วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์กับโรคระบาดในอารยธรรมมนุษย์ ตอนที่ 2

          ในบทความตอนที่ 1 ผู้เขียนได้อธิบายว่าดาวเคราะห์ของเราอยู่ในตำแหน่งที่พอดิบพอดีจากดวงอาทิตย์และเอื้อต่อการกำเนิดของสิ่งมีชีวิต ซึ่งจุลชีพเป็นสิ่งมีชีวิตยุคแรกๆ ที่ถือกำเนิดขึ้น ขณะที่สังคมของมนุษย์สมัยใหม่ที่มีขนาดใหญ่และมีความซับซ้อนก็เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้เกิดโรคระบาดง่ายขึ้น ในบทความตอนที่ 2 เราจะมาพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างดาวเคราะห์โลก อาณาจักรจุลชีพ และสังคมมนุษย์ ผ่านการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบาดวิทยา (Mathematical Model of Epidemiology)


          จากหลักฐานทางประวัติศาสตร์ของวิชาระบาดวิทยา (Epidemiology) นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์นามว่า ดาเนียล แบร์นูลลี (Daniel Bernoulli) เป็นบุคคลแรกที่พัฒนาแบบจำลองของการระบาดเพื่อหาคำตอบเกี่ยวกับความเสี่ยงจากการรักษาโรคฝีดาษ อันดับแรก เราจะมาพิจารณาการสร้างแบบจำลองขนาดใหญ่ระดับโลก เพื่อทำความเข้าใจหลักการพื้นฐานของแบบจำลอง ผู้อ่านลองจินตนาการตามที่ผู้เขียนอธิบายนะครับ           หากเราย้อนเวลากลับไปตอนที่ประชากรโลกมีจำนวนเพียงหยิบมือ ไม่มีการเดินทางไป-กลับในระยะไกล และไม่มี “เส้นสมมติ” ที่แบ่งตำแหน่งบนพื้นผิวโลกออกเป็นเมือง รัฐ ประเทศ และทวีป ในสภาวะดังกล่าว โรคระบาดจะถูกจำกัดพื้นที่การแพร่ระบาดด้วยปัจจัยทางภูมิอากาศและสัตวภูมิศาสตร์ (Zoogeography) แต่เมื่อสังคมมนุษย์มีการพัฒนาที่ซับซ้อนและมีขนาดใหญ่ขึ้น มนุษย์จึงทำการกำหนดเขตแดนของตนด้วยเส้นสมมติ โดยการขีดเส้นแบ่งพื้นที่ของโลกออกเป็นเมือง รัฐ ประเทศ และทวีป เราจะเรียกสิ่งนี้ว่า ขอบเขต (Boundary) และเรียกกิจกรรมของกลุ่มประชากรที่อยู่ภายในขอบเขตว่า เงื่อนไข (Condition) ซึ่งในที่นี้หมายถึงประสิทธิภาพในการควบคุมโรคระบาดของประชากรในขอบเขตนั้น เช่น การเว้นระยะห่างทางกายภาพ การใส่หน้ากากอนามัย ความสามารถในการเข้าถึงวัคซีนที่มีประสิทธิภาพ ปัจจัยทางภูมิศาสตร์ และอื่นๆ


          เมื่อมีโรคระบาดเกิดขึ้นภายในขอบเขตและเงื่อนไขที่กำหนด นักระบาดวิทยาจะสามารถประเมินสถานการณ์ว่าการระบาดในแต่ละตำแหน่งของโลกจะเป็นอย่างไร เช่น แผนที่การระบาดใหญ่ (Pandemic Map) ของโรคโควิด-19 ในปัจจุบัน เราจะเห็นว่าแต่ละประเทศมีความรุนแรงของการระบาดและมีประสิทธิภาพในการควบคุมโรคไม่เท่ากัน โดยอาจแสดงออกมาด้วยสี เช่น สีเขียวหมายถึงพื้นที่ที่ยังไม่พบการติดเชื้อ สีเหลืองหมายถึงพื้นที่เฝ้าระวัง สีแดงหมายถึงพื้นที่ที่มีความเสี่ยงสูง และสีฟ้าหมายถึงพื้นที่ที่เคยมีการติดเชื้อ แต่สถานการณ์อันตรายได้ผ่านพ้นไปแล้ว โปรแกรมที่นิยมนำมาใช้ในการทำแผนที่โรค (Disease Mapping) จะเป็นโปรแกรมในตระกูลระบบสารสนเทศภูมิศาสตร์ (Geographic Information System หรือ GIS) ซึ่งทำงานร่วมกับข้อมูลเชิงสถิติทางสาธารณสุข           จากบันทึกทางประวัติศาสตร์ การทำแผนที่โรคระบาดไม่ใช่เรื่องใหม่ เพราะนายแพทย์จอห์น สโนว์ (John Snow) เป็นบุคคลแรกๆ ที่นำความรู้ทางระบาดวิทยามาประยุกต์ร่วมกับการทำแผนที่เพื่อควบคุมการระบาดของอหิวาตกโรคผ่านทางน้ำดื่มที่ถูกสูบขึ้นมาจากบ่อน้ำบริเวณถนนบรอดในย่านโซโหของกรุงลอนดอนเมื่อปี ค.ศ.1854 ซึ่งในตอนนั้นเขาใช้ปากกา กระดาษ และสองเท้าเพื่อเดินถามบ้านทีละหลังว่ามีคนเสียชีวิตกี่คน

    
            คราวนี้ ผู้อ่านลองจินตนาการว่ามีประเทศ 4 แห่งที่มีชายแดนอยู่ติดกัน โดยประชากรในประเทศ 3 แห่งได้รับการฉีดวัคซีนไปแล้วจำนวนหนึ่ง แต่มีอีก 1 ประเทศที่ประชากรได้รับวัคซีนล่าช้า ประชากรในประเทศดังกล่าวอาจกลายเป็นรังโรค (Reservoir) ซึ่งหมายถึงแหล่งที่เชื้อก่อโรคสามารถอยู่อาศัย เติบโต และเพิ่มจำนวน โดยมนุษย์ สัตว์ และสิ่งแวดล้อมสามารถเป็นรังโรคได้ทั้งสิ้น กล่าวโดยสรุปคือประชากรภายในขอบเขตที่ได้รับวัคซีนล่าช้าจะมีความเสี่ยง 2 ทาง คือ รับเชื้อจากภายนอกเข้ามาสู่ภายใน และแพร่เชื้อจากภายในออกไปสู่ภายนอก ด้วยเหตุนี้ จำนวนประชากรที่ได้รับวัคซีน ประสิทธิภาพของวัคซีน และความรวดเร็วในการแจกจ่ายวัคซีนให้เข้าถึงประชากรในทุกระดับจึงเป็นเงื่อนไขที่สำคัญอย่างยิ่ง


          ลำดับต่อไป เราจะมาพิจารณาการระบาดที่มีขนาดเล็กลง โดยอาศัยสิ่งที่เรียกว่า แผนภาพโครงข่าย (Network Diagram) ลองสมมติว่านาย A เป็นผู้ติดเชื้อ ซึ่งนาย A เพิ่งออกไปเที่ยวกับกลุ่มเพื่อน ได้แก่ นาย B C D และ E เราสามารถเขียนแผนภาพโครงข่ายโดยมีนาย A เป็นจุดศูนย์กลางแล้วลากเส้นจำนวน 4 เส้นออกไปหานาย B C D และ E ซึ่งนาย B C D และ E ก็อาจไปมีปฏิสัมพันธ์กับคนอื่นๆ อีกทอดหนึ่ง เราจะเรียกนาย A B C D E และคนอื่นๆ ว่า ปม (Node) ซึ่งปมที่เชื่อมต่อถึงกันเป็นวงปิดจะเรียกว่า วงวน (Loop) โดยปม B C D และ E อาจเชื่อมต่อไปยังปมอื่นๆ โดยไม่จำเป็นต้องเชื่อมกับปม A โดยตรง

            พออ่านมาถึงตรงนี้ ผู้อ่านที่เคยเรียนวิชาวิเคราะห์วงจรไฟฟ้า (Circuit Analysis) คงจะร้อง “อ๋อ” กันแล้วใช่ไหมครับ เพราะแผนภาพโครงข่ายดังกล่าวคล้ายคลึงกับวงจรไฟฟ้าเป็นอย่างมาก ผู้ติดเชื้อและบุคคลที่มีปฏิสัมพันธ์กับผู้ติดเชื้อเปรียบเสมือนอุปกรณ์ไฟฟ้า เส้นทางการปฏิสัมพันธ์เปรียบเสมือนสายไฟฟ้า พฤติกรรมของผู้ติดเชื้อเปรียบเสมือนแรงเคลื่อนจากศักย์ไฟฟ้า และเชื้อโรคก็เปรียบเสมือนกระแสไฟฟ้า

            หากแต่ละปมในโครงข่ายมีการเชื่อมต่อถึงกันหมดโดยสมบูรณ์ (Fully-Connected Network) ก็หมายความว่าทุกคนในกลุ่มมีโอกาสติดเชื้อจากนาย A ดังนั้น กลุ่มคนที่ต้องถูกกักตัวและฉีดวัคซีนอย่างเร่งด่วนก็คือนาย A B C D E รวมถึงบุคคลอื่นๆ ที่มีปฏิสัมพันธ์กับนาย B C D และ E นักระบาดวิทยาเรียกการฉีดวัคซีนแบบนี้ว่า การฉีดวัคซีนแบบวงแหวน (Ring Vaccination) กล่าวโดยสรุปคือ แผนภาพโครงข่ายสามารถอธิบายว่าผู้ติดเชื้อมีปฏิสัมพันธ์กับใคร คนที่มีปฏิสัมพันธ์กับผู้ติดเชื้ออยู่ใกล้ชิดกับคนอื่นๆ อีกกี่คน และเชื้อมีโอกาสแพร่จากบุคคลใดไปยังบุคคลใด คล้ายกับการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านสายไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้า ดังนั้น แผนภาพโครงข่ายจึงแสดงให้เห็นว่าสิ่งที่มี “แบบแผน” คล้ายคลึงกันสามารถอธิบายได้ด้วยหลักการที่คล้ายคลึงกัน           แม้จะดูคล้ายว่าจุลชีพมีแต่ข้อเสีย แต่หากศึกษาให้ละเอียดจะพบว่าจุลชีพมิได้มีแต่ด้านมืดเพียงอย่างเดียว เพราะพวกมันมีบทบาทสำคัญต่อบรรยากาศ ผืนแผ่นดิน และมหาสมุทรเป็นอย่างมาก เช่น หากพิจารณาไวรัสภาค (Virosphere) เราจะพบว่าไวรัสและจุลชีพอื่นๆ มีส่วนสำคัญในการควบคุมจำนวนสิ่งมีชีวิตในทะเล ซึ่งสิ่งมีชีวิตในทะเลบางกลุ่มอย่างแพลงก์ตอนพืช (Phytoplankton) สามารถทำการสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis) เพื่อผลิตออกซิเจนและควบคุมปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศโลก นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าจุลชีพคือผู้อยู่เบื้องหลังออกซิเจนจำนวนกว่าครึ่งที่เราหายใจ วิชาที่ศึกษาจุลชีพในมหาสมุทรเรียกว่า จุลชีพสมุทรศาสตร์ (Microbial Oceanography)           นอกจากนี้ จุลชีพในดินยังมีบทบาทในการควบคุมการเกิด การเติบโต และการตายของพืชในป่า ซึ่งควบคุมการผลิตออกซิเจน การกักเก็บคาร์บอนไดออกไซด์ การผลิตอาหาร และการปลดปล่อยสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (Volatile Organic Compounds หรือ VOCs) ออกสู่บรรยากาศ แล้วเปลี่ยนเป็นละอองลอยอินทรีย์ทุติยภูมิ (Secondary Organic Aerosols หรือ SOAs) ซึ่งทำหน้าที่เป็นแกนควบแน่นของเมฆ (Cloud Condensation Nuclei หรือ CCN) โดยเมฆที่เกิดขึ้นจะทำหน้าที่ควบคุมอุณหภูมิของพื้นผิวโลกด้วยค่าการสะท้อนรังสี (Albedo) วิชาที่ศึกษาจุลชีพในดินเรียกว่า ปฐพีจุลชีววิทยา (Soil Microbiology)           อย่างไรก็ตาม หลังเกิดการปฏิวัติอุตสาหกรรม โลกก็เดินหน้าเข้าสู่สภาวะปั่นป่วน เพราะจำนวนประชากรมนุษย์ที่เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดดทำให้มีการใช้พลังงานและการปลดปล่อยมลภาวะออกสู่สิ่งแวดล้อมอย่างมหาศาล เช่น การเพิ่มขึ้นของคาร์บอนไดออกไซด์และแก๊สเรือนกระจกอื่นๆ ทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก (Greenhouse Effect) ซึ่งนำไปสู่ภาวะโลกร้อน (Global Warming) และการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ (Climate Change) ที่รบกวนระบบการแกว่งกวัดทางภูมิอากาศ (Climate Oscillation) ผลกระทบที่เห็นได้ชัดคืออุณหภูมิของอากาศที่สูงขึ้นจะส่งผลต่อการกระจายตัวของสัตวพาหะ กล่าวคืออุณหภูมิที่สูงขึ้นจะชักนำให้สัตว์เหล่านี้อพยพไปยังพื้นที่เขตอบอุ่น ทำให้โอกาสการเกิดโรคระบาดมีมากขึ้น


          การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศส่งผลต่อพฤติกรรมของพายุและปริมาณน้ำฝนด้วยเช่นกัน โดยการเปลี่ยนแปลงปริมาณน้ำฝนจะส่งผลต่อสมดุลกักเก็บของแหล่งน้ำ (Water Budget) ซึ่งสามารถอธิบายด้วยสมการความต่อเนื่อง (Continuity Equation)           เมื่อ ds/dt คือการเปลี่ยนแปลงปริมาณกักเก็บของน้ำต่อเวลา, I คือปริมาณน้ำไหลเข้า และ O คือปริมาณน้ำไหลออก จากสมการเราจะเห็นว่าหากมีน้ำไหลเข้าระบบมากกว่าน้ำไหลออกจากระบบก็จะทำให้เกิดน้ำล้นหรือน้ำเอ่อท่วมออกจากแหล่งกักเก็บน้ำและอาจกลายเป็นแหล่งเพาะพันธุ์ยุงซึ่งเป็นพาหะของโรคไข้เลือดออก ไข้เหลือง ไข้ซิกา และมาลาเรีย รวมถึงเป็นการเพิ่มโอกาสที่น้ำเสียจะเข้าไปปะปนกับน้ำดีแล้วกลายเป็นสาเหตุของโรคที่แพร่ระบาดทางน้ำ


          การเปลี่ยนแปลงของเหล่าจุลชีพไม่เคยหยุดนิ่ง เพราะแวดวงชีววิทยามีการศึกษาเกี่ยวกับการแข่งขันระหว่างยาปฏิชีวนะกับแบคทีเรีย กล่าวคือเมื่อเราสร้างยาปฏิชีวนะชนิดหนึ่งขึ้นมาเพื่อกำราบแบคทีเรียกลุ่มหนึ่ง แบคทีเรียส่วนหนึ่งจะวิวัฒนาการโต้กลับ ทำให้เราต้องใช้ยาที่แรงขึ้นเพื่อสู้กลับ เป็นแบบนี้ซ้ำไปซ้ำมา เหตุการณ์ทำนองนี้เรียกว่า ปรากฏการณ์ราชินีสีแดง (Red Queen Effect)


          สำหรับไวรัส การกลายพันธุ์ (Mutation) เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเป็นปกติอยู่ตลอดเวลา การกลายพันธุ์ส่วนใหญ่ไม่ได้ทำให้ความรุนแรงของโรคเพิ่มขึ้น แต่อาจทำให้เกิดการติดเชื้อง่ายขึ้น หรืออาจไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ เลยก็ได้ ด้วยเหตุนี้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามพัฒนาปัญญาประดิษฐ์ (Artificial Intelligence) และควอนตัมคอมพิวเตอร์ (Quantum Computer) ที่มีประสิทธิภาพในการประมวลผลอย่างรวดเร็วมาใช้พัฒนาสูตรยาและวัคซีน ซึ่งเทคโนโลยีเหล่านี้อาจช่วยลดระยะเวลาในการวิจัยและพัฒนาจากหลักหลายเดือนหรือหลายปีให้เหลือเพียงหลักชั่วโมงหรือหลักวันเลยทีเดียว อย่างไรก็ตาม แนวทางการวิจัยดังกล่าวยังอยู่ในระดับเริ่มต้นเท่านั้น


          พออ่านมาถึงย่อหน้าสุดท้ายของบทความ ผู้อ่านคงพอเห็นภาพรวมอย่างคร่าวๆ แล้วว่าดาวเคราะห์โลกของเรา อาณาจักรของจุลชีพ และสังคมของมนุษย์มีความเกี่ยวพันกันอย่างแนบแน่นมาตั้งแต่ยุคโบราณ ซึ่งในปัจจุบันยังมีโรคอีกหลายชนิดที่เราไม่สามารถกำราบได้ อีกทั้งไม่อาจคาดการณ์ได้ว่าจะมีโรคอุบัติใหม่เกิดขึ้นอีกเมื่อไร ภาวะโลกร้อนจะปลดปล่อยจุลชีพโบราณที่อันตรายออกมาจากชั้นดินเยือกแข็งคงตัว (Permafrost) หรือไม่ สงครามในอนาคตจะเปลี่ยนจากอาวุธนิวเคลียร์มาเป็นอาวุธชีวภาพหรือเปล่า และท่ามกลางมหาสมุทรแห่งดวงดาวยังมีสิ่งมีชีวิตอื่นอยู่อีกไหม แต่สิ่งหนึ่งที่เราต้องยอมรับก็คือจุลชีพตัวจิ๋วสามารถพลิกวิถีชีวิตของมนุษย์ให้เปลี่ยนจากหน้ามือเป็นหลังมือได้อย่างง่ายดายจนเราต้องรีบพัฒนาเทคโนโลยีระดับสูงเพื่อรับมือกับมัน!

 

เอกสารและสิ่งอ้างอิง

• หนังสือ The Atlas of Disease โดย Sandra Hempel
• หนังสือ The Rules of Contagion: Why Things Spread and Why They Stop โดย Adam Kucharski
• หนังสือ Viruses: A Very Short Introduction โดย Dorothy H. Crawford
• เอกสาร FLOOD ROUTING สืบค้นที่ https://uap-bd.edu/ce/Handouts/CE-363/Lec.28-30.pdf
• https://www.nature.com/articles/35046270
• https://ij-healthgeographics.biomedcentral.com/articles/10.1186/1476-072X-7-8
• https://hahana.soest.hawaii.edu/cmoreserver/microbes.htm
• https://www.futuredirections.org.au/publication/living-soils-role-microorganisms-soil-health/
• https://www.wolterskluwer.com/en/expert-insights/artificial-intelligence-in-pharmacy-are-you-ready
• https://cen.acs.org/business/informatics/Lets-talk-quantum-computing-drug/98/i35