ชีววิทยากับสภาพแวดล้อมในอวกาศ (LIFE SCIENCE: BIOLOGY)

เรื่องโดย นางสาวณภัทร อภิสุข
นิสิตทุน พสวท. ชั้นปีที่ 3 ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ (Earth Sciences)
คณะวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

ชีววิทยากับอวกาศ เมื่อนึกถึงชีววิทยา อาจชวนให้นึกถึงเซลล์ ต้นไม้ สัตว์ สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กซึ่งล้วนแล้วแต่เป็นสิ่งมีชีวิตบนโลก แต่เมื่อนึกถึงอวกาศคนเรามักนึกถึงสิ่งที่อยู่ภายนอกโลก มีความกว้างใหญ่มากตามภาพจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลที่ได้ช่วยเผยภาพอันกว้างใหญ่ในห้วงลึกของจักรวาล นั่นจึงอาจทำให้ใครหลายๆคนมองว่าการศึกษาทั้งสองเป็นเรื่องที่ห่างไกลกัน ไม่น่าจะมีความเกี่ยวข้องกันได้ แต่ความจริงแล้วชีววิทยามีความสัมพันธ์กับการศึกษาอวกาศในหลายๆด้าน ทั้งการศึกษาความเปลี่ยนแปลงของเซลล์ในร่างกายขณะอยู่ในอวกาศ รวมทั้งการค้นหาสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์ดวงอื่น ดังนั้นผู้เขียนจึงอยากจะพาทุกคนไปรู้จักกับอีกด้านหนึ่งของการศึกษาชีววิทยาซึ่งอยู่ภายใต้สภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) และในสภาวะแรงโน้มถ่วงสูง (hypergravity)

รูปที่ 1 : ภาพของ Hubble Legacy Field ซึ่งประกอบไปด้วยกาแล็กซีมากกว่า 265,000 กาแล็กซี
ลอยเคว้งคว้างกระจัดกระจายกันไปทั่วเอกภพ

ที่มา: NASA, ESA, G. Illingworth and D. Magee (University of California, Santa Cruz), K. Whitaker (University of Connecticut),
R. Bouwens (Leiden University), P. Oesch (University of Geneva), and the Hubble Legacy Field team

The United Nations Office for Outer Space Affairs (UNOOSA) ได้มีการจัด Access to Space for All Initiative and the Hypergravity/Microgravity Webinar Series 2021 ซึ่งเกี่ยวกับการศึกษา วิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) หรือสภาวะแรงโน้มถ่วงสูง (hypergravity) มีจุดประสงค์เพื่อพูดคุย แลกเปลี่ยน สอบถามการศึกษา วิจัย เทคโนโลยีที่สามารถทำในสภาพแวดล้อมแบบนั้นได้ เป็นพื้นที่แลกเปลี่ยนข้อมูลความรู้ในการศึกษาที่น่าสนใจ โดยเมื่อวันที่ 18 เมษายน พ.ศ. 2564 เป็นหัวข้อเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ชีวภาพ (life science) โดยเน้นไปในสาขาชีววิทยา (biology)

ภาพรวมของจุดประสงค์ในการศึกษาชีววิทยาในอวกาศ (Space Biology’s overall objectives)

เพื่อศึกษาการตอบสนองของระบบทางชีววิทยาในสภาพแวดล้อมที่เป็นอวกาศ
เพื่อศึกษากลไกและพัฒนา model ทางสรีรวิทยาสำหรับการศึกษาที่เกี่ยวกับกระบวนการทางชีววิทยาในอวกาศ
เพื่อส่งเสริมความเข้าใจทางกลไกในการดูแลสุขภาพของนักบินอวกาศ

สาเหตุของการศึกษาการตอบสนองของระบบทางชีววิทยาในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำและแรงโน้มถ่วงสูง

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่เรารู้จักถูกวิวัฒนาการขึ้นมาบนโลกภายใต้แรงโน้มถ่วง ทำให้มีความรู้ไม่มากนักเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตหรือระบบร่างกายต่างๆหากอยู่ในอวกาศ ภายนอกแรงโน้มถ่วง การศึกษาเกี่ยวกับสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) จะสามารถบอกถึงการปรับตัวในสภาพแวดล้อมแบบใหม่และการทำให้เกิดวิวัฒนาการและเกิดกระบวนการทางชีววิทยาต่อเนื่องจากบนโลกอย่างไรบ้าง

การใช้ชีวิตระหว่าง space flight ของนักบินอวกาศไม่ได้เจอเพียงสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) เท่านั้น แต่ต้องเผชิญกับแรงโน้มถ่วงประมาณ 3 เท่าของค่าแรงโน้มถ่วง (g) ตอนปล่อยยาน (launch) และมากกว่า 3 เท่าของค่า g ตอนลงจอด (landing) จึงทำให้ต้องการศึกษาความเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องกับสภาวะแรงโน้มถ่วงสูง (hypergravity) เพื่อให้เกิดความเข้าใจในการเปลี่ยนแปลงที่จะเกิดขึ้นกับนักบินอวกาศ ทำให้สามารถสร้างเครื่องมือ อุปกรณ์ที่ช่วยในการเตรียมตัวของนักบินอวกาศได้ดีมากยิ่งขึ้น รวมทั้งเพื่อเป้าหมายสูงสุดในการศึกษาด้านอวกาศอย่างหนึ่งซึ่งก็คือการไปตั้งถิ่นฐาน การใช้ชีวิตในอวกาศในอนาคตนั่นเอง

การเปลี่ยนแปลงทางสรีระวิทยาจากการอยู่ในอวกาศระยะเวลานาน (Physiological Changes in Long-Term Flight)

การสูญเสียมวลกระดูก (Bone loss) มีงานวิจัยที่ศึกษา ได้แก่ การทดลองการเกิดโรคกระดูกพรุนขณะอยู่ในวงโคจร (Osteoporosis Experiments in Orbit: OSTEO) ของ Canadian Space Agency’s Space Life Sciences
กล้ามเนื้ออ่อนแรง (Spinal Muscular Atrophy (SMA)) มีผลการศึกษาจากการทดลองแยกนักบินอวกาศฝาแฝดของ NASA โดยคุณ Scott Kelly หนึ่งในฝาแฝดที่ไปใช้ชีวิตบนสถานีอวกาศนานาชาติ มีอาการกล้ามเนื้ออ่อนแรงจากการอยู่ในสภาวะไร้แรงโน้มถ่วง
ความผิดปกติของระบบประสาท (neurological abnormality) มีงานวิจัยที่ศึกษาผลกระทบของสมอง ระบบประสาทส่วนกลางจากการสัมผัสรังสีในอวกาศและแรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) (Jandial, R., Hoshide, R., Waters, J. D., & Limoli, C. L., 2018)
ภูมิคุ้มกันลดต่ำลง (immunosuppression) มีงานวิจัยที่ศึกษา ได้แก่ การศึกษาผลกระทบของสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำต่อการกดภูมิคุ้มกันและการติดเชื้อซ้ำโดยเกี่ยวข้องกับระบบประสาท (Mann V, Sundaresan A, Mehta SK, Crucian B, Doursout MF, Devakottai S., 2019)
ภาวะถดถอยของหัวใจและหลอดเลือด (cardiovascular deconditioning) มีงานวิจัยที่ศึกษา ได้แก่ การศึกษาผลของการบินในอวกาศเป็นเวลานานต่อโครงสร้างและระบบการทำงานของหัวใจ (Abdullah S, Hastings J, Shibata S et al.,2013)

ซึ่งความเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาในอวกาศเหล่านี้นำไปสู่การป้องกันการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาต่างๆ เช่น การออกกำลังกายด้วยการวิ่ง (Running) หรือการขี่จักรยาน (Biking) อีกทางหนึ่งนอกจากการออกกำลังกายแล้ว คือการพัฒนายา หรือสารอาหารที่ใช้เติมลงในอาหาร ซึ่งสามารถชะลอการเสื่อมสภาพของกล้ามเนื้อโครงร่างและการทำงานของหัวใจและหลอดเลือดได้ แต่ยังไม่สามารถป้องกันการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาที่เกิดจากสภาวะไร้น้ำหนักได้อย่างถาวร

ตัวอย่างการเกิด Mechanical-Biological Coupling ภายใต้แรงโน้มถ่วงต่ำ (Microgravity)

รูปที่ 2 : ภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงของเซลล์กระดูกอ่อน (Cartilage) (ซ้าย) และโปรตีนทิวบูลิน (Tubulin) (ขวา)
ที่มา: Freed et al., PNAS, 1997 และ Tabony et al., PNAS, 2000

จากความเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาในอวกาศที่สามารถเกิดขึ้นได้ จึงเกิดการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของเซลล์และสารชีวโมเลกุล (biomolecule) ว่ามีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรภายใต้แรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity)

ภาพด้านซ้ายเป็นภาพเซลล์กระดูกอ่อน (cartilage) ที่เติบโตในอวกาศ มีฟีโนไทป์ (phenotype) หรือลักษณะที่เหมาะสมกับเซลล์และเส้นใยคอลลาเจน แต่มีคุณสมบัติเชิงกลไม่เหมาะสม เช่น มีความเค้นเชิงกลต่ำกว่าซึ่งอาจส่งผลต่อการทำงานของเซลล์ได้ โดย A และ B เป็นภาพตัดขวาง (Full cross sections) กำลังขยาย 10x ของเซลล์ภายใต้แรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) และบนโลก ส่วน C และ D เป็นตัวแทนพื้นผิวของเซลล์ กำลังขยาย 200x ในภาพ Glycosaminoglycans (GAGs) ย้อมเป็นสีแดงด้วย safranin-O

ภาพด้านขวาเป็นโปรตีนทิวบูลิน (tubulin) ที่สามารถเกิดประกอบกันเป็นสายยาว (polymerization) เป็นไมโครทูบูล (microtubule) ภายในเซลล์ โดยด้านซ้ายของภาพจะเป็นโปรตีนขณะอยู่บนโลก และภาพด้านขวาจะเป็นโปรตีนขณะอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) จะเห็นได้ว่าขณะอยู่ในอวกาศไม่สามารถสร้างรูปแบบทางชีวภาพ (biological pattern) ที่เหมาะสมได้เหมือนกับขณะอยู่บนโลก

จากการตัวอย่างการเกิด Mechanical-Biological Coupling ภายใต้แรงโน้มถ่วงต่ำ (Microgravity) เช่น เซลล์กระดูกอ่อน (Cartilage) และโปรตีนทิวบูลิน (Tubulin) สามารถสรุปการคู่ควบกัน (coupling) ทางชีววิทยาเชิงกลของเซลล์ภายใต้สภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) ได้ว่ามาจากการเปลี่ยนแปลง Mechano-Biological Coupling ในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) ทั้งทางเชิงกลและทางเคมี จึงทำให้เซลล์มีการเจริญเติบโตเร็ว ช้า พฤติกรรมของเซลล์แตกต่างจากบนโลก ซึ่งสภาพแวดล้อมเชิงกลก็มีส่วนสำคัญต่อพฤติกรรมของเซลล์ เนื่องจากเซลล์แต่ละประเภทเหมาะกับสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันนั่นเอง

สภาพแวดล้อมเชิงกลที่ส่งผลต่อเซลล์ (Mechanical Environment Affects Cells)

สภาพแวดล้อมเชิงกลเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจพฤติกรรมของเซลล์ และเป็นสิ่งที่วิศวกรรมเนื้อเยื่อศึกษาเนื่องจากเซลล์ประเภทต่างๆ ของร่างกายสัมผัสกับสภาพแวดล้อมเชิงกลที่แตกต่างกัน เช่น กระดูก ได้รับแรงกดแบบเป็นวงรอบ (cyclic compression forces) ขณะเดิน กระดูกจะรับภาระของร่างกาย เส้นเอ็นซึ่งเป็นเนื้อเยื่อที่เชื่อมต่อกระดูกกับกล้ามเนื้อได้รับความเครียด (strain) แรงตึง (tension) เมื่อเคลื่อนตัว ถ้าเส้นใย (fiber) ยืดมากเกินไป เส้นใยเหล่านี้อาจขาดหรือแตกออก และนำไปสู่การบาดเจ็บได้

ในสาขาวิศวกรรมเนื้อเยื่อ (tissue engineering) และชีววิทยาเชิงกล (mechanobiology) จึงเริ่มทำการศึกษาแรงประเภทต่างๆ เช่น แรงโน้มถ่วงที่เปลี่ยนแปลงไป เนื่องจากเมื่อมนุษย์ไปอวกาศ ทำให้มีความแตกต่างและการเปลี่ยนแปลงในระบบทางชีววิทยา และการเปลี่ยนแปลงบางอย่างอาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงในระดับเซลล์และการตอบสนองของเซลล์ต่อแรงโน้มถ่วงและพฤติกรรมที่แตกต่างกันในสภาวะเหล่านี้

สภาวะแรงโน้มถ่วงสูงกับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ (Hypergravity for Tissue Engineering)

แรงโน้มถ่วงสูง (hypergravity) สำหรับการประยุกต์ใช้งานวิศวกรรมเนื้อเยื่อ คือการทำให้เซลล์สัมผัสกับแรงโน้มถ่วงสูง (hypergravity) จากนั้นจึงศึกษาว่าเซลล์ตอบสนองอย่างไร โดย Miguel Ferreira, University of Manchester ได้ศึกษา 2 เซลล์คือเซลล์บุผนังหลอดเลือดเป็นชั้นเยื่อบุของเซลล์หรือเนื้อเยื่อ (endothelium cells) ที่ประกอบเป็นเส้นเลือด และเอ็นยึดกระดูกกับกล้ามเนื้อ (tendons) เป็นเนื้อเยื่อเกี่ยวพันที่มีความเหนียวและแข็งแรงจึงยึดระหว่างกระดูกกับกล้ามเนื้อ จึงถูกนำมาศึกษาว่าเมื่อต้องเจอกับความเค้น ความเครียดประเภทต่างๆ เซลล์มีพฤติกรรมอย่างไรในสภาวะแรงโน้มถ่วงสูง (hypergravity)

การทดลองจึงมีความจำเป็นที่จะต้องเข้าถึงสภาวะแรงโน้มถ่วงสูง (hypergravity) ซึ่งคุณ Miguel Ferreira ได้มีโอกาสไปทดลองที่ European Space Research and Technology Center (ESTEC) ซึ่งเป็นศูนย์พัฒนาและทดสอบเทคโนโลยีหลักของ European Space Agency สำหรับยานอวกาศและเทคโนโลยีอวกาศ ตั้งอยู่ในเนเธอร์แลนด์ มีสิ่งอำนวยความสะดวกในการทดสอบมากมายเพื่อตรวจสอบการทำงานที่เหมาะสมของยานอวกาศ เช่น Large Space Simulator (LSS) ทั้งนี้อุปกรณ์เกือบทั้งหมดของ ESAจะได้รับการทดสอบในระดับหนึ่งที่ ESTEC ก่อนที่ ESA จะเปิดตัว

โดยการศึกษานี้ได้ทำการทดลองด้วยเครื่องหมุนเหวี่ยงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ (ESA’s Large Diameter Centrifuge: LDC) มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 เมตร เมื่อเครื่องหมุนเหวี่ยงหมุน จะสามารถมีช่วงของแรงโน้มถ่วงสูง (hypergravity) ตั้งแต่ 1g ซึ่งเป็นแรงโน้มถ่วงของโลกไปจนถึง 20g ซึ่งหมายถึง 20 เท่าของแรงโน้มถ่วงโลก และข้อดีสำหรับการทดลองทางชีววิทยาคือ สามารถจัดเก็บการทดลองทั้งหมดไว้ได้ สามารถใส่เครื่องเพาะเลี้ยงเซลล์พร้อมกับตัวอย่างซึ่งเติบโตในเพลตหลายหลุม (multi-plates) ลงไปในเครื่องนี้ได้

รูปที่ 3 : เครื่องหมุนเหวี่ยงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ (ESA’s Large Diameter Centrifuge: LDC)

ผลการทดลอง – เซลล์บุผนังหลอดเลือดเป็นชั้นเยื่อบุของเซลล์หรือเนื้อเยื่อ (Endothelium cells)

รูปที่ 4 : ภาพการเปลี่ยนแปลงของ Endothelial cells เมื่อเพิ่มระดับแรงโน้มถ่วง จากที่ควบคุม 1g, 3g และ 10g
ที่มา: Costa-Almeida, Ferreira et al., (2016)

การทดลองแรกกับเซลล์บุผนังหลอดเลือด โดยการทำให้เซลล์อยู่ภายใต้สภาวะแรงโน้มถ่วงสูงถึง 10g นานถึง 16 ชั่วโมง และเพาะเลี้ยงเซลล์ในจานเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ ผลการทดลองแสดงว่าไม่ทำให้เกิดความแตกต่างมากมาย แต่เมื่อทำการทดสอบการสร้างเส้นเลือดใหม่เพื่อดูว่าเซลล์สามารถประกอบตัวเองเป็นโครงสร้างเส้นเลือดได้อย่างไร ผลการทดลองทำให้ทราบว่าเมื่อเพิ่มระดับแรงโน้มถ่วง เซลล์สูญเสียความสามารถในการเกิดโครงสร้างของเซลล์ ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่น่าสนใจเนื่องจากจะเห็นได้จริงว่าเซลล์สามารถรับรู้สภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันนี้ได้และยังมีความแตกต่างในการทำงานของเซลล์อีกด้วย

ผลการทดลอง – เซลล์เอ็นยึดข้อ (Tendons)

รูปที่ 5 : ผลการทดลองต่อมาเกี่ยวกับเซลล์เอ็นยึดข้อ (Tendons)
ที่มา: Costa-Almeida, Ferreira et al., (2018)

การทดลองต่อมาเกี่ยวกับเซลล์เอ็นยึดกระดูกกับกล้ามเนื้อ (tendons) และผลลัพธ์ก็ค่อนข้างแตกต่าง หลังจากการเพาะเลี้ยงเซลล์ไว้ในสภาวะที่มีแรงโน้มถ่วงสูง จะเห็นระดับกระบวนการแบ่งตัวและการเพิ่มจำนวนของเซลล์ (cell proliferation) เซลล์จะมีการแบ่งตัวและการเจริญเติบโตมากขึ้นเมื่อเซลล์สัมผัสกับสภาวะแรงโน้มถ่วงสูง และสิ่งนี้สามารถนำมาใช้เพื่อเพิ่มศักยภาพของเซลล์เหล่านี้ได้ ตัวอย่างเช่น สำหรับการใช้งานด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อในอนาคต

ตัวอย่างงานศึกษาวิจัยทางชีววิทยาที่ทำในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) และแรงโน้มถ่วงสูง (hypergravity)
Altered gravity platforms in space research; Two applications of in vitro space simulations models

โดย Ferreira de Silva Miranda Silvana & Eline Radstake, Belgian Nuclear Research Center

Ferreira de Silva Miranda Silvana ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับวิทยาภูมิคุ้มกัน (Immunology) โดยมุ่งเน้นไปที่ T-cell ซึ่งคือเซลล์ที่เจริญเติบโตแถวต่อมไธมัส (thymus gland) บริเวณลำคอ ถือเป็นหัวใจหลักในการปรับระบบภูมิคุ้มกันของร่างกายให้ตอบสนองกับเชื้อโรค เนื่องจาก T-cell มีอายุอยู่ได้นานหลายปี ทั้งยังมีความสามารถในการจดจำเป้าหมาย ทำให้เซลล์ชนิดนี้สามารถตอบสนองกับเชื้อโรคตัวเดิมที่เคยเจอ และกำจัดทิ้งได้อย่างรวดเร็ว แต่ได้มีการค้นพบเรื่องภูมิคุ้มกันโรคที่อ่อนลงในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) เกิดขึ้นจากการทดลองเซลล์มนุษย์ที่ส่งไปพร้อมกับยานอวกาศ Atlantis ความสามารถในการต่อสู้เชื้อโรคของเซลล์ลดลง ในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) แม้ว่าช่วงเวลาที่เซลล์อยู่ในสภาวะเช่นนั้นจะสั้นเพียงแค่สองสัปดาห์ จึงได้มีการศึกษาลักษณะพฤติกรรมของเซลล์ที่เกิดขึ้นเนื่องจากเกี่ยวข้องกับการที่นักบินอวกาศมีโอกาสป่วยมากขึ้นในสภาวะแวดล้อมเช่นนั้น

Eline Radstake ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับการรักษาแผลของร่างกาย ดังที่ใครหลายๆคนอาจจะเห็นว่ามีการวางแผนที่จะส่งหนูที่มีแผลไปสู่สถานีอวกาศนานาชาติ เพื่อศึกษาความสามารถในกระบวนการสมานบาดแผลของร่างกาย การศึกษานี้จึงมุ่งเน้นไปที่ เซลล์ไฟโบรบลาสต์ (fibroblast) หรือเซลล์ที่เป็นตัวสร้างโปรตีน 2 ชนิด คือ คอลลาเจนและอิลาสติน ซึ่งมีความสำคัญมากในการรักษาความชุ่มชื้นให้กับผิวหนัง ช่วยยึดเหนี่ยวผิวหนังให้มีความแข็งแรงและมีความยืดหยุ่น จึงถูกนำมาทำการทดลองในสภาวะแรงโน้มถ่วงสูง (hypergravity) เพื่อดูกระบวนการเปลี่ยนแปลงของ เซลล์ไฟโบรบลาสต์ (fibroblast)

เห็นได้ว่านักวิจัยต้องการค้นหาวิธีเพิ่มความสามารถในการทำงานของเซลล์ เพื่อลดความเสี่ยงของการเจ็บป่วยของนักบินอวกาศ และ การทดลองนี้น่าจะให้ข้อมูลที่มีประโยชน์ต่อสุขภาพของนักบินอวกาศที่ต้องทำงานนอกโลกเป็นระยะเวลานาน

จุลินทรีย์ (Microbes), แร่ (Minerals) และการหาสิ่งมีชีวิตบนดวงอังคาร (the Search for Life on Mars)

รูปที่ 6 : ภาพแสดง Jezero Crater บนดาวอังคาร ซึ่งเป็น Mars 2020’s Landing Site
ที่มา: NASA/JPL-Caltech/ASU

จากการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ในอวกาศ ซึ่งทฤษฎีเซลล์ในปัจจุบันระบุว่า สิ่งมีชีวิตทุกชนิดประกอบด้วยหนึ่งเซลล์หรือมากกว่าหนึ่งเซลล์ สิ่งมีชีวิตที่เล็กที่สุดคือ เซลล์หนึ่งเซลล์ และเซลล์เป็นหน่วยย่อยพื้นฐานที่รักษาคุณสมบัติของสิ่งมีชีวิต กำหนดรูปร่าง โครงสร้าง หน้าที่ และกลไกการทำงานในสิ่งมีชีวิต โดยเซลล์หลาย ๆ เซลล์รวมกลุ่มเป็นเนื้อเยื้อ (Tissue) ส่วนจุลินทรีย์ (Microbes) คือสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่มีทั้งเซลล์เดียวและหลายเซลล์ มีองค์ประกอบของเซลล์ไม่ซับซ้อน แตกต่างจากเซลล์ของสิ่งมีชีวิตชั้นสูงอย่างมนุษย์หรือสัตว์ที่มีความซับซ้อน จุลินทรีย์ถือได้ว่าเป็นจุดเริ่มต้นของวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตและก่อให้เกิดความหลากหลายทางชีวภาพ (Biodiversity) และมีบทบาทสำคัญมากต่อวัฏจักรต่างๆ ของโลก

การกำเนิดสิ่งมีชีวิตและวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตในด้านชีววิทยาและธรณีวิทยา คงมีคำถามมากมายเกี่ยวกับหลักฐานของการกำเนิดของสิ่งมีชีวิตบนโลกและเราจะสามารถนำหลักฐานนั้นไปยืนยันการสำรวจสิ่งมีชีวิตอื่นในจักรวาลได้อย่างไร ซึ่งหลักฐานทางธรณีวิทยาจะช่วยบ่งบอกเรื่องราวในอดีต เมื่อพูดถึงเรื่องราวในอดีตใครหลายๆ คนอาจนึกถึงฟอสซิลกระดูกของไดโนเสาร์ ฟอสซิลไดโนเสาร์นี้สามารถบอกถึงรูปร่าง การเคลื่อนที่ การเดิน พฤติกรรม รวมถึงการสืบพันธุ์ได้ แต่ก็มีข้อจำกัด เนื่องจากกระดูกเหล่านี้ไม่สามารถบอกถึงเสียงหรือลักษณะเนื้อเยื่ออ่อนนุ่ม (soft tissue) ของมันได้หากไม่ถูกเก็บรักษาแบบ Lagerstätten ซึ่งเป็นการเก็บรักษาแบบพิเศษ จึงเป็นสาเหตุที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะศึกษาและหาข้อมูลเพื่อตอบสิ่งที่ตั้งคำถามหรือสมมติฐานไว้

อย่างไรก็ตาม ปัญหาใหญ่สำหรับหลักฐานประเภทฟอสซิลคือการที่มันอาจมีอายุถึง 450 ล้านปีมาแล้ว หรือตั้งแต่มหายุคพรีแคมเบรียน (Precambrian) ที่ไม่มีสิ่งมีชีวิตหรือพืชที่เป็นฟอสซิลจากการที่สภาพแวดล้อมไม่เหมาะสมและไม่มีส่วนโครงร่างแข็ง (hard parts) ที่สามารถบันทึกไว้ในหิน (rock record) ได้

โลกมีอายุประมาณ 4.5 พันล้านปี และสิ่งมีชีวิตที่เก่าแก่ที่สุดอาจเกิดขึ้นประมาณ 4 พันล้านปี 2.2 พันล้านปีก่อน เริ่มมีวิวัฒนาการของการสังเคราะห์ด้วยแสง และเริ่มมีออกซิเจนในชั้นบรรยากาศและในมหาสมุทร ซึ่งทราบเรื่องนี้ด้วยวิธีการต่างๆ เช่น การหา Oxygen Isotope ดังนั้นสิ่งที่ต้องการทำความเข้าใจในวันนี้คือหลักฐานทางธรณีวิทยาประเภทใดที่สามารถรวบรวมเพื่อบอกเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตในอดีต และบอกเล่าเรื่องราวในอดีตได้อย่างไร สำหรับสิ่งมีชีวิตบนดาวอังคาร นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้คาดหวังว่าจะพบโครงกระดูก T-rex ที่อยู่บนพื้นผิวรอการค้นพบ แต่พวกเขาคาดหวังว่าจะพบรูปแบบชีวิตที่คล้ายกับจุลินทรีย์ที่เห็นในโลกยุคแรกๆ การตรวจหาสัญญาณบ่งชี้ถึงสิ่งมีชีวิต (biosignature) ซึ่งมักอยู่ในรูปของธาตุ สารประกอบ หรือปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากสิ่งมีชีวิตในอดีตหรือปัจจุบัน เช่น ไบโอมาร์คเกอร์ (biomarkers) สโตรมาโตไลต์ (stromatolite) และ microfossil

การศึกษาต่างๆ เหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญเมื่อเราจะหาหลักฐานของสิ่งมีชีวิตบนดาวอังคาร ดังภาพของ Jezero Crater ที่ยาน Mars Perseverance ลงจอด สังเกตได้ว่ามีร่องลึกที่มีลักษณะเหมือนคลองหรือแม่น้ำมาบรรจบกันจึงทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า Jezero Crater อาจจะเคยเป็นทะเลสาบก็เป็นได้ นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังค้นพบว่าบริเวณปากของคลองใน Jezero Crater เป็นลักษณะการสะสมตัวแบบสามเหลี่ยมปากแม่น้ำ (Delta-like deposit) ซึ่งก็คือมีชั้นของตะกอนกองอยู่ตรงปากคลอง ซึ่งส่วนใหญ่นั้นจะเกิดจากการที่คลองพัดพวกเศษตะกอนออกมากองเหมือนบนโลกจึงสนับสนุนสมมติฐานที่ว่าดาวอังคารเคยมีน้ำ จึงเป็นที่มาในการค้นหาร่องรอยของสิ่งมีชีวิตในอดีต บนดางอังคาร

จากทั้งหมดที่ผู้เขียนได้กล่าวมาข้างต้นจะเห็นได้ว่าการศึกษาทางชีววิทยามีความเกี่ยวข้องกับการศึกษาและเทคโนโลยีอวกาศเป็นอย่างมาก ได้แก่ การศึกษาการเปลี่ยนแปลงของเซลล์และสารชีวโมเลกุล (biomolecule) ภายใต้สภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ (microgravity) และในสภาะแรงโน้มถ่วงสูง (hypergravity) ประยุกต์สำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ (Tissue Engineering) รวมไปถึงการรักษาแผลบนร่างกาย นั่นจึงเป็นเหตุผลที่มีวิชาชีวดาราศาสตร์ (Astrobiology) ซึ่งเป็นวิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับการก่อกำเนิด, วิวัฒนาการ, ความน่าจะเป็นในอนาคตของสิ่งมีชีวิตในจักรวาล

มีการประยุกต์ใช้วิทยาศาสตร์หลายแขนง ทั้งฟิสิกส์, เคมี, ชีววิทยา, ดาราศาสตร์, ชีววิทยาโมเลกุล (Molecular Biology), นิเวศน์วิทยา (Ecology), วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ (Planetary Science), ธรณีวิทยา และภูมิศาสตร์ เพื่อที่จะตอบคำถามว่ามีสิ่งมีชีวิตอยู่นอกโลกหรือไม่ และรูปแบบสิ่งมีชีวิตบนดาวดวงนั้นว่าจะแตกต่างไปจากรูปแบบสิ่งมีชีวิตบนโลกเพียงใด และมนุษย์เราจะสามารถตรวจพบได้อย่างไร รวมไปถึงการที่ในอนาคต มนุษย์สามารถไปใช้ชีวิตอยู่บนดาวเคราะห์ดวงอื่น การท่องเที่ยวอวกาศ การสร้างอาณานิคมบนอวกาศ การศึกษาทำความเข้าใจชีววิทยาในอวกาศนี้จะช่วยเตรียมความพร้อมให้เราสามารถวางแผนรับมือเพื่อไปใช้ชีวิตในอวกาศได้อย่างแท้จริง และผู้เขียนหวังว่าสิ่งนี้จะทำให้ใครก็ตามที่ได้อ่านบทความนี้ได้แรงบันดาลใจในการทำสิ่งที่ชอบแม้จะดูไม่สัมพันธ์กัน เหมือนกับการที่ชีววิทยาและอวกาศยังมีความเกี่ยวเนื่องกันได้นั่นเอง

แหล่งที่มา

Abdullah S, Hastings J, Shibata S et al (2013) Effects of prolonged space flight on cardiac structure and function (Abstract). Circulation 128:A18672
Costa-Almeida R, Daniel T.O. Carvalho, Miguel J.S. Ferreira, Tamagno Pesqueira, Monica Monici, Jack J.W.A. van Loon, Pedro L. Granja, and Manuela E. Gomes. Continuous Exposure to Simulated Hypergravity-Induced Changes in Proliferation, Morphology, and Gene Expression of Human Tendon Cells. 2018; 27:12, 858-869. https://doi.org/10.1089/scd.2017.0206
Costa-Almeida R, Carvalho D T. O., Ferreira MJS, Aresta G, Gomes ME, vanLoon JJWA, Van der Heiden K, Granja PL. 2016 Effects of hypergravity on the angiogenicpotential of endothelial cells. Journal of The Royal Society Interface 13: 20160688. https://dx.doi.org/10.1098/rsif.2016.0688
Crucian, B. E.,, et al. (2018). “Immune System Dysregulation During Spaceflight: Potential Countermeasures for Deep Space Exploration Missions.” Front Immunol 9: 1437.
Cyril Papaseit, Nathalie Pochon, and James Tabony. Microtubule self-organization is gravity-dependent. National Academy of Sciences (PNAS) July 18, 2000 97 (15) 8364-8368; https://doi.org/10.1073/pnas.140029597
Jandial, R., Hoshide, R., Waters, J. D., & Limoli, C. L. (2018). Space-brain: The negative effects of space exposure on the central nervous system. Surgical neurology international, 9, https://doi.org/10.4103/sni.sni_250_17
Lisa E. Freed, Robert Langer, Ivan Martin, Neal R. Pellis, Gordana Vunjak-Novakovic. Tissue engineering of cartilage in National Academy of Sciences (PNAS) December 9, 1997 94 (25) 13885-13890; https://doi.org/10.1073/pnas.94.25.13885
Mann, V., Sundaresan, A., Mehta, S. K., Crucian, B., Doursout, M. F., & Devakottai, S. (2019). Effects of microgravity and other space stressors in immunosuppression and viral reactivation with potential nervous system involvement. Neurology India, 67(Supplement), S198–S https://doi.org/10.4103/0028-3886.259125
Thiel, C. S, et al. (2017). “Time course of cellular and molecular regulation in the immune system in altered gravity: Progressive damage or adaptation ?” REACH 5: 22-32.
Yatagai, F., et al. (2019). “Biological effects of space environmental factors: A possible interaction between space radiation and microgravity.” Life Sciences in Space Research 20: 113-123.