร่ายเซลล์เดียวซึ่งมีมวลรวมน้อยกว่ามากแต่ก็ชดเชยด้วยความเร็วในการสืบพันธุ์เพิ่มจำนวนทดแทนส่วนที่ถูกกินไป

ในอาณาจักรสัตว์ สัตว์มีขาปล้อง (arthropods) มาเป็นอันดับหนึ่ง ด้วยมวลชีวภาพคาร์บอนรวม 1 Gt C แมลงเป็นเพียงส่วนน้อยของมวลก้อนนี้ ส่วนใหญ่กลับเป็นแพลงตอนสัตว์กลุ่มครัสเตเชียนอย่างโคพีพอต (copepod) รองจากสัตว์มีขาปล้องคือปลา มีมวลรวมอยู่ที่ 0.7 Gt C จากนั้นก็เป็นพวกหอย หนอนปล้อง ไนดาเรีย ฯลฯ

ที่น่าตกใจคือในบรรดาสัตว์มีกระดูกสันหลังทั้งหมดนอกจากปลาแล้ว มวลคาร์บอนรวมของปศุสัตว์ (วัว ควาย แพะ แกะ ไก่ ฯลฯ) อยู่ที่ 0.1 Gt C มากกว่าสัตว์มีกระดูกสันหลังอื่นๆ ในธรรมชาติทั้งหมดรวมกันถึงราวๆ สิบเท่า

ชีวมวลคาร์บอนรวมของมนุษย์ที่ 0.06 Gt C อาจจะเป็นเศษเสี้ยวเดียวของชีวมวลคาร์บอนทั้งโลก แต่ถ้าเทียบกันในระดับสปีชีส์แล้วเราอยู่ในอันดับต้นๆ ของสัตว์มีกระดูกสันหลังบนบกทั้งหมด

 

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร PNAS เมื่อปี 2018 ได้รับการอ้างอิงไปแล้วกว่าสองพันครั้ง ภาคผนวกความยาวร้อยกว่าหน้าชี้แจงรายละเอียดวิธีการหาค่าชีวมวลคาร์บอนและประเมินความคลาดเคลื่อน

ทีมวิจัยยังได้เปิดโอเพ่นซอร์สโปรแกรมการคำนวณทั้งหมดพร้อมให้ทุกคนมาช่วยกันอัพเดทหากมีข้อมูลใหม่ๆ เข้ามาเพิ่มเติม

ทีมของ Milo ใช้คณิตศาสตร์เป็นสัมผัสที่หกไขความลับจักรวาลจากสเกลโมเลกุลถึงสเกลดาวเคราะห์โลกทั้งดวง

หลังจากไปนั่งเก็บข้อมูลสิ่งมีชีวิตทั้งหลายจนครบถ้วนแล้ว Milo กับ Bar-On ก็กลับไปพยายามตอบคำถามว่า จริงๆ แล้วทั้งโลกมี RuBisCO อยู่เท่าไหร่ และอัตราการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ของทั้งโลกเร็วช้าแค่ไหนกันแน่

ติดตามต่อตอนหน้าครับ

 

สะดวก ฉับไว คุ้มค่า สมัครสมาชิกนิตยสารมติชนสุดสัปดาห์ได้ที่นี่https://t.co/KYFMEpsHWj

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022