เซลล์ที่ซับซ้อนวิวัฒน์ขึ้นมาอย่างไร

ในห้องปฏิบัติการที่เวียนนา จุลชีพตัวหนึ่งซึ่งมีปริมาตรเล็กกว่าเซลล์มนุษย์ราวหนึ่งพันเท่า ยื่นแขนเรียวยาวออกไป เกาะพื้นกระจก แล้วคลานไป

ปี 2026 ทีมที่นำโดยมหาวิทยาลัยเวียนนารายงานในวารสาร Nature ว่าจุลชีพกลุ่มนี้ ซึ่งเรียกว่าอาร์เคียแอสการ์ด (Asgard archaea) คลานได้แบบที่เคยพบเฉพาะในเซลล์ซับซ้อนเท่านั้น

ทำไมจุลชีพที่คลานได้จึงทำให้นักชีววิทยาตื่นเต้น เพราะจุลชีพเรียบง่ายกลุ่มนี้เป็นญาติที่ใกล้ที่สุดเท่าที่รู้จัก ของเซลล์ที่ประกอบเป็นพืช สัตว์ และเห็ดราทุกชนิด รวมทั้งตัวคุณด้วย

จะเข้าใจเรื่องนี้ได้ ต้องย้อนไปดูว่าเซลล์ที่ซับซ้อนเริ่มต้นขึ้นมาอย่างไร

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดประกอบขึ้นจากเซลล์ และเซลล์มีแบบพื้นฐานอยู่สองแบบ

แบคทีเรียและอาร์เคียเป็นเซลล์อย่างง่าย หลายชนิดหนาราวหนึ่งไมโครเมตร และดีเอ็นเอของมันอยู่ภายในเซลล์โดยไม่มีนิวเคลียสห่อหุ้ม

พืช สัตว์ เห็ดรา และสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวอย่างอะมีบา ประกอบด้วยเซลล์ซับซ้อนที่เรียกว่ายูแคริโอต (eukaryote) ซึ่งเก็บดีเอ็นเอไว้ในนิวเคลียสที่มีเยื่อหุ้มของตัวเอง

เซลล์ยูแคริโอตมักใหญ่กว่ามาก และเต็มไปด้วยช่องเล็ก ๆ ที่เรียกว่าออร์แกเนลล์ (organelle) ลองสลับดูเซลล์ทั้งสองแบบ

ออร์แกเนลล์สองชนิดสำคัญที่สุดสำหรับเรื่องนี้ ไมโทคอนเดรีย (mitochondria) ใช้ออกซิเจนปลดปล่อยพลังงานจากอาหาร

เซลล์พืชและสาหร่ายยังมีคลอโรพลาสต์ (chloroplast) ซึ่งเก็บพลังงานจากแสงแดดด้วยการสังเคราะห์ด้วยแสง ลองเทียบเซลล์สัตว์กับเซลล์พืชดู

เซลล์อย่างง่ายปรากฏขึ้นเมื่อราวสามพันห้าร้อยล้านปีก่อน และหลังจากนั้นอีกกว่าพันล้านปี เซลล์ทุกเซลล์บนโลกล้วนเป็นเซลล์อย่างง่าย

เซลล์ซับซ้อนปรากฏขึ้นเมื่อราวสองพันล้านปีก่อน แล้วนิวเคลียสกับออร์แกเนลล์ของมันมาจากไหน

ถ้ามองไมโทคอนเดรียใกล้ ๆ จะเห็นว่ามันคล้ายแบคทีเรียอย่างน่าประหลาด

มันมีเยื่อหุ้มสองชั้น ภายในมีดีเอ็นเอวงเล็ก ๆ ของตัวเอง เป็นวงกลมแบบเดียวกับของแบคทีเรีย และแยกจากดีเอ็นเอในนิวเคลียส

มันสร้างโปรตีนบางส่วนเองด้วยไรโบโซม (ribosome) ของตัวเอง ซึ่งเป็นเครื่องจักรสร้างโปรตีนของเซลล์ และคล้ายของแบคทีเรีย และเริ่มสร้างโปรตีนด้วยสัญญาณเคมีแบบเดียวกับที่แบคทีเรียใช้

ไมโทคอนเดรียใหม่เกิดจากไมโทคอนเดรียเดิมเท่านั้น โดยแบ่งตัวเป็นสองคล้ายกับที่แบคทีเรียแบ่งตัว

แม้แต่ยาปฏิชีวนะก็ชี้ไปทางเดียวกัน สเตรปโตมัยซิน (streptomycin) ซึ่งหยุดการสร้างโปรตีนของแบคทีเรีย ก็หยุดการสร้างโปรตีนในไมโทคอนเดรียด้วย แต่ไม่กระทบส่วนอื่นของเซลล์

ปี 1967 นักชีววิทยาลินน์ มาร์กุลิส (Lynn Margulis) ซึ่งตอนนั้นตีพิมพ์ในชื่อลินน์ เซแกน เสนอคำอธิบายที่กล้าหาญ

เธอเสนอว่าไมโทคอนเดรียเริ่มต้นจากแบคทีเรียที่ใช้ชีวิตอิสระ แล้วเข้าไปอาศัยอยู่ในเซลล์อื่น ผ่านไปหลายชั่วรุ่น แขกผู้มาเยือนก็กลายเป็นส่วนหนึ่งของเจ้าบ้าน

แนวคิดนี้เรียกว่าเอนโดซิมไบโอซิส (endosymbiosis) แปลว่าการอยู่ร่วมกันโดยฝ่ายหนึ่งอยู่ข้างในอีกฝ่าย

วารสารวิชาการกว่าสิบฉบับปฏิเสธบทความของเธอ ก่อนที่วารสาร Journal of Theoretical Biology จะรับตีพิมพ์ ปัจจุบันแนวคิดที่ว่าไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์เริ่มจากแบคทีเรียเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวาง

เรื่องเดียวกันนี้อธิบายคลอโรพลาสต์ได้ด้วย มันสืบเชื้อสายมาจากไซยาโนแบคทีเรีย (cyanobacteria) แบคทีเรียสีเขียวแกมน้ำเงินที่สังเคราะห์ด้วยแสงได้

คลอโรพลาสต์มีดีเอ็นเอวงกลมของตัวเอง และสร้างโปรตีนด้วยไรโบโซมที่คล้ายของแบคทีเรีย เช่นเดียวกับไมโทคอนเดรีย

คลอโรพลาสต์มาทีหลัง เซลล์ซับซ้อนทุกชนิดที่รู้จักมีไมโทคอนเดรีย หรือออร์แกเนลล์ที่ลดรูปมาจากไมโทคอนเดรีย แต่มีเพียงบางชนิดที่มีคลอโรพลาสต์

แปลว่าเซลล์ที่มีไมโทคอนเดรียอยู่แล้ว รับไซยาโนแบคทีเรียเข้าไปอีก นี่คือเหตุที่เซลล์ใบไม้มีอดีตแบคทีเรียอยู่สองชนิด ส่วนเซลล์ของคุณมีชนิดเดียว

แต่ยังเหลือคำถามหนึ่ง ถ้าไมโทคอนเดรียคือแขก แล้วใครคือเจ้าบ้าน

ยีนจำนวนมากที่ใช้คัดลอกและอ่านดีเอ็นเอในนิวเคลียสของเรา มีความใกล้ชิดกับยีนของอาร์เคีย (archaea) เซลล์อย่างง่ายอีกกลุ่มหนึ่ง เจ้าบ้านจึงน่าจะเป็นอาร์เคีย

ปี 2015 ทีมที่นำโดยไทส์ เอ็ตเตมา (Thijs Ettema) แห่งมหาวิทยาลัยอุปซอลาในสวีเดน พบดีเอ็นเอของอาร์เคียกลุ่มใหม่ในโคลนก้นทะเล ใกล้กลุ่มปล่องน้ำพุร้อนที่ชื่อโลกิส์คาสเซิล (Loki’s Castle) ในทะเลแถบอาร์กติกระหว่างกรีนแลนด์กับนอร์เวย์

พวกเขาตั้งชื่อว่าโลกิอาร์เคียโอตา (Lokiarchaeota) และกลุ่มที่กว้างขึ้นซึ่งตั้งชื่อตามดินแดนของเทพนอร์ส เรียกว่าอาร์เคียแอสการ์ด

ยีนของพวกมันบ่งว่าใกล้ชิดกับเซลล์ซับซ้อนมากกว่าจุลชีพอื่นใดที่รู้จัก และนักวิจัยจำนวนมากคิดว่ายูแคริโอตแตกกิ่งออกมาจากภายในกลุ่มนี้

แต่ยีนในโคลนไม่ใช่เซลล์ที่มีชีวิต ยังไม่มีใครเคยเห็นว่าอาร์เคียแอสการ์ดหน้าตาเป็นอย่างไร

ทีมญี่ปุ่นที่นำโดยฮิโรยูกิ อิมาจิ (Hiroyuki Imachi) ใช้เวลาราวสิบสองปีในการเพาะเลี้ยงมันได้หนึ่งชนิด จากโคลนก้นทะเลที่เก็บมาจากความลึกราวสองกิโลเมตรครึ่ง นอกชายฝั่งเกาะชิโกกุ

รายงานในปี 2020 ว่ามันเติบโตได้เฉพาะเมื่ออยู่ร่วมกับจุลชีพคู่หู เซลล์กว้างราวครึ่งไมโครเมตร และงอกแขนยาวแตกกิ่งออกมา

ในดีเอ็นเอของมันมียีนราวแปดสิบยีน ที่เคยคิดว่ามีเฉพาะในเซลล์ซับซ้อน ในที่สุดอาร์เคียแอสการ์ดตัวจริงก็อยู่ใต้กล้องจุลทรรศน์

เมื่อนำชิ้นส่วนทั้งหมดมาต่อกัน ก็ได้แบบจำลองหลักในปัจจุบัน

เมื่อราวสองพันล้านปีก่อน เซลล์ที่เป็นญาติกับอาร์เคียแอสการ์ดในปัจจุบันได้รวมตัวกับแบคทีเรียตัวหนึ่ง แบคทีเรียนั้นอาศัยต่อไปข้างใน แล้วกลายเป็นไมโทคอนเดรีย

ตลอดเวลาอันยาวนาน ทั้งสองฝ่ายต้องพึ่งพากันมากขึ้น ปัจจุบันโปรตีนจำนวนมากที่ไมโทคอนเดรียต้องใช้ ถูกสร้างจากยีนในนิวเคลียส

แบคทีเรียเข้าไปข้างในได้อย่างไร และแต่ละฝ่ายได้อะไร ยังเป็นเรื่องที่ถกเถียงกันอยู่ นี่คือแบบจำลองที่หลักฐานสนับสนุน ไม่ใช่ภาพบันทึกเหตุการณ์จริง

ปี 2022 กลุ่มของคริสตา ชเลเปอร์ (Christa Schleper) ในเวียนนา พบว่าอาร์เคียแอสการ์ดชนิดหนึ่งมีเครือข่ายเส้นใยแอกทิน (actin) อยู่ทั่วเซลล์ แบบที่เคยพบเฉพาะในเซลล์ซับซ้อน

ในเซลล์ซับซ้อน แอกทินสามารถดันขอบเซลล์ให้ยื่นออกไป เพื่อให้เซลล์คลานได้ เซลล์ภูมิคุ้มกันบางชนิดของมนุษย์เคลื่อนที่แบบนี้

ล่าสุด ฟิลิปป์ ราดเลอร์ (Philipp Radler) และคณะ ถ่ายวิดีโอเซลล์ที่มีชีวิตของแอสการ์ดสองสายพันธุ์ในสภาพไร้ออกซิเจน ตัวหนึ่งจากกิ่งโลกิซึ่งเลี้ยงในเวียนนา อีกตัวจากกิ่งไฮม์ดัลซึ่งเลี้ยงในญี่ปุ่น

เซลล์เปลี่ยนรูปร่างราวทุกหนึ่งนาที ยืดแขนได้ยาวถึงยี่สิบเท่าของตัว เกาะพื้นกระจก แล้วคลานไป

เมื่อทีมใส่ยาที่ขัดขวางแอกทิน เซลล์ก็ควบคุมแขนไม่ได้และหยุดเคลื่อนที่ ลองดู

เรื่องนี้บอกอะไรเรา ผู้วิจัยเสนอว่าการคลาน ซึ่งเป็นลักษณะเด่นของเซลล์ซับซ้อน อาจเก่าแก่กว่าเซลล์ซับซ้อนเสียอีก

ถ้าเป็นเช่นนั้น อาร์เคียที่เป็นเจ้าบ้านอาจมีโครงแอกทินที่ใช้งานได้อยู่แล้ว ก่อนจะรับแบคทีเรียที่ต่อมากลายเป็นไมโทคอนเดรีย

แต่อาร์เคียแอสการ์ดในปัจจุบันเป็นญาติ ไม่ใช่บรรพบุรุษ พวกมันก็วิวัฒน์ต่อมาตลอดสองพันล้านปีเช่นกัน จึงเป็นแบบจำลองที่มีชีวิต ไม่ใช่เครื่องย้อนเวลา

และอาร์เคียแอสการ์ดที่เคยเพาะเลี้ยงและเฝ้าดูขณะมีชีวิตได้มีเพียงไม่กี่ชนิด ข้อสรุปจึงอิงกับเซลล์เพียงไม่กี่แบบ

ทุกลมหายใจของคุณนำออกซิเจนไปยังไมโทคอนเดรียในเซลล์ ซึ่งสืบเชื้อสายมาจากแบคทีเรียที่ย้ายเข้ามาอยู่เมื่อราวสองพันล้านปีก่อน

ชีวิตที่ซับซ้อนดูเหมือนจะเริ่มต้นไม่ใช่จากเซลล์หนึ่งเอาชนะอีกเซลล์ แต่จากเซลล์สองชนิดที่ต่างกันมากมาอยู่ร่วมกัน

อาร์เคียตัวเล็ก ๆ รับคู่หูเข้ามาครั้งแรกได้อย่างไร ยังคงเป็นหนึ่งในคำถามใหญ่ที่เปิดอยู่ของชีววิทยา