Breakfast of Champions – เคมี | ไวซ์มันน์ วันเดอร์ วันเดอร์

แม้แต่สิ่งมีชีวิตที่เล็กที่สุดก็สามารถมีอิทธิพลสำคัญต่อการวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตบนโลกได้ สาหร่ายขนาดเล็กที่อาศัยอยู่ในน่านน้ำที่มีแสงแดดส่องถึงพื้นผิวมหาสมุทรไม่เพียงรับผิดชอบการสังเคราะห์แสงประมาณครึ่งหนึ่งบนโลกเท่านั้น แต่ยังมีคุณค่าในฐานะแหล่งอาหารที่อุดมด้วยสารอาหารที่ช่วยรักษาระบบนิเวศทางทะเลทั้งหมด ในการศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ Prof. Itay Halevy และ Dr. Shlomit Sharoni จากแผนก Earth and Planetary Sciences ของสถาบัน Weizmann เปิดเผยกระบวนการที่ทำให้สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กเหล่านี้เป็นแหล่งโภชนาการที่ดีสำหรับผู้อื่นในห่วงโซ่อาหารที่สูงขึ้น และอย่างไร สิ่งนี้เป็นการเปลี่ยนแปลงเชิงวิวัฒนาการขั้นสูงในช่วงครึ่งพันล้านปีที่ผ่านมา

สาหร่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์หรือที่เรียกว่าแพลงก์ตอนพืชผลิตสารประกอบที่ค้ำจุนชีวิตจำนวนมากผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง จากนั้น สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กอื่นๆ จะ “กินหญ้า” บน smorgasbord อันอุดมสมบูรณ์นี้ และสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ เช่น ปลาและสัตว์จำพวกครัสเตเชียน จะกินหญ้าแทะเล็มตัวเล็ก ๆ ดังนั้น สารอาหารที่จำเป็นซึ่งกินเข้าไปโดย microalgae ที่ไหลผ่านใยอาหารเพื่อหล่อเลี้ยงสิ่งมีชีวิตในทะเลที่รู้จักทั้งหมด แต่อะไรเป็นตัวกำหนดปริมาณสารอาหารที่สาหร่ายขนาดเล็กกินเข้าไปและส่งต่อไปยังรูปแบบชีวิตที่สูงขึ้น คำตอบสำหรับคำถามนี้ยังคงเข้าใจยาก

Halevy และอดีตนักศึกษาปริญญาเอกของเขา Sharoni ได้มุ่งเน้นไปที่แง่มุมทางธรณีฟิสิกส์และธรณีเคมีที่แตกต่างกันซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของสาหร่ายขนาดเล็กที่มีคุณค่าทางโภชนาการ นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นในอดีต เช่น ปริมาณสารอาหารโดยเฉลี่ยขึ้นอยู่กับชนิดของสาหร่ายที่ผลิต สาหร่ายบางชนิดมีสารอาหารสูง บางชนิดมีสารอาหารไม่ดี มีสารอาหารหลักที่สำคัญต่อระบบชีวภาพในปริมาณน้อย เช่น ฟอสเฟต จึงไม่น่าแปลกใจที่ไม่ว่าสภาพแวดล้อมใดจะเอื้อต่อสาหร่ายที่อุดมด้วยสารอาหาร ห่วงโซ่อาหารโดยรวมก็จะอุดมไปด้วยสารอาหาร และในทางกลับกัน “น่านน้ำที่เย็นมากและอุดมด้วยสารอาหารใกล้ทวีปแอนตาร์กติกาช่วยรักษาประชากรของแพลงก์ตอนพืชที่เติบโตอย่างรวดเร็วซึ่งเก็บเกี่ยวสารอาหารจำนวนมาก มากกว่าในส่วนที่อบอุ่นของมหาสมุทร และส่งผลให้เกิดระบบนิเวศทางทะเลที่อุดมด้วยสารอาหาร” ชาโรนีกล่าว

ในการศึกษาครั้งนี้ นักวิจัยมีความสนใจในการประเมินว่าสภาพแวดล้อมเหล่านี้ – อุณหภูมิและความเข้มข้นของสารอาหารของพื้นผิวมหาสมุทร – เปลี่ยนแปลงไปตามประวัติศาสตร์ของโลกอย่างไรและโดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วง 540 ล้านปีที่ผ่านมา ช่วงเวลานี้เรียกว่าฟาเนโรโซอิกอีออนหรือยุคของ “ชีวิตที่มองเห็นได้” ซึ่งมีลักษณะเฉพาะโดยรอยเท้าทางธรณีวิทยาโดยเฉพาะ: ฟอสซิลที่ติดอยู่ในหินตะกอน ซากดึกดำบรรพ์ที่กลายเป็นหินของสิ่งมีชีวิตที่หายไปนาน ฟอสซิลช่วยให้นักวิจัยสามารถติดตามเหตุการณ์วิวัฒนาการได้อย่างดีเยี่ยม จากนั้นจึงเปรียบเทียบเหตุการณ์เหล่านี้กับการวัดและแบบจำลองทางธรณีเคมี ทำให้เกิดภาพองค์รวมของกระบวนการที่หล่อหลอมโลกของเรา

เพื่อให้บรรลุผลนี้ นักวิจัยได้พัฒนาแบบจำลองการคำนวณที่จับคู่วัฏจักรชีวภาพทางชีวเคมีหลายรอบ นั่นคือการแลกเปลี่ยนและการหมุนเวียนของสารเคมีอย่างต่อเนื่องระหว่างทรงกลมที่มีชีวิตและไม่มีชีวิต นักวิทยาศาสตร์ได้ให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัฏจักรของธาตุทั้งสี่ที่กำหนดเคมีของชีวิต ได้แก่ คาร์บอน ออกซิเจน ไนโตรเจน และฟอสฟอรัส แบบจำลองที่เสนอนี้ใช้การประมาณของกระบวนการทางธรณีวิทยา ตั้งแต่การปะทุของภูเขาไฟไปจนถึงรูปแบบการตกตะกอน เพื่ออนุมานฟลักซ์ขององค์ประกอบเหล่านี้เข้าและออกจากมหาสมุทร เมื่อรวมกันแล้ว ฟลักซ์เหล่านี้จะกำหนดความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศที่ค่อยๆ เปลี่ยนแปลงไป และรวมถึงสภาพภูมิอากาศของโลกด้วย และความเข้มข้นของฟอสเฟตในน้ำทะเล ด้วยการคำนวณความพร้อมของสภาพอากาศและฟอสเฟตในแบบจำลอง นักวิจัยจึงสามารถหาปริมาณสารอาหารโดยรวมของสาหร่ายขนาดเล็กได้เมื่อเวลาผ่านไป

“”จากการบัญชีทั้งเหตุการณ์ทางธรณีวิทยาและวิวัฒนาการที่สำคัญ เราสามารถสร้างประวัติศาสตร์ทางธรณีวิทยาของความพร้อมของสารอาหารในมหาสมุทร – และการตอบสนองของชีวิตทางทะเลต่อประวัติศาสตร์นี้”

โดยการเปรียบเทียบการคาดการณ์ของแบบจำลองกับบันทึกฟอสซิลที่เกี่ยวข้อง Halevy และ Sharoni สามารถอธิบายรูปแบบวิวัฒนาการที่สำคัญหลายแบบของ Phanerozoic Eon แม้ว่าการประมาณการในอดีตมักถือว่าปริมาณสารอาหารของสาหร่ายขนาดเล็กคงที่ตลอดช่วงอายุ แต่แบบจำลองนี้ชี้ให้เห็นว่าปริมาณสารอาหารของสาหร่ายขนาดเล็กนั้นเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่าในช่วง 540 ล้านปีที่ผ่านมา การคาดคะเนนี้สอดคล้องกับการต่อเนื่องกันของกลุ่มสาหร่ายขนาดเล็กต่างๆ ในมหาสมุทรในช่วงเวลานี้ ตั้งแต่สายพันธุ์ที่มีสารอาหารไม่เพียงพอในระยะแรกไปจนถึงการรวมตัวของสาหร่ายที่รักสารอาหารที่เติบโตเร็วขึ้น “ดูเหมือนว่าคุณภาพของสาหร่ายทะเลในฐานะแหล่งอาหารจะเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป” Halevy กล่าว “นี่อาจเป็นส่วนหนึ่งของเหตุผลสำหรับวิวัฒนาการที่ก้าวหน้าของสิ่งมีชีวิตที่มีขนาดใหญ่ ซับซ้อนและเคลื่อนไหวมากขึ้น ซึ่งต้องการสารอาหารที่หาได้ง่ายในปริมาณที่มากขึ้น ซึ่งถูกเลี้ยงโดยสาหร่าย”

ด้วยวิธีนี้ นักวิจัยยังสามารถชี้ไปที่เหตุการณ์วิวัฒนาการและการแปรสัณฐานที่สำคัญซึ่งเป็นตัวขับเคลื่อนหลักในการเพิ่มปริมาณสารอาหารของสาหร่าย จนกระทั่งเมื่อประมาณ 350 ล้านปีก่อน การสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นเฉพาะในมหาสมุทรเท่านั้น ในช่วงเวลานั้น พืชเริ่มตั้งรกรากในทวีปต่างๆ ตั้งเป็น “โรงงานสังเคราะห์แสง” ขนาดมหึมา เนื่องจากพืชบนบกเป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าทำให้ที่ดินอ่อนไหวต่อสภาพดินฟ้าอากาศจากสารเคมีมากขึ้น ซึ่งหมายถึงการสกัดสารอาหารจากหิน การตั้งอาณานิคมของทวีปได้เพิ่มการไหลของสารอาหารไปยังมหาสมุทรอย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ การล่มสลายของมหาทวีป Pangaea ก่อนประวัติศาสตร์เมื่อประมาณ 200 ล้านปีก่อน ได้กระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนี้มากขึ้น เมื่อนำมารวมกัน เหตุการณ์เหล่านี้ช่วยเพิ่มความพร้อมของฟอสเฟต ซึ่งพบได้ตามธรรมชาติในหินและแร่ธาตุบางชนิดในมหาสมุทร สาหร่ายทะเลมีวิวัฒนาการเพื่อใช้ประโยชน์จากสารอาหารพิเศษเหล่านี้” ชาโรนีอธิบาย เนื่องจากสาหร่ายขนาดเล็กมีสารอาหารที่สามารถเผาผลาญได้มากขึ้น พวกมันจึงค่อยๆ กลายเป็นแหล่งอาหารที่มีคุณค่าทางโภชนาการมากขึ้น ค้ำจุนและมีส่วนช่วยในการพัฒนาอย่างรวดเร็วของสัตว์ทะเล

“เมื่อพิจารณาจากเหตุการณ์ทางธรณีวิทยาและวิวัฒนาการที่สำคัญ เราสามารถสร้างประวัติศาสตร์ทางธรณีวิทยาของความพร้อมของสารอาหารในมหาสมุทร และการตอบสนองของชีวิตทางทะเลต่อประวัติศาสตร์นี้” เฮเลวีสรุป

นอกเหนือจากการรวบรวมประวัติชีวิตบนโลกที่แม่นยำยิ่งขึ้นแล้ว แนวทางนี้ยังสามารถใช้เพื่อทำความเข้าใจการตอบสนองของชีวิตในมหาสมุทรต่อกิจกรรมของมนุษย์ในปัจจุบันและอนาคตได้ดีขึ้น ปริมาณสารอาหารของสาหร่ายขนาดเล็ก ซึ่งยังคงเป็นพื้นฐานของระบบนิเวศทางทะเลทั้งหมด ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทั่วโลก ซึ่งเป็นผลมาจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจก มนุษย์ยังส่งผลกระทบต่อความพร้อมทางทะเลของสารอาหารที่จำเป็นอย่างฟอสเฟตและไนเตรตโดยการปล่อยสิ่งปฏิกูลและของเสียทางการเกษตรและอุตสาหกรรมลงสู่มหาสมุทร ผลกระทบของกิจกรรมของมนุษย์ต่อทั้งอุณหภูมิและความพร้อมของสารอาหารอาจส่งผลโดยตรงต่อกิจกรรมและความเจริญรุ่งเรืองของสาหร่ายชนิดต่างๆ และเป็นผลต่อทุกสายพันธุ์ต่อไปในห่วงโซ่อาหาร

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*