เมื่อป่าแหว่งภูมิอากาศก็แกว่ง

ท่านผู้อ่านที่เป็นแฟนภาพยนตร์ต่างประเทศแนวไซไฟสยองขวัญคงคุ้นชินกับ “เอ็ม. ไนท์ ชยามาลาน” ผู้กำกับชาวอเมริกันเชื้อสายอินเดียผู้สร้างชื่อจากภาพยนตร์สุดฮิตอย่าง “The Sixth Sense” ซึ่งออกฉายครั้งแรกในในปี ค.ศ. 1999 แม้ว่าหลังจากนั้นภาพยนตร์ที่ชยามาลานกำกับเองอย่าง “Unbreakable” และ “Lady in the Water” กลับถูกวิพากษ์วิจารณ์อย่างหนักทั้งในแง่รายได้ในการเข้าฉายรวมทั้งคุณภาพของบทภาพยนตร์ อย่างไรก็ตามมีผลงานชิ้นหนึ่งที่ถูกจริตนักเคมีวิเคราะห์อย่างผมมากนั้นคือภาพยนตร์ที่ชื่อ “เดอะ แฮปเพนนิ่ง วิบัติการณ์สยองโลก (The Happening)” น่าเสียดายที่ภาพยนตร์เรื่องนี้ถูกจัดให้เป็นภาพยนตร์ยอดแย่ตลอดกาลเป็นอันดับ 8 จากการจัดอันดับของนิตยสารเอ็มไพร์ ทั้งที่พล็อตเรื่องค่อนข้างน่าสนใจโดย ชยามาลาน ได้เชื่อมโยงสารพิษที่ต้นไม้พร้อมใจกันขับออกมาเพื่อป้องกันตัวเอง ว่ามีส่วนไปช่วยกระตุ้นให้เกิดการกระทำอัตวินิบาตกรรมหมู่ที่สวนสาธารณะเซ็นทรัล พาร์ค เวลา 8.00 น.

ภูมิหลังของภาพยนตร์เรื่องนี้ได้แรงบันดาลใจจากเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นจริงนั้นคือการแพร่กระจายอย่างฉับพลันของ บุปผาสาหร่ายที่เป็นอันตราย (Harmful Algal Blooms: HABs) ซึ่งมีไซยาโนแบคทีเรีย หรือ สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน เป็นองค์ประกอบหลัก นักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าสาหร่ายสะพรั่ง (Red Tide) หรือปรากฏการณ์ขี้ปลาวาฬซึ่งเกิดขึ้น บริเวณนอกชายฝั่งแปซิฟิกตะวันตก ผลงานวิจัยเชิงลึกของศาสตราจารย์ Dave Caron จาก University of South Carolina พบว่าสาหร่ายที่ชื่อ Pseudo-nitzschia สามารถปล่อยสารพิษต่อระบบประสาทอย่าง กรดโดโมอิค (domoic acid) ออกมาได้ เป็นที่ทราบกันดีว่าโครงสร้างทางเคมีของ กรดโดโมอิคมีลักษณะคล้ายคลึงกันกับ กลูตาเมต (glutamate) หรือ สารสื่อประสาทซึ่งมีหน้าที่ในการนำ, ขยาย และควบคุมสัญญาณไฟฟ้าจากเซลล์ประสาทเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง ด้วยเหตุผลดังกล่าวจึงมีความเป็นไปได้ที่สมองมนุษย์อาจได้รับผลกระทบบางอย่างหากได้รับ กรดโดโมอิค ซึ่งถูกปล่อยออกมาปรากฏการณ์สาหร่ายสะพรั่งของ Pseudo-nitzschia ในระดับที่สูงเกินไป สิ่งที่ต้องระวังเป็นพิเศษคือยังไม่มีหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ใดมายืนยันว่าสารเคมีจากต้นไม้จะสามารถกล่อมให้บุคคลซึ่งมีสติสัมปชัญญะสมบูรณ์ครบถ้วนปลิดชีพตนเองลงได้ จะว่าไปแล้วเรื่องการนำ “กลิ่น” มาเป็นตัวชูโรงในการดำเนินเรื่องให้มีความโลดโผนหวือหวาก็ไม่ใช่สิ่งแปลกใหม่แต่อย่างใด ภาพยนตร์ที่ชื่อ “น้ำหอมมนุษย์” หรือ “Perfume” ซึ่งกำกับการแสดง และเขียนดนตรีประกอบโดย Tom Tykwer คือตัวอย่างที่ดีของการนำแนวคิดของ ฟีโรโมน มาประยุกต์ใช้เป็นเครื่องมือสำหรับควบคุมความคิดของฝูงชน

ตัดบทจากหัวข้อนิยายไซไฟกลับเข้าสู่โลกแห่งความเป็นจริงที่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกยอมรับกันบ้าง ในวงการวิชาการที่เกี่ยวข้องกับสารเคมีในชั้นบรรยากาศได้มีการตระหนักถึงความสำคัญของป่าที่มีต่อการปลดปล่อยสารเคมีสู่สิ่งแวดล้อมมาเป็นเวลาหลายสิบปีแล้ว ปัญหามลพิษทางอากาศทั่วโลกส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การควบคุมแหล่งกำเนิดมลพิษที่ชัดเจนเช่น ไอเสียยานพาหนะ ควันพิษจากโรงงานอุตสาหกรรม/โรงไฟฟ้าถ่านหิน การเผาไหม้ของเศษชีวมวล ไฟไหม้ป่า ฯลฯ ซึ่งแหล่งกำเนิดเหล่านี้มีความชัดเจนในตัวมันเอง แต่สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ด้านเคมีอากาศทั่วโลกกำลังจับตามองคืออิทธิพลของป่า (ต้นไม้) ที่มีต่อการปลดปล่อยของสารเคมีจำพวก Monoterpene, Isoprene,

1. Monoterpene และ Isoprene คืออะไร?

สารเคมีพวกนี้จัดอยู่ในกลุ่มน้ำมันหอมระเหยที่พืชส่วนใหญ่สร้างขึ้นมาเพื่อดึงดูดแมลงมาผสมเกสร นอกจาก monoterpene และ isoprene แล้วยังมี limonene, citral, geraniol, menthol, camphor ซึ่งจัดอยู๋ในกลุ่ม monoterpene และb-bisabolene, b-caryophyllene ซึ่งจัดอยู่ในกลุ่ม sesquiterpenes

2. Monoterpene และ Isoprene ระเหยจากส่วนไหนของพืชได้บ้าง?

จากผลงานวิจัยพบว่าเกือบ 60% มาจากใบไม้เป็นหลักแต่ก็มีการระเหยออกมาจากลำต้นและรากด้วยเช่นเดียวกัน จึงเป็นที่มาของงานวิจัยหลายชิ้นที่มีการสำรวจ Emission Flux ของ Monoterpene และ Isoprene ในลักษณะ Top Down และ Bottom Up เช่นงานวิจัยของ ศาสตราจารย์ ดร. Janna Back จาก University of Helsinki ฟินแลนด์ได้มีการสำรวจการเปลี่ยนแปลงระดับความเข้มข้นของสารเคมีทั้งสองในแต่ละช่วงฤดูกาล (Seasonal Variation) และแต่ในช่วงเวลา (Diurnal Variation) เป็นต้น

3. ทำไมต้องสนใจ Monoterpene และ Isoprene ?

เพราะมันมีผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

3.1 การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (Climate Change)
สารเคมีสองตัวนี้สามารถทำปฏิกิริยากับ OH radical, NO3, และ Ozone ได้ ผลจากการทำปฏิกริยาดังกล่าวส่งผลให้เกิดสารเคมีตัวใหม่ที่เรียกว่า Secondary Organic Aerosols หรือ SOA ซึ่งมีผลอย่างมากต่อการก่อให้เกิด Cloud Condensed Nuclei หรือแกนกลั่นเมฆ ซึ่งเชื่อมโยงกับปริมาณของก้อนเมฆโดยตรงแน่นอนหากปริมาณของก้อนเมฆเพิ่มมากขึ้นพื้นที่สีขาวก็จะเพิ่มมากขึ้นและประสิทธิภาพในการสะท้อนรังสีจากดวงอาทิตย์กลับสู่อวกาศก็จะเพิ่มมากขึ้นตามไปด้วย ผลก็คือโลกจะเย็นลงแต่มันไม่ง่ายที่จะด่วนสรุปว่า Monoterpene และ Isoprene มีผลโดยตรงต่อ Cooling Effect เพราะยังมีคำถามอีกมากที่ยังไม่ได้ตอบเช่น

3.1.1 ความเข้มของแสงอาทิตย์ อุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์มีผลอย่างไรต่อฟลักซ์ของการปลดปล่อยก๊าซ (Emission Flux) เช่น Monoterpene และ Isoprene ?
3.1.2 พันธุ์พืชในเขตร้อนชื้นอย่างเช่น เอเซียตะวันออกเฉียงใต้ (ซึ่งมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างจากป่าเขตร้อนในแอฟริกาหรืออเมริกาใต้) ส่งผลอย่างไรต่อ Emission Flux ของ Monoterpene และ Isoprene ?
3.1.3 ฤดูกาลและช่วงเวลาในแต่ละวันส่งผลอย่างไรต่อ Emission Flux ของ Monoterpene และ Isoprene?

งานวิจัยด้านการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศมีความซับซ้อนมากกว่าที่หลายคนคิดเนื่องจากกลไกในการควบคุมสารเคมีที่มีส่วนสำคัญต่อการควบคุมการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเช่น DMS (Dimethyl Sulfide) Isoprene Monoterpene (ซึ่งจัดอยู่ในกลุ่มสาร VOCs) มีเหตุและปัจจัยหลายประการซึ่งส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงระดับความเข้มข้นของสารเคมีดังกล่าว Dr. Dolores Asensio จาก CSIC ของสเปนได้สรุปประเด็นที่น่าสนใจเกี่ยวกับบทบาทของดินที่มีต่อการปล่อยสาร VOCs เหล่านี้ไว้ดังนี้

1. ดินมีสองบทบาทคือสามารถเป็นไปได้ทั้ง Source หรือแหล่งกำเนิดของ VOCs และเป็น Sink หรือแหล่งที่ดูดซับ VOCs ได้เช่นเดียวกัน Sink ที่สำคัญของ VOCs เช่นเชื้อจุลินทรีย์ในดิน ปฏิกิริยาทางเคมีระหว่าง NO3 และ OH radical กับ VOCs ในชั้นบรรยากาศและองค์ประกอบเชิงกายภาพของดิน (Soil Texture) เช่นสัดส่วนของอนุภาคทราย (Sand) อนุภาคทรายแป้ง (Silt) และอนุภาคที่มีขนาดเล็กที่สุดคืออนุภาคดินเหนียว (Clay) เป็นต้น

2. แหล่งกำเนิดของ VOCs ในป่าเขตร้อนชื้นมีความซับซ้อนมากกว่าป่าสนในเขตหนาวหรือป่าไทก้า ด้วยเหตุที่ว่า OH reactivity ถูกควบคุมด้วยปัจจัยดังต่อไปนี้
2.1 ปัจจัยด้านฤดูกาล (Seasonality) เช่นฤดูร้อนหรือฤดูฝน
2.2 ลักษณะธรณีสัณฐาน (Topography) เช่น เนื้อดิน, สารอาหาร ความชื้นในดิน
2.3 ปริมาณการใส่ปุ๋ยเคมีของเกษตรกร
2.4 ความหนาของชั้นซากพืช (Litter Layer)

จากผลงานวิจัยที่ French Guiana (Paracou) พบว่า Isoprene และ Monoterpene จะถูกปลดปล่อยออกมาจากป่าได้มากกว่าในช่วงฤดูร้อน (Dry Season) เมื่อเปรียบเทียบกับฤดูฝน (Wet Season) นอกจากนี้ผลงานวิจัยในป่าแถบเมดิเตอร์เรเนียนพบว่าพืชที่อุดมไปด้วยไนโตรเจนมีแนวโน้มที่จะปล่อยสาร Isoprene มากกว่า Monoterpene ที่น่าสนใจคือศักยภาพของเชื้อจุลินทรีย์ในดินสามารถย่อยสลาย Isoprene ได้สูงถึง 80%! ผลงานวิจัยของ Zhaozhong Feng จาก Research Center for Eco-Environmental Sciences (RCEES), Chinese Academy of Sciences, China ต้นไม้ปรับเปลี่ยนตัวเองให้เข้ากับสภาพอากาศโดยในช่วงฤดูฝนภายใต้เงื่อนไขที่ปริมาณน้ำในดินมีมาก (Well Watered: WW) ต้นไม้จะปล่อย Isoprene และผลิตคลอโรฟิลออกมาน้อยกว่าในช่วงที่มีความแห้งแล้งไม่มาก (Mild Drough: MD)

ในขณะช่วงสภาวะที่มีความแห้งแล้งไม่มาก (MD) พื้นที่รวมของใบไม้จะลดลงและเมื่อปริมาณไนโตรเจนในดินต่ำกว่า 50 ppm พืชจะเพิ่มพื้นที่ใบโดยรวมให้สูงขึ้น อย่างไรก็ตามปริมาณไนโตรเจนและระดับน้ำในดินไม่ได้ส่งผลต่อปริมาณการปลดปล่อยของ Isoprene แต่อย่างใด และที่ต้องตระหนักเป็นพิเศษคือปัจจัยด้าน อุณหภูมิอากาศ ปริมาณน้ำในดิน ส่งผลต่อการปลดปล่อย Isoprene จากใบไม้และลำต้นในระดับที่แตกต่างกัน

สิ่งที่ถูกละเลยมาโดยตลอดคือการที่นักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มเพิกเฉยต่อบทบาทของมหาสมุทรที่มีต่อการปล่อยสาร VOCs อย่างเช่นปะการังสามารถส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้เช่นกัน! ด้วยเหตุที่ว่าปะการังมีส่วนต่อการเพิ่มปริมาณของ Dimethyl Sulfide (DMS) ซึ่งเป็นสารเคมีที่มีส่วนสำคัญอย่างมากต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเนื่องจากมันคือสารเคมีตั้งต้นของอนุภาคซัลเฟต (Sulfae) และเป็นองค์ประกอบสำคัญของแกนกลั่นเมฆหรือ Cloud Condensation Nuclei (CCN) นอกจากนี้คอคโคลิธ (coccolith) ซึ่งประกอบด้วยแคลเซียมคาร์บอเนต หรือสารอินทรีย์ที่มาฝังบนเยื่อหุ้มเซลล์ รวมทั้ง สาหร่ายในสกุล Symbiodinium ก็มีส่วนสำคัญในการปล่อย DMS สู่ชั้นบรรยากาศและแน่นอนคือการสร้างก้อนเมฆด้วยเช่นเดียวกัน ปริมาณของก้อนเมฆที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้ประสิทธิภาพในการสะท้อนรังสีจากดวงอาทิตย์กลับสู่อวกาศเพิ่มมากขึ้น ส่งผลให้โลกเย็นลง อาจกล่าวได้ว่า DMS มีส่วนสำคัญอย่างมากในการช่วยทำให้โลกเย็นลง ในขณะที่โลกกำลังร้อนขึ้นด้วยการสันดาปที่ไม่สมบูรณ์ของเชื้อเพลิงฟอสซิลทั้งจากภาคอุตสาหกรรมและการคมนาคมรวมทั้งการเผาป่าหรือเศษชีวมวล ส่งผลให้ระดับความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และมีเทนเพิ่มสูงขึ้น สิ่งมีชีวิตในทะเลกำลังผลิต DMS เพื่อช่วยทำให้โลกเย็นลง หรือนี้คือหนึ่งในกลไกที่โลกพยายามควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ กล่าวคือเมื่อใดก็ตามที่โลกมีแนวโน้มที่จะร้อนขึ้น ปะการังและสาหร่ายในมหาสมุทรก็จะปลดปล่อย DMS ออกมาเพื่อช่วยให้โลกเย็นลง อย่างไรก็ตามวัฏจักรของ DMS ซับซ้อนมากเนื่องจากมีสารเคมีอีกหลายตัวที่เกี่ยวข้องกับการสร้าง DMS โดยสาหร่ายและปะการัง เช่น Dimethyl SulfonioPropionate หรือ DMSP รวมทั้ง Dimethyl Sulfoxide หรือ DMSO ซึ่งนักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องศึกษา ความสัมพันธ์ระหว่างสารเคมีเหล่านี้ในมหาสมุทรต่อไป