27 สาระที่ 2 สิ่งมีชีวิตกับกระบวนการดำรงชีวิต

ให้นักศึกษาที่มีเวลาน้อยได้ศึกษาจาก blog Mail นี้เพิ่มเติมความรู้

นิยามของสิ่งมีชีวิตอย่างที่เรารู้จักบนโลก
          สิ่งมีชีวิตคืออะไร สิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิตมีความแตกต่างกันอย่างไร สิ่งมีชีวิตบนโลกมีหลายรูปแบบ (life form) นับตั้งแต่ แบคทีเรีย ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวมีโครงสร้างอย่างง่ายๆ จนกระทั่งสิ่งมีชีวิตชั้นสูง เช่น มนุษย์ เป็นสัตว์หลายเซลล์มีโครงสร้างที่สลับซับซ้อน อย่างไรก็ดีสิ่งมีชีวิตทุกอย่างบนโลกย่อมมีคุณสมบัติที่แตกต่างไปจากสิ่งไม่มีชีวิต ดังนี้
           ข้อจำกัดทางอายุขัย สิ่งมีชีวิตดำรงอยู่เป็นวัฏจักร มีวัย อายุขัย และวงรอบชีวิตที่แน่นอน เช่น ยุงมีอายุขัย 7 วัน มนุษย์มีอายุขัยประมาณ 80 ปี ส่วนสิ่งไม่มีชีวิต เช่น ก้อนหินจะสิ้นอายุขัยตราบเมื่อผุพังหรือสึกกร่อน เปลวไฟมีอายุตราบเท่าที่มีเชื้อเพลิงหล่อเลี้ยง สิ่งไม่มีชีวิตไม่มีกำหนดอายุขัยเป็นคาบเวลาที่แน่นอน
           การสืบพันธุ์ เนื่องจากสิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีอายุขัยจำกัดเป็นคาบเวลา ดังนั้นจึงจำเป็นต้องสืบพันธุ์เพื่อจะดำรงเผ่าพันธุ์ของตัวเองไว้ การสืบพันธุ์จำเป็นต้องมีความสามารถในการคัดลอกคุณสมบัติของตัวเอง เช่น ลูกคนก็ต้องเป็นคน ลูกสุนัขก็ต้องเป็นสุนัข
           วิวัฒนาการ สิ่งมีชีวิตมีความประสงค์ที่จะคงเผ่าพันธุ์ของตัวเองไว้ ดังนั้นจึงต้องมีความสามารถในการปรับตัวเองให้เข้ากับสิ่งแวดล้อมที่เปลี่ยนไป โดยที่การคัดลอกตัวเองในการสืบพันธุ์นั้น จะมีการกลายพันธุ์ทีละเล็กน้อยอย่างช้าๆ ในระยะเวลาที่ยาวนาน เช่น นกวิวัฒนาการมาจากไดโนเสาร์
           โครงสร้างร่างกาย ในการดำรงชีวิตและสืบพันธุ์ สิ่งมีชีวิตจำเป็นจะต้องมี ร่างกาย พลังงาน และชุดคำสั่งทางพันธุกรรม เพื่อสั่งให้เซลล์แต่ละเซลล์ทำงาน นั่นหมายความว่า ชีวิตเป็นทั้งสสาร พลังงาน และข่าวสาร
           กระบวนการเผาผลาญอาหาร สิ่งมีชีวิตไม่สามารถดำรงอยู่ได้โดยปราศจากการปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมภายนอก ร่างกายต้องการวัตถุดิบเพื่อสร้างโครงสร้างและพลังงาน โดยอาศัยกระบวนการเผาผลาญอาหาร (Metabolic process) ซึ่งปลดปล่อยผลผลิตและสิ่งเหลือใช้ กลับคืนสู่สิ่งแวดล้อม

เซลล์ (Cell)
          สิ่งมีชีวิตบนโลกมีโครงสร้างหลักเป็นคาร์บอนและน้ำ ซึ่งหากพิจารณาเทียบกับองค์ประกอบทางเคมีของเปลือกโลกในตารางที่ 1 แล้ว จะเห็นว่าร่างกายมนุษย์มีองค์ประกอบทางเคมีคล้ายกับเปลือกโลก นั่นหมายความว่า สิ่งมีชีวิตนำธาตุที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อมบนเปลือกโลก มาสร้างเป็นร่างกายนั่นเอง

ตารางที่ 1 ธาตุในระบบชีวภาพ (หน่วยที่ใช้เป็น จำนวน n : 100,000 อะตอม)

ธาตุ

เลขอะตอม

เปลือกโลก

มหาสมุทร

ร่างกายมนุษย์

ไฮโดรเจน (H)

1

2,882

66,200

60,562

คาร์บอน (C)

6

56

1.4

10,680

ไนโตรเจน (N)

7

7

<1

2,440

ออกซิเจน (O)

8

60,425

33,100

25,670

โซเดียม (Na)

11

2,554

290

75

แมกนีเซียม (Mg)

12

1,784

34

11

ฟอสฟอรัส (P)

15

79

<1

130

กำมะถัน (S)

16

33

17

130

คลอรีน (Cl)

17

11

340

33

โปแตสเซียม (K)

19

1,374

6

37

แคลเซียม (Ca)

20

1,878

6

230

           เซลล์เป็นโครงสร้างพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด เซลล์ของสิ่งมีชีวิตบนโลกประกอบด้วยธาตุหลัก 4 ธาตุ คือ ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน และคาร์บอน ซึ่งเป็นธาตุเบาที่มีอยู่ทั่วไปบนโลกและในจักรวาล นอกจากนั้นเซลล์ยังใช้ฟอสฟอรัสและกำมะถัน ในการสร้างวัสดุโครงสร้างของเซลล์ และกระบวนการเผาผลาญอาหารเพื่อสร้างพลังงาน ธาตุทั้งหกนี้พบทั่วไปในสารอินทรีย์ของเซลล์ โดยประกอบกันเป็นโมเลกุล ดังนี้
           น้ำ เป็นองค์ประกอบหลักของเซลล์ มีอยู่ประมาณร้อยละ 70 ของน้ำหนักเซลล์ทั้งหมด
           ไขมัน (Lipids) มีโครงสร้างเป็นไฮโดรคาร์บอน ไม่ละลายน้ำ เป็นองค์ประกอบหลักของเนื้อเยื้อต่างๆ และมีหน้าที่เก็บสะสมพลังงานเคมี
           คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrate) มีโครงสร้างเป็นไฮโดรคาร์บอนเช่นเดียวกับไขมัน แต่มีกลุ่มไฮดรอกซิล (-OH) ซึ่งมีคุณสมบัติในการละลายน้ำ ประกอบด้วยวงแหวนโมเลกุลของน้ำตาล ซึ่งเมื่อแตกตัวแล้วให้พลังงานออกมา
           โปรตีน (Protein) เป็นโมเลกุลที่มีความสลับซับซ้อนมากที่สุด ประกอบขึ้นด้วยกรดอะมิโน (Amino acid) หลายชนิดเรียงต่อกันเป็นสายยาวสลับซับซ้อน คอยทำหน้าที่ต่างๆ ภายในเซลล์ นับตั้งแต่ควบคุมปฏิกิริยาเคมีไปจนถึงเป็นโครงสร้างของร่างกาย ได้แก่ โปรตีนโครงสร้าง เช่น ขน เล็บ เอ็น; โปรตีนขนส่ง เช่น เฮโมโกลบิน ในเม็ดเลือด; โปรตีนภูมิคุ้มกัน เช่น แอนติบอดี; โปรตีนเร่งปฏิกิริยา เช่น เอนไซม์ เป็นต้น (สิ่งชีวิตสร้างโปรตีนมากมายหลายพันชนิด ขึ้นจากกรดอะมิโนเพียง 20 ชนิด)

ภาพที่ 1 โครงสร้างโปรตีนซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลของกรดอะมิโนชนิดต่างๆ เรียงต่อกัน

           กรดนิวคลีอิก (Nucleic acid) เป็นโมเลกุลที่ใหญ่ที่สุดในเซลล์ เป็นแหล่งรวบรวมข้อมูลคำสั่ง ซึ่งระบุหน้าที่การทำงานของเซลล์ รวมถึงการถ่ายทอดทางพันธุกรรมด้วย กรดนิวคลีอิกมี 2 ชนิดคือ DNA และ RNA
o DNA ย่อมาจาก Deoxyribonucleic acid หรือ กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก เป็นโมเลกุลสายคู่ มีหน้าที่สะสมข้อมูลพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต ซึ่งสามารถสืบทอดมรดก (ชุดคำสั่ง) จากรุ่นหนึ่งไปสู่รุ่นหนึ่ง
o RNA ย่อมาจาก Ribonucleic acid หรือ กรดไรโบนิวคลีอิก เป็นโมเลกุลสายเดี่ยว มีหน้าที่จำลองรหัสพันธุกรรมของ DNA เพื่อนำไปสู่การปฏิบัติ โดยการสังเคราะห์โปรตีน ถ่ายทอดชุดคำสั่งไปยังเซลล์ตัวอื่นต่อไป

ภาพที่ 2 ตัวอย่างโครงสร้างโมเลกุลของสารอินทรีย์

ส่วนประกอบของเซลล์
          เซลล์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยของเหลวใสคล้ายวุ้นที่เรียกว่า ไซโทพลาสซึม (Cytoplasm) ซึ่งห่อหุ้มด้วยเยื่อบางๆ (Membrane) ที่ยอมให้สารบางชนิดผ่านเข้าออกได้ ภายในเซลล์บรรจุ โครโมโซม (Chromosome) ซึ่งเป็นที่รวบรวมของชุดข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการทำงานของเซลล์ โครโมโซมทำหน้าที่ถ่ายทอดรหัสพันธุกรรมใน DNA ไปสู่เซลล์รุ่นถัดไป นอกจากนั้นภายในเซลล์ยังมี ไรโบโซม (Ribosome) ซึ่งมีหน้าที่ถอดรหัสพันธุกรรมจาก DNA เพื่อคัดเลือกกรดอะมิโนชนิดต่างๆ สร้างเป็นโปรตีนชนิดต่างๆ เซลล์บางชนิดอยู่กับที่ เซลล์บางชนิดเคลื่อนที่ได้ด้วยการโบกสะบัดหางยาวที่ยื่นออกมาเรียกว่า แฟลเจลลัม (Flagellum) ดังที่แสดงในภาพที่ 3

ภาพที่ 3 โครงสร้างเซลล์

โพรคาริโอต (Prokaryote) เป็นเซลล์ขนาดเล็กที่ไม่มีนิวเคลียส อุบัติขึ้นบนโลกในรูปของแบคทีเรียเมื่อ 3.5 ล้านปีก่อน ส่วนยูคาริโอต (Eukaryote) เป็นเซลล์ขนาดใหญ่มีโครงสร้างสลับซับซ้อน อุบัติขึ้นบนโลกเมื่อ 2.5 ล้านปีก่อน ยูคาริโอต มีโครโมโซมจำนวนหลายชุดบรรจุอยู่ในนิวเคลียส ภายนอกนิวเคลียสยังมี ออร์แกเนลล์ (Organelle) หรือโครงสร้างเล็กๆ ซึ่งทำหน้าที่จำเพาะต่างหากอีก ได้แก่
           คลอโรพลาสต์ (Chloroplast) ทำหน้าที่สังเคราะห์อาหารด้วยแสงอาทิตย์
           ไมโทคอนเดรียน (Mitochondrion) ทำหน้าที่หายใจนำออกซิเจนมาย่อยสลายอาหารให้เกิดพลังงาน
           โกลจิบอดี (Golgi body) ทำหน้าที่สะสมผลผลิตไว้เป็นพลังงานออกมา
สัตว์และพืช เป็นสิ่งมีชีวิตที่ประกอบด้วยเซลล์มากมายหลายล้านเซลล์ ประกอบกันเป็นอวัยวะต่างๆ และทำงานร่วมกันเป็นระบบที่ใหญ่และสลับซับซ้อน เซลล์ของพืชต่างจากเซลล์ของสัตว์ตรงที่มีผนังเซลล์ที่แข็งแรง และมีคลอโรพลาสซึ่งเป็นโครงสร้างสีเขียวบรรจุคลอโรฟิลล์ไว้เพื่อจับพลังงานจากดวงอาทิตย์ เพื่อสร้างอาหารจากน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ โดยอาศัยกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis)

พันธุกรรม (Gene)
          พันธุกรรม หรือ ยีน หมายถึง การส่งทอดข้อมูลข่าวสารของเซลล์ จากรุ่นหนึ่งไปอีกรุ่นหนึ่งโดยผ่านโครโมโซม สิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ มีจำนวนโครโมโซมบรรจุอยู่ในเซลล์เป็นจำนวนเฉพาะไม่เหมือนกัน เช่น เซลล์ของมนุษย์มี 46 โครโมโซม เซลล์ของลิงซิมแปนซีมี 48 โครโมโซม เซลล์ของต้นสนมี 22 โครโมโซม ส่วนเซลล์ของปลาทองมีถึง 94 โครโมโซม โครโมโซมเป็นที่รวบรวมของข้อมูลภาษาทางพันธุกรรม หรือ ยีน ซึ่งเก็บรวบรวมไว้เป็นรหัส ซึ่งเขียนขึ้นด้วยกรดนิวคลีอิค เรียงต่อกันเป็นคำและประโยค

ภาพที่ 4 การแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส

          ในขณะที่สิ่งมีชีวิตมีอายุมากขึ้น ร่างกายก็จะเติบโตใหญ่ขึ้น เซลล์ของมันยังคงมีขนาดคงเดิม แต่จะเพิ่มจำนวนมากขึ้นโดยการแบ่งตัว และเพิ่มจำนวนมากขึ้น การแบ่งตัวที่ทำให้เกิดเซลล์สองเซลล์ที่เหมือนกัน เราเรียกว่า ไมโทซิส (Mitosis) ภาพที่ 4 แสดงให้เห็นขั้นตอนของการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส ดังนี้ (1) โครโมโซมภายในนิวเคลียสเริ่มหดตัวสั้นและหนาขึ้น (2) จับตัวเป็นคู่ๆ เป็นรูปตัว X (3) โครโมโซมเรียงตัวเป็นเส้นตรง (4) เซลล์เริ่มขยายตัวทำให้โครโมโซมแยกตัวออกสองข้าง (5) เซลล์สร้างผนังแบ่งเป็น 2 นิวเคลียส (6) เซลล์แยกตัวออกเป็น 2 เซลล์โดยอิสระ การแบ่งตัวแบบนี้ทำให้เซลล์ที่เกิดขึ้นใหม่ มีคุณสมบัติเหมือนกันทุกประการ

ภาพที่ 5 โครโมโซมของมนุษย์ (เพศหญิง)

          ในการสืบทอดพันธุกรรมด้วยเพศ จะมีการแบ่งตัวชนิดพิเศษอีกรูปแบบหนึ่ง ซึ่งทำให้เซลล์ที่เกิดใหม่มีความแตกต่างกัน เราเรียกว่า ไมโอซิส (Meiosis) ภาพที่ 5 แสดงให้เห็นถึงโครโมโซมของมนุษย์จำนวน 23 คู่ เรียงตามขนาดใหญ่ไปเล็ก โครโมโซมคู่ที่ XX เป็นโครโมโซมพิเศษซึ่งบ่งบอกถึงความเป็นเพศหญิง สเปิร์มซึ่งอยู่ในอัณฑะของเพศผู้ และไข่ซึ่งอยู่ในรังไข่ของเพศเมีย จัดเป็น “เซลล์เพศ” (Sex cell) ถือเป็นเซลล์พิเศษ เมื่อเกิดการปฏิสนธิ สเปิร์มของเพศผู้เข้าไปอยู่ในนิวเคลียสในไข่ของเพศเมีย ทำให้เซลล์ไข่มีโครโมโซมครบ 46 ตัว (ในกรณีของมนุษย์)

ภาพที่ 6 การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส (อาศัยเพศ)

          ภาพที่ 6 แสดงให้เห็นขั้นตอนการแบ่งตัวแบบไมโอซิส ดังนี้ (1) โครโมโซมภายในนิวเคลียสเริ่มหดตัวสั้นและหนาขึ้น (2) จับตัวเป็นคู่ๆ เป็นรูปตัว X (3) โครโมโซมจับคู่ประกบกันแลกเปลี่ยนรหัสพันธุกรรม (4) แต่ละคู่แยกตัวจากกัน (5) เซลล์เริ่มขยายตัวออก (6) เซลล์สร้างผนังแบ่งเป็น 2 นิวเคลียส (7) เซลล์แยกตัวออกเป็น 2 เซลล์โดยอิสระ (8) เซลล์เริ่มขยายตัวทำให้โครโมโซมแยกตัวออกสองข้าง (9) เซลล์สร้างผนังแบ่งเป็น 2 นิวเคลียส (10) เซลล์แยกตัวออกเป็น 4 เซลล์โดยอิสระ การแบ่งตัวแบบนี้ทำให้เซลล์ที่เกิดขึ้นใหม่แต่ละเซลล์ มีคุณสมบัติเฉพาะตัว ซึ่งแตกต่างไปจากเซลล์ต้นกำเนิด นี่เป็นสาเหตุทำให้ตัวเรามีความแตกต่างและคล้ายคลึงกับบรรพบุรุษ

รหัสพันธุกรรม (Genetic code)
          โครโมโซม ประกอบขึ้นด้วยโมเลกุลของกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก หรือ DNA ซึ่งเป็นโมเลกุลสายคู่บิดเป็นเกลียวต่อเนื่องดังที่แสดงในภาพที่ 7 แสดงถึงโครงสร้างโมเลกุลของ DNA ซึ่งประกอบขึ้นด้วยกลุ่มโมเลกุลย่อยของกรดนิวคลีอิกที่เรียกว่า “นิวคลีโอไทด์” (Nucleotide) แต่ละนิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยหน่วยย่อย 3 หน่วย คือ น้ำตาลไรโบส 5 อะตอมคาร์บอน [R] อยู่ตรงกลาง ปลายข้างหนึ่งต่อเชื่อมกับ กลุ่มฟอสเฟต [P] โดยมีปลายอีกข้างหนึ่งต่อเชื่อมกรดนิวคลีอิกที่ฐานไนโตรจีเนียส [B] ซึ่งมีด้วยกัน 4 ชนิดคือ อะดีนิน (A), ไทมิน (T), กัวนิน (G) และไซโทซิน (C) หากนำโครโมโซม (ในเซลล์มนุษย์) หนึ่งเส้นมายืดออก จะได้ระยะทางประมาณ 2-3 เมตร ซึ่งมีฐานไนโตรจีเนียสประมาณ 3 ล้านฐาน

ภาพที่ 7 โครงสร้าง DNA

          เนื่องจากโครงสร้างของ DNA ซึ่งเป็นโมเลกุลสายคู่ (Double helix) นิวคลีโอไทด์ซึ่งอยู่คู่กันจึงเชื่อมต่อกันที่ฐานไนโตรจีเนียสโดยมีข้อแม้ว่า “A คู่กับ T” และ “C คู่กับ G” เท่านั้น ดังนั้นลักษณะของการจับคู่ฐานจึงมีเพียง 4 รูปแบบ เท่านั้น คือ {A-T}, {T-A}, {C-G} และ {G-C} เท่านั้น นี่คือตัวอักษรในรหัสพันธุกรรม ภาษาพันธุกรรมมีความคล้ายคลึงกับภาษามนุษย์ “คำ” ที่ใช้ในรหัสพันธุกรรมเรียกว่า “โคดอน” (Codon) หนึ่งโคดอนประกอบด้วย กลุ่มลำดับฐาน ซึ่งอ่านครั้งละ 3 ตัวอักษร เช่น [{A-T}, {C-G}, {T-A}] ดังตัวอย่างในภาพที่ 8 ดังนั้นกลุ่มของลำดับฐานจึงมี 64 กลุ่ม ที่แตกต่างกัน ถ้อยคำเหล่านี้จัดเรียงต่อกันคำต่อคำ เป็นประโยคข้อมูลตลอดความยาวของสาย DNA

ภาพที่ 8 รหัสพันธุ์กรรม 1 โคดอน

          เมื่อเซลล์เกิดการแบ่งตัว สายดีเอ็นเอจะจำลองแบบตัวเอง (Replication) โดยการถอดซิปตัวเองออก คลายฐานไนโตรจีนัส เพื่อให้โมเลกุลของกรดนิวคลีอิกคัดลอกแบบตัวเอง จนเกิดสายโมเลกุลใหม่อีก 2 เส้น ซึ่งเหมือนกันทุกประการ ประกบกันเป็น สายเก่า-ใหม่ จำนวน 3 คู่ ดังภาพที่ 9

ภาพที่ 9 การจำลองแบบ DNA

          ในการทำงานของร่างกาย เซลล์จะต้องถอดรหัสพันธุกรรม เพื่อนำข้อมูลข่าวสารจาก DNA ไปสู่ปฏิบัติ โดยมีผลลัพธ์เป็นการสังเคราะห์โปรตีนชนิดต่างๆ จากโมเลกุลของกรดอะมิโนหลายชนิด (ภาพที่ 10) เมื่อการถอดรหัสเริ่มขึ้น เอนไซม์ (โปรตีนเร่งปฏิกิริยา) จะเปิดสายโมเลกุลเกลียวคู่ให้แยกจากกันตามจุดที่ต้องการ เอนไซม์อีกชนิดหนึ่งจะสร้างสาย “เมสเซนเจอร์ อาร์เอ็นเอ” (messenger RNA) หรือ mRNA เข้าไปประกบคู่กับ สาย DNA ข้างหนึ่ง โดยการเชื่อมฐานนิวโตรจีเนียสเข้าด้วยกัน แต่ฐานใน RNA มีเพียง A, C, G, ไม่มี T (ไทมิน) แต่มี U (ยูราซิล) แทน
เมื่อ mRNA ทำการคัดลอกข้อมูลจาก DNA เสร็จแล้ว จะเดินทางผ่านผนังนิวเคลียสออกมา จากนั้นไรโบโซมซึ่งมี RNA อีกชนิดหนึ่งซึ่งบรรจุอยู่ภายในเรียกว่า “ทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอ” (transfer RNA) หรือ tRNA จะเคลื่อนตัวไปตามสาย mRNA เพื่อแปลรหัสพันธุกรรมทีละ 1 โคดอน หรือ 3 ตัวอักษร เช่น [{A-U}, {U-A}, {C-G}] ข้อมูลจาก nRNA เป็นคำสั่งการให้ tRNA คัดเลือกโมเลกุลของกรดอะมิโนทั้ง 20 ชนิด เรียงลำดับให้ถูกต้องเพื่อสังเคราะห์โปรตีนชนิดที่ต้องการ เมื่อไรโบโซมเคลื่อนที่มาถึงรหัสที่บอกว่า หยุด ก็จะได้สายโปรตีนโมเลกุลที่สมบูรณ์ และหลุดออกไปจากไรโบโซม เพื่อทำหน้าที่ๆ เซลล์ต้องการ ต่อไป

ภาพที่ 10 การทำงานของ RNA