ในยุโรปและอเมริกาเมื่อถึงเวลาที่เป็นฤดูหนาว กลางวันจะสั้นกว่ากลางคืน ขณะอุณหภูมิของอากาศเริ่มลด นกหลายชนิดจะเริ่มอพยพ โดยการบินไปสู่ดินแดนที่มีอากาศอบอุ่น พืชก็จะเตรียมตัวเข้าสู่สภาวะเกียร์ว่าง คือจะไม่ผลิดอกออกใบใดๆ สัตว์อื่นๆ อีกหลายชนิดจะเริ่มจำศีล จนกระทั่งถึงฤดูใบไม้ผลิ ซึ่งเป็นเวลาที่กลางวันยาวและกลางคืนสั้น ฝูงนกที่เคยอพยพย้ายถิ่นก็จะบินกลับถิ่นที่เคยอยู่ ใบไม้ก็จะเริ่มผลิและดอกไม้จะเริ่มบานอีกครั้งหนึ่ง สัตว์ที่จำศีลก็จะตื่นเพื่อเตรียมตัวใช้ชีวิตปรกติเหมือนเดิมอีก
นักชีววิทยาได้สังเกตเห็นพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิตที่ดำเนินไปในลักษณะนี้มาเป็นเวลานานจนประจักษ์ว่า ได้เกิดขึ้นเป็นประจำอย่างสม่ำเสมอ จนทำให้นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อ William Paley ในคริสต์ศตวรรษที่ 18 เชื่อว่า พระเจ้าผู้ทรงสร้างสรรพสิ่งในโลก เป็นช่างทำนาฬิกา ซึ่งได้สร้างนาฬิกาให้อยู่ในสิ่งมีชีวิตและมีหน้าที่ควบคุมวิถีชีวิตของสิ่งมีชีวิตทั้งหลาย ให้แสดงพฤติกรรมต่างๆ อย่างสม่ำเสมอ เช่น ต้นไม้ให้แตกดอกออกผล และสัตว์มีการอพยพย้ายถิ่นอาศัย เมื่อถึงฤดูของมัน
แม้แต่ Charles Darwin ซึ่งเป็นนักชีววิทยานามอุโฆตก็ได้สังเกตเห็นพฤติกรรมที่เกิดขึ้นอย่างซ้ำซากนี้ จึงได้เขียนบรรยายเกี่ยวกับข้อสังเกตนี้ในหนังสือชื่อ “The Power of Movement in Plants ” ว่าสิ่งมีชีวิตคงมีนาฬิกาชีวภาพในตัว แต่ความคิดนี้ไม่ได้รับการสนับสนุนจากใครใด จนกระทั่งถึงเมื่อประมาณ 100 ปีก่อนนี้เอง เมื่อนักชีววิทยาหลายคนได้เริ่มสังเกตเห็นว่า การแสดงพฤติกรรมที่ดูเสมือนว่าสิ่งมีชีวิตมีนาฬิกาชีวภาพ ที่ทำงานตลอดเวลา แม้นาฬิกาดังกล่าวจะบอกเวลาไม่ละเอียดและเที่ยงตรงเท่านาฬิกาอะตอม แต่นาฬิกาชีวภาพของคนก็เดินได้ตรงพอประมาณในช่วงเวลา 24 ชั่วโมง หรือ 1 วัน
ในปี 1959 Franz Halberg แห่งมหาวิทยาลัย Minnesota ในประเทศสหรัฐอเมริกา เป็นบุคคลแรกที่ได้เรียกจังหวะชีวิตที่ดำเนินไปในลักษณะนี้ว่า circadian ซึ่งมาจากคำละติน circa ที่แปลว่า ประมาณ และ dies ที่แปลว่า วัน ดังนั้น circadian จึงมีความหมายว่า ประมาณ 1 วัน
การพบนาฬิกาชีวภาพในสิ่งมีชีวิตอื่นๆ อีกมากมายได้รับการยืนยันโดยนักชีววิทยาอีกหลายคน เช่น Kenneth C. Fisher แห่งมหาวิทยาลัย Toronto ในประเทศแคนาดา ซึ่งสนใจพฤติกรรมจำศีลของกระรอกภูเขา (Citellus lateralis) ที่มีถิ่นอาศัยอยู่บนเทือกเขา Rockies โดยเขาได้ทดลองขังกระรอกในห้องที่ปิดมิดชิด จนแสงเข้า-ออกไม่ได้ แล้วทำให้อุณหภูมิของห้องลดต่ำลงถึงศูนย์องศาเซลเซียส นอกจากนี้ก็ให้ในห้องมีหลอดไฟที่ให้แสงสว่างติดต่อกันนานวันละ 12 ชั่วโมง และยังจัดอาหารให้กระรอกกินอย่างอุดมสมบูรณ์ด้วย
เมื่อเริ่มการทดลองในเดือนสิงหาคม Fisher ได้พบว่า กระรอกมีพฤติกรรมปกติทุกอย่าง อุณหภูมิในตัวกระรอกมีค่าประมาณ 37 องศาเซลเซียส ทั้งๆ ที่อุณหภูมิห้องได้ลดลงถึง 0 องศาเซลเซียสแล้ว วันเวลาได้ล่วงเลยจนกระทั่งถึงเดือนตุลาคม ซึ่งเป็นเวลาเริ่มต้นของฤดูหนาว กระรอกก็เริ่มจำศีล โดยมันจะหยุดกินอาหารและหยุดดื่มน้ำ พฤติกรรมที่เปลี่ยนไปนี้ทำให้อุณหภูมิในตัวมันลดลงประมาณ 1 องศาเซลเซียส เท่านั้นเอง แล้วมันก็นอนจำศีลจนกระทั่งถึงเดือนเมษายน จากนั้นก็จะวิ่งเล่นและกินอาหารอีก ขณะนั้นอุณหภูมิตัวมันก็กลับสู่ระดับปกติที่ 37 องศาเซลเซียส แต่เมื่อถึงสิ้นเดือนกันยายน กระรอกก็เริ่มจำศีลอีก ทั้งๆ ที่ตลอดเวลานั้นมันไม่ได้รับสัญญาณใดๆ จากโลกภายนอกเลย และสภาพแวดล้อมของมันก็ไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลง
ในการทดลองขั้นต่อมา Fisher ได้ใช้กระรอกหลายตัว และได้ปรับอุณหภูมิของห้องให้ลดต่ำลงถึง 22 องศาเซลเซียส และพบว่า ไม่ว่าอุณหภูมิอากาศในห้องจะเป็นเช่นไร กระรอกก็จะแสดงพฤติกรรมที่เปลี่ยนแปลงเป็นคาบ โดยกินอาหารอย่างตะกละ เพื่อเพิ่มน้ำหนักตัว ก่อนจะพาตัวเข้าสู่ช่วงเวลาจำศีล แล้วใช้ชีวิตวิ่งเล่นไปมาอย่างปกติ จนกระทั่งถึงเวลาที่จะต้องจำศีลอีก พฤติกรรมที่เป็นวัฏจักรนี้ แสดงให้เห็นว่า ในตัวกระรอกมีนาฬิกาชีวภาพที่ทำงานเป็นคาบ ที่มีช่วงเวลากินและอดอาหาร และนาฬิกาชีวภาพของกระรอกมีการทำงานเป็นวัฏจักรทุก 324-329 วัน
หลังจากนั้นนักชีววิทยาก็ได้หันมาสนใจค้นหานาฬิกาชีวภาพในสัตว์ชนิดอื่นบ้าง เช่น William Rowan ได้ศึกษานกกระจาบในสกุล Junco และได้พบว่า ความมืดและความสว่างของสภาพแวดล้อมสามารถควบคุมอัตราการหลั่งฮอร์โมนจากต่อมเพศในตัวของนกได้ ซึ่งจะมีผลทำให้มันมีอาการกระสับกระส่าย และกระวนกระวายมากจนต้องบินอพยพ พฤติกรรมนี้จึงแสดงว่า ช่วงเวลา (กลางวัน-กลางคืน) ที่เปลี่ยนไป คือสาเหตุที่ทำให้นกเริ่มบินอพยพย้ายถิ่นอาศัย
ด้าน Eberhard Gwinner แห่งสถาบัน Max Planck Institute ในประเทศเยอรมันก็ได้พบว่า นกกระจิ๊ด เมื่อถึงเวลาซึ่งเป็นฤดูใบไม้ร่วง มันจะพากันบินไปพำนักในประเทศแอฟริกาใต้ แล้วจะบินกลับยุโรปเมื่อถึงฤดูใบไม้ผลิ เพื่อทำรัง Gwinner ยังได้พบอีกว่า นกชนิดนี้ก็มีนาฬิกาชีวภาพในตัวของมัน ซึ่งจะกำหนดให้มันบินอพยพและกำหนดความเร็วในการบิน เพื่อให้ถึงจุดหมายปลายทางในช่วงเวลาที่เหมาะสม คือ จุดหมายปลายทางต้องมีอาหารสมบูรณ์ให้มันกิน
สำหรับ Thomas C. Jegla แห่งมหาวิทยาลัย Yale ในสหรัฐอเมริกานั้น สนใจกุ้ง (Orconectes pellucid) ที่ชอบอาศัยอยู่ในถ้ำใต้น้ำที่มืดสนิท โดยได้นำกุ้งมาทดลองในถังที่มีน้ำอุณหภูมิ 13 องศาเซลเซียส และพบว่า ถ้าให้กุ้งได้รับแสงจากหลอดไฟวันละ 3 ครั้งๆ ละ 15 นาที รังไข่ของกุ้งตัวเมียจะขยายขนาด ซึ่งเป็นสัญญาณที่แสดงความพร้อมในการสืบพันธุ์ วัฏจักรการทำงานของนาฬิกาชีวภาพในกุ้ง คือ ประมาณ 1 ปี และนาฬิกาชีวภาพได้ทำให้มันมีความพร้อมในการแพร่พันธุ์ ดังนั้นสัตว์จึงมีนาฬิกาชีวภาพที่ทำงานโดยอาศัยความแปรปรวนของแสงและอุณหภูมิในการกำกับการทำงาน
ด้านมนุษย์เราก็มีนาฬิกาชีวภาพเช่นกัน
ดังจะเห็นได้ชัดจากกรณีผู้โดยสารที่เดินทางโดยเครื่องบินข้ามทวีป ทั้งๆ เวลาในประเทศที่ไปถึง เป็นเวลาเที่ยงคืน แต่เขาอาจจะไม่รู้สึกง่วง เพราะในขณะนั้น นาฬิกาชีวภาพในตัวเขา บอกเวลา 6 โมงเย็นเท่านั้นเอง และตามปรกติถ้านาฬิกาชีวภาพในร่างกายคนทำงานอย่างสม่ำเสมอ สภาพของร่างกายและจิตใจที่ขึ้นกับเวลาที่นาฬิกาชีวภาพบอกก็จะมีอาการเป็นปรกติ แต่ถ้าการปรับตัวให้เข้ากับเวลาที่กำหนดโดยนาฬิกาชีวภาพเป็นไปอย่างไม่สมบูรณ์ อารมณ์ของคนๆ นั้นอาจจะขุ่นมัว และคุณภาพของงานที่เขาทำอาจจะลด แต่ถ้าเขากินยาหรือสามารถปรับตัวและใจได้ การทำงานของเขาก็จะราบรื่น
ปัญหาที่นักชีววิทยาได้สงสัยกันมานานมาก คือนาฬิกาชีวภาพในร่างกายคนตั้งอยู่ ณ ที่ใดในร่างกาย และทำงานอย่างไร
ในอดีตเมื่อ 45 ปีก่อน A. Winfree แห่งมหาวิทยาลัย Arizona ในสหรัฐอเมริกาได้ทำการทดลองที่แสดงให้เห็นว่า ในสมองของคนมีกลุ่มเซลล์ที่เรียกว่า suprachiasmatic nucleus (SCN) ซึ่งอยู่ที่บริเวณฐานของสมองและมีขนาดใหญ่เท่าหัวเข็มหมุด เพราะเขาได้พบว่าคนที่มีเนื้องอกในสมอง ณ ตำแหน่งนี้ จะมีพฤติกรรมนอนที่ผิดปกติ และเมื่อกลุ่มเซลล์ SCN ในสมองอยู่เหนือเซลล์ประสาทตา ซึ่งทำหน้าที่รับแสง คาบการทำงานของมันจึงมีค่าประมาณ 24 ชั่วโมง เหตุผลนี้จึงสามารถอธิบายได้ว่า เหตุใดคนที่ตาบอดสนิทจึงมีปัญหาในการนอน เพราะนาฬิกาชีวภาพที่กำหนดเวลานอน-ตื่นของเขา ไม่ทำงานนั่นเอง
ด้าน Charles Czeisler แห่งหน่วยวิจัย Neuroendocrine and Sleep Disorders Medicine Section ที่เมือง Boston ในสหรัฐอเมริกาก็ได้พบว่า นาฬิกาชีวภาพในร่างกายคนไม่ต้องการแสงสว่างมากนักในการปรับช่วงเวลาทำงานของมัน ดังจะเห็นได้จากคนที่นอนไม่หลับทั้งคืน แต่พอได้เห็นแสงอาทิตย์ แม้จะเรืองรองเพียงเล็กน้อย ก็สามารถหลับสนิทได้ในทันที นั่นคือเมื่อ SCN เริ่มทำงาน ร่างกายก็จะถูกกระตุ้นให้สามารถเปลี่ยนพฤติกรรมจากตื่นเป็นหลับได้
การพบว่าแสงสว่างเป็นตัวกำหนดการทำกิจกรรม และพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิตนี้ยังครอบคลุมถึงกรณีของพืชด้วย ดังในคริสต์ศตวรรษที่ 18 นักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศสคนหนึ่งชื่อ Jean Jacques d’ Ortous de Mairan ได้สนใจศึกษาต้นไมยราพ และพบว่า ในเวลากลางวันใบของมันจะกางออกเพื่อรับแสงอาทิตย์ และจะหุบลงในเวลากลางคืน เขาจึงสงสัยว่า ถ้าให้ต้นอยู่ในที่มืดตลอดเวลา อะไรจะเกิดขึ้น และก็ได้พบว่า ไม่ว่าข้างนอกจะมืดหรือสว่าง ต้นไมยราพก็มีพฤติกรรมกางใบและหุบใบเสมือนมีนาฬิกาชีวภาพในตัวมัน โดยไม่ต้องอาศัยแสงแต่อย่างใด
ในช่วงทศวรรษของปี 1970 Seymour Benzer และ Ronald Konopka จึงได้ตั้งประเด็นสงสัยว่า ร่างกายของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดมียีน (gene) ที่ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของนาฬิกาชีวภาพหรือไม่ และได้ใช้แมลงหวี่เป็นสัตว์ทดลอง จนพบว่า เมื่อ gene ตัวหนึ่งในแมลงหวี่ได้กลายพันธุ์ จังหวะการทำงานของนาฬิกาชีวภาพในแมลงหวี่จะถูกกระทบกระเทือน
Benzer กับ Konopka ได้ตั้งชื่อยีนนั้นว่า period แล้วปัญหาที่ติดตามมาคือ ยีน period ควบคุมการทำงานของนาฬิกาชีวภาพอย่างไร
คำถามนี้ได้รับคำตอบโดยนักวิทยาศาสตร์ 3 ท่านคือ Jeffrey Hall กับ Michael Rosbash แห่งมหาวิทยาลัย Brandeis ที่ Boston และ Michael Young แห่งมหาวิทยาลัย Rockefeller ที่ New York ในประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งคนทั้งสามได้รับรางวัลโนเบลสาขาแพทย์ศาสตร์และสรีรวิทยาประจำปี 2017 ร่วมกัน จากผลงานที่ได้สกัดแยกยีน period ออกมา นอกจากนี้ Rosbash กับ Hall ก็ยังได้พบโปรตีน PER ที่ยีน period กำหนดให้ RNA สร้างว่าจะต้องมีปริมาณเพิ่มขึ้นในเวลากลางวัน แต่เมื่อถึงเวลากลางคืนปริมาณโปรตีน RER ดังกล่าวจะลด ระดับโปรตีน PER ที่เพิ่มและลดเป็นคาบในเวลา 24 ชั่วโมงนี้ คือตัวกำหนดกลไกการทำงานของนาฬิกาชีวภาพ
และเพื่ออธิบายขั้นตอนการทำงานของนาฬิกาชีวภาพ Rosbash และ Hall ยังได้ตั้งสมมติฐานว่า โปรตีน PER ที่ยีนกำหนดให้สร้างนั้นจะเข้ามาขัดขวางการทำงานของยีน period นั่นคือ มันจะหักล้างการทำงานของกลไกที่สร้างมันเอง เพื่อให้วัฏจักรการทำงานของนาฬิกาชีวภาพดำเนินไปอย่างราบรื่น
แต่สมมติฐานนี้ก็ยังตอบคำถามได้ไม่หมด เพราะในการเข้าขัดขวางการทำงานของยีน period โปรตีน PER ที่อยู่ใน cytoplasm ของเซลล์จะต้องเดินทางเข้าไปในนิวเคลียสของเซลล์ แล้วมันจะเข้าไปภายในได้อย่างไร
ในปี 1994 Michael Young ก็ได้พบกลไกเพิ่มเติม คือการพบยีนตัวที่สองชื่อ timeless ซึ่งสร้างโปรตีน TIM โดยได้แสดงให้เห็นว่าเมื่อโปรตีน TIM จับคู่กับโปรตีน PER โปรตีนทั้งสองตัวจะสามารถเข้าสู่นิวเคลียส เพื่อไปขัดขวางการทำงานของยีน period ได้
การทำงานเป็นวงจรแบบย้อนกลับ (feedback) นี้ สามารถอธิบายได้อย่างสมบูรณ์ว่า ระดับโปรตีนในเซลล์มีเพิ่มและลดอย่างไร แล้วคำถามที่ตามมาคือ อะไรเป็นตัวควบคุมความถี่ของการเพิ่มขึ้น-ลดลงของโปรตีนนี้ ในที่สุด Michael Young ก็ได้พบยีนตัวใหม่ชื่อ doubletime ซึ่งสร้างโปรตีน DBT ที่สามารถทำให้โปรตีน PER เพิ่มปริมาณอย่างช้าๆ จนทุกสิ่งทุกอย่างดำเนินไปในช่วงเวลาหนึ่งวัน คือ 24 ชั่วโมงได้อย่างลงตัว
การค้นพบของนักวิทยาศาสตร์ทั้งสามคน จึงตอบคำถามสำคัญทางชีววิทยาได้อย่างสมบูรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คือ การพบองค์ความรู้ใหม่ที่ได้เน้นให้คนทั่วโลกเห็นความสำคัญของเวลาว่ามีบทบาทมากเพียงใดในสิ่งมีชีวิต รวมทั้งได้พัฒนาองค์ความรู้ทางการแพทย์ด้วยว่า ในการรักษาโรค แพทย์จะต้องคำนึงถึงปัจจัยด้านเวลาด้วย นี่จึงเป็นการให้กำเนิดวิทยาศาสตร์สาขาใหม่ คือ chronobiology, chronotherapy ซึ่งเกี่ยวข้องกับวิทยาการอื่นอีกหลายสาขา เช่น endocrinology (วิทยาต่อมได้ท่อ) และ rheumatology (วิทยารูมาติก) ซึ่งจะทำให้สุขภาพและความเป็นอยู่ของมนุษย์ทุกคนดีขึ้น ถ้านาฬิกาชีวภาพในร่างกายเขาทำงานอย่างมิขาดตกบกพร่อง
อ่านเพิ่มเติมจาก Restoration of circadian behavioral rhythm in Drosophilia โดย T. A. Bargiello et. al. ใน Nature 312,752-754
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
