ไฟฟ้ากับแมลง

16 สิงหาคม 2562

 

        ดอกไม้ล่อแมลงมาช่วยผสมเกสรให้โดยการหว่านเสน่ห์ที่สัมผัสได้ด้วยญาณหลายอย่างของแมลง อาทิเช่น สีของดอก, รูปทรง / ลวดลายของดอก, กลิ่นของดอกไม้ (สิ่งเหล่านี้มนุษย์ก็สัมผัสได้เช่นกัน พวกเราหลายคนจึงชอบปลูกดอกไม้) และด้วยการตกรางวัลด้วยน้ำหวานที่ผลิตจากต่อมน้ำหวานในดอกไม้ ซึ่งเป็นแหล่งอาหารสำคัญของแมลงนักผสมเกสรที่พืชต้องเสียพลังงานมากในการผลิต (พืชบางชนิดต้องสูญเสีย 37% ของพลังงานที่ได้มาจากการสังเคราะห์แสงไปในการผลิตน้ำหวาน) แต่ธรรมชาติยังเอื้อเฟื้อปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์อย่างอื่นที่ไม่ควรมองข้ามด้วย

 

        พื้นดินซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้า, บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ (ionosphere) ที่เต็มไปด้วยไอออนและอิเล็กตรอนอิสระ (หนาประมาณ 560 กิโลเมตร) และบรรยากาศหนาประมาณ 70 กิโลเมตรที่อยู่ระหว่างกลาง (นับจากผิวโลกถึงขอบล่างของชั้นไอโอโนสเฟียร์) ซึ่งมีกิจกรรมสร้างประจุไฟฟ้าอยู่ตลอดเวลาจากรังสีคอสมิคและรังสีจากธาตุกัมมันตรังสีในดิน เป็นส่วนของวงจรไฟฟ้ายักษ์ (global atmospheric electrical circuit) ที่มีพายุฝนฟ้าคะนองที่เกิดขึ้นตลอดเวลาที่ไหนสักแห่ง (หรือหลายแห่ง) เป็นเหมือนแหล่งจ่ายไฟหรือแบตเตอรี่ของวงจร  ทำให้ชั้นไอโอโนสเฟียร์มีศักย์ไฟฟ้า (electrical potential) ประมาณ +250 กิโลโวลต์ (+250,000 โวลต์) เมื่อเทียบกับพื้นดิน บรรยากาศที่อยู่ระหว่างกลางจึงเต็มไปด้วยสนามไฟฟ้า (electric field) โดยมีค่าประมาณ 100 โวลต์ / เมตร (มีทิศชี้ลง) ในบรรยากาศที่อยู่ใกล้กับผิวโลก และมีกระแสไฟฟ้าจำนวนหนึ่งที่ไม่สูงมากนักเรียกว่า air-Earth conduction current วิ่งจากชั้นไอโอโนสเฟียร์ลงสู่พื้นดิน ในวงจรไฟฟ้ายักษ์นี้ผิวโลกในบริเวณที่ท้องฟ้าปลอดโปร่ง (ห่างจากจุดเกิดฝนฟ้าคะนองฟ้าแลบ/ฟ้าผ่า) จะเป็นที่สะสมของประจุไฟฟ้าลบ ซึ่งรวมไปถึงต้นพืชที่เชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับผิวโลกด้วย ส่วนจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่างเช่น องค์ประกอบทางเคมีของต้นพืช, ความสูงของต้นพืช และสิ่งแวดล้อม เป็นต้น

 

        และถ้าย้อนไปนึกถึงการเล่นอย่างหนึ่งในสมัยเด็กคือการเอาหวีมาถูกับผม โดยเฉพาะในฤดูหนาวยามเมื่ออากาศแห้ง หลายท่านคงจำได้ว่าเมื่อเอาไปจ่อใกล้ๆ เศษกระดาษจะถูกดูดขึ้นมาติดกับหวีอย่างน่าประหลาด ซึ่งอธิบายได้ว่าเป็นผลจากปรากฏการณ์ triboelectric effect หรือก็คือการสะสมประจุไฟฟ้าจากการเสียดสีของวัตถุสองสิ่ง ที่ค้นพบมาตั้งแต่สมัยกรีกโบราณ โดยฝ่ายใดจะมีประจุไฟฟ้าบวกหรือลบจะขึ้นกับชนิดของวัตถุ เช่นถ้าเอาแท่งแก้วมาถูกับผ้าไหม เมื่อแยกออกจากกัน จะมีประจุบวกสะสมบนแท่งแก้ว เพราะอิเล็กตรอนบนแท่งแก้วย้ายไปอยู่ที่ผ้าไหม หรือกรณีถูหวี (พลาสติก) กับผม หวีจะเป็นฝ่ายที่มีประจุไฟฟ้าลบสะสมบนผิว เพราะเส้นผมเป็นฝ่ายสูญเสียอิเล็กตรอน เป็นต้น

 

 

รูปที่ 1 สถานะทางไฟฟ้าระหว่างผึ้งกับดอกไม้

 

        ดังนั้นเมื่อตอนบินหาน้ำหวานของพวกแมลงนักผสมเกสร เช่นผึ้งบัมเบิลบี (bumblebee) ฯลฯ ที่ต้องกระพือปีกเสียดสีกับอากาศด้วยความถี่สูง (ในเรือน 200 เฮิรตซ์) จึงเกิดมีประจุไฟฟ้าสะสมบนตัวแมลง ซึ่งพบมาตั้งแต่ปีพ.ศ. 2505 ว่าแมลงมีแนวโน้มจะมีประจุไฟฟ้าบวกสะสมบนตัวเมื่อเสียดสีกับวัสดุหลายชนิด ดังนั้นผึ้งกับดอกไม้จึงมีสถานะทางไฟฟ้าดังแสดงในรูปที่ 1 ปรากฏการณ์นี้เป็นคุณ ดังจะเห็นได้จาก รูปที่ 2 นั่นคือช่วยให้ละอองเรณูติดกับขนบนตัวผึ้งได้ดีขึ้น แต่จะมีประโยชน์อย่างอื่นด้วยหรือไม่ เพราะเมื่อผึ้งบินเข้าไปเกาะดอกไม้ ก็ย่อมจะเกิดมีการถ่ายเทประจุไฟฟ้าระหว่างดอกไม้กับตัวผึ้ง ที่สุดแล้วศักย์ไฟฟ้าของต้นพืชก็ควรจะเปลี่ยนไปจากเดิม ตรงนี้ชวนให้สงสัยว่าผึ้งมีญาณหยั่งรู้สถานะทางไฟฟ้าของดอกไม้หรือไม่ ที่ทราบมาก่อนแล้วก็มีแต่สัตว์ที่อาศัยอยู่ในน้ำที่ถือว่าเป็นตัวนำไฟฟ้าเช่น ปลาฉลาม, ปลากระเบน และปลาโลมา หรือสัตว์ที่หากินในน้ำเช่นตัวตุ่นปากเป็ดเป็นอาทิที่มีสัมผัสไฟฟ้า (electroreception) แต่ยังไม่เคยมีใครตรวจพบอย่างเป็นหลักเป็นฐานมาก่อนถึงสัมผัสไฟฟ้าของสัตว์เช่นแมลงที่หากินอยู่ในอากาศ ซึ่งถือว่าเป็นฉนวนไฟฟ้าระดับหนึ่ง

 

 

รูปที่ 2 แสดงละอองเรณูที่ติดกับขนบนตัวผึ้งบัมเบิลบี ซึ่งส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากแรงดึงดูดทางไฟฟ้า (Coulomb force) ด้วยขนมีศักย์ไฟฟ้าบวก และละอองเรณู (ตอนยังติดอยู่ที่เกสรตัวผู้) มีศักย์ไฟฟ้าลบ (ที่มารูป: https://www.nationalgeographic.com/science/phenomena/2013/02/21/bees-can-sense-the-electric-fields-of-flowers/)

 

        นักชีววิทยาที่ School of Biological Sciences แห่ง University of Bristol สหราชอาณาจักร นำโดยศาสตราจารย์ Daniel Roberts ได้ทำการศึกษาเรื่องเหล่านี้ให้เห็นจริง โดยทำการทดลองกับผึ้งบัมเบิลบีสายพันธุ์ที่พบเห็นได้ทั่วไป สรุปใจความสำคัญของการค้นพบได้ดังต่อไปนี้

 

        เมื่อนำผึ้งที่เพิ่งตายใหม่ๆมาขัดถูกับวัสดุหลายชนิดทั้งที่มีอยู่ในธรรมชาติและที่มนุษย์สังเคราะห์ขึ้นมา แล้วใช้หลักการทางฟิสิกส์วัดประจุไฟฟ้า  พบว่าประจุไฟฟ้าบนตัวผึ้งเกิดขึ้นได้ง่ายและมีแต่ที่เป็นประจุไฟฟ้าบวก ไม่เคยพบที่เป็นประจุไฟฟ้าลบเลย [1] และเมื่อทำการทดลองกับผึ้งบัมเบิลบีที่ยังมีชีวิตอยู่ 51 ตัว พบว่า 6% มีประจุไฟฟ้าลบ ที่เหลืออีก 94% มีค่าประจุไฟฟ้าบวกที่มีค่าเฉลี่ย +32 พิโคคูลอมบ์ (pC หรือ 10-12 คูลอมบ์) [2] ซึ่งสอดคล้องกับผลงานก่อนหน้าที่ทำกับผึ้งน้ำหวาน (honeybee) ที่พบว่ามีค่าเฉลี่ย +23 pC โดยมีค่าสูงสุดได้ถึง +93 pC [3]  นกฮัมมิงเบิร์ดที่ตอนบินกระพือปีกด้วยความถี่ประมาณ 80 เฮิรตซ์ ก็พบว่ามีประจุไฟฟ้าบวกสะสมบนตัวเช่นกันที่อาจมีค่าสูงได้ถึง +800 pC [4]

 

        โดยอาศัยสมการของตัวเก็บประจุไฟฟ้า (capacitor) คือ V = Q / C ที่ V แทนค่าศักย์ไฟฟ้า, Q แทนค่าประจุไฟฟ้า และ C แทนค่าความจุไฟฟ้า (capacitance) ถ้าคิดเสียว่าผึ้งที่มีขนาดตัวเล็กมีค่า C ต่ำมาก (น้อยกว่า 1 พิโคฟารัด) ทำให้พอจะประเมินได้ว่าศักย์ไฟฟ้าบนตัวผึ้งมีค่าในเรือนร้อยโวลต์ได้เลยทีเดียว

 

 

รูปที่ 3 ดอกพิทูเนีย (petunia) (ที่มารูป: https://freerangestock.com/photos/61794/petunia-flowers.html)

 

        เมื่อนำขั้วไฟฟ้าไปติดเข้ากับลำต้นของต้นพิทูเนีย (รูปที่ 3) เพื่อเฝ้าวัดศักย์ไฟฟ้าของต้นพืช ซึ่งได้พบว่า เมื่อผึ้งบัมเบิลบีแวะมากินน้ำหวานและเก็บเกี่ยวละอองเรณู ศักย์ไฟฟ้าของต้นพืชเปลี่ยนไปที่มีค่าสูงสุดได้ถึง 25 มิลลิโวลต์ (0.025 โวลต์) โดยการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวนี้ยืนเวลาอยู่ประมาณ 100 วินาที  ซึ่งผึ้งได้ผละไปก่อนแล้ว

 

        เพื่อการพิสูจน์ทราบสัมผัสไฟฟ้าของผึ้งบัมเบิลบี คณะนักวิจัยได้ทำดอกไม้ปลอมขึ้นมาจำนวนหนึ่งที่มีลักษณะเหมือนกันทุกประการ แล้วแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มเท่าๆกัน โดยกลุ่มที่ 1 หยอดน้ำเชื่อมซูโครสไว้เป็นรางวัลล่อ แต่กลุ่มที่ 2 ทำตรงกันข้ามคือไม่ได้ต่อไฟไว้ แถมหยอดสารละลายของควินินเฮมิซัลเฟตที่มีรสขมไว้แทน ต่อมาต่อศักย์ไฟฟ้า 30 โวลต์ให้กับทุกดอกปลอมในกลุ่มที่ 1 แล้วปล่อยผึ้งบัมเบิลบีจำนวน 50 ตัวให้ได้มีประสบการณ์กับดอกไม้ปลอมทั้ง 2 กลุ่ม พบว่ามีผึ้ง 80% บินเข้าหาดอกปลอมในกลุ่มที่ 1 แต่เมื่อหยุดจ่ายไฟ 30 โวลต์ นั่นคือในเชิงไฟฟ้า ดอกไม้ทั้ง 2 กลุ่มมีสถานะเท่าเทียมกัน ปรากฏผลว่าจำนวนผึ้งที่บินเข้าหาดอกในกลุ่มที่ 1 ที่มีน้ำเชื่อมของโปรดลดลงเหลือเพียง 54% เท่านั้น นั่นคือผึ้งทั้งหลายบินเสาะหาน้ำหวานแบบสุ่ม (random) สรุปได้ว่าผึ้งบัมเบิลบีสัมผัสได้ถึงศักย์ไฟฟ้าของดอกไม้ [2] คำถามตามมาก็คือผึ้งบัมเบิลบีใช้อะไรเป็นเซนเซอร์ที่ทำให้สัมผัสศักย์ไฟฟ้าได้

 

        จากการศึกษาอย่างละเอียดในงานอีกชิ้นหนึ่ง [5] สรุปได้ว่าขนบนตัวผึ้งบัมเบิลบี (รูปที่ 4) คือเซนเซอร์สำหรับสัมผัสศักย์ไฟฟ้า กล่าวคือเมื่อบินเข้าใกล้ดอกไม้มากขึ้น สนามไฟฟ้าระหว่างดอกไม้กับผึ้งก็จะแรงขึ้นตามกฎกำลังสองผกผัน ส่งผลให้แรงคูลอมบ์มีพลังมากพอที่จะดึงให้เส้นขนเอียงจนสามารถกระตุ้นเซลล์ประสาทรับรู้เชิงกล (mechanosensory neurons) ตรงโคนเส้นขนให้ส่งสัญญาณไปยังสมองของผึ้งบัมเบิลบี  ทั้งนี้จากการทดลองไม่พบการตอบสนองทำนองเดียวกันนี้ของหนวดทั้งสองเส้น แต่หนวดจะถูกกระตุ้นได้ด้วยกลิ่น และการสัมผัสโดยตรงกับการเคลื่อนไหว เช่น การกระโชกเบาๆของลมเป็นต้น

 

 

รูปที่ 4 ภาพถ่ายระยะใกล้ด้านหน้าของผึ้งบัมเบิลบีเพื่อแสดงขนรอบตัว และหนวด (antenna) 2 เส้น [5]

 

        สัมผัสไฟฟ้านี้พอจะมองได้ว่ามีประโยชน์กับกิจกรรมหาเลี้ยงชีพของผึ้ง คืออาจช่วยผึ้งในการเลือกดอกไม้ และประหยัดแรงงานจากการบินเข้าไปเยี่ยมดอกไม้ที่น้ำหวานกับละอองเรณูมีเหลืออยู่น้อยเกินไปเพราะมีผึ้งตัวอื่นมาเยี่ยมตัดหน้าไปก่อนแล้ว แต่ก็มีคำถามตามมาว่า แล้วดอกไม้จะได้ประโยชน์อะไร เพราะในห้วงเวลาอันยาวนานของวิวัฒนาการร่วม (co-evolution) การปรับตัวให้พึ่งพาอาศัยกันควรเป็นไปแบบ win-win ด้วยกันทั้งสองฝ่าย ครับ, ก็เป็นเรื่องที่ต้องค้นคว้ากันต่อไป

 

เอกสารอ้างอิง

 

  1. D. Clarke, E. Morley and D. Robert, “The bee, the flower, and the electric field: electric ecology and aerial electroreception”, J. Comp Physiol A Neuroethol Sens Neural Behav Physiol. 2017; 203(9): 737-748.
  2. D. Clarke, H. Whitney, G. Sutton, and D. Robert, “Detection and learning of floral electric fields by bumblebees”, Science, 21 February 2013 DOI: 10.1126/science. 1230883.
  3. Y. Vaknin, S. Gan-Mor, A. Bechar, B. Ronen and D. Eisikowitch, “The role of electrostatic forces in pollination”, Plant Syst. Evol. 222: 133-142 (2000).
  4. M. Badger, V. M. Ortega-Jimenez, L. von Rabenau, A. Smiley and R. Dudley, “Electrostatic charge on flying hummingbirds and its potential role in pollination”, PloS One, 2015, ที่เว็บไซต์: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0138003
  5. G. P. Sutton, D. Clarke, E. L. Morley and D. Robert, “Mechanosensory hairs in bumblebees (Bombus terrestris) detect weak electric fields”, Proc. Natl. Acad. Sci. 2016, ที่เว็บไซต์: https://www.pnas.org/content/113/26/7261