เครื่องบินลำเล็กค่อยๆ ไต่ระดับสู่ท้องฟ้าสีครามเข้ม มันเป็นวันหนึ่งในฤดูร้อนที่อากาศปลอดโปร่ง ลมสงบ ทัศนวิสัยยอดเยี่ยม อาคารบ้านเรือนต้นไม้และไร่นาปรากฏเพียงขนาดเล็กจิ๋วเบื้องล่าง

คิมเบอร์ลี่ เมทริส (Kimberly Metris) อาจารย์จากมหาวิทยาลัยเคลมสัน (Clemson University) เป็นนักวิจัยด้านนิเวศวิทยาระดับโมเลกุล (molecular ecology) ศึกษาความสัมพันธ์ของสิ่งมีชีวิตตั้งแต่แบคทีเรียจนถึงปลาและควายป่าแอฟริกัน

เมทริสยังมีอาชีพที่สองเป็นครูสอนการบินและกับตันเครื่องบินเล็กพาเหล่านักดิ่งพสุธาไปโดดร่มชมวิวที่ความสูงหลายพันเมตร

เมทริสสงสัยว่าในมวลอากาศที่เบาบางมองด้วยตาเปล่าไม่เห็นนอกหน้าต่างเครื่องบินนี้อาจจะมีร่อยรอยหลักฐานบางอย่างเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตบนพื้นด้านล่าง

ข้อมูลพันธุกรรมในดีเอ็นเอสามารถใช้บอกชนิดของสิ่งมีชีวิต คุณสมบัติทางชีววิทยา และเส้นทางวิวัฒนาการของพวกมัน กิจกรรมต่างๆ ของสิ่งมีชีวิตทิ้งชิ้นส่วนดีเอ็นเอไว้กับสิ่งแวดล้อมรอบๆ นักนิติวิทยาศาสตร์ใช้ดีเอ็นเอที่อยู่บนคราบเลือด เส้นผม สารคัดหลั่ง และลายนิ้วมือเพื่อระบุตัวตนผู้ต้องหาในที่เกิดเหตุ

ส่วนนักนิเวศวิทยาอย่างเมทริสก็ใช้สามารถใช้ดีเอ็นเอจากสิ่งแวดล้อม (environmental DNA, eDNA) ที่อยู่ในดินและแหล่งน้ำระบุชนิดของสิ่งมีชีวิตที่เคยผ่านไปมาบริเวณนั้นโดยไม่จำเป็นต้องเห็นหรือสัมผัสพวกมันโดยตรง

แม้แต่ในอากาศก็ยังมีร่อยรอยของดีเอ็นเอจากสิ่งมีชีวิตอยู่ อาจจะมาในรูปแบบของละอองเกสรพืช สปอร์ของเห็ดรา ไปจนถึงจุลินทรีย์และซากเซลล์จากร่างกายสัตว์บนเศษฝุ่น

ดีเอ็นเอเหล่านี้ฟุ้งกระจายจากจุดกำเนิดไปได้ไกลยิ่งกว่าดีเอ็นเอในดินหรือน้ำ

กลายเป็นแหล่งข้อมูลชั้นดีสำหรับงานนิเวศวิทยาของสิ่งมีชีวิตในสเกลใหญ่ๆ

การศึกษาดีเอ็นเอจากอากาศเพิ่งจะมาเป็นที่สนใจในหมู่นักชีววิทยาช่วงสองสามปีที่ผ่านมา

มีตัวอย่างการใช้ปั๊มดูดอากาศเพื่อศึกษาดีเอ็นเอจากสิ่งมีชีวิตที่อยู่ในโพรงหรือถ้ำอย่างตัวตุ่น

หรือแม้แต่การใช้เครื่องดูดฝุ่นธรรมดาเก็บตัวอย่างดีเอ็นเอในอากาศจากสัตว์ในสวนสัตว์

อย่างไรก็ตาม งานเหล่านี้ยังเป็นเพียงการเก็บดีเอ็นเอจากอากาศระดับพื้นดินระยะใกล้ๆห่างจากตัวสัตว์ไม่มากในบริเวณค่อนข้างปิด

ส่วนการศึกษาดีเอ็นเอในชั้นบรรยากาศจริงๆ มีเพียงการเก็บวิเคราะห์ดีเอ็นเอของแบคทีเรีย รา และละอองเกสรจากเครื่องบินเล็ก

ความยากของการศึกษาดีเอ็นเอในชั้นบรรยากาศคือปริมาณมวลดีเอ็นเอที่ฟุ้งลอยอยู่มีสัดส่วนน้อยมากๆ เทียบกับปริมาตรอากาศ

นอกจากนี้ ยังเสี่ยงต่อการปนเปื้อนจากดีเอ็นเอจากแหล่งอื่นๆ ระหว่างการเตรียมอุปกรณ์ภาคพื้นดิน และระหว่างการเก็บตัวอย่างจากดีเอ็นเอที่ปนเปื้อนไปกับตัวเครื่องบินเอง

ทีมวิจัยของเมทริสประดิษฐ์เครื่องเก็บตัวอย่างดีเอ็นเอขนาดกะทัดรัดสำหรับติดตั้งบนปีกเครื่องบินเล็ก

ส่วนท่อเก็บตัวอย่างอากาศยื่นออกไปด้านหน้าตัวเครื่องบิน มีการดูดอากาศเข้ามากรองเก็บดีเอ็นเอโดยตรงบนฟิลเตอร์ที่ปกป้องไว้อย่างดีจากการปนเปื้อน

สามารถวัดอัตราการไหลและมวลอากาศที่แม่นยำต่างจากงานอื่นๆ ก่อนหน้าที่เก็บดีเอ็นทางอ้อมจากฝุ่นและซากดีเอ็นเอที่มาเกาะบนพื้นผิวระหว่างการบิน

เมทริสนำเครื่องบินเล็กขึ้นไปเก็บตัวอย่างดีเอ็นเอบนน่านฟ้าทางตะวันตกเฉียงเหนือของมลรัฐเซาธ์แคโรไลนาใกล้ๆ มหาวิทยาลัยเคลมสัน

พื้นที่ด้านล่างมีทั้งเขตชนบทที่มีการเพาะปลูกและปศุสัตว์สลับกับโซนป่าสนและไม้เนื้อแข็ง

นอกจากนี้ ยังมีโซนเมืองที่มีแม่น้ำ ทะเลสาบ โรงพยาบาลและโรงบำบัดน้ำเสีย

เครื่องบินเล็กบินเป็นแนวตารางสี่เหลี่ยมกินพื้นที่ประมาณ 18 ตารางกิโลเมตร เก็บตัวอย่างที่ระดับความสูงตั้งแต่ 300 เมตรไปจนถึง 2.5 กิโลเมตร บินทั้งหมดหกรอบ กรองเก็บดีเอ็นเอจากมวลอากาศถึงกว่าหนึ่งหมื่นลิตร

ดีเอ็นเอที่ได้ถูกเอามาสกัดและอ่านวิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการเพื่อจำแนกชนิดสิ่งมีชีวิตที่พบเป็นกลุ่มแบคทีเรีย พืช และสัตว์มีกระดูกสันหลัง

เรื่องเซอร์ไพรส์แรกคือดีเอ็นเอของสัตว์อย่างไก่ วัว และมนุษย์พบได้ที่ทุกระดับความสูงแม้แต่ที่ 2.5 กิโลเมตรจากพื้นดิน

ทีมวิจัยตรวจสอบยืนยันเทียบกับการทดลองชุดควบคุมแล้วว่าดีเอ็นเอนี้เก็บมาจากชั้นบรรยากาศจริงๆ ไม่ใช่การปนเปื้อนก่อนหรือหลังการขึ้นบิน

ทีมวิจัยคาดการณ์ว่าดีเอ็นเอพวกนี้มาจากกิจกรรมต่างๆ ภาคพื้นดินที่เอื้อต่อการฟุ้งกระจายของเศษซากชีวภาพ

เช่น จากโรงเลี้ยงปศุสัตว์บริเวณนั้นที่มีการใช้พัดลมดูดระบายอากาศ หรือจากโรงบำบัดน้ำเสียที่มีการตีผสมอากาศและน้ำเป็นฝอยละออง

ดีเอ็นเอพืชก็พบได้ถึงระดับ 2.5 กิโลเมตรเช่นกัน หลักๆ มาจากต้นสนและต้นโอ๊กที่พบได้ทั่วในบริเวณนั้น

รองๆ ลงมาคือวัชพืชที่ในพื้นที่การเกษตร

ที่แปลกคือทีมวิจัยยังตรวจเจอดีเอ็นเอจากกระเทียมด้วย ถือเป็นครั้งแรกที่มีการค้นพบดีเอ็นเอกระเทียมในชั้นบรรยากาศสูงขนาดนี้

ดีเอ็นเอแบคทีเรียหลายตัวที่เจอเป็นแบคทีเรียบ้านๆ จากอุจจาระมนุษย์และมูลปศุสัตว์

บางตัวเป็นแบคทีเรียที่ต้องอยู่ในสภาวะไร้อากาศ (anaerobic) ที่อาจจะฟุ้งกระจายมาจากโรงบำบัดน้ำเสีย

แต่หนึ่งในดีเอ็นเอแบคทีเรียที่พบมากที่สุดกลับเป็นพวกแบคทีเรียสีเขียวแกมน้ำเงินกลุ่มสังเคราะห์ด้วยแสงชนิด Chroococcidiopsis

นี่คือกลุ่มแบคทีเรียที่อยู่รอดได้สภาวะสภาวะสุดขั้ว (extremophile) แห้งแล้ง ร้อนจัด เย็นจัด หรือมีรังสีอันตรายอย่างในทะเลทรายหรือบนยานสำรวจอวกาศ

อีกกลุ่มแบคทีเรียที่น่าสนใจคือพวก Burkhoderiales, Methylobacteriumและ Sphingomonas ที่เคยมีการรายงานว่าสามารถเจริญเติบโตโดยอาศัยความชื้นและแร่ธาตุอาหารที่มีอยู่น้อยนิดบนก้อนเมฆ

ดังนั้น ชั้นบรรยากาศโล่งๆ ที่เราเห็นจริงๆ แล้วเป็นชุมนุมของจุลินทรีย์ (และซากศพจุลินทรีย์) ทั้งขาประจำและขาจรที่น่าจะมีบทบาทไม่น้อยกับระบบนิเวศน์ภาคพื้นดิน

งานวิจัยนี้สามารถเอาไปประยุกต์ใช้ได้กว้างขวาง

ทั้งการศึกษาความหลากหลายของสิ่งมีชีวิต

การติดตามการแพร่ระบาดของโรคในคน ปศุสัตว์ และพืชเกษตร

ไปจนถึงงานด้านการทหารเกี่ยวกับอาวุธชีวภาพต่างๆ ด้วย

เซ็ตอัพอุปกรณ์ที่พอเหมาะพอดีกับเครื่องบินเล็กทำให้ต้นทุนการสำรวจดีเอ็นเอแต่ละครั้งถูกลงหลายสิบเท่าเทียบกับระบบเก็บตัวอย่างดีเอ็นเอที่เคยใช้กันมา

ทีมของเมทริสเองก็ได้ตั้งบริษัทสตาร์อัพชื่อ Airborne Science LLC เพื่อใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีศึกษาดีเอ็นเอในบรรยากาศชิ้นนี้

ท้องฟ้าไม่ใช่เพดานจำกัด แต่คือขุมทรัพย์ข้อมูลชีวภาพมหาศาลบนโลกของเรา

 

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022