“ฉันเห็นทูตสวรรค์ในหินอ่อนและแกะสลักไว้แล้ว ฉันแค่ปลดปล่อยเขาให้เป็นอิสระ”
ไมเคิล แองเจโล
“สี” คือประติมากรรมของแสงขาว ประติมากรเปลี่ยนหินอ่อนเป็นครุฑ สิงห์ มังกร และเทวรูปด้วยสิ่วและค้อนที่บรรจงแกะสลักส่วนเกินทิ้งไป สารพัดสีที่ตาเราเห็นก็ถูกแกะสลักออกมาจากแสงขาวที่มีทุกเฉดสีผสมอยู่ในนั้นรอใครสักคนปลดปล่อยมัน
สิ่งมีชีวิตสร้าง “สี” ขึ้นมาเพื่องานหลากหลาย บ้างก็เพื่อปิดบังอำพราง บ้างก็เพื่อสำแดงตน ล่อเหยื่อ หาคู่ ข่มขู่ศัตรู และบางครั้ง “สี” ก็อาจเป็นเพียงผลข้างเคียงจากความพยายามใช้ประโยชน์หรือปกป้องร่างกายจากพลังงานแสง วิวัฒนาการใช้ลูกเล่นชีวเคมีและฟิสิกส์ของแสงเนรมิตโมเลกุลและวัสดุโครงสร้างที่สามารถดูดกลืนหรือสะท้อนแสงเพียงบางช่วงคลื่นได้ตามเป้าประสงค์การใช้งาน
ถ้าเราลองถามคนทั่วไปว่า “อะไรคือสีแห่งชีวิต?” คำตอบที่ได้มักจะเป็น “สีเขียว” ของต้นไม้ใบหญ้าที่ยังสดสะพรั่ง และ “สีแดง” ของเลือดเนื้อในร่างกายของมนุษย์และสัตว์ที่ยังมีลมหายใจ
พวกเราส่วนมากคงจำได้บทเรียนสมัยเด็กๆว่า “สีเขียว” เป็นของคลอโรฟิลล์ (chlorophyll) โมเลกุลที่เป็นเครื่องมือหลักในการเก็บเกี่ยวพลังงานแสง “สีแดง” เป็นของฮีม (heme) โมเลกุลที่เป็นเครื่องมือลำเลียงออกซิเจนอย่างในฮีโมโกลบิน (hemoglobin) และไมโอโกลบิน (myoglobin) ของเลือดและกล้ามเนื้อ แต่หลายคนอาจจะไม่รู้ว่าโมเลกุลทั้งสองชนิดนี้มีกระบวนการสังเคราะห์และโครงสร้างที่คล้ายคลึงกันมาก แผ่นสี่เหลี่ยมแบนราบประกอบจากห่วงโซ่สี่วงของคาร์บอนและไนโตรเจน (tetrapyrrole) ที่มีไอออนของโลหะอยู่ตรงกลาง แมกนีเซียม (Mg2+)ในคลอโรฟิลล์ และเหล็ก (Fe2+) ในฮีม เมื่อพืชและสัตว์ตายลงสักพัก ไอออนโลหะพวกนี้จะหลุดลอยหรือเปลี่ยนสภาวะ ทำให้สีเขียวและแดงแห่งความมีชีวิตเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาลหม่นๆบ่งบอกถึงความเสื่อมสลายตายจาก
โครงสร้างโมเลกุลคลอโรฟิลล์ (ซ้าย) และฮีม (ขวา) ที่มา
“คลอโรฟิลล์” มีสีเขียวเพราะความสามารถในการดูดกลืนแสงช่วงคลื่นน้ำเงินม่วงและแดงจากแสงขาวไปใช้ในการสังเคราะห์ด้วยแสง เหลือก็เพียงแสงช่วงคลื่นสีเขียวถูกปล่อยให้ทะลุผ่านหรือสะท้อนออก ทำไมวิวัฒนาการถึงเลือกที่จะไม่เก็บแสงสีเขียวไว้ใช้งานทั้งๆที่แสงช่วงคลื่นนี้เป็นช่วงที่เข้มที่สุดในบรรดาทุกช่วงคลื่นของแสงอาทิตย์ที่ส่องลงมาถึงพื้นโลก? สมมติฐานจากงานวิจัยล่าสุดบอกว่า แสงเขียวที่เข้มมากก็ยิ่งมีความผันแปรของพลังงานมากตามช่วงวันหรือร่มเงาจากเมฆหรือยอดไม้ที่สูงกว่า การเลี่ยงไม่รับแสงเขียวนี้อาจทำเพื่อลดความแปรปรวนของพลังงานที่ป้อนเข้าสู่ระบบการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อเซลล์ได้
“ฮีม” ดูดกลืนแสงช่วงคลื่นสั้นไว้เกือบหมดเหลือแต่แสงสีแดงที่มีคลื่นยาว เนื่องจากฮีมไม่ได้ทำงานในสภาวะที่เจอกับแสงโดยตรง สีแดงของฮีมจึงไม่น่าจะมีหน้าที่อะไรเฉพาะแต่เป็นผลข้างเคียงของโครงสร้างโมเลกุลฮีมซึ่งถูกวิวัฒนาการคัดเลือกมาทำหน้าที่อย่างอื่นที่ไม่ได้เกี่ยวกับแสง นอกจาก “ฮีม” จากฮีโมโกลบินในเลือดและไมโอโกลบินในกล้ามเนื้อที่คนทั่วไปรู้จักแล้ว ฮีมยังเป็นส่วนประกอบสำคัญของไซโตโครม (cytochrome) ที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับการส่งทอดอิเล็กตรอนในหายใจระดับเซลล์ของสิ่งมีชีวิตแทบทุกชนิดตั้งแต่แบคทีเรียขึ้นมาถึงมนุษย์ โครงสร้างของฮีมทั้งตำแหน่งพันธะเคมีต่างๆและการมีอยู่ของไอออนเหล็กนี้น่าจะถูกคัดเลือกมาสำหรับหน้าที่การส่งรับอิเล็กตรอนและก็บังเอิญไปตรงกับโครงสร้างที่เหมาะกับการดูดกลืนแสงช่วงคลื่นสั้นพอดี
ถ้าสีเขียวของ “คลอโรฟิลล์” คือพระเอกของเฉดสีในพืช พระรองของเราก็น่าจะเป็นสีเหลือง-ส้ม-แดงของ “แคโรทีนอยด์ (carotenoid)” และสีแดง-ม่วง-น้ำเงินของ “แอนโทไซยานิน (anthocynanin)” โมเลกุลทั้งสองกลุ่มนี้ประกอบขึ้นจากอะตอมพื้นๆแค่คาร์บอน-ไฮโดรเจน-ออกซิเจนแบบเดียวไขมันและคาร์โบไฮเดรตทั่วไปซึ่งตามธรรมดาแล้วไม่ดูดกลืนแสงช่วงที่ตาเรามองเห็นจึงไม่ได้ปรากฏสีอะไร สิ่งที่ “แคโรทีนอยด์” และ “แอนโทไซยานิน” มีเพิ่มขึ้นมาคือโครงสร้างโมเลกุลที่เป็นพันธะคู่สลับเดี่ยว (นักเคมีเรียกว่า conjugated double bond) ที่เปลี่ยนช่วงคลื่นการดูดกลืนแสงมาอยู่ในช่วงที่ตาเรามองเห็น จำนวนและพันธะคู่สลับเดี่ยวกำหนดช่วงคลื่นการดูดกลืนแสงและเฉดสีที่ปรากฏ
“แคโรทีนอยด์” เฉดสีต่างๆที่พืช สาหร่าย รา และแบคทีเรียสังเคราะห์ได้มีมากกว่า 1,100 ชนิด ตัวที่เราส่วนมากน่าจะคุ้นเคยกันก็เช่น สีเหลืองของลูติน (lutein) สีส้มของเบต้าแคโรทีน (beta-carotene) สีแดงของไลโคพีน (lycopene) และ แอสต้าแซนทีน (astaxanthin) พวกนี้คือสารให้สีในผลไม้สุกและในใบไม้ที่ใกล้ร่วงหล่น “แอนโทไซยานิน” ให้สีแดง-ม่วง-น้ำเงินในใบไม้และดอกไม้ ความเป็นกรด-เบสของสภาวะแวดล้อมส่งผลต่อการจัดเรียงพันธะคู่และช่วงการดูดกลืนแสง (หลายคนอาจจะจำได้จากการทดลองน้ำอัญชันเปลี่ยนสีสมัยเด็กๆ)
แคโรทีนอยด์และแอนโทไซยานินให้สีเหลือง-ส้ม-แดงและแดง-ม่วง-น้ำเงินในพืช
ทั้ง “แคโรทีนอยด์” และ “แอนโทไซยานิน” ช่วยส่งต่อและดูดซับพลังงานงานแสงส่วนเกินที่อาจจะทำอันตรายต่อกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง พันธะคู่ในโมเลกุลพวกนี้ยังทำปฏิกิริยากับอนุมูลอิสระ (free radical) ที่เกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงหรือการหายใจ และทำหน้าที่เป็นสารต้านอนุมูลอิสระ (antioxidant) ที่คอยปกป้องโครงสร้างต่างๆของเซลล์ เฉดสีต่างๆที่ได้จาก “แคโรทีนอยด์” และ “แอนโทไซยานิน” ในดอกไม้และผลไม้ยังเป็นเครื่องมือสื่อสารชั้นดีระหว่างพืชกับสัตว์ เป็นเครื่องชี้เป้าให้ผู้นำเกสร (pollinator) อย่างผึ้งและผีเสื้อ
“แคโรทีนอยด์” และ “แอนโทไซยานิน” มักจะทนกับสภาพแวดล้อมมากกว่า “คลอโรฟิลล์” ในผลไม้สุกและใบไม้ใกล้ร่วง คลอโรฟิลล์จะสลายตัวไปก่อนคงเหลือแต่สีเหลือง-ส้ม-แดงของแคโรทีนอยด์และแอนโทไซยานิน ในทางเดินอาหารของสัตว์แคโรทีนอยด์จากพืชยังคงเหลือรอดและถูกดูดซึมไปใช้งานต่อ
สัตว์ขาดกลไกสังเคราะห์แคโรทีนอยด์แต่ยังต้องนำเข้าผ่านการกินเพื่อเอาไปใช้ในกิจกรรมหลายอย่าง แคโรทีนอยด์ทำหน้าที่เป็น antioxidant ในสัตว์เช่นเดียวกับในพืช แคโรทีนอยด์ถูกใช้เป็นสารตั้งต้นของวิตามินเอในระบบเซ็นเซอร์รับแสงบนจอรับภาพของดวงตา สีส้มแดงที่เราเห็นในสัตว์หลายชนิดตั้งแต่กุ้ง ปู ถึงปลาแซลมอนและนกฟลามิงโก้ก็คือแคโรทีนอยด์จากพืชหรือสาหร่ายที่ถูกส่งต่อมาเรื่อยๆตามห่วงโซ่อาหาร
ส่วน “สี” ที่สัตว์สังเคราะห์ได้เองจริงๆ คือ “เมลานิน (melanin)”
“เมลานิน” ถูกแปรรูปมาจากกรดอะมิโนไทโรซีนด้วยกระบวนการสังเคราะห์ที่ค่อนข้างเรียบง่ายและเก่าแก่ พบได้ในตั้งแต่แบคทีเรีย ขึ้นมาถึงรา พืช สัตว์ และมนุษย์ เมลานินมีสองชนิดหลักๆคือ ยูเมลานิน (eumelanin) ให้สีโทนน้ำตาลเข้มถึงดำ และฟีโอเมลานิน (pheomelanin) ให้สีโทนเหลืองถึงแดง ส่วนผสมของเมลานินสองชนิดนี้กลายมาเป็นสีเนื้อ สีน้ำตาลแดง สีแทน และสีน้ำตาลคล้ำถึงดำที่เราเห็นกันบ่อยๆบนผิวหนังและขนของสัตว์ทั้งหลายรวมทั้งมนุษย์ด้วย สีน้ำตาลบนผักผลไม้ที่สัมผัสอากาศนานๆสีดำคล้ำบนเปลือกผลไม้อย่างกล้วยเก่าๆก็มาจากเมลานินเช่นกัน
ระดับของเมลานินกำหนดความเข้มอ่อนของสีผิวหนังและผมของมนุษย์
เมลานินดูดกลืนแสงได้ดีที่สุดในช่วงคลื่นรังสี UV และทำหน้าที่ป้องกันเซลล์จากรังสีนี้ ส่วนการดูดกลืนแสงช่วงคลื่นที่ยาวกว่าอื่นๆก็ลดหลั่นกันลงไป แต่โดยภาพรวมเมลานินโดยเฉพาะกลุ่มยูเมลานินดูดกลืนแสงที่ตามองเห็นได้แทบทุกช่วงคลื่นจนเป็นที่มาของสีน้ำตาลเข้มถึงดำ เนื่องจากรังสี UV ยังจำเป็นต่อการสังเคราะห์สารอาหารจำเป็นอย่างวิตามินดี ร่างกายของสัตว์รวมทั้งมนุษย์จึงต้องปรับตัวเพื่อหาจุดสมดุลของปริมาณเมลานินผิวหนังที่มากพอจะป้องกันอันตรายจาก UV แต่ไม่มากเกินจนไปขัดขวางการสร้างวิตามินดี ในระดับปัจเจกบุคคลเซลล์สังเคราะห์เมลานินบนผิวหนัง (melanocyte) เพิ่มลดปริมาณการสังเคราะห์เมลานินตามระดับรังสีที่ได้รับเป็นเหตุให้สีผิวเราเปลี่ยนเป็นโทนเข้มเมื่อถูก UV จากแสงแดดมากๆ ในระดับวิวัฒนาการเผ่าพันธุ์มนุษย์ที่อยู่ละติจูดต่ำๆอย่างชาวแอฟริกันได้รับ UV จากแสงแดดเยอะก็มีแนวโน้มที่จะสังเคราะห์เมลานินผิวหนังมากกว่าเผ่าพันธุ์ในละติจูดสูงๆอย่างชาวยุโรปตอนเหนือที่ได้รับแดดน้อยๆ
โดยทั่วไปแล้วสัตว์มักจะไม่สามารถสังเคราะห์โมเลกุลได้หลากหลายเท่าพืชและจุลินทรีย์ นอกจากเมลานินที่สังเคราะห์ได้เองและแคโรทีนอยด์ที่อาจจะพอหยิบยืมมาจากพืชได้แล้วสัตว์ต้องอาศัยลูกเล่นอื่นเพื่อสำแดงสีที่หลากหลายจากชนิดโมเลกุลที่มีอยู่จำกัด เทคนิคอันน่าทึ่งอย่างนึงที่สัตว์หลายชนิดใช้คือการสำแดงสีด้วยโครงสร้าง (structural coloration)
“สี” ทั้งหลายที่กล่าวมาข้างต้นเกิดจากโมเลกุลที่มีสีในตัวเองหรือรงควัตถุ (pigment) ไม่ว่าจะเป็นคลอโรฟิลล์ ฮีม แคโรทีนอยด์ แอนโทไซยานิน เมลานิน ฯลฯ รงควัตถุพวกนี้มีพันธะเคมีที่ดูดกลืนแสงที่ตามองเห็นจำเพาะช่วงคลื่นจากแสงขาวที่ตกกระทบ เหลือไว้เพียงแสงไม่กี่ช่วงคลื่นผสมเป็นสีต่างๆ ในทางกลับกัน structural coloration เกิดจากโมเลกุลที่อาจจะไม่ได้มีสีในตัวเองแต่ถูกเอามาประกอบกันเป็นโครงสร้างระดับนาโนที่แยกแสงสีจำเพาะออกมาจากแสงขาว
สีสดๆบนขนนก ปีกผีเสื้อ ผิวกิ้งก่าและปลาหลายชนิดเป็น structural coloration จากโมเลกุลไร้สีอย่างไคตินหรือเคราตินประกอบเป็นโครงสร้างความละเอียดสูง ระยะห่างระดับนาโนระหว่างโครงสร้างเหล่านี้เป็นตัวกำหนดว่าช่วงคลื่นแสงไหนจะมีปฏิสัมพันธ์แบบใดกับโครงสร้างนี้ กลไกการเกิดสีด้วย structural coloration แบ่งเป็นรูปแบบย่อยๆได้อีกหลายชนิด เช่น การแทรกสอด (diffraction) ที่ส่งเสริมหรือหักล้างแสงแบบจำเพาะช่วงคลื่นทำให้เกิดสีเลื่อมรุ้งหลายเฉดตามมุมมองของผู้สังเกตด้วยหลักการเดียวกับการเกิดสีรุ้งบนผิวฟองสบู่หรือคราบน้ำมัน อีกรูปแบบหนึ่งคือการกระเจิงแสง (scattering) เพียงบางช่วงคลื่นปล่อยให้ช่วงคลื่นที่เหลือทะลุผ่านและถูกดูดซับด้วยชั้นเมลานินสีเข้มที่อยู่ด้านล่าง วิธีนี้ใช้สำแดงสีโดยเฉพาะสีน้ำเงินฟ้าที่คงที่ทุกมุมมองด้วยหลักการเดียวกับการเกิดสีฟ้าของท้องฟ้าจากการกระเจิงแสงในชั้นบรรยากาศ
Structural coloration กับการแสดงสีน้ำเงินฟ้าในสัตว์
ความสามารถพิเศษอีกอย่างของสัตว์บางชนิดคือการปรับเปลี่ยนสีร่างกายตามสิ่งแวดล้อมหรือสภาวะทางสรีรวิทยา (dynamic coloration) การเปลี่ยนสีแบบฉบับพลันอย่างที่เราเห็นในจิ้งจก กิ้งก่า หรือปลาหมึกเร็วเกินกว่ากระบวนการสังเคราะห์หรือย่อยสลายสีในเซลล์จะทำได้ หลักการสำคัญที่ใช้ในกรณีนี้คือการจัดเรียงโมเลกุลที่มีอยู่เดิมเสียใหม่ เม็ดสีบรรจุเมลานิน (melanosome) ที่กระจายอยู่ทั่วเซลล์ทำให้ผิวดูสีเข้ม แต่ถ้าถูกเคลื่อนมากระจุกอยู่รวมกันสีผิวก็จะจางลง การขยายหรือหดตัวของเซลล์สีต่างๆบนผิวกิ้งก่าใช้ปรับสีผสมของผิวออกเป็นโทนต่างๆกัน ปลาหมึกทั้งเปลี่ยนร่างกายจากใสเป็นทึบ ปรับโทนเข้มอ่อน และจัดการสารพัดสีรุ้งด้วยการควบคุมทั้งการกระจายเมลานินและขนาดสเกลโครงสร้างเบื้องหลัง structural coloration ให้เลือกแทรกสอดและกระเจิงแสงจำเพาะช่วงคลื่นได้ตามต้องการ
สัตว์ปรับสีตามสภาพแวดล้อมด้วยการจัดเรียงเซลล์และเม็ดสี
เราเพิ่งจะเริ่มต้นเข้าใจศาสตร์แห่งการกำเนิดและใช้ประโยชน์จากสีของสิ่งมีชีวิตในระดับโมเลกุล อะตอมของธาตุไร้สีไม่กี่ชนิดถูกเอามาเรียงร้อยกันเป็นโมเลกุลเป็นโครงสร้างเพื่อสกัดแยกและใช้ประโยชน์จากแทบทุกช่วงคลื่นในแสงขาวจากปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างออกไปร้อยกว่าล้านกิโลเมตร สารพัดสีธรรมชาติที่พืชและสัตว์ใช้เก็บเกี่ยวพลังงาน ปกป้องร่างกาย หลบซ่อน ข่มขู่ ยั่วยวน หลอกล่อ และสารพัดสีธรรมชาติที่มนุษย์มองเป็นสุนทรียะ คือความน่าทึ่งในความเรียบง่ายแสนอัศจรรย์ของวิวัฒนาการ
โปรดอย่าลืมกดติดตามเพจของ MIC ได้ที่ : Facebook Matichon MIC
