ตามปกติเวลานักชีววิทยาต้องการเห็นปรากฏการณ์ วิวัฒนาการ เขาจะพยายามดั้นด้นค้นหาฟอสซิลของสัตว์หรือพืชชนิดเดียวกันตามพิพิธภัณฑ์ หรือจากโครงกระดูกที่ขุดพบในสถานที่ต่างๆ แต่สำหรับ Richard Lenski แห่งมหาวิทยาลัย Michigan State ที่อเมริกาแล้ว เขาจะค้นหาในหลอดทดลองของเขาที่มีจำนวนประมาณ 4,000 หลอดซึ่งเขาเก็บในห้องแช่แข็ง เพราะภายในหลอดทดลองเหล่านั้น มีแบคทีเรียที่ Lenski ได้เก็บสะสมมาศึกษาตั้งแต่ปี 1988 คือเมื่อ 26 ปีก่อน และตลอดเวลาอันยาวนานที่ผ่านมา Lenski ได้เฝ้าดูแบคทีเรีย Escherichiacoli หรือ E. coli ของเขาแพร่พันธ์ในหลอดทดลองที่มีน้ำเชื่อมเป็นสารอาหารให้มันกิน เพราะแบคทีเรียชนิดนี้แพร่พันธุ์ได้รวดเร็ว ดังนั้นภายในเวลา 26 ปี Lenski ก็ได้เห็นทายาทลูกหลาน เหลน โหลนของแบคทีเรียชนิดนี้จำนวนประมาณ 60,000 รุ่น
E. coli ของ Lenski ได้แสดงให้เห็นว่า กระบวนการกลาย (mutation) ของสิ่งมีชีวิตที่เกิดอย่างต่อเนื่องและสะสมทบทวีทำให้สิ่งมีชีวิตนั้นเปลี่ยนแปลงอย่างไร เพื่อตอบคำถามที่นักชีววิทยาสนใจเช่นว่า สปีชีส์ชนิดใหม่เกิดได้อย่างไร มีเส้นทางวิวัฒนาการอย่างไร และถ้าสิ่งแวดล้อมไม่เปลี่ยนแปลง วิวัฒนาการจะเกิดหรือไม่ หรือหลังจากที่ได้มีวิวัฒนาการแล้ว สิ่งมีชีวิตจะกลับคืนรูปร่างเหมือนเดิมได้หรือไม่ และวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตจะมีการอิ่มตัวหรือไม่
นักชีววิทยาในอดีตที่ผ่านมาได้เคยศึกษาวิวัฒนาการของแมลง ยีสต์ ปลา ฯลฯ ในห้องทดลองที่สามารถควบคุมสภาพแวดล้อมได้ หรือให้สภาพแวดล้อมเปลี่ยนแปลง แต่ใช้เวลาทดลองเพียงสั้นๆ สำหรับกรณีของ Lenski นั้น เขาใช้เวลานานถึง 26 ปี (และจะทำวิจัยต่อไปไม่หยุด) นี่จึงเป็นการทดลองบุกเบิกที่ไม่มีนักชีววิทยาคนใดเคยทำมาก่อน
สำหรับโลกชีววิทยาเองในช่วงเวลา 26 ปีที่ผ่านมานี้ก็มีความก้าวหน้าด้านแนวคิดและเทคโนโลยีใหม่ๆ มากมาย เช่น การถอดรหัส genome และการมีสารสนเทศชีววิทยา (bioinformatics) เป็นต้น ซึ่ง Lenski ก็ได้นำวิทยาการใหม่ๆ เหล่านี้เข้ามาปรับใช้ในการทดลองเรื่องวิวัฒนาการของเขา ทำให้เขาสามารถเข้าใจการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ที่สังเกตเห็นดีขึ้น
ปัจจุบัน Lenski วัย 58 ปี ได้รับทุนวิจัยอัจฉริยะของมูลนิธิ MacArthur เขาจึงเป็น MacArthur Fellow ที่มูลนิธิไว้วางใจและเปิดเสรีให้วิจัยเรื่องใดก็ได้ตามที่ Lenski เห็นสมควร นอกจากรางวัลเกียรติยศนี้แล้ว Lenski ก็ยังเป็นสมาชิกของ National Academy of Sciences ของอเมริกา (เทียบเท่า F.R.S. ของอังกฤษ) ด้วย
ในสมัยที่ยังเรียนหนังสือ Lenski ไม่เคยเรียนวิชาจุลชีววิทยา (microbiology) เลย และสำเร็จปริญญาเอกด้านนิเวศวิทยา ด้วยวิทยานิพนธ์เรื่อง “ผลกระทบของการแข่งขันและการรบกวนต่อจำนวนประชากรด้วง” และได้ประจักษ์ว่า เรื่องต่างๆ ที่เรียนมาค่อนข้าง “แคบ” นอกจากนี้วิทยานิพนธ์ที่ทำไปก็ไม่สามารถใช้ทดสอบทฤษฎีใดๆ ได้
ดังนั้น หลังจากที่สำเร็จการศึกษาในปี 1982 Lenski ได้ไปสมัครทำงานหลังปริญญาเอกกับ Bruce Levin ซึ่งสนใจเรื่องวิวัฒนาการของจุลินทรีย์โดยเน้นด้านอิทธิพล ที่แบคทีเรียกับไวรัส (bacteriophages) มีต่อกันในการเจริญเติบโต เพื่อตรวจสอบทฤษฎีวิวัฒนาการของ Stephen Jay Gould
ขณะทำงานที่มหาวิทยาลัย California ที่ Irvine ในอเมริกา Lenski ในปี 1988 ได้ทุนวิจัยของ National Science Foundation ในฐานะนักวิจัยรุ่นใหม่ ให้ศึกษาวิวัฒนาการของแบคทีเรีย เขาจึงนำ E. coli ใส่ในหลอดทดลอง 12 หลอดซึ่งมีสารอาหารเป็นน้ำตาล glucose ที่ความเข้มข้น 25 มิลลิกรัม/ลิตร โดยการควบคุมอุณหภูมิของหลอดให้คงตัวที่ 37 องศาเซลเซียสตลอดเวลา และใช้ช้อนคนหลอดทุก 24 ชั่วโมง Lenski ได้เห็นแบคทีเรียแพร่ขยายสายพันธุ์อย่างรวดเร็ว เมื่อเวลาผ่านไป 75 วัน E. coli ได้แพร่พันธุ์ไปประมาณ 500 รุ่น Lenski ก็นำ 1% ของ E. coli ที่ได้ไปใส่ในหลอดทดลองใหม่ที่มี glucose อุดมสมบูรณ์เหมือนเดิม และ Lenski แล้วแช่แข็งแบคทีเรียส่วนนี้ เพื่อใช้เป็นตัวสำรองในกรณีที่การทดลองต่อๆ ไปประสบความผิดพลาดหรืออุบัติเหตุ
ดังนั้น นักชีววิทยาทุกคนจึงเห็นได้ว่าตลอดเวลา 26 ปีที่ผ่านมานี้ Lenski ได้ทุ่มเทวิญญาณ จิตใจและกำลังกายศึกษาเรื่องวิวัฒนาการของแบคทีเรียด้วยหัวใจเกินล้าน
ในเบื้องต้น มีคนที่ไม่เห็นด้วยกับงานวิจัยที่ Lenski ทำนี้ เพราะคิดว่า ถ้าสิ่งแวดล้อมไม่เปลี่ยนแปลง กระบวนการวิวัฒนาการก็จะไม่มีอะไรแสดงออกมาให้เห็น
แต่ Lenski พบว่า ด้วยการใช้แบคทีเรียที่เจริญพันธุ์เร็ว เขาได้เห็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเร็ว เพราะภายในเวลาเพียง 1 วัน E. coli สามารถเจริญพันธุ์ได้ 6.6 รุ่น (ซึ่งถ้าใช้หนู ถ้าจะได้หนู 6.6 รุ่น Lenski ต้องคอยนานกว่า 1 ปี) ดังนั้น การทดลองกับ E. coli โดยใช้เวลา 26 ปีนี้ จึงนับว่านานเท่ากับเหตุการณ์ที่เกิดกับคนในเวลา 1 ล้านปี
ข้อดีของการทดลองนี้คือ เวลา Lenski เห็นอะไร “แตกต่าง” ปรากฏที่ตัวแบคทีเรียของเขา เขาสามารถย้อนกลับไปดูแบคทีเรียในหลอดที่แช่แข็งว่า สิ่งที่แตกต่างนั้นเริ่มปรากฏเมื่อใด
ในช่วงระยะเวลา 10 ปีแรกของการทดลอง Lenski ได้วัดอัตราเร็วในการเจริญพันธุ์ รวมถึงความสมบูรณ์ของแบคทีเรีย และพบว่า เมื่อเริ่มต้นความแข็งแรงและความสมบูรณ์จะเพิ่มอย่างสม่ำเสมอ แต่เมื่อเวลาผ่านไป ความแข็งแรงและความสมบูรณ์จะลดลงๆ ทีละน้อย ดังนั้นในภาพรวมตลอดเวลา 26 ปี ความแข็งแรงจะเพิ่มเพียง 70% นั่นคือ ลูกหลาน E. coli ในปัจจุบันสามารถสืบพันธุ์ได้ทายาทมากเป็น 2 เท่า โดยใช้เวลานาน 1.7 เท่า E. coli รุ่นบุกเบิก
ผลการทดลองยังแสดงให้เห็นว่า แม้การทดลองจะเริ่มต้นด้วยเงื่อนไขที่เหมือนกันทุกประการ แต่เมื่อเวลาผ่านไป เส้นทางวิวัฒนาการของ E. coli ไม่จำเป็นต้องเหมือนกัน E. coli ในบางหลอดมีการซ่อมแซม DNA และบางหลอดมีอัตราการกลาย (mutation) ค่อนข้างสูง บางหลอดที่มี E. coli 2 ชนิด คือ ชนิดที่มีจำนวน cell มากและน้อย Lenski ได้พบว่า ชนิดที่มี cell น้อย จะมีปริมาณน้อยและชนิดที่มี cell มาก จะมีปริมาณมาก แต่เมื่อการทดลองนี้ยังไม่สิ้นสุด ดังนั้น Lenski จึงยังสรุปไม่ได้ว่า ในที่สุดชนิดที่มี cell น้อยจะล้มตายหมดไปหรือไม่ หรือจะมีชนิดที่สามเกิดขึ้นใหม่ ดังนั้น หลอดทดลองของ Lenski ณ วันนี้จึงเปรียบเสมือนหมู่เกาะ Galapagos ของ Darwin เมื่อ 200 ปีก่อน
ในปี 1998 Lenski ได้รับหนังสือเรื่อง Introduction to Artificial Life ที่นักฟิสิกส์ชื่อ Christopher Adami เรียบเรียง และส่งมาให้ Lenski อ่าน โดย Adami ซึ่งทำงานอยู่ที่ California Institute of Technology (Caltech) ได้พัฒนา software ขึ้นมาเพื่อศึกษาสิ่งมีชีวิตดิจิตัล (digital organism) Lenski ชอบวิธีคิดของ Adami มาก หลังจากที่ได้นั่งอ่านติดต่อกันนาน 2 วันกับ 2 คืนจนจบ เขาก็เห็นว่าเทคนิคนี้สามารถนำมาปรับใช้กับแบคทีเรียที่เขาสนใจได้ เพราะเทคนิคคอมพิวเตอร์สามารถถ่ายแบบ (replicate) ได้เร็วกว่าแบคทีเรียจริง เป็น 1,000 เท่า จึงทำให้สามารถเห็นเหตุการณ์การกลายได้ละเอียด และรวดเร็วทันใจมาก
ดังนั้น ในปี 2003 Adami กับลูกศิษย์ชื่อ Charles Ofria จึงตอบรับคำเชิญมาทำงานร่วมกับ Lenski ที่มหาวิทยาลัย Michigan State ผลงานวิจัยของทั้งสองคนทำให้ Lenski ได้รับทุนวิจัยของ National Science Foundation ในปี 2010 เพื่อจัดตั้ง Center for the Study of Evolution in Action ปัจจุบันศูนย์วิจัยนี้มีนักวิจัยประมาณ 400 คนจาก 5 มหาวิทยาลัย มุ่งศึกษาวิวัฒนาการของทั้งสิ่งมีชีวิตจริง และสิ่งมีชีวิตดิจิตัล และ Lenski ก็ได้พบว่า กรณีสิ่งมีชีวิตจริง ในบางครั้งมีเส้นทางของวิวัฒนาการในรูปแบบที่ไม่มีใครคาดฝัน คือ แม้แต่คอมพิวเตอร์ก็ไม่ได้โปรแกรมในแนวนั้น และเทคนิค digital ให้ข้อมูลชีววิทยาของจุลินทรีย์ดิจิตัลได้สมบูรณ์ทุกด้าน
ดังในการทดลองครั้งหนึ่งที่ Lenski ได้พบว่า มีความหนาแน่นของแบคทีเรียค่อนข้างมาก จึงคิดว่าคงมีสารอาหารบางอย่างได้ตกลงไปในหลอดทดลอง แต่เมื่อวิเคราะห์สารละลายในหลอดก็ไม่พบอะไร อีก 3 สัปดาห์ต่อมาก็เห็นความหนาแน่นของแบคทีเรียเพิ่มอีก จึงทดสอบหาสิ่งแปลกปลอมในหลอดก็ไม่พบอะไรอีก ในที่สุดก็พบว่า แบคทีเรียในหลอดได้กลายไปเป็นชนิดใหม่แล้ว และบริโภคอาหารได้มากขึ้น แทนที่จะได้สารอาหารจาก glucose เพียงอย่างเดียว มันได้วิวัฒนาการไปจนสามารถบริโภคสาร citrate ทำให้มันเจริญพันธุ์ได้มากกว่าในจุลินทรีย์ชนิดเดียวกันในหลอดอื่นๆ
นั่นคือ Lenski ได้พบว่า E. coli มีวิวัฒนาการสร้างระบบที่ทำหน้าที่ใหม่
เพื่อยืนยันการค้นพบนี้ Zachary Blount ซึ่งเป็นนิสิตได้นำหลอดทดลองที่แช่แข็งมาเติม citrate ลงไป และพบว่า จากหลอด 72 หลอดที่นำมาตรวจสอบมี 4 หลอดที่แบคทีเรียเริ่มบริโภค citrate การศึกษา gene ของแบคทีเรียที่กิน citrate พบว่า chromosome ของมันมีการเปลี่ยนแปลงที่ลำดับ 2933-base จริง
การพบแบคทีเรียสปีชีส์ใหม่นี้คือ องค์ความรู้ที่ทำให้ Lenski มุ่งหน้าค้นคว้าเรื่องต่อไป เขาตั้งชื่อโครงการว่า Long Term Research in Environmental Biology และเมื่อมีคนถามว่า Long Term นี้จะนานเพียงใด
Lenski ตอบว่า อย่างน้อยล้านปี
ไม่ทราบมีใครจะสนับสนุนโครงการวิจัยนี้บ้าง
อ่านเพิ่มเติมจาก The Biology of Digital Organisms โดย C.O. Wilke และ C. Adami ใน Trends in Ecology and Evolution Vol.17 หน้า 528-532 ปี 2002
และ The Evolutionary Origin of Complex Features โดย R.E. Lenski et al. ใน Nature Vol.423 หน้า 139-144 ปี 2003
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
