ไขปริศนา ความทรหดของกระบองเพชร

ขณะที่โลกร้อนขึ้น พืชทะเลทรายเหล่านี้ยังคงก้าวข้ามขีดจำกัดของความยืดหยุ่น ต่อสภาวะสุดขั้ว ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์กำลังเรียนรู้วิธีที่จะนำการปรับตัว ของกระบองเพชรมาใช้เป็นประโยชน์ต่อพวกเราทุกคน

วันหนึ่งในฤดูใบไม้ผลิที่ท้องฟ้าสดใส กระบองเพชรสูงแปดเมตรครึ่งยืนต้นตระหง่านอยู่เดียวดายเหนือไม้พุ่มแห้งกรอบในอุทยานแห่งชาติซาวาโร รัฐแอริโซนา แม้ท้องฟ้าไร้เมฆและอากาศร้อนอบอ้าวราวกับอยู่ในเตาอบ แต่ยักษ์ใหญ่มีหนามต้นนี้ก็ดูแข็งแรงและสมบูรณ์ดี ในอุทยาน ฝนเพิ่งตกลงมาไม่นาน และข้างลำต้นที่เป็นรอยจีบของมันก็บวมออกเพื่อเก็บกักน้ำหลายร้อยลิตรไว้ภายใน

แหล่งกักเก็บน้ำภายในลำต้นช่วยให้กระบองเพชรงอกงามในสถานที่ซึ่งพืชอื่นจะเหี่ยวเฉาทันที แต่ซาวาโร (Carnegiea gigantea) ซึ่งเป็นพืชพื้นถิ่นของทะเลทรายโซโนแรนในสหรัฐฯ และเม็กซิโก ซ่อนกลยุทธ์ทางวิวัฒนาการอีกอย่างไว้ นักชีววิทยาประจำอุทยาน ดอน สวอนน์ คิดค้นวิธีบันทึกกระบวนการดังกล่าวด้วยการใช้ไม้ยาวมากที่ยืดหดได้ซึ่งสั่งทำขึ้นเป็นพิเศษเพื่อการนี้ พร้อมหัวติดตั้งกล้องถ่ายภาพ เขายืดกล้องขึ้นไปบนยอดกระบองเพชรยักษ์นี้เพื่อบันทึกภาพ ซึ่งเป็นภาพดิจิทัลชุดล่าสุดจากที่เขาบันทึกในช่วงหลายสัปดาห์ ต่อมาในบ่ายวันนั้น สวอนน์ดูชุดภาพที่ถ่ายตามกำหนดเวลาอย่างต่อเนื่องหรือไทม์แลปส์ แล้วชี้ว่า “สิ่งน่าอัศจรรย์” กำลังเกิดขึ้น

ภาพถ่ายเหล่านั้นเป็นภาพดอกตูมสีขาวและเหลืองเรียงเป็นวงอยู่บนยอดต้นซาวาโร ดอกซาวาโรบานเพียงครั้งเดียวและปกติจะบานในเวลากลางคืนเพื่อปกป้องโครงสร้างภายในที่บอบบางจากแสงแดดแรงกล้ายาวนาน แต่เมื่อดูเป็นลำดับต่อเนื่องกัน ชุดภาพถ่ายเผยให้เห็นอีกสิ่งหนึ่ง ตาดอกดูเหมือนจะเคลื่อนที่ ตั้งแต่กลางเดือนเมษายนถึงกลางเดือนมิถุนายน ดอกซาวาโรเคลื่อนที่อย่างช้าๆ ในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาตามแนวรัศมีจากลำต้นด้านทิศตะวันออกไปยังด้านทิศเหนือ ซึ่งให้ร่มเงาสม่ำเสมอมากกว่า

“วิธีนี้อาจช่วยให้ซาวาโรใช้ประโยชน์จากอุณหภูมิที่อบอุ่นกว่าและแสงอาทิตย์ที่มากกว่าในช่วงต้นฤดูใบไม้ผลิที่อากาศเย็นกว่า ขณะเดียวกันก็ลดผลกระทบจากความร้อนระดับอันตรายในช่วงเวลาต่อมาของฤดูกาลให้เหลือน้อยที่สุดครับ” สวอนน์อธิบาย

ในช่วงครึ่งทศวรรษที่ผ่านมา สวอนน์และนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ของอุทยานรวมทีมกับกลุ่มนักวิทยาศาสตร์พลเมือง เพื่อถ่ายภาพซาวาโร 55 ต้น พวกเขาเป็นนักวิจัยกลุ่มแรกที่มีหลักฐานยืนยันด้วยภาพถ่ายว่า การเคลื่อนที่ของดอกซาวาโรเกิดขึ้นประจำปี นี่เป็นเพียงลักษณะเฉพาะลักษณะเดียวที่พบในหนึ่งชนิดเท่านั้น รวมๆ แล้ว กระบองเพชรที่เรารู้จักมีอยู่มากกว่า 1,500 ชนิด พวกมันยังคงยืนหยัดอยู่ในสภาพภูมิอากาศรุนแรงที่สุดบางแห่งในโลก ขณะยังคงถูกคุกคามจากความไม่แน่นอนของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและการรุกล้ำถิ่นอาศัยโดยมนุษย์

วงศ์กระบองเพชรซึ่งวิวัฒน์ขึ้นเมื่อ 35 ล้านปีก่อนในทวีปอเมริกา เป็นพืชวงศ์หนึ่งที่มีความหลากหลายมากที่สุดและแปลกประหลาดที่สุดวงศ์หนึ่งในโลก บางชนิดสามารถแตกกิ่งก้านสาขาเป็นต้นไม้ยักษ์สูงถึง 18 เมตร ลำต้นอวบหนาแบบบอลลูน หรืออาจมีขนาดเล็กไม่ถึงสองเซนติเมตร บางชนิดเป็น “หินมีชีวิต” ที่สามารถรับมือกับดินที่ทำให้พืชอื่นเหี่ยวเฉา ขณะที่บางชนิดงอกขนยาวสีขาวเพื่อป้องกันสภาพแวดล้อมหนาวเย็นบนที่สูงของเทือกเขาแอนดีส

รูปร่างลักษณะดังกล่าวเหล่านั้นจะไม่เกิดขึ้นเลย ถ้าไม่ได้มีไว้เพื่อการพัฒนาระดับพื้นฐานอย่างหนึ่ง กล่าวคือกระบองเพชรและพืชอวบน้ำอื่นๆ พัฒนาวิธีการสังเคราะห์แสงลักษณะเฉพาะขึ้นมา แต่ละครั้งที่ปากใบเปิดออกเพื่อรับคาร์บอนไดออกไซด์ที่จำเป็นต่อการแปลงพลังงาน มันจะสูญเสียน้ำบางส่วนไป ถ้าการสูญเสียน้ำเกิดขึ้นบ่อยครั้งในช่วงเวลากลางวัน อุณหภูมิที่สูงจะทำให้น้ำระเหยอย่างรวดเร็ว

ทะเลทรายโซโนแรนครอบคลุมพื้นที่ทั้งในสหรัฐฯ และเม็กซิโก กระบองเพชรราว 140 ชนิดที่พบในทะเลทรายแห่งนี้กำลัง ถูกทดสอบจากสภาพแวดล้อมที่ร้อนและแห้งแล้งมากขึ้นเรื่อยๆ

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่า หนามของกระบองเพชรซาวาโรบรรจุข้อมูลเกี่ยวกับสภาพภูมิอากาศในอดีต ลักษณะคล้ายกับวงปี

ผึ้งท้องถิ่นในภาพประสบความสำเร็จในการผสมเกสรกระบองเพชรทะเลทรายมากกว่าผึ้งยุโรป เพื่อเป็นการตอบแทน กระบองเพชรให้เรณูรูปแบบเฉพาะที่ผึ้งต้องใช้เพื่อเลี้ยงผึ้งวัยอ่อน

เพื่อป้องกันการสูญเสียน้ำ พืชทะเลทรายจะไม่เปิดปากใบจนกว่าอาทิตย์ตกดิน จากนั้นจึงดูดซับก๊าซในบรรยากาศ มาเปลี่ยนเป็นกรดมาลิก แล้วเก็บไว้ในกระเปาะขนาดใหญ่ภายในเซลล์สำหรับใช้ในวันถัดไป นี่คือกระบวนการที่เรียกว่า เมแทบอลิซึมของกรดอินทรีย์ในพืชครัสซูเลเชียน หรือซีเอเอ็ม (Crassulacean Acid Metabolism: CAM)

จอห์น คุชแมน ศาสตราจารย์ด้านชีวเคมีและชีววิทยาโมเลกุลจากมหาวิทยาลัยเนวาดาที่รีโน ใฝ่ฝันจะถ่ายทอดคุณสมบัติพิเศษทางพันธุกรรมนี้ให้แก่พืชชนิดอื่นๆ ในเชิงเกษตรกรรม วิธีนี้จะทำให้ได้พืชผลที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและสูญเสียน้ำน้อยลง ในสภาวะแห้งแล้ง ขณะที่ความก้าวหน้านี้อาจยังไม่เกิดขึ้นในอีกหลายปีหรือกระทั่งหลายสิบปีข้างหน้า นักวิจัยยังคงค้นพบวิธีหนึ่ง ที่จะทำให้พืชซึ่งไม่ใช่กระบองเพชรมีลักษณะเหมือนกระบองเพชรมากขึ้น แม้เพียงเล็กน้อยก็ยังดี

ก่อนจะปลูกถ่ายซีเอเอ็มเข้าไปในพืชชนิดใหม่ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องเปลี่ยนกายวิภาคในใบของพวกมันให้เก็บกักกรดมาลิกและรองรับเซลล์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งจะเป็นโรงงานหรือโกดังสำหรับปฏิกิริยานี้ ผลพลอยได้อย่างหนึ่งคือ พืชที่มีเซลล์ใหญ่ขึ้นยังเก็บกักน้ำได้มากขึ้น เป็นการสนับสนุนความอวบน้ำ หรือความสามารถที่เนื้อเยื่อจะเจริญเติบโตใหญ่ขึ้นและเก็บกักความชื้นที่มีอยู่ได้มากขึ้น ในบทความปี 2018 คุชแมนแสดงให้เห็นการตัดแต่งและปลูกถ่ายคุณสมบัติอวบน้ำในเนื้อเยื่อให้แก่ วัชพืชขนาดเล็กดอกสีขาวชื่อ เครสหูหนู (Arabidopsis thaliana) การศึกษาติดตามผลซึ่งตีพิมพ์ในปี 2020 แสดงให้เห็นว่า ใบของพืชทดลองหนาขึ้นร้อยละ 40

“นี่เป็นการปรับตัวที่น่าตื่นเต้นซึ่งเรายังคงต้องเรียนรู้อีกมากครับ” คุชแมนกล่าว เหตุผลหนึ่งคือ ถ้าพืชเพิ่มปริมาณน้ำที่เก็บกักภายในเนื้อเยื่อได้ มันก็น่าจะสามารถเจือจางเกลือปริมาณมากเกินที่มีแนวโน้มสะสมอยู่ในดินในช่วงฤดูแล้ง คุชแมนประยุกต์ความรู้นี้มาใช้กับถั่วเหลือง ซึ่งเป็นสินค้าทางการเกษตรสำคัญเป็นอันดับสองในสหรัฐฯ ด้วยความหวังว่าจะเพิ่มความมั่นคงทางอาหารได้อย่างมาก

ค้างคาวจมูกยาวเล็กดื่มน้ำต้อยจากดอกซาวาโร ซึ่งบานในเวลากลางคืนเพียงครั้งเดียว แล้วหุบในวันรุ่งขึ้น

นกฮัมมิงเบิร์ดสำรวจดอกกระบองเพชรหมึกสายซึ่งเป็นพืชพื้นถิ่นของเม็กซิโก กระบองเพชรชนิดนี้แตกกิ่งก้านที่เต็มไปด้วยหนามเป็นกอซึ่งอาจแผ่ออกไปได้ถึงเก้าเมตร

การออกแบบพืชผลทางการเกษตรและพฤกษศาสตร์ให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยคุณสมบัติต่างๆ ที่พบในกระบองเพชรถือเป็นความก้าวหน้าสำคัญก็จริง แต่ปัจจุบัน นักวิจัยกำลังระบุขุมพลังอื่นๆ ที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับนวัตกรรมที่ไม่ต้องอาศัยพืชเลยด้วยวิธีการอันน่าทึ่ง ตัวอย่างเช่นวัสดุก่อสร้างชนิดใหม่ๆ ความก้าวหน้าที่น่าตื่นเต้นที่สุดอย่างหนึ่งคือ โคเพียโพอา (Copiapoa) ซึ่งเป็นสกุลที่ประกอบด้วยพืชอย่างน้อย 32 ชนิด ส่วนใหญ่พบเฉพาะตามแนวชายฝั่งของภูมิภาคอาตากามาทาง ตอนเหนือของชิลีซึ่งได้ชื่อว่าเป็นพื้นที่แห้งแล้งที่สุดในโลกที่ไม่ใช่ขั้วโลก สำหรับนักวิทยาศาสตร์แล้ว การไขความลึกลับที่ทำให้พวกมันยืดหยัดอยู่ได้ เริ่มจากรูปร่างอันเป็นเอกลักษณ์ โคเพียโพอาส่วนใหญ่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 12 ถึง 15 เซนติเมตร และเกาะกลุ่มกันแน่นราวกับเบาะสีเขียวอมเทากระจายอยู่บนภูมิทัศน์แปลกตาที่มิฉะนั้นแล้วจะไม่มีพืชขึ้นอยู่เลย

“เรารู้เกี่ยวกับชีววิทยาของพืชเหล่านี้น้อยมากค่ะ” การอล เปญา พีญา นักพฤกษศาสตร์จากมหาวิทยาลัยกอนเซปซีออน ในชิลี ผู้เดินท่องไปบนเทือกเขาแห้งแล้งในถิ่นกันดารเป็นประจำเพื่อสำรวจวิธีที่พืชเหล่านี้ดำรงชีวิต เธอมักพบพวกมันซุกอยู่ตามหลืบซอกหินในหุบเขาลึกหรือบนหน้าผาชันที่หันเข้าหาชายฝั่ง

เปญาอธิบายว่า โคเพียโพอาอาจมีชีวิตรอดด้วยการ “ดื่ม” หมอกน้ำเค็มคาแมนชากาที่พัดเข้ามาจากทะเลทุกเช้า รวมถึงน้ำค้างที่ควบแน่นบนหนามและผิวของมัน ข้อค้นพบนี้ซึ่งนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากบันทึกไว้ เป็นแรงบันดาลใจให้นักวิจัยด้านชีวลอกเลียนหรือไบโอมิเมติกส์ (Biomimetics) เทกเวน มาลิก จากมหาวิทยาลัยสวอนซีในสหราชอาณาจักร ขบคิดว่า เธอจะลอกเลียนกระบวนการรวบรวมน้ำค้างนี้ให้เกิดขึ้นในโครงสร้างโลหะได้หรือไม่

พูดให้เจาะจงลงไป มาลิกพิจารณาหนามรูปกรวยยาวประมาณสามเซนติเมตรของโคเพียโพอาชนิด C. cinerea var. haseltoniana ซึ่งมีลักษณะเป็นก้อนสีเขียวและสีอำพัน เธอพบว่าพื้นผิวของมันมีร่องเล็กๆ ฐานกว้างอยู่จำนวนหนึ่ง “ร่องนี้จะทำให้พื้นผิวมีระดับความหยาบลดหลั่นกันไป ส่งผลให้หยดน้ำค้างไหลไปตามร่อง แม้กระทั่งต้านแรงดึงดูดก็ตาม” เธอกล่าว

นับจากปี 2013 เป็นต้นมา มาลิกเริ่มจำลองโครงสร้างนั้นขึ้นใหม่โดยนำเหล็กและอลูมิเนียมแผ่นมาขึ้นรูปเลียนแบบลำต้นและหนามของกระบองเพชร แล้วเริ่มทดสอบภายใต้อุณหภูมิและความชื้นระดับต่างๆ หลังจากทดลองอยู่หลายปีทั้งในร่มและกลางแจ้ง และใช้วิธีระบายความร้อนหลายวิธี ในที่สุดเธอก็ทำให้มันใช้การได้ ในปี 2023 มาลิกตีพิมพ์ผลการศึกษาที่แสดงว่า พื้นผิวโค้งเต็มไปด้วยหนามมีประสิทธิภาพในการรวบรวมน้ำค้างได้มากกว่าแผ่นแบนที่ใช้เป็นฐานเปรียบเทียบร้อยละแปด

ดอกซาวาโร สีขาวนวลและสีเหลืองทยอยบานรอบส่วนยอดของลำต้น

เพื่อให้ผลงานการออกแบบของเธอเกิดประสิทธิผลสูงสุด มาลิกนึกถึงบ้านในทะเลทรายที่มีคุณสมบัติรวบรวมน้ำเช่นนี้ นวัตกรรมนี้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ด้านมนุษยธรรมอย่างแพร่หลาย เพื่อสร้างความมั่นคงด้านน้ำดื่มสะอาดในพื้นที่แห้งแล้งที่ขาดแคลนทรัพยากร “วิธีง่ายที่สุดคือการติดตั้งพื้นผิวรวบรวมน้ำค้างไว้บนกระเบื้องมุงหลังคา แต่คุณยังสามารถใช้โครงสร้างนี้ในเต็นท์กลางทะเลทราย นี่เป็นตัวอย่างค่ะ” เธอบอกและเสริมว่า “เรามีอัญมณีที่ซ่อนอยู่อย่างแท้จริงใน โคเพียโพอา และเราเพิ่งเริ่มจะไขความลับบางอย่างเท่านั้น”

ณ ช่วงเวลาที่ความลับซึ่งถูกเก็บงำมายาวนานของกระบองเพชรใกล้ได้รับการเปิดเผยมากกว่าที่เคยเป็นมา พวกมันกลับกำลังเผชิญอนาคตอันยากลำบาก ผลการศึกษาที่ บาร์บารา เกิทช์ ประธานร่วมของกลุ่มผู้เชี่ยวชาญกระบองเพชรและพืชอวบน้ำ ขององค์การระหว่างประเทศเพื่อการอนุรักษ์ธรรมชาติหรือไอยูซีเอ็น เป็นผู้ร่วมเขียน ชี้ว่า ราวร้อยละ 60 ถึง 90 ของ ชนิดกระบองเพชรจะได้รับผลกระทบเชิงลบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศหรือกิจกรรมของมนุษย์ “กระบองเพชรจัดอยู่ในกลุ่มอนุกรมวิธานที่ถูกคุกคามมากที่สุดเท่าที่ประเมินถึงปัจจุบันค่ะ” เกิทช์กล่าว

เรื่อง แอนเจลา โพซาดา-สวอฟฟอร์ด

ภาพถ่าย คริสเตียน ซีกเลอร์

แปล ปณต ไกรโรจนานันท์