หมีน้ำ: อึด ถึก ทน

เขียนโดย Due_n Authenticated user เมื่อ 3 พฤษภาคม 2554

หมีน้ำ Echiniscus testudo ที่อยู่ใต้ใบมอส
(ภาพจาก http://www.psmicrographs.co.uk/water-bears-or-tardigrades--echiniscus-testudo-/science-image/80018632)

เรื่องโดย:นพปฎล มากบุญ

เนื้อหาโดยย่อ: หมีน้ำเป็นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กมากที่แพร่กระจายพันธุ์ไปทั่วโลกตั้งแต่ขั้วโลกไปจนถึงเขตศูนย์สูตร และพบได้ทั้งในเทือกเขาหิมาลัยที่สูง 6,600 เมตรลงไปยังใต้ทะเลที่ลึกถึง 4,960 เมตรในปัจจุบันพบหมีน้ำแล้วทั้งหมด 1,306 ชนิดและพบในประเทศไทยไม่ต่ำกว่า 14 ชนิด หมีน้ำสามารถทนต่อสภาวะที่รุนแรงต่างๆ ได้ดี หมีน้ำมีความสามารถในการพักตัวในสภาวะที่ไม่เหมาะสมโดยจะลดกิจกรรมต่างๆ ภายในร่างกายและการตอบสนองอื่นๆ ลงจนไม่สามารถวัดค่าได้ที่เรียกว่า cryptobiosis กระบวนการดังกล่าวทำให้หมีน้ำทนต่ออุณหภูมิสูงได้มากถึง 151 องศาเซลเซียสในเวลา 15 นาที ทนต่ออุณหภูมิต่ำสุดถึง -272.8 องศาเซลเซียสเป็นเวลานาน 8 ชั่วโมง และทนต่อก๊าซคาร์บอนไดออกไซต์ ก๊าซไข่เน่า และเมทิลโบรไมด์ได้ดี นอกจากนี้หมีน้ำในระยะพักตัวยังสามารถมีชีวิตอยู่รอดได้นานถึง 8-9 ปี (ในสภาวะปกติ หมีน้ำสามารถมีชีวิตอยู่ได้นาน 2-3 เดือนจนถึง 3 ปี) ข้อกล่าวอ้างที่ว่าหมีน้ำสามารถพักตัวและมีชีวิตอยู่ได้นานถึง 100 ปีนั้นได้ถูกปฏิเสธแล้วในปัจจุบัน นอกจากนี้ หมีน้ำยังทนต่อรังสีต่างๆ ได้มากกว่ามนุษย์หลายร้อยหลายพันเท่า และทนต่อแรงดันอากาศได้มากกว่าคนเราถึง 600 เท่า หมีน้ำยังเป็นสิ่งมีชีวิตแรกที่สามารถอยู่รอดได้ในอวกาศเป็นเวลาอย่างน้อย 10 วัน แม้จะดูว่าหมีน้ำเป็นสิ่งมีชีวิตที่อึด ถึก ทน แต่พวกมันก็มีสัตว์นักล่าและปรสิตที่คอยควบคุมประชากรเช่นกัน

------------------------------------------------------------------------------------

หมีน้ำในสกุล Echiniscus (ภาพโดย Martin Mach)

เมื่อเอ่ยถึงหมีน้ำ หลายคนอาจไม่คุ้นหูและคุ้นชื่อนัก แต่ความมหัศจรรย์ของมันทำให้หลายคนต้องหันกลับมามองมันอีกครั้ง "หมีน้ำ...อึด ถึก ทน และอายุยืนยาวจริงอย่างนั้นหรือ!?"

หมีน้ำ (water bear, moss piglet) เป็นสิ่งมีชีวิตที่อยู่ในไฟลัม Tardigrada (นักวิทย์มักเรียกสิ่งมีชีวิตที่อยู่ในไฟลัมนี้ว่า Tardigrades) มีขนาดเล็กมากประมาณ 0.01-1.50 มม.ตัวอ้วนกะปุกลุกเหมือนกับหมีย่อส่วน แต่กลับมี 8 ขา โดยปลายขาจะมีกงเล็บ (claws) หรือแผ่นดูด (sucking disks) อยู่ เคลื่อนที่ไปมาเมื่ออยู่ในน้ำ จึงเป็นที่มาของชื่อสามัญ ส่วนชื่อไฟลัมนั้นนักวิทย์ได้ตั้งชื่อตามลักษณะการเคลื่อนที่แบบกระดึ๊บช้าๆ ของมันครับ หมีน้ำมักมีลำตัวโปร่งแสงหรือทึบแสง ส่วนผิวหนังหรือลำไส้อาจมีสีน้ำตาล เขียว ส้ม เหลือง แดง หรือชมพู นักวิทย์ที่ค้นพบหมีน้ำเป็นครั้งแรกก็คือ Johann August Ephraim Goeze ในปี พ.ศ. 2316 หรือเมื่อ 238 ปีที่แล้ว หลังจากนั้นก็มีการค้นพบซากฟอสซิลในก้อนอำพัน ซากฟอสซิลเก่าแก่ที่สุดเท่าที่เคยบันทึกไว้คือ Milnesium swolenskyi อยู่ในสมัย Upper Cretaceous หรือเมื่อ 99-65 ล้านปีก่อนโน่นแหละครับ ในปัจจุบันเราพบว่าทั่วโลกมีจำนวนชนิดของหมีน้ำอยู่ 1,306 ชนิดครับ

หมีน้ำจัดมันเป็นสัตว์น้ำโดยส่วนใหญ่มักพบบนบก แม้จะขึ้นชื่อว่าอยู่บนบก แต่พวกมันก็ต้องการน้ำในการดำเนินชีวิต เนื่องจากตัวมันมีน้ำเป็นส่วนประกอบมากถึง 70% เราจึงพบพวกมันหลบซ่อนอยู่ตามมอส ไลเคน ดิน และกองเศษใบไม้ รวมไปถึงบนพืชอิงอาศัยเกาะตามต้นไม้ ทะเลทราย และที่เหลือจะพบได้ในแหล่งน้ำจืด น้ำกร่อย และน้ำเค็ม (อาจจะอาศัยอยู่ตามหาดทราย สาหร่ายทะเล เพรียงหิน (acorn barnacles) ปะการัง สัตว์ทะเลลึกอื่นๆ และท้องทะเล) หมีน้ำทั้งหมดได้แพร่กระจายไปทั่วทุกมุมของโลก ตั้งแต่บนเทือกเขาหิมาลัยที่ระดับความสูง 6,600 เมตรจนถึงใต้ทะเลที่ระดับความลึก 4,960เมตร (จุดที่ลึกที่สุดในโลกอย่างจุด Challenger Deep บริเวณร่องลึกก้นสมุทรมาเรียนา (Mariana Trench) มีความลึกถึง10,916 เมตร) นอกจากนี้ เรายังพบมันได้ตั้งแต่บริเวณขั้วโลกจนถึงเขตศูนย์สูตรอีกด้วย ในประเทศไทยนั้นมีรายงานพบแล้วอย่างน้อย 14 ชนิดในภาคเหนือและตะวันออกเฉียงเหนือ

(ภาพจาก: http://28.media.tumblr.com/tumblr_kyslf3yenX1qafd7uo1_500.jpg)

หมีน้ำส่วนใหญ่มักจะกินพืชเป็นอาหาร แต่ก็มีบางชนิดที่กินสิ่งมีชีวิตอื่นเป็นอาหารเช่น โรติเฟอร์ หนอนตัวกลม และหมีน้ำชนิดอื่นอีกด้วย หมีน้ำบางชนิดกินซากสิ่งมีชีวิตเช่น แบคทีเรีย สาหร่าย และโปรโตซัวเป็นต้น หมีน้ำมีการสืบพันธุ์ทั้งแบบอาศัยเพศ และแบบไม่อาศัยเพศ ทั้งออกลูกโดยไม่แคร์น้ำเชื้อตัวผู้ (parthenogenesis) และมีอวัยวะสืบพันธุ์ของสองเพศอยู่ในตัวเดียวกัน (hermaphroditism) นอกจากนี้ หมีน้ำยังสามารถใช้เป็นตัวตรวจจับคุณภาพสิ่งแวดล้อมเช่นเดียวกับมอสที่มันอาศัยอยู่อีกด้วย การศึกษาในประเทศฮังการีเมื่อปี พ.ศ. 2545 พบว่า เมื่อมีปริมาณโลหะหนักมากขึ้น (โดยเฉพาะแคดเมียมและโครเมียม) จำนวน ความถี่ และความชุกชมของหมีน้ำจะลดลงครับ อ้ะ! อ้ะ! อย่าเพิ่งรีบร้องว้าวไปครับ นี่เป็นแค่อาหารเรียกน้ำย่อยเท่านั้น!

หมีน้ำที่อยู่บนบกจะไม่ได้สัมผัสน้ำตลอดเวลาหรอกครับ สิ่งนี้ทำให้พวกมันต้องลดกิจกรรมลง(คล้ายกับการจำศีล)เพื่อรอวันได้สัมผัสกับน้ำอีกครั้ง สภาวะการยืดอายุโดยการลดการตอบสนองและกระบวนการเผาผลาญอาหารลงจนไม่สามารถวัดค่าได้เรียกว่า cryptobiosis ครับ สภาวะดังกล่าวสามารถพบได้ในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังชนิดอื่นเช่น ริ้นน้ำจืด โรติเฟอร์ (rotifer) อาร์ทีเมีย (artemia) เป็นต้น หมีน้ำรวมถึงหนอนตัวกลมและเดลลอยด์โรติเฟอร์ (bdelloid rotifers) สามารถเข้าสู่ภาวะดังกล่าวได้ทุกระยะในวงจรชีวิตของพวกมันตั้งแต่ไข่จนถึงตัวเต็มวัย เราสามารถแยกสภาวะ cryptobiosis ของหมีน้ำออกไป 4กลุ่มตามตัวกระตุ้นจากสิ่งแวดล้อมคือ 1. การขาดน้ำ (anhydrobiosis) 2. อุณหภูมิต่ำ (cryobiosis) 3. การขาดออกซิเจน (anoxybiosis) และการมีความเข้มข้นของสารละลายในน้ำมากขึ้น (osmobiosis) ตัวกระตุ้นเหล่านี้จะทำให้หมีน้ำสูญเสียน้ำในตัวและหดตัวกลายเป็นก้อนกลมดิ๊กที่เรียกว่า tun และเมื่อมันได้สัมผัสน้ำ หมีน้ำจะเหมือนกับเจ้าหญิงนิทราที่ได้รับจุมพิตรจากเจ้าชาย มันจะฟื้นกลายร่างและคืนชีพมาลัลล้าในเวลาไม่นานครับ

ไข่ของหมีน้ำ R. coronifer: (2) ลักษณะไข่ (3) ไข่ที่เริ่มฟักออกมาเป็นตัว (Rebecchi et al, 2007)

ในหนังสือและเว็บไซต์หลายแห่งได้กล่าวถึงความอัศจรรย์ของหมีน้ำว่า "หมีน้ำสามารถอยู่ได้นานถึง 100 ปีในสภาพพักตัว" คำกล่าวอ้างนี้มาจากงานวิจัยในปี พ.ศ. 2491 โดยนักชีววิทยาชาวอิตาลีชื่อ Tina Franceschi เธอได้ซากหมีน้ำในตัวอย่างมอสที่ถูกเก็บเมื่อปี พ.ศ. 2371 หรือเมื่อ 120 ปีก่อนในพิพิธภัณฑ์ของอิตาลี เมื่อเธอเอาน้ำใส่ก็พบว่าร่องรอยการมีชีวิตของหมีน้ำตัวนี้ ซึ่งเป็นการขยับเขยื้อนของขาหน้าข้างเดียวเท่านั้น ในปี 2544 นักวิทย์ได้ปฏิเสธคำกล่าวอ้างนี้แล้ว แล้วมันมีอายุมากที่สุดเท่าไหร่ล่ะ? ในหมีน้ำที่อยู่ในสภาวะปกติ อายุของพวกมันจะอยู่ได้นานเพียงสองสามเดือนถึงสามปีเท่านั้น ในหมีน้ำสกุล Macrobiotus และ Hypsibius ที่อาศัยอยู่ในน้ำจืดจะมีอายุนานประมาณ 1-2 ปี ในขณะที่หมีน้ำในสกุลเดียวกันที่อาศัยอยู่ตามมอสจะมีอายุอยู่ได้ 4-12 ปี การพักตัวในหมีน้ำจะช่วยยืดอายุได้นานขึ้น ระยะเวลาการอยู่ในสภาวะนี้ก็ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความชื้นตลอดช่วงเวลาดังกล่าว จากข้อมูลที่น่าเชื่อถือพบว่า อายุที่มากที่สุดของหมีน้ำจะแตกต่างกันในแต่ละชนิด หมีน้ำชนิด Microbiotus sp. จะมีชีวิตอยู่ได้นานเกือบ 7 ปีในภาวะขาดน้ำ จากหมีน้ำ 3 ชนิดที่เก็บตัวอย่างมาจากทวีปแอนตาร์กติกแล้วแช่เย็นที่อุณหภูมิ -22 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 8 ปีพบว่ายังมีอัตราการรอดชีวิตสูงถึง 80% แต่บางชนิดก็พบว่ามีอายุค่อนข้างสั้นเช่น หมีน้ำบางชนิดที่อาศัยอยู่ในระบบนิเวศกึ่งบก (semi-terrestrial) จะมีอายุเพียง 1-2 เดือนเท่านั้น นอกจากตัวเต็มวัยแล้ว ไข่ของหมีน้ำ Ramazzottius oberhaeuseri จำนวน 4 ฟองที่อยู่ในตัวอย่างไลเคนที่ถูกเก็บรักษานาน 9 ปีสามารถฟักออกมาเป็นตัวได้หลังจากให้น้ำแก่ไข่เหล่านี้

หมีน้ำที่อยู่ในระยะพักตัวสามารถทนต่อความร้อนได้ดีเช่น หมีน้ำชนิด Macrobiotus hufelandi สามารถอยู่รอดได้หลังจากสัมผัสกับอุณหภูมิ 120-125 องศาเซลเซียสเป็นเวลาสองสามนาที นอกจากนี้ยังพบว่าหมีน้ำบางชนิดสามารถอยู่รอดได้ในอุณหภูมิ 151 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 15 นาที แม้หมีน้ำ Richtersius coronifer จะไม่มีชีวิตรอดได้หลังจากสัมผัสกับอุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 60 นาทีก็ตาม แต่มันสามารถมีชีวิตรอดได้ที่อุณหภูมิ 70 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 1 ชั่วโมงโดยไม่มีผลกระทบใดๆ เลย เช่นเดียวกับอุณหภูมิสูง หมีน้ำสามารถอยู่ในที่ที่มีอุณหภูมิต่ำได้ดี ในปี พ.ศ. 2493 นักวิทย์พบว่า มันยังฟื้นมาได้อีกครั้งหลังจากแช่ที่ความเย็น -272.8 องศาเซลเซียส(ซึ่งเกือบจะถึงอุณหภูมิศูนย์สมบูรณ์) ได้ นอกจากนี้ หมีน้ำสามารถฟื้นคืนชีพได้หลังจากลงในอากาศเหลว (liquid air) ที่มีอุณหภูมิ -190 และ -200 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 21 เดือน ในไนโตรเจนเหลวที่มีอุณหภูมิ –253 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 26 ชั่วโมง และในฮีเลียมเหลวที่มีอุณหภูมิ -272 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 8ชั่วโมงอีกด้วย สิ่งที่ทำให้หมีน้ำอยู่รอดได้ก็คือการแปลงร่างเป็นก้อนกลม (tun formation) และในหลายชนิดจะรวมการลดการผลิตน้ำตาลทรีฮาโลส (trehalose) ที่ช่วยควบคุมการเป็นน้ำแข็งในของเหลวที่อยู่ระหว่างเซลล์เข้าไปด้วย ลักษณะที่คล้ายคลึงกันนี้ยังพบได้ในหมีน้ำชนิด Bertolanius nebulosus อีกด้วย (สิ่งมีชีวิตที่สามารถทนต่อสภาวะที่สุดโต่งได้กว้างที่สุดคือ ริ้นน้ำจืดชนิด Polypedilum vanderplanki ที่สามารถทนต่ออุณหภูมิได้ตั้งแต่ -270 องศาเซลเซียส ถึง 130 องศาเซลเซียสและสามารถมีอยู่รอดได้เมื่อถูกจุ่มลงในเอทานอลหรือกลีเซอรอลบริสุทธิ์)

หมีน้ำชนิด Echiniscus trisetosus: (D) รูปร่างในภาวะปกติ (E) รูปร่างในภาวะพักตัว (Bertolani et al, 2004)

ในสภาพที่มีออกซิเจนต่ำ หมีน้ำบางชนิดสามารถอยู่รอด(ในภาวะจำศีล)ได้นานมากถึง 5 วัน ในหมีน้ำสกุล Echiniscoides ที่อาศัยอยู่ในทะเลสามารถดำรงชีวิตอยู่ในขวดแก้วที่มีซากเพรียงหินเน่าได้นานหลายเดือน แต่สำหรับหมีน้ำที่อาศัยอยู่ในทะเลกลับไม่สามารถทนอยู่ในสภาวะนี้ได้นานนัก พวกมันอาจจะอยู่ได้แค่ 2-3 ชั่วโมงจนถึง 3 วันเท่านั้น นอกจากทนต่อภาวะที่มีออกซิเจนต่ำแล้ว หมีน้ำยังขึ้นชื่อเรื่องทนต่อปริมาณรังสีสูงๆ ได้ นอกจากนี้ หมีน้ำยังทนต่อก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) และก๊าซไข่เน่าหรือไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂S) ได้ดี นอกจากนี้ หมีน้ำยังทนต่อสารรมที่มีความพิษสูงอย่างเมทิลโบรไมด์ หมีน้ำ R. coronifer สามารถทนต่อเมทิลโบรไมด์ (50 g/m³) เป็นเวลา 70 ชั่วโมงได้อีกด้วย

ในกลุ่มสัตว์ที่มีวิวัฒนาการสูง (eukaryotes) ทั้งเซลล์เดียวและหลายเซลล์ส่วนใหญ่ต่างมีความต้านทานต่อรังสีได้น้อย...ยกเว้นหมีน้ำ ในมนุษย์นั้น ถ้าได้รับปริมาณรังสี 5-10 เกรย์ (Gy) จะทำให้เสียชีวิตได้ แต่หมีน้ำอึดกว่าสัตว์ชนิดอื่นๆ มาก พวกมันมีค่า LD₅₀(ปริมาณรังสีที่ทำให้จำนวนประชากรตายไปครึ่งหนึ่ง) ของรังสีเอ็กซ์ (X-ray) ที่ประมาณ 5,000 เกรย์ โดยในภาวะพักตัวจะมีค่า LD₅₀สูงกว่าภาวะปกติเล็กน้อย (ในคนเรา ค่า LD₅₀ของรังสีเอ็กซ์เรย์อยู่ที่ >2.5-4.5 เกรย์) ส่วนรังสีแกมม่านั้น เท่าที่มีการศึกษาพบว่า หมีน้ำ 2 ชนิดคือ Milnesium tardigradum และ Richtersius coronifer สามารถทนต่อรังสีแกมม่าได้เช่นกัน หมีน้ำ R. coronifer ทั้งในภาวะปกติและพักตัวที่สัมผัสกับรังสีแกมม่าในช่วง 500 หรือ 1,000 เกรย์จะไม่มีการตายเกิดขึ้น ในส่วน M. tardigradum จะทนต่อรังสีนี้ได้มากกว่าคือ 1,000-7,000 เกรย์ทั้งในภาวะปกติและภาวะพัก แต่ถ้าปริมาณรังสีแกมม่าเกินกว่า 1,000 เกรย์จะทำให้หมีน้ำชนิดนี้เป็นหมัน นอกจากนี้ หมีน้ำ M. tardigradum จะทนต่อไออนโลหะ (ปริมาณตั้งแต่ 1,000-8,000 เกรย์) ได้มากกว่ารังสีแกมม่าอีกด้วย หมีน้ำ Paramacrobiotus areolatus ที่อยู่ภาวะพักตัวสามารถทนต่อรังสียูวีได้นาน 2-6 ชั่วโมง ซึ่งสูงกว่าในภาวะปกติมาก หมีน้ำในภาวะปกติ เมื่อสัมผัสกับรังสียูวีเป็นเวลา 1 ชั่วโมงจะมีอัตราการรอดชีวิตเพียง 58.6% และจะลดลงเหลืองเพียง 8.6% เมื่อเวลาผ่านไป 2 ชั่วโมง การที่สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กนี้สามารถทนต่อรังสีต่างๆ ได้ดีนั้นอาจมาจากระบบการซ่อมแซมโดยเฉพาะดีเอ็นทีที่มีประสิทธิภาพสูง

เนื่องจากหมีน้ำสามารถทนต่อรังสีต่างๆ ได้ดี นักวิทย์จึงเลือกให้หมีน้ำเป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบในการศึกษาในอวกาศในชื่อโครงการว่า TARSE (Tardigrades Resistance to Space Effects) ที่เริ่มขึ้นในปี พ.ศ. 2550 หลังจากบินอยู่รอบโลกในระดับต่ำ (258–281 กิโลเมตรจากระดับน้ำทะเล) เป็นเวลา 10 วันในภารกิจ FOTON-M3 เมื่อเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2550 นักวิทย์พบว่า หมีน้ำ M. tardigradum และ R. coronifer ทั้งตัวเต็มวัยและไข่สามารถทนต่อสภาวะสุญญากาศและรังสี UV-A และ UV-B ได้ดีโดยไม่มีการตายเกิดขึ้น ซึ่งถือเป็นสัตว์ชนิดแรกที่มีชีวิตรอดได้ในอวกาศ (ก่อนหน้านี้มีการทดลองแบบเดียวกันในไลเคนและแบคทีเรีย) นอกจากนี้ R. coronifer ในระยะพักตัวยังทนต่อเอทานอลไม่เกิน 10 นาที นอกจากนี้ หมีน้ำยังทนต่อแรงดันได้มากถึง 6,000 atm (แรงดันอากาศรอบตัวเราเท่ากับ 1 atm) นั่นหมายความว่า หมีน้ำสามารถทนแรงดันได้มากกว่าแรงดันของน้ำทะเลในส่วนที่ลึกที่สุดในโลกเกือบ 6 เท่า

หมีน้ำดูจะเป็นสิ่งมีชีวิตที่อยู่รอดได้แถบทุกสภาวะและแทบจะไม่มีอะไรทำให้มันตายได้ แต่เราก็พบว่าสิ่งมีชีวิตมากมายที่คอยจัดการกับปริมาณของเจ้าหมีน้ำ หนอนตัวกลม หมีน้ำชนิดอื่น ไร แมงมุม แมลงหางดีด และตัวอ่อนแมลงถือเป็นสัตว์นักล่าหลักของพวกมัน อีกทั้งยังมีโปรโตซัวและเชื้อราปรสิตที่คอยเข้าทำลายหมีน้ำอีกด้วย นอกจากนั้น สัตว์ในกลุ่มกุ้งปูน้ำจืด (freshwater crustaceans) ไส้เดือน และสัตว์ขาข้อชนิดอื่นๆ ก็กินหมีน้ำเป็นอาหารในบางครั้งเช่นกัน

แม้หมีน้ำจะมีขนาดเล็กมาก แต่ความมหัศจรรย์ของมันนั้นไม่ได้เล็กตามขนาดของตัวมันจริงๆ ครับ