Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร
Techno Termite (4)
งาน Cleveland ที่ออกแบบการทดลองมาอย่างละเอียดรอบคอบ ปิดทุกช่องโหว่ข้อสงสัย แถมผลการทดลองก็พลิกวงการจุลชีววิทยาในเวลานั้นที่มักจะมองว่าเชื้อจุลินทรีย์ในสัตว์คือตัวเชื้อโรคหรือปรสิต กลับกลายเป็นพันธมิตรที่ขาดไม่ได้ในการดำรงชีพ
สิ่งนี้ทำให้ผลงานของ Cleveland ที่พิสูจน์ว่าโปรโตซัวภายในทางเดินอาหารของปลวกเป็นการอยู่แบบพึ่งพาอาศัยกับปลวกโดยช่วยย่อยไม้ที่ปลวกกินเข้าไป ถูกยกย่องว่าเป็นสุดยอดงานวิจัยแห่งปีเทียบเท่ากับงานของ Hubble ผู้คนพบกาแล็กซี่ใหม่และขยายขอบเขตมุมมองของนักดาราศาสตร์ต่อจักรวาล
ช่วง 1920s-1930s ลูกศิษย์ของ Cleveland และนักวิจัยท่านอื่นได้เริ่มไขคำตอบว่าโปรโตซัวจากปลวกเหล่านี้ถ่ายทอดและคงความสมดุลอยู่ได้อย่างไร
มีการค้นพบว่าปลวกมีพฤติกรรมการเลี้ยงพวกพ้องในรังของมันด้วยของเหลวจากมูล (proctodeal trophallaxis) โดยเฉพาะหลังจากการลอกคราบที่ทำให้ปลวกสูญเสียทางเดินอาหารเดิมไป
มีการค้นพบวัฏจักรความสอดคล้องระหว่างวงจรชีวิต จังหวะการลอกคราบของปลวกกับวงจรชีวิตของเหล่าโปรโตซัวในทางเดินอาหาร
ในทศวรรษที่ 1930 นักวิทยาศาสตร์ยังได้เริ่มพบหลักฐานความสัมพันธ์ฉันมิตรระหว่างจุลินทรีย์กับสิ่งมีชีวิตเจ้าบ้านในระบบอื่น เช่น จุลินทรีย์ย่อยเซลลูโลสในกระเพาะของสัตว์เคี้ยวเอื้อง จนมาถึงปัจจุบันเราก็รู้ว่าจุลินทรีย์ประจำถิ่นเหล่านี้อยู่ในทุกที่บนผิวหนัง ช่องปาก ลำไส้ ฯลฯ และมีส่วนสำคัญต่อการทำงานของแทบทุกระบบในร่างกายสิ่งมีชีวิตเจ้าบ้านทั้งหลายรวมถึงมนุษย์เราด้วย
คำถามถัดมาคือ จุลินทรีย์ในลำไส้ปลวกยังมีอะไรอีกบ้าง? และพวกมันมีระดับชีวโมเลกุลในการหมุนเวียนสารประกอบต่างๆ ในตัวเจ้าบ้านอย่างไร?
Cr. ณฤภรณ์ โสดา
ปกติการจะตอบคำถามพวกนี้ นักจุลชีววิทยาจะต้องเริ่มจากการแยกจุลินทรีย์ชนิดเดี่ยวๆ จากประชากรตามธรรมชาติที่มีเชื้อหลายชนิดปนเปกัน เอาออกมาเพาะเลี้ยงเป็นสายพันธุ์บริสุทธิ์เพื่อทำการทดลองดูการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยา การบริโภคและสังเคราะห์สารในสภาวะต่างๆ
แต่ความยากของงานนี้คือจุลินทรีย์ในทางเดินอาหารปลวก (และทางเดินอาหารของสัตว์ส่วนใหญ่ด้วย) วิวัฒนาการมาให้อยู่สภาวะขาดอากาศและมักจะตายถ้าถูกเอามาเลี้ยงเจอออกซิเจนปกติ
นอกจากนี้ พวกมันยังมักจะต้องพึ่งพาอาศัยกันและกันในสิ่งแวดล้อมจุลภาค (microenvironment) ที่จำเพาะมากๆ ยากต่อการเลียนแบบในห้องปฏิบัติการ
Robert E. Hungate ผู้ได้ชื่อว่าเป็น “บิดาแห่งจุลชีววิทยาไร้อากาศ (father of anaerobic microbiology)” ค้นพบช่วงปลายทศวรรษที่ 1930 ว่าผลผลิตส่วนใหญ่จากการย่อยสลายเซลลูโลสในไม้ไม่ได้หยุดอยู่แค่กลูโคส แต่ถูกหมักต่อแบบไร้อากาศโดยโปรโตซัวในทางเดินอาหารปลวกเป็นก๊าซไฮโดรเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และกรดอะซิติกซึ่งจะถูกดูดซึมเป็นอาหารของปลวก
ช่วงทศวรรษที่ 1950 Hungate ยังได้ประดิษฐ์ระบบเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์แบบไร้อากาศซึ่งต่อมาถูกนำมาใช้ศึกษาสังคมจุลินทรีย์ทั้งในทางเดินอาหารปลวกและสัตว์เคี้ยวเอื้อง
กระนั้นจุลินทรีย์พวกนี้โดยเฉพาะพวกโปรโตซัวมักจะอยู่ไม่ยืดในระบบเลี้ยง ยากต่อการแยกเป็นเชื้อบริสุทธิ์มาศึกษาต่อหรือใช้ประโยชน์
Cr. ณฤภรณ์ โสดา
อีกคำถามสำคัญคือ ปลวกได้แหล่งไนโตรเจนมาจากไหนในเมื่อไม้มีสัดส่วนแร่ธาตุนี้อยู่ต่ำมากๆ
ช่วงทศวรรษที่ 1960-1970 มีงานวิจัยอีกหลายชิ้นบ่งชี้ว่าแบคทีเรียบางตัวในปลวกอาจจะสามารถตรึงไนโตรเจนได้ด้วยโดยเปลี่ยนก๊าซไนโตรเจนในอากาศมาอยู่ในรูปแอมโมเนียซึ่งจะถูกใช้ต่อเป็นวัตถุดิบในการสร้างกรดอะมิโน
ดังนั้น จึงกลายเป็นว่าปลวกและจุลินทรีย์จากปลวกมีบทบาทในวัฏจักรไนโตรเจนของระบบนิเวศด้วยเช่นเดียวกับพืชตระกูลถั่วและแบคทีเรียปมรากที่เรารู้จักกันดี
ความพิสดารอีกอย่างของจุลินทรีย์ในทางเดินอาหารปลวกคือการมี “จุลินทรีย์ที่เป็นผู้ร่วมอาศัยในจุลินทรีย์ (multi-symbiont)”
นักจุลชีววิทยาแมลงสังเกตเรื่องนี้มาตั้งแต่ช่วงยุค 1940s แต่เพิ่งมาเห็นรายละเอียดชัดเจนขึ้นด้วยความก้าวหน้าของเทคนิคกล้องจุลทรรศน์ทั้งแบบใช้แสงและอิเล็กตรอนในช่วง 1960s
งานวิจัยของ Cleveland ตอนปี 1964 รายงานภาพความละเอียดสูงและกลไกการเคลื่อนไหวของโปรโตซัวชนิด Mixotricha paradoxa จากลำไส้ปลวก โปรโตซัวชนิดนี้มีรยางค์ (flagella) ของตัวเองสี่เส้นสำหรับบังคับทิศทางการเคลื่อนไหว แต่แรงผลักดันตัวไปข้างหน้าเกิดจากแบคทีเรียอีกเป็นแสนตัวที่เกาะอยู่ที่พื้นผิวและในเซลล์ของมันเอง
ในทางวิวัฒนาการ เราสามารถแบ่งปลวกออกเป็นปลวกชั้นต่ำ (lower termite) กับปลวกชั้นสูง (higher termite) โดยปลวกชั้นสูงจะมีกายวิภาคที่พัฒนาไปไกลจากบรรพบุรุษมากกว่า มีโครงสร้างสังคมที่ซับซ้อนกว่า และกินอาหารได้หลากหลายกว่า
อีกความต่างสำคัญคือจุลินทรีย์ในทางเดินอาหารซึ่งปลวกชั้นต่ำจะมีทั้งแบคทีเรียและโปรโตซัวช่วยกันในกระบวนการย่อย ขณะที่ปลวกชั้นสูงจะมีแต่แบคทีเรียเป็นหลัก
กลางศตวรรษที่ 20 มีการค้นพบเพิ่มเติมว่าตัวปลวกเองก็มีการผลิตเซลลูเลสมาเสริมการย่อยเศษไม้ในอาหารด้วย โดยต้นกำเนิดของยีนเซลลูเลสเหล่านี้มีทั้งที่มาจากบรรพบุรุษเดิมตั้งแต่ก่อนปลวกจะถือกำเนิดขึ้น ร่วมกับยีนที่ได้รับการถ่ายทอดมาจากพวกจุลินทรีย์อีกที
Cr. ณฤภรณ์ โสดา
ปลายศตวรรษที่ 20 ถึงต้นศตวรรษที่ 21 ความก้าวหน้าของวงการชีวโมเลกุลและเทคโนโลยีชีวภาพทำให้เราได้เครื่องมือใหม่ที่จะก้าวข้ามข้อจำกัดเรื่องการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์ไป เทคโนโลยีการอ่านลำดับเบสดีเอ็นเอโดยเฉพาะ Next Generation Sequencing ทำให้เราสามารถศึกษาชนิด สัดส่วนประชากร และแบบแผนการแสดงออกของยีนในสังคมจุลินทรีย์จากดีเอ็นเอหรืออาร์เอ็นเอที่สกัดจากประชากรมาโดยตรง
ขณะที่เทคนิคดีเอ็นเอลูกผสม (recombinant DNA) ทำให้เราสามารถจะแยกเอาเฉพาะยีนที่น่าจะเป็นประโยชน์ออกมาใส่ในจุลินทรีย์ที่เราเลี้ยงและควบคุมได้ง่ายๆ
เทคโนโลยีเหล่านี้เปิดโอกาสให้เราได้สำรวจและใช้ประโยชน์จากขุมทรัพย์ความหลากหลายของจุลินทรีย์ในปลวกที่เราไม่เคยเข้าถึงได้มาก่อน
การค้นพบและใช้ประโยชน์ที่น่าตื่นเต้นจากจุลินทรีย์ปลวกช่วงไม่กี่สิบปีมานี้มีอะไรบ้าง ติดตามต่อตอนหน้าครับ
Cr. ณฤภรณ์ โสดา
