บทที่ 3 พันธุกรรมและความหลากหลายของสิ่งมีชีวิต

3.1 กระบวนการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม

3.2 โครโมโซมและสารพันธุกรรม

3.3 ความหลากหลายของพืชและสัตว์ในท้องถิ่น

3.4 ความก้าวหน้าของการใช้เทคโนโลยีชีวภาพในปัจจุบัน

โครโมโซมและสารพันธุกรรม


           ภายในนิวเคลียสของเซลล์มีสารพันธุกรรมเรียกว่าดีเอ็นเอ (DNA) ดีเอ็นเอและโปรตีนประกอบเป็นโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นสายยาวเรียกว่า โครมาทิน (chromatin) ระหว่างการแบ่งเซลล์โครมาทินจะขดตัวจนมีลักษณะเป็นท่อนๆ เรียกว่าโครโมโซม (chromosome) แต่ละโครโมโซมประกอบด้วยโครมาทิด (chromatid)2 เส้นซึ่งเกาะเกี่ยวกันที่เซนโทรเมียร์ 
(centromere)  เซลล์สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีจำนวนโครโมโซมคงที่ เช่น เซลล์ร่างกายของคน 1 เซลล์ มี 46 โครโมโซมโดยเป็นโครโมโซม

ที่มีลักษณะเหมือนกันเป็นคู่ 23 คู่ โครโมโซมที่เป็นคู่เหมือนกันเรียกว่าโฮโมโลกัส-โครโมโซ(homologous  chromosome)

           ก่อนการแบ่งเซลล์ทุกครั้ง มีการจำลองโครโมโซมแต่เมื่อมองจากกล้องจุลทรรศน์จะไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงจนกระทั่งเข้าสู่ระยะการแบ่งเซลล์  ซึ่งโครมาทิดขดสั้นลงเป็นแท่งโครโมโซม  จึงจะเห็นโครโมโซมประกอบด้วย 2 โครมาทิด (ภาพ 4.2 ) จากนั้นโครโมโซมทั้งหมดจะเรียงตัวกันบริเวณกึ่งกลางเซลล์ ก่อนที่เส้นใยโปรตีนจะดึงโครมาทิดของโครโมโซมแต่ละแท่งให้แยกจากกันไปยังแต่ละขั้วเซลล์  แล้วจึงมีการคลายตัวของโครโมโซมกลับสู่สภาพโครมาทิด ถือว่าสิ้นสุดกระบวนการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส


             จากนั้นจะเป็นการแบ่งไซโทพลาซึม   ซึ่งในเซลล์สัตว์ เยื่อหุ้มเซลล์จะคอดเข้าหากันจนกระทั่งเซลล์ขาดออกจากกัน ได้เซลล์ใหม่  2  เซลล์ ส่วนในเซลล์พืชจะมีการสร้างแผ่นกั้นเซลล์ ( cell  plate ) ตรงกลางระหว่างนิวเคลียสที่เกิดขึ้นใหม่  การแบ่งเซลล์จะสมบรูณ์เมื่อมีการสะสมตัวของเซลลูโลสบนแผ่นกั้นเซลล์   เกิดเป็นผนังเซลล์กั้นระหว่างเซลล์ใหม่ทั้งสอง
ระหว่างการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตจะมีการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสหลายครั้งเพื่อเพิ่มจำนวนเซลล์จากนั้นเซลล์บางกลุ่มจะเปลี่ยนแปลงรูปร่างเพื่อทำหน้าที่เฉพาะ


          การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส


          การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสเป็นกระบวนการต่อเนื่อง  ที่คล้ายคลึงกับการแบ่งเซลล์ แบบไมโทซิส  ซึ่งนักเรียนศึกษามาแล้ว  

แต่การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสนี้มีการแบ่งนิวเคลียส 2 ครั้ง คือ ไมโอซิส I และไมโอซิส II



              กระบวนการไมโอซิส  I มีการเปลี่ยนแปลงที่แตกต่างจากการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส  โดยมีการแยก โฮโมโลกัสโครโมโซมที่ปรากฏเป็นคู่ออกจากกันเซลล์ใหม่แต่ละเซลล์จึงมีจำนวนโครโมโซมลดลงเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของเซลล์ร่างกาย  กล่าวได้ว่ามีจำนวนโครโมโซมเป็น n   ในไมโอซิส II โครมาทิดของโครโมโซมแต่ละแท่งจะถูกแบ่งออกจากกันตามขั้นตอนที่คล้ายคลึงกับการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส  เกิดเป็นเซลล์ใหม่ 4 เซลล์


                  การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสเป็นการสร้างเซลล์สืบพันธุ์  คือ  เซลล์อสุจิหรือเซลล์ไข่ ซึ่งแต่ละเซลล์มีจำนวนโครโมโซม
ครึ่งหนึ่งของเซลล์ร่างกายที่เป็นเซลล์ตั้งต้น  ในการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศ เซลล์อสุจิและเซลล์ไข่รวมกันระหว่างการปฏิสนธิ เกิดเป็นไซโกตซึ่งมีจำนวนโครโมโซม

เท่ากับเซลล์ร่างกายของพ่อแม่



โครโมโซมและการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม 


           นักเรียนทราบแล้วว่า โครโมโซมในเซลล์แรกของลูกนั้น ครึ่งหนึ่งได้มาจากเซลล์สืบพันธุ์ของพ่ออีกครึ่งหนึ่งได้มาจากเซลล์สืบพันธุ์ของแม่ นักเรียนจะได้เรียนรู้ว่าโครโมโซมสามารถถ่ายทอดลักษณะต่างๆ  จากรุ่นพ่อแม่มาสู่รุ่นลูกหลานได้อย่างไร โดยจะได้เริ่มศึกษาโครงสร้างของโครโมโซมและดีเอ็นเอก่อน
           จากการทดลองในแบคทีเรียและไวรัส พบว่าดีเอ็นเอเป็นสารพันธุกรรมที่บรรจุข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตไว้ ส่วนโปรตีนนั้นแม้จะไม่ใช่สารพันธุกรรม  แต่ก็ทำหน้าที่สำคัญอย่างยิ่งในเชิงโครงสร้าง เมื่อนำดีเอ็นเอทั้งหมดในเซลล์ร่างกายของคน 1 เซลล์มาเรียงต่อกันจะมีความยาวรวมถึง 2.2 เมตร ดังนั้นโครโมโซมแต่ละแท่ง จึงประกอบด้วยสายดีเอ็นเอที่มีความยาวเฉลี่ยถึง 4.8 เซนติเมตร หรือ 48, 000ไมโครเมตร ในขณะที่โครโมโซมแต่ละแท่งของคนมีความยาวเฉลี่ยเพียง 6 ไมโครเมตรเท่านั้นแต่จะต้องบรรจุสายดีเอ็นเอที่ยาวกว่าโครโมโซมถึง 8,000เท่าให้ได้คำตอบของธรรมชาติ ต่อความท้าทายนี้คือการใช้โปรตีนมาช่วยในการขดตัว ของสายดีเอ็นเอให้สั้นลง 

 

           ลักษณะทางพันธุกรรมกำหนดโดยยีน แต่ละยีนคือลำดับเบสของนิวคลีโอไทด์ช่วงหนึ่งๆบนดีเอ็นเอ ที่มีข้อมูลสำหรับ

สังเคราะห์โปรตีนแต่ละชนิด ดีเอ็นเอเป็นส่วนประกอบของโครโมโซมเพราะฉะนั้นยีนจึงมีตำแหน่งอยู่บนโครโมโซม 

ยีนในตำแหน่งเดียวกันบนโฮโมโลกัสโครโมโซมแต่ละคู่จะควบคุมลักษณะเดียวกันซึ่งอาจมีหลายรูปแบบ เรียกยีนที่ควบคุม

ลักษณะเดียวกันแต่ให้รูปแบบของลักษณะต่างกันว่า แอลลีล ลักษณะทางพันธุกรรมที่ปรากฏจะขึ้นอยู่กับแอลลีลในแต่ละ

โครโมโซม เช่น ยีนที่ควบคุมลักษณะคางบุ๋มปรากฏอย่างน้อย 2 แบบให้ชื่อเรียกว่าแอลลีล N และ n ดังนั้นแบบของคู่ยีนที่ควบคุม

ลักษณะคางบุ๋ม หรือ จีโนไทป์ ของลักษณะคางบุ๋มจึงมีได้ 3 แบบคือ NN Nn  และ nn ส่วนลักษณะที่แสดงออก เรียกว่าฟีโนไทป์ในกรณีนี้มีได้ 2 แบบ คือ ลักษณะคางบุ๋มและลักษณะคางไม่บุ๋ม

         ศึกษาการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม

           การศึกษาลักษณะทางพันธุกรรมของคน ทำได้โดยการสืบประวัติครอบครัวซึ่งมีลักษณะที่ต้องการศึกษาหลายๆชั่วอายุคน 

ดังที่นักเรียนทำในกิจกรรม 4.1 จากนั้นนำมาเขียนแผนผังแสดงบุคคลที่ได้รับการถ่ายทอดลักษณะที่ศึกษาเรียกแผนผังดังกล่าว

ว่า เพดดิกรี(pedigree) โดยใช้สัญลักษณ์แทนบุคคลต่างๆทั้งผู้ที่แสดงและไม่แสดงลักษณะที่กำลังศึกษา หากลักษณะใดมีการ

ถ่ายทอดทางพันธุกรรม เพดดิกรีจะช่วยให้สังเกตเห็นแบบแผนการถ่ายทอดได้ง่ายขึ้นและอาจช่วยให้บอกได้ว่าลักษณะนั้นๆ 

เป็นลักษณะเด่นหรือลักษณะด้อย เป็นลักษณะพันธุกรรมที่เกี่ยวข้องกับเพศใดเพศหนึ่งเป็นพิเศษหรือไม่ นักเรียนจะได้ศึกษา

 

     การเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม

 

          หากสิ่งมีชีวิตรุ่นแรกบนโลกไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมเลย  ก็จะไม่เกิดวิวัฒนาการที่ทำให้มีสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิดเช่นในปัจจุบัน กระบวนการใดบ้างที่ทำให้ลักษณะทางพันธุกรรมเกิดการเปลี่ยนแปลงและการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นมีความสัมพันธ์กับการอยู่รอดของสิ่งมีชีวตในสภาวะแวดล้อมต่างๆหรือไม่  นอกจากนั้นมนุษย์ใช้ประโยชน์จากความรู้เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงลักษณะทางพันธุกรรมอย่างไร  นักเรียนจะได้ศึกษาต่อไป

         มิวเทชันเป็นการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมในระดับยีนหรือโครโมโซม ซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับดีเอ็นเอ โดยมิวเทชันที่เกิดในเซลล์สืบพันธุ์จะถ่ายทอดไปสู่รุ่นลูกหลานได้

          การที่มิวเทชันทำให้สิ่งมีชีวิตมีลักษณะบางอย่างแตกต่างไปจากรุ่นพ่อแม่ได้นั้น เป็นเพราะดีเอ็นเอมีการเปลี่ยนแปลง  ซึ่งมีผลต่อการสังเคราะห์โปรตีนในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต โดยที่โปรตีนบางชนิดทำหน้าที่เป็นโครงสร้างของเซลล์และเนื้อเยื่อ  บางชนิดเป็นเอนไซม์ควบคุมเมแทบอลิซึม การเปลี่ยนแปลงของดีเอ็นเออาจทำให้โปรตีนที่สังเคราะห์ได้ต่างไปจากเดิม  ซึ่งส่งผลต่อเมแทบอลิซึมของร่างกายหรือทำให้โครงสร้างและการทำงานของอวัยวะต่างๆเปลี่ยนแปลงไปจึงทำให้ลักษณะที่ปรากฏเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย

         โดยทั่วไปการเกิดมิวเทชันจะนำมาซึ่งลักษณะไม่พึงประสงค์ เช่น มะเร็งหรือโรคทางพันธุกรรมต่างๆแต่การเกิดมิวเทชันบางลักษณะ ก็เป็นความแปลกใหม่ที่มนุษย์ชื่นชอบ เช่น ช้างเผือกที่มีความสำคัญในวัฒนธรรมไทย เก้งเผือกหรือผลไม้ที่มีีลักษณะผิดแปลกไปจากเดิม เช่น  แตงโมและกล้วยที่เมล็ดลีบ  หรือแอปเปิ้ลที่มีผลใหญ่กว่าพันธุ์ดั้งเดิม เป็นต้น

          มิวเทชันเกิดขึ้นกับสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติอยู่แล้วแต่อัตราการเกิดจะสูงขึ้นถ้าสิ่งมีชีวิตนั้นได้รับรังสีหรือสารเคมีบางชนิด เช่น สารแอฟฟาทอกซินจากเชื้อราปนเปื้อนในอาหารและสารไนโตรซามีนซึ่งเกิดขึ้นเมื่อมีการใช้ดินประสิวในการถนอมอาหารประเภทโปรตีน

          ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ใช้ประโยชน์จากรังสีเพื่อเร่งอัตราการเกิดมิวเทชันโดยการนำส่วนต่างๆของพืชมาฉายรังสี เช่น การฉายรังสีแกมมากับเนื้อเยื่อจากหน่อหรือเหง้าของพุทธรักษาทำให้ได้พุทธรักษาสายพันธุ์ใหม่หลายสายพันธุ์พืชกลายพันธุ์อื่นๆ ที่เกิดจากการฉายรังสีแกมมา ได้แก่ เบญจมาศและปทุมมาที่สีของกลีบดอกเปลี่ยนแปลงไปขิงแดงมีใบลายและต้นเตี้ย เป็นต้น


หน้าเว็บย่อย (1): คำถามท้ายบท