หิ่งห้อยกับคอนเสิร์ตแสง

มนุษย์ได้รู้จักหิ่งห้อยมานานหลายพันปีแล้ว คนจีนโบราณที่ยากจนจับหิ่งห้อยใส่ขวดแก้วเพื่อใช้แสงหิ่งห้อยต่างตะเกียง และพบว่าหิ่งห้อย 6 ตัว จะให้แสงสว่างเพียงพอสำหรับการอ่านหนังสือในเวลากลางคืนได้ ชาวปานามาที่ยากไร้ก็นิยมจับหิ่งห้อยใส่กรงกระดาษเล็กๆ แล้วนำมาทำต่างหู

ทุกวันนี้หิ่งห้อยมีพบแทบทุกภูมิภาคของโลก เช่น ไทย พม่า มาเลเซีย ยุโรป อเมริกาทั้งเหนือและใต้ จะมีก็แต่ในทะเลทราย บนยอดเขาสูง และบริเวณขั้วโลกเท่านั้นที่ไม่มีหิ่งห้อย

โลกมีหิ่งห้อยประมาณ 2,000 ชนิด นักชีววิทยาจัดมันเป็นแมลงในอันดับ Coleoptera วงศ์ Lampyridae (คำกรีกคำนี้แปลว่า สว่าง) ปีกหิ่งห้อยแข็ง ลำตัวเป็นรูปทรงกระบอกที่ยาวตั้งแต่ 5-25 มิลลิเมตร อวัยวะที่ทำหน้าที่กะพริบแสงอยู่ท้ายของลำตัว

หิ่งห้อยชอบกินน้ำหวานจากเกสรดอกไม้ มักออกบินยามโพล้เพล้หรือหลังพระอาทิตย์ตกดินเล็กน้อย ในคืนข้างแรมฝูงหิ่งห้อยจะกะพริบแสงพร้อมกันอย่างน่าประทับใจ หิ่งห้อยที่เราเห็นบินว่อนไปมาตามสุมทุมพุ่มไม้ส่วนใหญ่เป็นหิ่งห้อยตัวผู้ เพราะหิ่งห้อยตัวเมียมักเกาะนิ่งตามกิ่งไม้ เวลาตัวผู้พร้อมสืบพันธุ์ มันจะกะพริบแสงให้ตัวเมียเห็น ถ้าตัวเมียเข้าใจและต้องใจ มันก็จะกะพริบแสงตอบแล้วบินไปหาตัวผู้ทันที

หิ่งห้อยเป็นแมลงที่ไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม ศัตรูที่สำคัญของมันคือนกและกิ้งก่า ดังนั้นถ้าไม่ถูกสัตว์อื่นกิน มันก็จะมีอายุยืนประมาณ 2 เดือน

นักชีววิทยาได้สนใจศึกษาพฤติกรรมกะพริบแสงของหิ่งห้อยมานานแล้ว และพบว่าแสงที่หิ่งห้อยไม่ร้อนแรงเหมือนแสงหลอดไฟ เขาจึงเรียกแสงชนิดนี้ว่า แสงเย็น (cold light) นักชีวเคมีพบว่าเวลาหิ่งห้อยกะพริบแสงแต่ละครั้ง พลังงานเคมีชีวภาพในตัวหิ่งห้อยเพียง 10 เปอร์เซ็นต์จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ส่วนพลังงานอีก 90 เปอร์เซ็นต์ที่เหลือจะถูกเปลี่ยนเป็นแสง นี่คือเหตุผลที่ทำให้อุณหภูมิในตัวของหิ่งห้อยไม่สูง ตามปรกติหิ่งห้อยจะไม่แสดงแสงโชว์ตลอดเวลา เพราะระบบการกะพริบแสงทำงานเป็นจังหวะทุก 24 ชั่วโมง ดังนั้นเราอาจกล่าวได้ว่า ตัวหิ่งห้อยมีนาฬิกาใจควบคุมการเปล่งแสง ซึ่งข้อสันนิษฐานนี้ได้รับการยินยันว่าถูกต้อง เพราะแม้หิ่งห้อยจะถูกขังในห้องมืดที่ไม่มีแสงเล็ดลอดเข้าไปได้เลย แต่เมื่อครบ 24 ชั่วโมง มันก็จะกะพริบแสงโดยอัตโนมัติ

ในการวิเคราะห์ปฏิกิริยาเคมีชีวภาพที่หิ่งห้อยใช้ในการเปล่งแสง นักวิทยาศาสตร์พบว่ามันใช้เอนไซม์ luciferase เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาระหว่างสารอินทรีย์ luciferin (คำละตินนี้แปลว่า การนำแสง) กับออกซิเจน โดยมี adenosine triphosphate กับ magnesium ion ช่วยทำปฏิกิริยา และมีเซลล์ประสาทส่วนที่เรียกว่า octopamine ทำหน้าที่ควบคุมจังหวะกะพริบแสง ทั้งๆ ที่เซลล์ประสาทกับเซลล์แสง photocyte อยู่ห่างกัน แต่เซลล์ทั้งสองก็ใช้ก๊าซ NO (nitric oxide) ในการสื่อสารถึงกัน เพราะได้มีการพบว่าถ้าความเข้มข้นของ NO เพิ่ม จังหวะการกะพริบแสงของหิ่งห้อยก็จะเพิ่มด้วย

ในปี 2478 นักชีววิทยาชาวอเมริกันผู้หนึ่งชื่อ H.M. Smith ได้มาเยือนประเทศไทยและได้บันทึกในรายงานการเยือนว่า ในเวลาโพล้เพล้วันหนึ่งในฤดูร้อน ขณะเรือของเขากำลังจอดนิ่งอยู่ในคลองที่สองฟากฝั่งเป็นป่าโกงกาง เขาได้เห็นฝูงหิ่งห้อยบินไปเกาะที่ต้นโกงกางซึ่งสูงประมาณ 12 เมตร ในตอนแรกเขาสังเกตเห็นหิ่งห้อยแต่ละตัวกะพริบแสงเร็ว-ช้าต่างกัน แต่เมื่อเวลาผ่านไปๆ จังหวะการกะพริบแสงของหิ่งห้อยก็เริ่มพร้อมกันขึ้นๆ จนอีกหนึ่งชั่วโมงต่อมา หิ่งห้อยทั้งฝูงก็กะพริบแสงเป็นจังหวะทุกๆ 1-2 วินาทีพร้อมกันเสมือนเป็นคอนเสิร์ตแสงที่ปิดๆ เปิดๆ เหมือนไฟต้นคริสต์มาส การแสดงแสงสามัคคีนี้ดำเนินไปเป็นชั่วโมง ทั้งๆ ที่ไม่มีหิ่งห้อยตัวใดทำหน้าที่เป็นผู้อำนวยจังหวะแสงเลย

โลกมีสัตว์เพียงไม่กี่ชนิดที่สามารถแสดงกิจกรรมเข้าจังหวะได้ เช่น คนเต้นรำหรือเดินสวนสนามได้ ฝูงปลาสามารถกลับทิศว่ายน้ำได้ในทันทีทันใดอย่างพร้อมเพรียงกัน แต่ก็ไม่สามารถทำอย่างต่อเนื่องได้นานเป็นชั่วโมงเหมือนหิ่งห้อย กบ และอึ่งอ่าง เมื่อถึงหน้าฝนมักส่งเสียงร้องหาคู่อย่างอึงมี่ แต่เสียงประสานก็มิได้ชวนฟัง Steven H. Strogatz แห่งมหาวิทยาลัย Cornell ที่ Ithaca ในนิวยอร์ก สหรัฐอเมริกาเคยสังเกตเห็นว่าเวลาหิ่งห้อยบินโดดเดี่ยว จังหวะการกะพริบแสงของมันแต่ละตัวจะแตกต่างกันมาก แต่เวลาบินเข้าใกล้กัน มันจะปรับจังหวะการกะพริบแสงของตัวเอง จนในที่สุดหิ่งห้อยทั้งฝูงจะกะพริบแสงด้วยความถี่เดียวกัน พฤติกรรมเช่นนี้แสดงให้เห็นว่าหิ่งห้อยเป็นสัตว์สังคมที่รู้จักปรับตัวเข้าหากัน เช่นเดียวกับนักกรีฑาที่วิ่งรอบสนาม ถ้าต่างคนต่างวิ่ง จังหวะการก้าววิ่งจะแตกต่างกัน แต่พอให้วิ่งเป็นกลุ่ม นักวิ่งทุกคนก็จะปรับจังหวะการวิ่งของตนให้พร้อมกัน คนที่วิ่งค่อนข้างเร็วก็จะปรับจังหวะวิ่งให้ช้าลง และคนที่วิ่งช้าก็จะปรับจังหวะให้เร็วขึ้น เพื่อไม่ให้วิ่งชนกัน จนทุกคนวิ่งรอบสนามด้วยความเร็วเดียวกันอย่างพร้อมเพรียงกัน

ในการอธิบายพฤติกรรมปรับจังหวะการกะพริบแสงของหิ่งห้อย Strogatz ได้อ้างงานวิจัยของ Christian Huygens นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ในปี 2108 ซึ่งได้สังเกตเห็นว่านาฬิกาลูกตุ้มเพนดูลัมสองเรือนที่แขวนบนผนังคนละด้าน จะแกว่งอย่างอิสระคือไม่ขึ้นต่อกัน แต่ถ้านาฬิกาทั้งสองถูกนำมาแขวนใกล้กัน บนผนังเดียวกัน เขาสังเกตเห็นว่าในเบื้องต้น ลูกตุ้มนาฬิกาต่างเรือนจะต่างแกว่ง แต่เมื่อเวลาผ่านไปครึ่งชั่วโมง นาฬิกาทั้งสองเรือนจะแกว่งเป็นจังหวะที่คล้องจองกัน เช่น ถ้าลูกตุ้มแรกแกว่งไปทางซ้าย ลูกตุ้มที่สองก็จะแกว่งไปทางขวา และถ้าลูกตุ้มแรกแกว่งไปทางขวา ลูกตุ้มที่สอง ก็จะแกว่งไปทางซ้าย เช่นนี้เป็นต้น Huygens รู้สึกเพลิดเพลินที่ได้ดูลูกตุ้มแกว่ง ในการอธิบายปรากฏการณ์ที่เห็น Huygens สันนิษฐานว่า ลูกตุ้มเพนดูลัมทั้งสองมีอิทธิพลต่อการแกว่งของกันและกัน โดยอาศัยผนังที่แขวนเป็นสื่อกลางในการถ่ายทอดอิทธิพลดังกล่าว เขาจึงรู้สึกยินดีมากจึงได้รายงานการสังเกตและการค้นพบนี้ที่ Royal Society of London ในเวลาต่อมา

ในการศึกษาธรรมชาติของลูกตุ้มเพนดูลัมคู่นั้น เราจำต้องเข้าใจธรรมชาติของลูกตุ้มเดี่ยวก่อนว่าในการแกว่งกลับมาที่เดิมลูกตุ้มจะใช้เวลานานเท่ากันเสมอ ถึงลูกตุ้มจะมีความเร็วไม่สม่ำเสมอ และเมื่อใดก็ตามที่มันถูกแรงภายนอกกระทำ จังหวะการแกว่งก็จะเปลี่ยนแปลง แต่เมื่อแรงนั้นสลายไป ลูกตุ้มก็จะแกว่งตามปรกติเหมือนเดิม คือ แกว่งโดยใช้เวลาในการแกว่งครบรอบนานเท่าเดิม เช่นเดียวกับกรณีจังหวะการเต้นของหัวใจ ถ้าใครตะโกนให้เราตกใจ จังหวะการเต้นของหัวใจเราก็จะเร็วกว่าปรกติ และเมื่อเสียงตะโกนหยุด ความถี่ในการเต้นของหัวใจก็จะกลับไปเหมือนเดิม แต่สำหรับนาฬิกาลูกตุ้ม แรงที่ลูกตุ้มซึ่งแขวนใกล้กันกระทำต่อกันอย่างต่อเนื่อง จะปรับพฤติกรรมการแกว่งของลูกตุ้ม จนทำให้ลูกตุ้มทั้งสองที่เดิมแกว่งด้วยความถี่ที่แตกต่างกัน กลายเป็นแกว่งด้วยความถี่ใหม่ที่เท่ากันในที่สุด การปรับจังหวะการกะพริบแสงจนพร้อมกันของหิ่งห้อยนับหมื่นตัวก็เป็นไปในลักษณะเดียวกัน

Arthur Winfree คือ นักชีววิทยาคนแรกที่ศึกษาทฤษฎีกะพริบแสงของหิ่งห้อยเมื่อ 7 ปีก่อน และได้พบว่าถ้าอิทธิพลการเหนี่ยวนำของหิ่งห้อยต่อกันและกันมีมาก การปรับจังหวะกะพริบแสงก็จะเกิดขึ้น แต่ถ้าอิทธิพลดังกล่าวมีไม่มากพอ หิ่งห้อยทั้งฝูงก็ไม่มีการแสดงแสงโชว์ ทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ที่ Winfree ใช้อธิบายปรากฏการณ์นี้คือ สมการอนุพันธ์ (differential equation) ที่ไม่เป็นเชิงเส้น (non-linear) ในปี 2518 Yoshiki Kuramoto นักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยโตเกียวในประเทศญี่ปุ่น ได้สร้างแบบจำลองคณิตศาสตร์ซึ่งประกอบด้วยนาฬิกาเพนดูลัมจำนวนมาก ที่ทุกตัวมีลักษณะเหมือนกันทุกประการ และแขวนใกล้กันเพื่อให้มีอิทธิพลต่อการแกว่งของกันและกัน จากนั้นเขาใช้เทคนิคคณิตศาสตร์แก้สมการอนุพันธ์ที่มีจำนวนหมื่นจนได้ความถี่ร่วมในการแกว่งของนาฬิกาเหล่านั้น

ในเบื้องต้นไม่มีนักชีววิทยาคนใดสนใจแนวคิดของ Kuramoto เลย เพราะถ้าดูเผินๆ เพนดูลัมจะดูอย่างไรก็ไม่มีอะไรที่คล้ายหิ่งห้อย แต่เมื่อ Strogatz กับ K. Wiesenfeld แห่ง Georgia Institute of Technology ที่เมืองแอตแลนตา และ P. Colet แห่ง Institute of Material Structure ที่มาดริดในสเปนได้พบว่า ในอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ประกอบด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบ Josephson ที่นำมาเรียงต่อกัน เวลามีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ความถี่ของกระแสสลับที่อุปกรณ์ไฟฟ้านี้สามารถปล่อยอาจมีค่าสูงถึง 1,014 เฮิรตซ์ (hertz) ได้ และการมีความถี่ที่สูงมากเช่นนี้นับว่ามีประโยชน์ยิ่งในการทำคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูง และประเด็นที่น่าแปลกใจมากคือ สมการที่ Strogatz ใช้ในการวิเคราะห์ความถี่ของกระแสไฟฟ้าในวงจรนี้ คือสมการที่ Kuramoto ใช้ในการวิเคราะห์ความถี่ของนาฬิกาเพนดูลัมที่แขวนเรียงใกล้กัน

การค้นพบนี้ได้ชักนำให้โลกรู้จักวิทยาการสาขาใหม่คือ synchrony ซึ่งว่าด้วยการเกิดภาวะความเป็นระเบียบอย่างฉับพลัน เพราะได้มีการพบว่าปรากฏการณ์ต่างๆ ที่หลากหลายรูปแบบ เช่น การกะพริบแสงเป็นจังหวะพร้อมกันของหิ่งห้อย การหลั่งฮอร์โมนอินซูลินในตับอ่อน การทำงานของเลเซอร์ การปรบมือพร้อมกันของคนดูกีฬา แม้แต่การจราจรบนท้องถนนก็ต้องใช้พฤติกรรมเข้าจังหวะ เพราะถ้าคนขับรถยนต์บางคนขับช้าไป หรือเร็วไป ก็จะเกิดอุบัติเหตุ หรือเวลาเราเดินตามถนนที่มีคนหนาแน่น เราก็ต้องปรับจังหวะเดินให้ไปตามกระแสคนอย่างกลมกลืน หรือการเดินออกจากสนามเวลากีฬาเลิก เราก็ต้องเดินให้เข้าจังหวะกับบุคคลอื่น การเดินออกจากสนามกีฬาจึงจะเป็นระเบียบเรียบร้อยและไม่มีอุบัติเหตุเหยียบกันตาย ความเป็นระเบียบเกิดจากการที่คนหลายคนมีปฏิสัมพันธ์กันและแต่ละคนมีการปรับตัว การเห็นคนอื่นปรับตัวมีผลทำให้เราปรับตัวด้วย และเมื่อเราปรับเปลี่ยน คนรอบข้างก็ปรับเปลี่ยนตาม นั่นคือการเปลี่ยนพฤติกรรมของแต่ละคนมีผลต่อพฤติกรรมของทุกคน จนในที่สุดทุกคนมีพฤติกรรมเหมือนกัน

Huygens ไม่เคยรู้ว่า 400 ปีหลังจากที่เขาได้ศึกษาการแกว่งของนาฬิกาเพนดูลัมคู่ นักคณิตศาสตร์ นักพฤติกรรมศาสตร์ นักคอมพิวเตอร์ นักฟิสิกส์ นักเคมี นักชีววิทยา ฯลฯ ต่างก็ได้นำหลักการของเขามาอธิบายระบบต่างๆ ในธรรมชาติที่มีพฤติกรรมร่วมกัน

เช่นในการวิเคราะห์การบินของฝูงนกที่ไม่ปรากฏว่าบินชนกันเลยนั้น J. Toner แห่ง IBM Watson Research Lab ได้รายงานในวารสาร Physical Review E ในปี 2541 ว่า ฝูงนกบินในลักษณะเดียวกับการไหลของของเหลว นกที่บินนำฝูงมักเป็นนกหัวหน้าที่มีจังหวะการบินที่สม่ำเสมอ แต่ถ้าจังหวะที่มันกระพือปีกแตกต่างไปเล็กน้อย นกตัวที่อยู่ใกล้จะปรับตัวทันที ดังนั้นความผิดพลาดต่างๆ จะกระจายออกแนวข้าง ทำให้นกทั้งฝูงบินต่อไปข้างหน้าได้ ส่วนนกที่บินตามขอบฝูงมักจะเป็นนกที่มีจังหวะกระพือปีกแตกต่างจากเพื่อนบ่อย แต่เมื่อมันบินอยู่บริเวณขอบ มันจึงมีอิทธิพลต่อลักษณะการบินของฝูงค่อนข้างน้อย

ในปี 2543 สะพาน Millenium Bridge ในกรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ ถูกปิดชั่วคราว เพราะเวลามีคนจำนวนมากเดินข้ามสะพาน สะพานที่รับน้ำหนักมากจะบิดเบี้ยวเสียรูปเล็กน้อยและแกว่งไปมา ทำให้ฝูงคนที่กำลังเดินบนสะพานต้องปรับการเดินของตนจนเป็นจังหวะเกือบพร้อมกัน ซึ่งมีผลทำให้สะพานแกว่งมากยิ่งขึ้นไปอีกจนอาจเป็นอันตรายได้ ดังนั้นเพื่อความปลอดภัยของทุกคนวิศวกรผู้ดูแลความปลอดภัยของสะพานจึงได้ขอร้องให้ผู้ใช้สะพานเวลาเดินบนสะพานให้เดินในลักษณะต่างคนต่างเดิน ไม่ใช่เดินพร้อมกันแบบสวนสนาม

เหล่านี้คือมรดกทางความคิดที่ Huygens ทิ้งให้เราได้ศึกษา ณ วันนี้



*********************

เกี่ยวกับผู้เขียน



สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน - ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์

ประวัติการศึกษา - ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์