Klesibios คือ ปราชญ์ชาติกรีกผู้รู้ว่าน้ำมีความดัน และได้ใช้ความรู้นี้ในการสร้างนาฬิกาน้ำ (klepsydra) ซึ่งแปลตรงๆ ว่า ผู้ขโมยน้ำ เพราะอุปกรณ์นี้ประกอบด้วยภาชนะบรรจุน้ำที่มีรูเจาะที่ฐานให้น้ำไหลออก ซึ่งถ้าใช้น้ำปริมาตรเท่ากัน เวลาที่น้ำไหลออกจากภาชนะจนหมดจะใช้เวลาเท่ากันด้วย และชาวเอเธนส์จึงนิยมใช้นาฬิกาน้ำนี้ ในการจับเวลาปราศรัยของนักการเมืองยามหาเสียง รวมถึงให้คู่กรณีในศาลใช้อุปกรณ์จับเวลานี้ ในการกล่าวหาและแก้ต่างอย่างเท่าเทียมกันด้วย
ในคริสต์ศตวรรษที่ 9 น้องของปราชญ์ Banu Musa แห่งอาณาจักรเปอร์เซียได้ออกแบบล้อซึ่งสามารถหมุนได้ เวลาได้รับแรงปะทะจากน้ำ
แม้ว่ามนุษย์จะรู้จักใช้ความดันน้ำ และแรงดันน้ำในการดำรงชีพมาเป็นเวลานาน แต่ยังไม่มีความรู้วิทยาศาสตร์เรื่องความดัน จนกระทั่งปี 1586 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ชาวเนเธอร์แลนด์ชื่อ Simon Stevin ได้พบว่าความดันน้ำจะมีค่าเพิ่มตามระยะลึก และได้สาธิตองค์ความรู้นี้ด้วยการใช้ทรงกระบอกที่มีรูเจาะ 2 รูทางด้านข้างที่ระดับต่างกัน และพบว่าเมื่อใช้ภาชนะบรรจุของเหลว ของเหลวที่ไหลออกจากรูล่าง จะพุ่งไปได้ระยะทางไกลกว่าของเหลวที่พุ่งออกจากรูบน จึงแสดงว่าความดันน้ำที่ระดับลึกมีค่ามากกว่าความดันน้ำที่ระดับตื้น
เมื่อถึงกลางคริสต์ศตวรรษที่ 17 นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสชื่อ Blaise Pascal ได้พบกฎที่แถลงว่า ความดันในของเหลวที่ระดับลึกหนึ่งจะมีค่าเท่ากันในทุกทิศทาง สาเหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะไม่มีกลไกใดสามารถจะอัดของเหลวได้ ส่วนวิศวกรชาวอังกฤษชื่อ Joseph Branah ก็ได้ใช้หลักของ Pascal นี้ในการประดิษฐ์เครื่องจักร hydraulic ที่ทำงานโดยใช้ยกของหนักได้ด้วยแรงกระทำที่ไม่มาก เพราะอุปกรณ์นี้มีของเหลวบรรจุอยู่ในและอุปกรณ์มีลูกสูบ 2 ลูกที่มีขนาดไม่เท่ากัน บรรจุอยู่ในส่วนของภาชนะที่เป็นรูปทรงกระบอก เมื่อออกแรงกระทำที่ผิวหน้าของลูกสูบที่มีขนาดเล็ก ความดันที่เกิดขึ้นจะถูกส่งผ่านของเหลวไปยังผิวหน้าของลูกสูบใหญ่ ซึ่งจะทำให้เกิดแรงดันมหาศาล จนสามารถยกของหนักได้ เช่น hydrautic ที่ใช้ยกสะพาน Tower Bridge เป็นต้น
หลักของ Pascal ยังมีประโยชน์ในการทำปืนฉีดน้ำ เข็มฉีดยา ท่อฉีดน้ำทำความสะอาดรถ สายฉีดน้ำชะแร่ในเหมือง และอุปกรณ์ฉีดน้ำในรถดับเพลิง ฯลฯ โดยเอาลูกสูบเล็กออกไป แล้วอัดแรงดันลงไปที่ลูกสูบใหญ่ เป็นการทำงานย้อนกลับของเครื่อง hydraulic ของเหลวที่พุ่งออกจากท่อเล็ก จึงพุ่งไปด้วยความเร็วสูง
น้ำในทะเลมีความดันที่มากกว่าน้ำในคลองหรือในสระ เพราะน้ำทะเลมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำธรรมดา เช่น ที่ผิวน้ำทะเลจะมีความดัน 1 บรรยากาศ ที่ระดับลึกประมาณ 10 เมตร ความดันจะมีค่ามากถึง 2 บรรยากาศ และที่ระดับลึก 20 เมตร ความดันจะมีค่าประมาณ 3 บรรยากาศ
การมีความดันที่ค่อนข้างมากนี้ทำให้เวลาคนลงดำน้ำ จึงต้องมีอุปกรณ์หายใจใต้น้ำ (snorkel) โดยให้ความยาวของอุปกรณ์สั้นกว่า 1 เมตร เพื่อให้กล้ามเนื้อปอดแข็งแรงพอจะต้านความดันของน้ำได้ ส่วนเรือดำน้ำก็ต้องมีโครงสร้างภายนอกที่แข็งแรงมากเพื่อต้านแรงดันของน้ำขณะเรือดำลึก เช่น ที่ระดับลึก 500 เมตร ความดันของน้ำจะมากถึง 50 เท่าของความดันบรรยากาศ
ในปี 1960 เมื่อ Jacques Piccard ใช้เรือดำน้ำ Chalenger Deep ดำลงลึก 11 กิโลเมตร และลงจอดที่ก้นสมุทรชื่อ Mariana Trench ซึ่งน้ำมีความดันมากเท่าช้าง 2 ตัว เขาได้เห็นปลา flatfish ที่มีลักษณะคล้ายปลาตาเดียว (sole) จึงบันทึกการสังเกตครั้งนั้น ซึ่งได้ทำให้โลกรู้ว่า สิ่งมีชีวิตสามารถดำรงชีพอยู่ได้ที่ก้นมหาสมุทร ทั้งๆ ที่ก่อนนั้น นักชีววิทยาไม่เคยคิดว่า ที่ระดับลึกกว่า 7.5 กิโลเมตรจะมีสิ่งมีชีวิตใดอาศัยอยู่ได้เลย เพราะที่นั่นไม่มีแสงสว่าง อุณหภูมิของน้ำก็ต่ำมาก และอาหารก็แทบไม่มีให้ปลาบริโภค ดังนั้นปลาจึงชอบอยู่ตามบริเวณน้ำตื้น
ในความเข้าใจของคนทั่วไป AIDA เป็นชื่อของมหาอุปรากรที่ Verdi ประพันธ์ที่ผู้แสดงต้องร้องเสียงดังอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นปอดคนร้องจึงต้องมีขนาดใหญ่ แต่ AIDA ในที่นี้เป็นชื่อย่อของสมาคม Association Internationale pour le Developpement de l’ Apnée ซึ่งมีสมาชิกเป็นนักดำน้ำที่ดำอย่างอิสระ คือไม่มีเครื่องช่วยหายใจ และไม่มีถังอากาศใดๆ ช่วยในการดำ
ความจริงโลกมีการดำน้ำรูปแบบนี้มานานแล้ว ตั้งแต่สมัยโบราณที่มีคนดำน้ำเป็นอาชีพ เพื่อเก็บวัตถุที่จมอยู่ในทะเล หรือเก็บหอย สาหร่ายมาเป็นอาหาร แต่ ณ วันนี้ การดำน้ำได้กลายเป็นกีฬาอีกรูปแบบหนึ่ง สถิติการดำน้ำลึกโดยไม่มีอุปกรณ์ช่วยแสดงให้เห็นว่า ระดับลึกได้เพิ่มตามกาลเวลาที่ผ่านไป เช่น ในปี 1949 R. Bucher ชาวอิตาลีดำน้ำได้ลึก 30 เมตร ถึงปี 2000 สถิติดำน้ำลึก 162 เมตรเป็นของ F. Ferreras ชาวคิวบา และในปี 2016 สถิติเป็นของ Herbert Nitsch ชาวออสเตรเลียที่สามารถดำน้ำได้ลึกถึง 253.2 เมตร โดยปราศจากเครื่องช่วยหายใจ
สถิติเหล่านี้อาจทำให้เราคิดว่ามนุษย์มีระดับของวิวัฒนาการถึงขีดสูงสุด คือสูงกว่าสัตว์ทุกชนิด ไม่ว่าจะเป็นด้านใด เช่น เรื่องการมีเหตุผล หรือการมีจินตนาการ รวมถึงความสามารถเชิงสร้างสรรค์ ฯลฯ แต่ความจริงที่มีคือสัตว์หลายชนิดมีความสามารถหลายประเภทระดับซูปเปอร์พิเศษที่มนุษย์ไม่มี และไม่มีวันจะมี และความสามารถหนึ่งนั้นคือพรสวรรค์ในการดำน้ำ
สถิติโลกระบุว่า วาฬ (Physeter Catadon) เวลาออกล่าหาอาหารสามารถดำน้ำได้ลึก 3,100 เมตร เป็นเวลานาน 1 ชั่วโมง 52 นาที แมวน้ำ (Mirunga Angustirostris) ดำน้ำได้ลึก 1,257 เมตร และนาน 48 นาที เพนกวินจักรพรรดิ (emperor penguin) สามารถดำน้ำทะเลได้ลึก 500 เมตร โดยใช้เวลาเพียง 12 นาที แต่ในน้ำตื้น มันดำได้นาน 20 นาที
สาเหตุหลักที่ทำให้มนุษย์มีความสามารถจำกัดในการดำน้ำลึกได้ไม่ดีเท่าสัตว์ เพราะร่างกายมนุษย์ต้องการออกซิเจนตลอดเวลา แต่ในน้ำลึกที่มีความดันสูงมาก ร่างกายคนไม่มีอวัยวะที่สามารถดูดซับออกซิเจนจากน้ำได้ ดังนั้นมนุษย์จึงดำรงชีวิตอยู่ในน้ำลึกได้ไม่นาน และทุกครั้งที่ต้องการดำน้ำ ก็จะหายใจออกซิเจนจากอากาศเข้าปอด จนมากพอเพียงกับเวลาที่จะอยู่ใต้น้ำ นอกจากการมีออกซิเจนอย่างพอเพียงแล้ว มนุษย์ยังพบอีกว่า ความดันที่สูงมากจะบีบอัดปอด จนทำให้คนที่อยู่ใต้น้ำหายใจอย่างยากลำบาก ดังนั้นเวลานักดำน้ำทะยานตัวขึ้นผิวน้ำ เขาก็อาจประสบปัญหาเป็นลมหน้ามืด เพราะความเข้มข้นของออกซิเจนที่มีในร่างกายในเวลานั้น มีน้อยเกินไป (จากการถูกใช้ไปมากเมื่อตอนดำลง) ซึ่งมีผลทำให้ออกซิเจนที่จะไหลไปเลี้ยงสมองลดปริมาณลงด้วย และสถิติความตายในการดำน้ำก็แสดงชัดว่า อุบัติเหตุสำหรับนักดำน้ำส่วนใหญ่เกิดขณะดำขึ้น บ่อยยิ่งกว่าเวลาดำลง
นี่เป็นเรื่องที่แปลก เพราะสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมสปีชีส์อื่นๆ ที่ใช้ชีวิตอยู่ในทะเล (เช่น วาฬ แมวน้ำ ฯลฯ) ไม่ต้องเผชิญปัญหานี้เลย ทั้งๆ ที่ระบบหายใจของสัตว์เหล่านี้เหมือนของคน คือมีปอดสำหรับหายใจ แต่มันดำน้ำได้นานเป็นชั่วโมง และยังไม่มีใครเคยพบวาฬหมดสติ หรือเป็นลมขณะว่ายน้ำในทะเล
G. Kooyman และ P.J. Ponganis แห่ง Center for Marine Biotechnology and Biomedicine ที่สถาบัน Scripps Institution of Oceanography ในสหรัฐอเมริกาได้เสนอเหตุผลที่อธิบายว่าเหตุใดสัตว์จึงสามารถดำน้ำได้ดีในระดับที่มนุษย์ไม่มีวันทำได้ว่า เกิดจากการที่เซลล์ร่างกายของสัตว์มี myoglobin มากจึงสามารถเก็บสะสมออกซิเจนในอวัยวะของมันได้มาก
ในอดีตเมื่อ 200-300ล้านปีก่อน โลกมีสัตว์เลื้อยคลานที่ดำรงชีวิตอยู่ในทะเลมากมาย แต่ปัจจุบันทะเลมีสัตว์เลื้อยคลานอาศัยอยู่เพียงไม่กี่ชนิด และสัตว์ดำน้ำที่ยิ่งใหญ่มักเป็นนกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม
โดยเฉพาะแมวน้ำ Weddell นั้นสามารถดำน้ำได้ลึก 600 เมตร ภายในเวลา 30 นาที
Kooyman และ Ponganis ได้ชี้ให้เห็นว่า การที่สัตว์ดำน้ำได้ดีกว่าคน เพราะลำตัวมีลักษณะเรียวยาวคล้ายเข็ม โดยเฉพาะเพนกวินตัวที่มีลำตัวเพรียว เวลาว่ายน้ำลำตัวของมันแทบไม่มีแรงต้านใดๆ จากน้ำ อนึ่ง การมีขนตามตัวไม่มาก และขนสั้นก็มีส่วนทำให้ตัวมันลื่นไหลไปในน้ำได้สบายๆ นอกจากสมบัติเหล่านี้แล้ว ขาหลังของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมก็มักสั้นหรือแทบไม่มี ส่วนขาหน้านั้นได้เปลี่ยนสภาพจากขาไปเป็นใบพายหรือครีบแทน นี่จึงเป็นการปรับตัวจากลักษณะภายนอก แต่ภายในตัวก็มีการเปลี่ยนแปลง เพราะนักชีววิทยาทั้งสองคนได้พบว่า ในสัตว์ที่สามารถดำน้ำได้ลึก ร่างกายของมันจะมีสาร myoglobin ในปริมาณมาก เมื่อสารนี้แฝงอยู่ในกล้ามเนื้อ และมีหน้าที่ดูดขับออกซิเจน ดังนั้น ความเข้มข้นของ myoglobin ในสัตว์ที่ดำน้ำลึกดีจึงสูงกว่าในสัตว์บกตั้งแต่ 3-10 เท่า เพราะสามารถเก็บออกซิเจนในกล้ามเนื้อได้มากกว่าคน
ครั้นเมื่อพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณ myoglobin ออกซิเจน และความสามารถในการดำน้ำของสัตว์ นักวิจัยก็ได้พบว่าเวลาเซลล์ของสัตว์ใช้ออกซิเจนในการเปลี่ยนอาหารเป็นพลังงาน ส่วนที่เป็นไขมันและน้ำตาลจะถูกเผาผลาญ ส่วนออกซิเจนในร่างกายจะถูกเปลี่ยนไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำ กระบวนการเปลี่ยนแปลงนี้จึงเหมือนกับการเผาผลาญน้ำมันในรถยนต์ และได้พลังงานออกมาขับเคลื่อนรถยนต์ หรือเวลาเผาถ่านหิน ก็ได้พลังงานในการขับเคลื่อนรถไฟเช่นกัน และถ้าไม่มีออกซิเจน การเผาผลาญก็ไม่มี และพลังงานก็ไม่บังเกิด ในกรณีการเผาผลาญน้ำมันนั้น อะตอมออกซิเจนจะเข้าไปแทนที่อะตอมคาร์บอนในเชื้อเพลิง เพราะอะตอมคาร์บอนสามารถจับคู่กับอะตอมออกซิเจนได้ง่ายกว่าที่จะจับกับอะตอมคาร์บอนเอง ดังนั้น เวลาอะตอมของคาร์บอนแตกแยกจากกัน พลังงานจะถูกปลดปล่อยออกมา และพลังงานนี้เองที่เรานำไปใช้ในการขับเคลื่อนรถยนต์ ซึ่งมีผลิตผลตามมา คือ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2)
ถ้าออกซิเจนในอากาศมีไม่มาก ผลที่เกิดขึ้นคือเรามีคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) แต่นอกจากก๊าซ CO2 และ CO แล้ว เราจะได้ไอน้ำด้วย เพราะไฮโดรเจนที่มีในเชื้อเพลิงได้รวมกับออกซิเจนในอากาศให้ไอน้ำ ดังนั้น ถ้าไม่มีออกซิเจนในอากาศ ปฏิกิริยาเคมีก็จะไม่เกิด ในร่างกายคน แทนที่จะมีน้ำมันเชื้อเพลิง เรามีน้ำตาล glucose ที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอน ซึ่ง glucose สามารถแยกไปรวมกับออกซิเจนได้คาร์บอนไดออกไซด์กับไอน้ำ แต่ปฏิกิริยานี้ก็มีข้อแตกต่างว่าพลังงานที่ได้จากการเผาน้ำมันมักถูกนำไปใช้ในทันที เวลาเกิดการเผาผลาญเชื้อเพลิงในร่างกาย ร่างกายจะไม่ได้พลังงานในทันที แต่ร่างกายจะเก็บสะสมพลังงานในโมเลกุลชื่อ adenosine triphosphate (ATP) แทน
เพราะว่าเซลล์ร่างกายทุกเซลล์ต้องการพลังงาน ดังนั้น เซลล์จึงต้องมี ATP และต้องการออกซิเจนในปริมาณปกติ ก๊าซออกซิเจนจากปอดจะถูกลำเลียงออกไปตามเลือด นั่นคือ เลือดเป็นตัวนำออกซิเจนไปสู่เนื้อเยื่อต่างๆ ทั่วร่างกาย และเวลาเลือดไหลผ่านกล้ามเนื้อ เพราะว่า myoglobin ดูดซับออกซิเจนได้ดีกว่า hemoglobin อันเป็นสารสีแดงในเม็ดเลือดแดง ออกซิเจนจึงถูกส่งผ่านจากเลือดไปสู่กล้ามเนื้อได้ง่าย
แต่ทว่าร่างกายคนไม่มีอวัยวะเก็บออกซิเจนในเนื้อเยื่อ ดังนั้น คนจึงต้องพึ่งพาออกซิเจนที่มีในเนื้อเยื่อ และที่มากับเลือด
ในการทดลองวัดความสามารถในการดำน้ำลึกของสัตว์ นักวิจัยทั้งสองได้ใช้ทะเล McMurdo ในทวีปแอนตาร์กติกาเป็นสถานที่ทดลอง ทะเลนี้มีน้ำแข็งหนา 2 เมตร และปกคลุมบริเวณที่กว้าง 30 กิโลเมตร และยาว 60 กิโลเมตร เพราะแมวน้ำและเพนกวินที่ใช้ในการทดลองเวลาดำน้ำสามารถอยู่ใต้น้ำแข็ง ดังนั้น คนทั้งสองจึงเจาะผิวน้ำแข็งเป็นรู เพื่อให้แมวน้ำและเพนกวินที่หลังจากดำลงไปแล้วสามารถต้องว่ายกลับมาขึ้นที่รูเดิม การจับเวลาขึ้น-ลงจะสามารถบอกระยะลึกที่มันดำลงได้ ครั้นเมื่อคนทั้งสองวัดอัตราการเต้นของหัวใจ ก็พบว่าอัตราการเผาผลาญพลังงาน และปริมาณออกซิเจนที่มีก่อนและหลังการดำน้ำแสดงชัดว่า แมวน้ำมีออกซิเจน 87 ลูกบาศก์ มิลลิเมตร/น้ำหนักตัว 1 กิโลกรัม ซึ่งจะไปแฝงอยู่ในเลือดและกล้ามเนื้อ ส่วนในปอดก็มีออกซิเจนอยู่ไม่ถึง 5% ของปริมาณออกซิเจนทั้งหมด และสำหรับกรณีของเพนกวินก็ได้พบว่าร่างกายมีออกซิเจน 53 ลูกบาศก์มิลลิเมตร/น้ำหนักตัว 1 กิโลกรัม ในขณะที่ร่างกายคนทั่วไปมีออกซิเจนเพียง 20 ลูกบาศก์เมตร/น้ำหนักตัว 1 กิโลกรัมเท่านั้นเอง
การมีออกซิเจนในร่างกายน้อยจึงเป็นสาเหตุที่ทำให้คนเป็นสัตว์ที่ดำน้ำได้ไม่ลึก นอกจากข้อจำกัดนี้แล้วนักวิทยาศาสตร์ก็ยังพบอีกว่า ก่อนดำลง ปอดคนมีทั้งออกซิเจนและไนโตรเจน แต่เวลาดำลึก ปอดคนจะมีแต่ไนโตรเจน ดังนั้น เวลาดำขึ้น เมื่อความดันน้ำลด ไนโตรเจนที่มีในเลือดจะรวมตัวกันเป็นฟองอากาศ ทำให้ร่างกายรู้สึกปวดมาก ข้อเสียนี้จึงเป็นตัวจำกัดอีกตัวหนึ่งของความสามารถคน แต่ในสัตว์น้ำ กลับไม่มีปัญหาใดๆ
อ่านเพิ่มเติมจาก The Silent World โดย J.Y. Cousteau and Frederic Dumas จัดพิมพ์โดย Harper and Brothers, Publishers, New York ปี 1953
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
