xs
xsm
sm
md
lg

บูรณาการวิจัยระหว่างชีววิทยากับฟิสิกส์: การศึกษาวาฬโดยใช้เครื่องตรวจรับอนุภาคนิวตริโน

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

ซากวาฬตายจากการบริโภคพลาสติก ลอยอืดที่ชายฝั่งของเกาะ Sardinia island ของอิตาลี เมื่อปลายเดือน มี.ค.2019 (SEAME Sardinia Onlus via AP)
แม้ช้างจะเป็นสัตว์บกที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก แต่ตัวมันก็ยังเล็กเมื่อเปรียบเทียบกับวาฬ เพราะสถิติของวาฬสีน้ำเงิน (blue whale) ที่ใหญ่ที่สุดมีลำตัวยาว 24 เมตร และหนักถึง 140 ตันจึงหนักเท่ากับช้าง 33 ตัว ส่วนวาฬสเปิร์ม (sperm whale) ที่โตเต็มที่มีลำตัวยาว 12 เมตร และหนัก 57 ตัน

มนุษย์ได้รู้จักวาฬมาเป็นเวลานานหลายพันปีแล้ว Aristotle ซึ่งเป็นปราชญ์กรีกในสมัยพุทธกาล เคยคิดว่า วาฬเป็นปลา เพราะมันอยู่ในน้ำตลอดเวลาและว่ายน้ำได้เหมือนปลา แต่ John Ray (1627-1705 ยุคสมเด็จพระนารายณ์มหาราช) ซึ่งเป็นนักชีววิทยาชาวอังกฤษเป็นคนแรกที่ตระหนักว่า วาฬ มิใช่ปลา แต่เป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม เพราะออกลูกเป็นตัว และเวลาคลอดส่วนหางของลูกจะโผล่ออกมาก่อน ลูกวาฬสีน้ำเงินที่คลอดใหม่ๆ มีลำตัวยาวประมาณ 6 เมตร และหนักประมาณ 2 ตัน เพราะน้ำนมของแม่วาฬมีโปรตีนและไขมันอุดมสมบูรณ์ ดังนั้นลูกวาฬจึงเติบโตเร็ว

เวลาดูเผินๆ วาฬมีรูปร่างคล้ายตอร์ปิโด คือ มีหัวใหญ่ ไม่มีคอ ดวงตามีขนาดเล็ก และหายใจได้เหมือนคนโดยใช้จมูกที่อยู่ทางด้านบนของหัว อาหารของมันเป็นสัตว์น้ำ เช่น กุ้ง หมึก แมวน้ำ และปลา วาฬสเปิร์มกินอาหารได้วันละ 350 กิโลกรัม เวลาว่ายน้ำมันจะใช้หางขนาดใหญ่โบกขึ้น-ลง ทำให้สามารถว่ายน้ำได้เร็ว โดยเฉพาะวาฬเพชฌฆาต (Orcinus orca) สามารถว่ายน้ำได้เร็วถึง 15 เมตร/วินาที ด้านวาฬหัวทุยนั้นสามารถดำน้ำได้ลึก 3 กิโลเมตร การดำน้ำได้ดีเช่นนี้ เพราะนอกเหนือจากการมีปอดใหญ่แล้ว วาฬยังสามารถเก็บออกซิเจนในกล้ามเนื้อของมันได้ด้วย นี่จึงเป็นเหตุผลที่ทำให้เนื้อวาฬมีสีแดงเข้มกว่าเนื้อสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมชนิดอื่น

นอกจากจะสามารถดำน้ำได้ดีมากแล้ว วาฬยังสามารถส่งเสียงเป็นสัญญาณสื่อสารกันได้ด้วย นับตั้งแต่วินาทีแรกที่คลอดจากท้องแม่ จนกระทั่งถึงวินาทีสุดท้ายก่อนตาย วาฬจะส่งและรับสัญญาณเสียงตลอดเวลา ไม่ว่าจะออกล่าเหยื่อ โดยมันจะส่งคลื่นเสียงไปกระทบตัวเหยื่อ แล้วคอยฟังเสียงสะท้อน ข้อมูลด้านเวลาและรูปแบบของคลื่นสะท้อนจะบอกให้มันรู้ตำแหน่ง ปริมาณ และชนิดของเหยื่อ

นักชีววิทยายังได้สังเกตเห็นอีกว่า เวลาวาฬสนทนากันสัญญาณเสียงจะเป็นลักษณะหนึ่ง และเวลาล่าเหยื่อสัญญาณเสียงจะแตกต่างออกไป เพื่อให้เพื่อนๆ รู้ตำแหน่งที่มันอยู่ และเวลาอพยพมันจะส่งเสียงร้องเป็นจังหวะนานประมาณ 20 วินาที แล้วหยุดเงียบเป็นเวลา 20 วินาที สลับกันไป เพราะข้อมูลเสียงที่ได้ยินนี้ชัดเจน นั่นคือวาฬใช้เสียงในการ “ดู” โลกภายนอกมากกว่าใช้สายตา ดังนั้น เวลานักชีววิทยาต้องการศึกษาธรรมชาติของวาฬ เขาจึงอาจใช้เสียงของมันแทนการสังเกตดูด้วยตาได้
ซากวาฬที่บริโภคพลาสติกและชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เข้าไปบริมาณ พบที่ชายฝั่งของเกาะ Sardinia island ในอิตาลี  (SEAME Sardinia Onlus via AP)
ตามปกติ วาฬจะอพยพย้ายถิ่นเพื่อหากิน และผสมพันธุ์ วาฬหลังค่อม (humpback whale) มักชอบหาอาหารในฤดูร้อนในมหาสมุทรแอนตาร์กติกา แต่เมื่อถึงฤดูหนาวมันอาจว่ายน้ำไปถึงชายทะเลของประเทศ Colombia, Angola, Mozambique และออสเตรเลีย และจะว่ายไปใช้ชีวิตในมหาสมุทรแปซิฟิกเพื่อผสมพันธุ์ และคลอดลูก

ส่วนวาฬในซีกโลกเหนือที่หากินอยู่ในทะเล Bering และ Greenland, Norway, Iceland และแคนาดา เมื่อถึงฤดูหนาวมันจะอพยพไปแพร่พันธุ์ในทะเล Mexico, Morocco และจีนตะวันออก

H. Thewissen แห่งมหาวิทยาลัย Ohio ในสหรัฐอเมริกาได้เคยรายงานเรื่องบรรพสัตว์ที่เป็นต้นตระกูลของวาฬในวารสาร Science เมื่อปี 2009 ว่า เขาได้พบโครงกระดูกของวาฬดึกดำบรรพ์ Ambulocetusnatans อายุ 52 ล้านปีที่ฝังอยู่ในแถบภูเขา Kalachitta ซึ่งอยู่ทางตอนเหนือของปากีสถาน และพบว่ามันเป็นโครงกระดูกที่ค่อนข้างสมบูรณ์ เพราะมีกะโหลก เอ็น ซี่โครง กระดูกขาทั้ง 4 กระดูกสันหลัง และหาง Thewissen ได้อนุมานจากการสังเกตว่า เจ้าของโครงกระดูกเป็นวาฬที่มีลำตัวยาว 3 เมตร และหนัก 0.3 ตัน กระดูกขาหน้า 2 ขาที่สั้นอยู่ชิดลำตัว แสดงให้เห็นว่า มันใช้ขาหน้าเวลาเดินบนบก โดยการขยับตัว ยกอก และลากท้องไปตามพื้น เหมือนสิงโตทะเล ส่วนขาหลังสองขานั้นได้หดขนาดลงๆ จนยาวเพียง 10 เซนติเมตรเท่านั้นเอง

ลักษณะและโครงสร้างของกระดูกเช่นนี้ ทำให้วาฬเป็นสัตว์บกที่งุ่มง่าม และอุ้ยอ้ายมากเวลาเดินหาอาหารบนบก แต่เวลาอยู่ในน้ำ มันจะว่ายน้ำได้คล่องแคล่ว ด้วยเหตุนี้อาหารที่หาได้ส่วนใหญ่จึงเป็นอาหารที่มาจากทะเล เมื่อมันมีปัญหามากในการหาอาหารบนบก วาฬจึงได้อพยพจากบกลงไปอยู่ในทะเลอย่างถาวรตั้งแต่เมื่อ 50 ล้านปีก่อน

สำหรับบทบาทของเนื้อวาฬที่คนบริโภคเป็นอาหารนั้น นักประวัติศาสตร์ได้พบว่า ในอดีตเมื่อ 1,000 ปีก่อน ชาว Basque ในสเปนได้เคยออกเรือเพื่อล่าวาฬเป็นอาหาร จนกระทั่งถึงคริสตศตวรรษที่ 16 ชาวประมงชาติอื่น เช่น แคนาดา อังกฤษ และเนเธอร์แลนด์ได้เข้ามามีอาชีพล่าวาฬด้วย เรือ Mayflower ที่เคยใช้อพยพชาวอังกฤษไปตั้งถิ่นฐานในอเมริกา เคยเป็นเรือล่าวาฬ
ภาพวาฬหลังค่อมถูกอวนพันยุ่งเหยิงในมหาสมุทรแปซฺฟิก ทางชายฝั่งแคลิฟอร์เนีย สหรัฐฯ (Bryant Anderson/NOAA via AP, File)
ถึงยุคปัจจุบันการล่าวาฬก็ยังดำเนินอยู่ เพราะอวัยวะแทบทุกส่วนของวาฬมีคุณค่าและมีประโยชน์ เช่น ไขวาฬใช้ทำสบู่ ทำน้ำมันหล่อลื่น และเป็นเชื้อเพลิง เนื้อใช้บริโภค ส่วนกระดูกใช้ทำปุ๋ย การล่าวาฬเป็นอาชีพที่ชาวญี่ปุ่นนิยม ประชากรของวาฬจึงได้ลดลงทุกปี จนมีผลทำให้มันได้รับการประกาศให้เป็นสัตว์ที่โลกต้องคุ้มครองให้ปลอดจากการถูกล่าอย่างไม่บันยะบันยัง และช่วยมันให้ปลอดภัยจากการถูกเรือชน และไม่ให้มันถูกรบกวนโดยเสียงเรือในทะเล เวลาถึงฤดูผสมพันธุ์ และให้ทุกชาติดูแลทะเลให้ปลอดจากมลภาวะ เช่น สารพิษ และพลาสติก เพื่อให้วาฬและสัตว์น้ำอื่นไม่ได้บริโภคมลวัตถุเหล่านี้เข้าไปอย่างไม่เจตนาด้วย

ความจริงธุรกิจล่าวาฬได้มีมาเป็นเวลานานหลายศตวรรษแล้ว โดยเริ่มตั้งแต่ชาวประมงกลุ่มเล็กๆ จนกระทั่งถึงปี 1596 เรือล่าวาฬจึงมีขนาดใหญ่ โดยเป็นเรือที่ออกแบบโดย Francois Zaburn ให้ดาดฟ้ามีเตาสำหรับเคี่ยวไขวาฬ ทำให้ประหยัดโสหุ้ย และอำนวยความสะดวก เพราะแทนที่นักล่าวาฬจะต้องลากซากวาฬที่ตายแล้วกลับท่าเรือ เพื่อสกัดแยกไขไปเคี่ยวทำน้ำมันเชื้อเพลิง และน้ำมันเครื่องยนต์ และใช้กระดูกทำเครื่องประดับของสตรี นักล่าวาฬก็สามารถทำกิจกรรมเหล่านี้ได้บนเรือ เป็นการลดความสิ้นเปลือง

ลุถึงปี 1626 นักล่าวาฬชาวเนเทอร์แลนด์จึงได้สร้างท่าเรือล่าวาฬ ชื่อ Smeerenburg ขึ้นที่เมือง Spitzbergen เพื่อจัดการล่าวาฬไรท์ (right whale) โดยเฉพาะ เพราะวาฬชนิดนี้เวลาตาย ซากมันจะจมน้ำภายในเวลาไม่นาน ซึ่งแตกต่างจาก วาฬรองก์ (wrong whale) ที่ศพจะลอย

ในอเมริกามีพรานล่าวาฬที่มีชื่อเสียงคนหนึ่งชื่อ Christopher Hussey จากเมือง Nantucket ซึ่งได้ใช้เรือล่าวาฬสเปิร์ม (sperm whale) ที่มีไขมันมาก เมื่อเปรียบเทียบกับวาฬสปีชีส์อื่น และอวัยวะแทบทุกส่วนของวาฬสเปิร์มมีประโยชน์ เช่น ฟันของมันมีคุณภาพดีเท่างาช้าง หนังมี glycerine ในปริมาณมาก และไขใช้ทำเทียนไข เพราะชาวประมงยุคแรกๆ คิดว่าไขของมัน คือเชื้ออสุจิ ดังนั้น จึงตั้งชื่อว่า sperm whale ส่วน ambergris ที่นิยมใช้ในการทำน้ำหอม ก็มีพบเฉพาะในวาฬสเปิร์มเท่านั้น

เมื่อโลกรู้ว่า วาฬสเปิร์มมีคุณค่ามากเช่นนี้ การล่าวาฬสเปิร์มอย่างขนานใหญ่ในทั่ว 7 คาบสมุทรจึงได้เพิ่มจำนวนเท่าเป็นทวีคูณภายในเวลาไม่นาน และได้พุ่งสูงถึงจุดวิกฤตในปี 1857 เมื่อนักสมุทรศาสตร์ กับนักชีววิทยาได้พบว่าจำนวนวาฬสเปิร์มได้ลดลงมาก ซึ่งนั่นหมายความว่า ไขวาฬที่ใช้ทำเทียนไขก็ได้ลดปริมาณลงด้วย เพราะเทียนไขในเวลานั้นเป็นปัจจัยสำคัญมากในการเป็นแหล่งให้ความสว่างเพื่ออ่านหนังสือ และในเวลาเดียวกันจำนวนประชากรในยุโรปและอเมริกาก็กำลังเพิ่มตลอดเวลา เมื่ออุปสงค์และอุปทานของไขวาฬเป็นไปในแนวสวนทางกันเช่นนี้ วิกฤตการณ์นี้จึงผลักดันให้อุตสาหกรรมน้ำมันแร่ถือกำเนิด เพื่อโลกจะได้มีน้ำมันเชื้อเพลิงชนิดใหม่ใช้ และความต้องการนี้ยังได้ผลักดันให้นักประดิษฐ์สร้างหลอดไฟฟ้าขึ้นในเวลาต่อมา ซึ่งนับเป็นแหล่งความสว่างที่ปลอดภัยยิ่งกว่า และให้แสงสว่างที่สม่ำเสมอยิ่งกว่าตะเกียงน้ำมัน

กระนั้นความพยายามของ International Whaling Commission (IWC) ที่ห้ามการล่าวาฬก็ยังไม่มีประสิทธภาพมาก เพราะการล่าวาฬอย่างผิดกฎหมายก็ยังดำเนินต่อไป โดยชาวญี่ปุ่นที่ชอบบริโภคเนื้อวาฬยังลอบจับและฆ่าวาฬ จนวาฬหลายสายพันธุ์ใกล้สูญพันธุ์เต็มที

ในเมื่อวาฬสเปิร์มเป็นสัตว์ที่ได้รับความคุ้มครอง ดังนั้น การรู้ที่อยู่อาศัย ที่หากิน และที่สืบพันธุ์ รวมถึงจำนวนของมัน จึงเป็นข้อมูลที่นักอนุรักษ์จำเป็นต้องมี ในอดีตนักชีววิทยาเคยใช้วิธีดู ถ่ายภาพ หรือฟังเสียงวาฬร้องเพลง ซึ่งสามารถทำได้ขณะวาฬอยู่ใกล้ผิวน้ำ แต่เวลามันดำน้ำลงไปลึกมากๆ เพื่อหาอาหารและใช้เวลาว่าง การเห็น การถ่ายภาพและการดักฟังเสียงเป็นเรื่องที่นักชีววิทยาทำไม่ได้

นี่ก็คือเวทีที่นักฟิสิกส์สามารถเข้ามาช่วยได้ ทั้งๆ ที่ในเบื้องต้นนักฟิสิกส์ไม่สนใจวาฬ แต่สนใจการตรวจจับอนุภาคนิวตริโน (neutrino) มากกว่า

Giorgio Riccobene แห่งห้องปฏิบัติการ Southern Laboratories ของ Italian National Institute for Nuclear Physics (INFN) ในอิตาลี กับเพื่อนชื่อ Giovanni Pavan ซึ่งเป็นนักชีววิทยาในสังกัด University of Pavia ในอิตาลี ได้ร่วมมือกันวิจัยในโครงการค้นหาประชากรของวาฬสเปิร์ม โดยใช้อุปกรณ์ตรวจจับ neutrino ที่มาจากอวกาศและสามารถลงลึกถึงท้องมหาสมุทร

อนุภาค neutrino ไม่มีประจุไฟฟ้า และมีมวลน้อยมากจนแทบเป็นศูนย์ ตามปกติจะทำปฏิกริยากับสสารต่างๆ ได้น้อย ดังนั้นการจะเห็นปฏิกริยานิวเคลียร์บังเกิด นักฟิสิกส์จึงต้องใช้เครื่องตรวจจับที่มีขนาดใหญ่ คือยิ่งใหญ่เท่าใดก็ยิ่งดีเท่านั้น และได้นำอุปกรณ์ตรวจจับนิวตริโนจำนวนมากติดตั้งที่ท้องทะเลลึก 3,500 เมตร ในพื้นที่ 0.6 ตารางกิโลเมตรในบริเวณ นอกแหลม Capo Passero ซึ่งอยู่ทางใต้ของเกาะ Sicily โดยคาดว่า อนุภาคนิวตริโนจะทำปฎิกิริยากับโมเลกุลน้ำ แล้วปล่อยแสงออกมาให้เครื่องตรวจจับรับแสงที่ปล่อยออกมาได้

แต่ในขณะเดียวกัน Riccobene ก็ได้พบว่า นอกจากแสงแล้ว ปฏิกริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นสามารถทำให้เกิดเสียงได้ด้วย

ดังนั้น การดักฟังเสียงที่เกิดขึ้น จึงเป็นอีกวิธีหนึ่งที่นักฟิสิกส์สามารถใช้ในการตรวจจับ neutrino ได้ และ Riccobene ได้พบว่า ในอดีตไม่มีใครเคยศึกษาเรื่องเสียงภูมิหลัง (background noise) ใต้ทะเลลึกเลย ดังนั้น เมื่อ Pavan กล่าวถึงเสียงที่วาฬเปล่งออกมาในการสื่อสารถึงกัน นี่จึงเป็น background noise อีกรูปแบบหนึ่งที่มีความสม่ำเสมอแตกต่างไปจากเสียงของเครื่องยนต์เรือ และเสียงคลื่นในทะเลทั่วๆ ไป

การตรวจวัดรับสัญญาณคลื่นเสียงทุกรูปแบบใต้น้ำ แสดงให้เห็นว่าสัญญาณที่ได้รับมีความดังมาก และส่วนหนึ่งมาจากวาฬสเปิร์ม เพราะมันใช้สัญญาณเสียงในการวัดระดับการอยู่ลึกของเหยื่อ ด้วยการส่งคลื่นออกมาไปกระทบเหยื่อ แล้วฟังเสียงที่สะท้อนกลับ

แต่การได้ยินเสียงก็มิใช่ว่าจะรู้จำนวนของวาฬ ดังนั้นการวิเคราะห์คลื่นเสียงจะสามารถบอกขนาดของสัตว์ ตำแหน่ง ทิศการว่ายน้ำ และเพศของเหยื่อให้วาฬรู้ได้

นั่นคือนักวิจัยต้องใช้ software สร้าง algorithm เพื่อวิเคราะห์คลื่นทั้งหมดที่ได้ยินจากเครือข่ายของเครื่องรับที่ติดตั้งอยู่ใต้ทะเล

อ่านเพิ่มเติมจาก Trying Leviathan: The Nineteenth Century New York Court Case That Put a Whale on Trial and Challenged the Order of Nature โดย D.G. Burnett จัดพิมพ์โดย Princeton University Press ปี 2007

สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์


กำลังโหลดความคิดเห็น...