สัมผัสพิเศษ การรับรู้สนามแม่เหล็ก

สัมผัสพิเศษ การรับรู้สนามแม่เหล็ก

1.สัมผัสพิเศษของนกอพยพ

สัมผัสของมนุษย์จะประกอบด้วย การมองเห็น การรับรส การดมกลิ่น การได้ยินเสียง และการสัมผัส (รวมทั้งรับรู้อุณหภูมิ) ทางผิวหนัง นับได้ 5 ประเภท ถ้าหากเราพูดถึงสัมผัสพิเศษ หรือสัมผัสที่ 6 หลายๆคนคงจะจินตนาการไปถึง การมองเห็นวิญญาณ บ้างก็นึกถึงการอ่านใจผู้อื่น การรับรู้ภัยอันตรายที่กำลังจะเกิดขึ้น ในความจริงแล้วสัมผัสพิเศษไม่ใช่อะไรทำนองนั้น

สัมผัสต่างๆ คือกระบวนการทำงานในสิ่งมีชีวิต ที่ทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถรับรู้และตอบสนองต่อสิ่งต่างๆรอบๆตัวได้ ประสาทสัมผัสจะเป็นสิ่งที่สิ่งมีชีวิตนั้นๆได้พัฒนาขึ้นผ่านการวิวัฒนาการ เพื่อที่จะอยู่รอด สำหรับมนุษย์ อาจจะมีสัมผัสดังที่กล่าวมา แต่สำหรับสัตว์ประเภทอื่น ที่อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมอื่นที่ต่างออกไป สัตว์ประเภทนั้นก็จะมีสัมผัสที่แตกต่างออกไปจากสัมผัสที่มนุษย์มี ยกตัวอย่างเช่น สัตว์ที่ออกหากินตอนกลางคืนจะมีตาที่มองเห็นแสงอินฟราเรดได้ (แสงอินฟราเรด เป็นแสงที่มนุษย์มองไม่เห็น) การรับรู้สนามไฟฟ้าของฉลากหัวค้อน และที่จะพูดในบทความนี้คือสัมผัสพิเศษที่จะรับรู้สนามแม่เหล็ก

"ล่าสุด นักวิทยาศาสตร์ได้พบว่า มนุษย์ อาจจะมีสัมผัสที่ 6 นั้นคือ การรับรู้สนามแม่เหล็ก"

ตัวอย่างของสัตว์ที่มีสัมผัสในการรับรู้สนามแม่เหล็กก็คือ นกอพยพ ช่วงเวลาที่มีการเปลี่ยนฤดูกาลย่อมหมายถึงเวลาที่พวกมันต้องเดินทางไกล เพื่อแสวงหาแหล่งอาหาร หรือแหล่งผสมพันธุ์ที่เหมาะสมกับพวกมัน จากการเฝ้าดูและติดตามการอพยพของนก พบว่า การอพยพของนก ไม่ใช่การบินสะเปะสะปะ ไม่ใช่ว่าบินไปอย่างไรจุดหมาย ชอบตรงไหนลงตรงนั้น การบินอพยพของพวกมันมีเส้นทางที่แน่นอน จุดมุ่งหมายปลายทางที่แน่นอนเช่นกัน นกอพยพหลายสายพันธุ์มีเส้นทางการอพยพในแนวขึ้นทิศเหนือและลงทิศใต้ แต่มีนกอพยพเพียงบางสายพันธุ์เท่านั้นที่มีเส้นทางการอพยพไปกลับระหว่างทิศตะวันออกและทิศตะวันตก

ต้วอย่างเส้นทางการอพยพของนกทั่วโลก การอพยพของนกส่วนใหญ่จะมีเส้นทางในแนวเหนือใต้

การอพยพของนกอีกเรื่องที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจ เชื่อว่าการหาทิศทางของนกอพยพเกิดจากการถ่ายทอดทางพันธุกรรม การเรียนรู้จากนกตัวเต็มวัย รวมถึงการหาทิศทางจากการรับภาพ สภาพทางภูมิศาสตร์ สนามแม่เหล็ก ดวงดาว และอื่นๆ (อ้างอิง [1])

สนามแม่เหล็กคืออะไร
ถ้าเราเอาแท่งแม่เหล็กมาวางไว้บริเวณใดบริเวณหนึ่ง แล้วแท่งแม่เหล็กนั้นรับรู้ถึงแรงทางแม่เหล็กมากระทำต่อแม่เหล็ก จะกล่าวว่าบริเวณมีสนามแม่เหล็ก มนุษย์อย่างเราๆ ถ้าต้องการจะมองเห็นสนามแม่เหล็กได้อย่างช้ดเจน เราจะมีวิธีช่วยในการมองสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กด้วย การใช้ผงตะไบเหล็กมาโรยรอบๆแท่งแม่เหล็ก และสังเกตการเรียงต้วอของผงเหล็ก วิธีอื่นนอกเหนือจากนี้ก็ได้แก่ การวาดรูปเส้นแรงแม่เหล็ก การคำนวณ และอื่นๆ

มนุษย์สามารถเข้าใจสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กได้ โดยสังเกตการเรียงตัวของผงตะไบเหล็ก ใช้วิธีการวาดรูป หรือ อื่นๆ

แม้ว่ามนุษย์จะเข้าใจว่าสนามแม่เหล็กคืออะไร หน้าตาเป็นอย่างไร แต่ก็เกิดจาก สังเกต ศึกษา และการเรียนรู้ ไม่ใช่เกิดจากสัมผัส

สนามแม่เหล็กโลกนำทิศทาง
โลกเราเสมือนกับแม่เหล็กแท่งใหญ่ แต่สนามแม่เหล็กของโลกนั้นอ่อนมากเมื่อเทียบกับแท่งแม่เหล็กที่เราที่เราเคยหยิบเคยจับเสียอีก ถึงแม้ว่าสนามแม่เหล็กโลกจะเป็นสนามอ่อนๆ แต่ก็มีคุณประโยชน์กับชีวิตของมนุษย์เป็นอย่างมาก

รูปแสดง เส้นแรงของสนามแม่เหล็กโลก

มนุษย์ได้ใช้สนามแม่เหล็กโลกช่วยในการนำทางมานานแล้ว โดยเข็มทิศเป็นเครื่องมือ เข็มทิศจริงๆแล้วคือแท่งแม่เหล็กที่รับรู้แรงจากสนามแม่เหล็กโลก ทำให้เข็มทิศ(แท่งแม่เหล็ก)จะหันชี้ไปในแนวเหนือใต้ได้ นั้นคือถ้าเราพกเข็มทิศติดตัวไว้ เมื่อเราดูเข็มทิศ เราจะสามารถรู้ทันทีว่าทางไหนทิศเหนือ และเราจะไม่หลงทิศ

สำหรับนกอพยพ พวกมันมีความสามารถในการรับรู้สนามแม่เหล็กโลกได้ในร่างกายของนกเอง นกจึงไม่ต้องมีเข็มทิศพวกมันก็รู้ได้ว่าทางไหนทิศเหนือ ความสามารถนี้ของนกเป็นความสามารถที่น่าทึ่ง และมีนักวิทยาศาสตร์หลายท่านที่กำลังศึกษาว่า "อะไรที่ทำให้นกอพยพมีความสามารถนึ้"

2.ภาพของสนามแม่เหล็กที่นกมองเห็น

สำหรับความสามารถในการรับรู้สนามแม่เหล็กโลกของนก มีทฤษฏีที่พอจะอธิบายความสามารถได้แต่ยังมีปัญหาหลายๆ อย่างที่ยังไม่สอดคล้องกันระหว่างทฤษฎีและความเป็นจริง (Toy model) นักวิจัยที่กำลังศึกษาเรื่องการรับรู้ถึงสนามแม่เหล็กโลกของนกเชื่อมโยงกับกลไกการรับแสง ในประสาทตาของนก จะมีโปรตีนในกลุ่มคริพโตโครม (cryptochrome) ทำหน้าที่เป็นตัวรับแสง (photorecptor) สามารถถูกกระตุ้นได้ด้วยแสงย่านความถี่สีน้ำเงิน

คริพโตโครมกับการกระตุ้นด้วยแสง

      ภายในคริพโตโครมนี้จะมีโมเลกุล flavin adenine dinucleotide (หรือ FAD) และกลุ่มของกรดอะมีโนชนิดทริปโตเฟน (Tryptophan หรือ Trp) เมื่อมีแสงสีน้ำเงินมาที่คริพโตโครม แสงสีน้ำเงินจะไปกระตุ้น (excitation) โมเลกุล FAD และจะเริ่มกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (unpair electron) ระหว่าง FAD และ Trp เกิดเป็นคู่อนุมูล (pair-radical) ของ FADH และ Trp324_depขึ้นภายในคริพโตโครม การที่มีคู่อนุมูลดังกล่าวนี้เกิดขึ้นจะสอดคล้องกับคริพโตโครมในสถานะกระตุ้น ซึ่งมันจะสามารถส่งสัญญาณประสาทได้ ทำให้นกรับรู้การมองเห็นจากสัญญาณของคริพโตโครมซ้อนทับกับสัญญานการมองเห็นสีของโรดอปซิน (rhodopsin คือ โปรตืนตัวรับแสงสีม่วง) ในตาของนก (ในที่นี้ ถ้าแสงสีฟ้ามากระตุ้นคริพโตโครมแล้วทำให้เกิดการมองเห็น ก็น่าจะสอดคล้องกับการมองเห็นแสงสีฟ้า ผู้เขียน)

สถานะกระตุ้นของคริพโตโครมจะเกิดในช่วงเวลาสั้นๆ และจะมีกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนกลับ ทำให้คลายจากสภาพกระตุ้น (relaxation) ของคริพโตโครม คู่อนุมูล FADH และ Trp324_dep จะกลับสู่ FAD และ Trp สภาพเดิม (สภาพก่อนมีการกระตุ้นด้วยแสงสีน้ำเงิน) เข้าใจว่า กระบวนการทั้งหมด เริ่มตั้งแต่ มีแสงมีน้ำเงินมากระตุ้น จนถึง การคลายการกระตุ้น กลับสู่สภาพเดิม จะเกิดในช่วงเวลาสั้นมาก สั้นเกินกว่าจะมีการส่งสัญญาณประสาท และที่แย่กว่านั้น สัญญาณประสาทน้อยมากด้วย

ถ้าคริพโตโครมอยู่ในสถานะกระตุ้นนานกว่านี้ คริพโตโครมก็น่าจะส่งสัญญาณประสาทได้

ความเกี่ยวข้องกับอนุมูลอิสระซุปเปอร์ออกไซด์

มีกระบวนการของอนุมูลอิสระซุปเปอร์ออกไซด์ O₂^- มาเกี่ยวข้อง (ตามงานวิจัยของ Ritz และคณะ) และการมีอยู่ของ O₂^- อาจเป็นสิ่งสำคัญของการรับรู้สนามแม่เหล็กของนก ในกรณีที่ถ้าสมมุติว่ามี O₂^- ร่วมกระบวนการกับคริพโตโครมแล้ว จะทำให้กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนเปลี่ยนไป นั้นคือคริพโตโครมในสถานะกระตุ้นจะมีอนุมูลคู่ระหว่าง FADH และ O₂^- (แทนที่จะเป็น FADH และ Trp324_dep) ครั้นเมื่อ FADH และ O₂^-สปรินของอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวใน FADH และ O₂^-(รวมมี 2 อิเล็กตรอนในคนละโมเลกุล) จะอยู่ในสถานะผูกพัน (entanglement) แบบ singlet (สปรินของอิเล็กตรอนทั้งสองชี้ทิศตรงข้ามกัน) สนามแม่เหล็กโลก หรือ สนามแม่เหล็กจากโมเลกุลของสารข้างเคียงจะส่งผลต่อสถานะ singlet นี้ มีโอกาสที่สนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนสถานะผูกพันแบบ singlet ให้เป็นแบบ triplet (สปรินของอิเล็กตรอนทั้งสองชี้ทิศเดียวกัน)

โดยปกติคู่อนุมูล FADH และ O₂^- ที่อิเล็กตรอนจากสองอนุมูลผูกพันแบบ singlet จะสามารถกิดปฏิกิริยาให้กลายเป็น FAD + H₂O₂ สอดคล้องกับคลายการกระตุ้นของคริพโตโครม

แต่ถ้าคู่อนุมูลมีสนามแม่เหล็กมาเกี่ยวข้อง ทำให้ความผูกพันแบบ singlet เปลี่ยนเป็นแบบ triplet แล้ว จะไม่สามารถเกิดปฏิกิริยากลับ จาก FADH + O₂^-ไปสู่ FAD + H₂O₂ ได้ นั้นคือคริพโตโครมจะอยู่ในสถานะกระตุ้นต่อไป จนกว่าความผูกพันจะเปลี่ยนจาก triplet ไปสู่ singlet กล่าวคือ สนามแม่เหล็กช่วยยึดเวลาการส่งสัญญาณประสาทของคริพโตโครม

      แสงสีฟ้ามากระตุ้นคริพโตโครมถ้าไม่มีสนามแม่เหล็กการส่งสัญญาณประสาทอาจจะไม่มี แต่ถ้ามีสนามแม่เหล็กช่วยยึดเวลาคริพโตโครมก็จะส่งสัญญาณประสาทได้ ทำให้นกมองเห็น กล่าวคือ แสงสีฟ้าที่นกมองเห็นคือแสงแห่งการรับรู้สนามแม่เหล็ก


รูปซ้ายแสดงรูปในมุมมองของมนุษย์ ถ้าหากคริพโตโครมรับแสงสีฟ้า และสนามแม่เหล็ก แล้วเกิดสัญญาณประสาท ภาพที่เห็นควรจะเป็นดังรูปขวา

หมายเหตุ
ในหน้าที่2นี้ ได้สรุปเนื้อความอ้างอิงจาก [2] ซึ่งพูดถึงเป็นงานวิจัยของ Ahmad และคณะ พวกเขาได้พยายามศึกษาคริพโตโครมในพืชชนิด Arabidopsis thaliana ซึ่งมีความคล้ายคลึงกับคริพโตโครมในตาของนกอพยพเป็นอย่างมาก ดังนั้น ในหน้าที่2 จึงอาจจะเป็นผลการศึกษาคริพโตโครมที่ได้จากพืช Arabidopsis thaliana ไม่ใช่ที่ได้จากนกอพยพโดยตรง


รูปแสดง พืช Arabidopsis thaliana

3.ในตามนุษย์ก็มีคริพโตโครม นอกจากนกแล้ว โปรตีนในกลุ่มคริพโตโครมที่น่าจะมีส่วนเกี่ยวข้องกับกลไกการรับรู้สนามแม่เหล็กของสิ่งมีชีวิต ยังพบในสิ่งมีชีวิตประเภทอื่นด้วย ไม่ว่าจะเป็นพืช สัตว์หลายๆชนิด หรือแม้แต่มนุษย์

มีข่าวล่าสุดว่า ภายในดวงตาของมนุษย์มีโปรตีนคริพโตโครมนำไปสู่แนวคิดที่ว่ามนุษย์อาจจะมีความสามารถในการรับรู้สนามแม่เหล็กโลกโดย ไม่ต้องใช้เครื่องมือใดๆช่วย และเป็นความสามารถที่มีติดตัวมาตั้งแต่เกิด (ตามเอกสารอ้างอิงที่ [5])

โปรตีน hCry1 และ hCryp2 (human cryptochrome type 1 และ type2) ซึ่งเป็นโปรตีนในกลุ่มคริพโตโครมพบมากในเรติน่าในดวงตาของมนุษย์ ในอดีตนัก ในอดีต เชื่อว่า hCry1 และ hCry2 ทำหน้าที่เป็นนาฬิกาชีวภาพที่ทำให้มนุษย์รับรู้ช่วงเวลาในรอบวัน แต่จากการศึกษาในภายหลัง ได้มีการทดลองที่ให้ผลว่า hCry2 ในดวงตาของมนุษย์อาจจะไม่ใช่เป็นเพียงนาฬิกา มันยังสามารถทำหน้าทีรับรู้สนามแม่เหล็กทิศได้ เช่นเดี่ยวกับคริพโตโครมในดวงตาของนก

มีการทดลองโดยนักวิจัยที่มหาวิทยาลัย University of Massachusetts วิธีที่พวกเขาวิจัยคือ การนำโปรตีน hCry2 ของมนุษย์ไปใส่ในตาของแมลงหวี่ (Drosophila flies) แล้วดูว่าแมลงหวี่สามารถหาทิศทางโดยใช้สนามแม่เหล็กได้หรือไม่ เดิมที แมลงหวี่ก็มีโปรตีนในกลุ่มคริพโตโครมของตัวเองและพวกมันก็ค้นหาทางโดยสนามแม่เหล็กโลกได้ด้วยตัวเอง ทีมวิจัยได้จัดการทดลองโดยนำแมลงหวี่พวกนี้มา และทำลายคริพโตโครมของแมลงหวี่ ทำให้แมลงหวี่มีความบกพร่องในการหาทิศทางในสนามแม่เหล็ก จากนั้น แมลงหวี่ก็ได้รับ hCry2 จากดวงตาของมนุษย์ การทดลองพบว่าความบกพร่องของแมลงหวี่หายไป พวกมันกลับมามีความสามารถในการรับรู้สนามแม่เหล็กโลก และทิศทางได้ตามเดิม

โปรตีนจากตามนุษย์ช่วยให้แมลงหวี่มองเห็นสนามแม่เหล็ก แต่สำหรับในมนุษย์ มันกลับไม่ได้ช่วยนำทางเลย ดังนั้นมนุษย์การเดินทางของของมนุษย์ ต้องใช้เครื่องมือหรือการสังเกตสภาพแวดล้อมช่วยในการนำทาง เช่นการเดินเรือในสมัยก่อน กัปตันเรือต้องพกกล้องไว้ดูดาวเพื่อนำทาง จนมาถึงยุคใหม่ที่พวกเราใช้ GPS ช่วยใสการนำทาง และยังไม่เคยมีหลักฐานในยืนยันว่ามนุษย์ในยุคโบราณสามารถหาทิศทางข้ามแดนได้ โดยสนามแม่เหล็กโลก

มีข้อสงสัยว่า เหตุใดโปรตีน hCry2 ในดวงตาของมนุษย์ไม่ทำให้มนุษย์มีความสามารถในการรับรู้สนามแม่เหล็ก ดังที่อธิบายไว้ในหน้าที่2 โปรตีนคริพโตโครมเพียงอย่างเดียวจะไม่ทำให้รับรู้สนามแม่เหล็ก หรือ เกิดการส่งสัญญาณประสาทได้ จำเป็นต้องมีอนุมูลอิสระซุปเปอร์ออกไซด์ด้วย (เช่น 0₂^-) แต่อนุมูลอิสระซุปเปอร์ออกไซด์เป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิต มันสามารถทำลายโครงสร้างพันธุกรรมของเซลล์ได้ สำหรับนกแล้วอนุมุลซุปเปอร์ออกไซด์นี้อาจจะถูกยับยังได้โดยเอมไซน์ หรือ แม้ว่าการมีอยู่ของซุปเปอร์ออกไซด์จะเป็นอันตรายต่อเซลล์แต่ดูจะไม่ค่อยมีผลนักกับสิ่งมีชีวิตอายุสั้นอย่างนก อย่างไรก็ตาม มีการสันนิษฐานว่าบรรพบุรุษของมนุษย์อาจจะมีความสามารถในการรับรู้สนามแม่เหล็ก เมื่อเวลาผ่านไปการวิวัฒนาการของบรรพบุรุษของมนุษย์ได้ทิ้งความสามารถนี้ เพื่อแลกกับความปลอดภัยของรหัสพันธุกรรม ทำให้มนุษย์มีอายุไขที่ยืนยาว