มองด้วยกล้องจุลทรรศน์
เซลล์ถูกเรียกว่าหน่วยมูลฐานของชีวิต. จริง ๆ แล้ว สิ่งมีชีวิตไม่ว่าจะเป็นพืช, แมลง, สัตว์, หรือมนุษย์ ประกอบขึ้นด้วยเซลล์. ตลอดเวลาหลายปี เหล่านักวิทยาศาสตร์พินิจดูการทำงานภายในเซลล์ตลอดเวลาหลายปี และได้ไขความลับหลายประการด้านชีววิทยาโมเลกุลและพันธุศาสตร์. ให้เรามาพินิจดูเซลล์ใกล้ ๆ และพิจารณาสิ่งที่วิทยาศาสตร์ได้ค้นพบเกี่ยวกับหน่วยชีวิตที่น่าพิศวงเหล่านี้ซึ่งเล็กมากจนมองด้วยตาเปล่าไม่เห็น.
ภาพของสิ่งที่มองด้วยตาเปล่าไม่เห็น
เซลล์มีรูปร่างหลากหลาย. บ้างก็เป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า; บ้างก็เป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส. แล้วก็มีเซลล์รูปกลม, เซลล์รูปไข่, และบางชนิดก็มีรูปร่างไม่แน่นอน. ลองนึกถึงอะมีบา สัตว์เซลล์เดียวซึ่งมีรูปร่างไม่แน่นอนเลย. มันเปลี่ยนรูปไปตามการเคลื่อนไหว. น่าสนใจ หน้าที่การงานของเซลล์มักจะดูได้จากรูปร่างของมัน. ยกตัวอย่าง เซลล์กล้ามเนื้อบางชนิดมีลักษณะยาวเรียว และหดเกร็งขณะทำงาน. เซลล์ประสาท ซึ่งถ่ายทอดข่าวสารไปยังทุกส่วนของร่างกายมีลักษณะเป็นกิ่งก้านสาขายาว ๆ.
เซลล์ยังมีขนาดแตกต่างกันด้วย. แต่ส่วนใหญ่แล้วเล็กเกินกว่าจะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า. เพื่อช่วยให้เข้าใจขนาดโดยเฉลี่ยของเซลล์ ขอให้ดูจุดมหัพภาคท้ายประโยคนี้. เซลล์ขนาดโดยเฉลี่ยจำนวนราว ๆ 500 เซลล์สามารถบรรจุไว้ในจุดเล็ก ๆ นี้ได้! แม้จะดูเล็กมากอยู่แล้ว แต่ก็ยังมีเซลล์แบคทีเรียบางชนิดเล็กกว่านี้อีกราว ๆ 50 เท่า. แล้วเซลล์ที่ใหญ่ที่สุดล่ะ? เป็นเซลล์ไข่แดงของนกกระจอกเทศ ซึ่งมีเซลล์ “ยักษ์” เซลล์เดียว ขนาดใหญ่พอ ๆ กับลูกเบสบอล!
เนื่องจากเซลล์ส่วนใหญ่ไม่สามารถเห็นได้ด้วยตาเปล่า พวกนักวิทยาศาสตร์จึงต้องใช้อุปกรณ์ต่าง ๆ อย่างเช่น กล้องจุลทรรศน์ เพื่อศึกษาเซลล์.a ถึงกระนั้น รายละเอียดที่ซับซ้อนบางอย่างของเซลล์ก็ยังเข้าใจได้ไม่เต็มที่. ลองคิดดู กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถขยายเซลล์ได้ประมาณ 200,000 เท่า ซึ่งเป็นกำลังขยายที่จะทำให้มดตัวหนึ่งยาวเกือบหนึ่งกิโลเมตร. แต่ทั้ง ๆ ที่ขยายใหญ่ขนาดนี้ ก็ยังเก็บรายละเอียดของเซลล์ได้ไม่หมด!
ด้วยเหตุนี้ พวกนักวิทยาศาสตร์จึงพบว่าเซลล์มีความสลับซับซ้อนอย่างน่าทึ่ง. นักฟิสิกส์ พอล เดวีส กล่าวไว้ในหนังสือของเขาชื่อสิ่งมหัศจรรย์ที่ห้า (ภาษาอังกฤษ) ดังนี้: “แต่ละเซลล์อัดแน่นด้วยโครงสร้างขนาดจิ๋วคล้ายกับอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่เราเห็นในคู่มือวิศวกร. มีคีม, กรรไกร, เครื่องปั๊ม, มอเตอร์, ชะแลง, วาล์ว, ท่อ, โซ่, และกระทั่งยานพาหนะมากมาย. แต่แน่ละ เซลล์ไม่ใช่แค่กระเป๋าใส่อุปกรณ์กระจุกกระจิก. ส่วนประกอบต่าง ๆ เข้าประสานกันพอดีจนทั้งอินทรีย์ทำงานได้อย่างราบรื่นนุ่มนวล เหมือนสายการผลิตของโรงงานที่ประณีตซับซ้อน.”
ดีเอ็นเอ—โมเลกุลพันธุกรรม
มนุษย์ รวมทั้งพืชและสัตว์หลายเซลล์ เริ่มต้นด้วยเซลล์ ๆ เดียว. หลังจากเซลล์นั้นเติบโตถึงจุดหนึ่ง มันจะแบ่งตัวจากหนึ่งเป็นสอง จากสองเป็นสี่. ขณะที่เซลล์แบ่งตัวไปเรื่อย ๆ มันจะแยกเป็นเซลล์กล้ามเนื้อ, เซลล์ประสาท, เซลล์ผิวหนัง, และอื่น ๆ. ขณะที่กระบวนการนี้ดำเนินต่อไป หลายเซลล์จะรวมกลุ่มกันเพื่อสร้างเนื้อเยื่อ. ยกตัวอย่าง เซลล์กล้ามเนื้อจะรวมตัวกัน และก่อตัวเป็นเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อ. เนื้อเยื่อชนิดต่าง ๆ จะก่อตัวเป็นอวัยวะ อย่างเช่น หัวใจ, ปอด, และดวงตา.
ข้างใต้เยื่อบาง ๆ ที่หุ้มเซลล์แต่ละเซลล์คือส่วนของของเหลวที่มีลักษณะคล้ายวุ้นเรียกว่าไซโตพลาสซึม. ต่อจากนั้นก็เป็นนิวเคลียส ซึ่งมีเยื่อบาง ๆ หุ้มแยกต่างหากจากไซโตพลาสซึม. นิวเคลียสได้รับการขนานนามว่าศูนย์บัญชาการเซลล์ เพราะมันควบคุมกิจกรรมแทบทุกอย่างของเซลล์. ข้างในนิวเคลียสมีโปรแกรมพันธุกรรมของเซลล์ ซึ่งเขียนไว้ในรูปของกรดดีออกซิไรโบนิวคลีอิก หรือเรียกสั้น ๆ ว่า ดีเอ็นเอ.
โมเลกุลดีเอ็นเอขดเป็นเกลียวแน่นอยู่ในโครโมโซมของเซลล์. ยีนของคุณ ซึ่งก็คือส่วนต่าง ๆ ของโมเลกุลดีเอ็นเอ บรรจุไว้ด้วยข้อมูลทุกอย่างที่จำเป็นต่อการสร้างตัวคุณอย่างที่คุณเป็นอยู่นี้. สารานุกรม เดอะ เวิลด์ บุ๊ก อธิบายว่า “โปรแกรมพันธุกรรมที่อยู่ในดีเอ็นเอทำให้สิ่งมีชีวิตทั้งมวลแตกต่างกัน. โปรแกรมนี้ทำให้สุนัขแตกต่างจากปลา, ม้าลายแตกต่างจากดอกกุหลาบ, และต้นหลิวแตกต่างจากตัวต่อ ทำให้คุณแตกต่างจากทุกคนบนโลก.”
ข้อมูลที่บรรจุอยู่ในดีเอ็นเอของเซลล์คุณแค่เซลล์เดียวนั้นมีมากมายมหาศาล. ถ้าเขียนออกมาก็อาจจะได้ราว ๆ หนึ่งล้านหน้ากระดาษวารสารเล่มนี้! เนื่องจากดีเอ็นเอเป็นตัวถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมจากเซลล์รุ่นหนึ่งสู่รุ่นถัดไป มันจึงถูกเรียกว่า แบบแปลนหลักของชีวิตทั้งมวล. แต่ดีเอ็นเอมีลักษณะเช่นไร?
ดีเอ็นเอมีลักษณะเป็นเกลียวคู่คล้ายบันไดเวียน. สายเกลียวสองเส้นนี้เชื่อมติดกันโดยการรวมตัวของสารสี่ชนิดที่เรียกว่า เบส. เบสแต่ละชนิดของเกลียวเส้นหนึ่งจะจับคู่กับเบสชนิดหนึ่งของเกลียวอีกเส้นหนึ่ง. คู่เบสเหล่านี้จะก่อรูปเป็นขั้นของบันไดเวียนดีเอ็นเอ. ลำดับที่แน่นอนของเบสในโมเลกุลดีเอ็นเอคือตัวกำหนดข้อมูลทางพันธุกรรม. พูดง่าย ๆ ก็คือ ลำดับดังกล่าวกำหนดแทบทุกสิ่งเกี่ยวกับตัวคุณ ตั้งแต่สีผมไปจนถึงลักษณะของจมูก.
ดีเอ็นเอ, อาร์เอ็นเอ, และโปรตีน
โปรตีนเป็นโมเลกุลใหญ่ที่มีมากที่สุดในเซลล์. มีการกะประมาณว่าน้ำหนักแห้งมากกว่าครึ่งของสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่เป็นน้ำหนักของโปรตีนเหล่านี้! โปรตีนประกอบขึ้นด้วยโครงสร้างเล็ก ๆ ที่เรียกว่า กรดอะมิโน. กรดอะมิโนบางส่วนร่างกายของคุณสร้างขึ้นเอง บางส่วนก็ได้จากอาหารที่คุณรับประทานเข้าไป.
โปรตีนมีหลายหน้าที่. ยกตัวอย่าง ฮีโมโกลบินซึ่งเป็นโปรตีนชนิดหนึ่งที่อยู่ในเซลล์เม็ดเลือดแดง มีหน้าที่นำออกซิเจนไปเลี้ยงส่วนต่าง ๆ ทั่วร่างกาย. แล้วก็มีแอนติบอดี ซึ่งช่วยป้องกันร่างกายของคุณไว้จากเชื้อโรค. ส่วนโปรตีนอื่น ๆ อย่างเช่น อินซูลิน ช่วยเผาผลาญอาหารในร่างกายของคุณ และยังควบคุมการทำงานหลายหลากของเซลล์. รวมแล้ว อาจมีโปรตีนชนิดต่าง ๆ นับพันนับหมื่นในร่างกายคุณ. อาจมีหลายร้อยชนิดในแค่เซลล์เดียว!
โปรตีนแต่ละชนิดจะปฏิบัติหน้าที่เฉพาะซึ่งกำหนดโดยยีนดีเอ็นเอในโปรตีนชนิดนั้น ๆ. แต่ข้อมูลทางพันธุกรรมในยีนดีเอ็นเอถูกถอดรหัสอย่างไรเพื่อนำไปสร้างโปรตีนชนิดใดชนิดหนึ่ง? ดังแสดงให้เห็นในแผนภาพ “วิธีที่โปรตีนถูกสร้างขึ้น” ในบทความนี้ ข้อมูลทางพันธุกรรมที่อยู่ในดีเอ็นเอจะต้องถ่ายทอดจากนิวเคลียสของเซลล์สู่ไซโตพลาสซึมก่อน ซึ่งไรโบโซมหรือโรงงานผลิตโปรตีนอยู่ที่นั่น. การถ่ายทอดนี้สำเร็จผลโดยสื่อกลางที่เรียกว่า กรดไรโบนิวคลีอิก (อาร์เอ็นเอ). ไรโบโซมในไซโตพลาสซึมจะ “อ่าน” คำสั่งในอาร์เอ็นเอ และรวบรวมลำดับที่ถูกต้องของกรดอะมิโนเพื่อสร้างโปรตีนชนิดนั้น ๆ. ด้วยเหตุนี้ จึงเกิดเป็นความสัมพันธ์ที่ต้องพึ่งพากันและกันระหว่างดีเอ็นเอ, อาร์เอ็นเอ, และการก่อตัวของโปรตีน.
ชีวิตเริ่มต้นที่ไหน?
การศึกษาเรื่องพันธุศาสตร์และชีววิทยาโมเลกุลเป็นที่สนอกสนใจของบรรดานักวิทยาศาสตร์มาหลายสิบปีแล้ว. นักฟิสิกส์ พอล เดวีส รู้สึกกังขาในเรื่องที่ว่าพระผู้สร้างอยู่เบื้องหลังสิ่งเหล่านี้. กระนั้น เขาก็ยอมรับว่า “แต่ละโมเลกุลมีหน้าที่ที่ถูกกำหนดไว้และมีตำแหน่งเฉพาะในแผนงานทุกด้านเพื่อส่วนต่าง ๆ ของเซลล์จะได้รับการสร้างขึ้นอย่างถูกต้อง. มีการสัญจรไปมามากมาย. โมเลกุลจะต้องเดินทางไปทั่วเซลล์เพื่อพบกับโมเลกุลอื่น ๆ ณ เวลาและสถานที่อันพอเหมาะพอดีเพื่อจะปฏิบัติงานของตนได้อย่างถูกต้อง. ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นโดยไม่มีเจ้านายคอยสั่งให้โมเลกุลทำโน่นทำนี่ และนำพวกมันไปยังตำแหน่งที่เหมาะสม. ไม่มีผู้ดูแลที่คอยควบคุมกิจกรรมของมัน. โมเลกุลเพียงแต่ทำสิ่งที่มันต้องทำคือ เด้งไปทั่วโดยปราศจากการชี้นำ, ชนกับอีกโมเลกุลหนึ่ง, เด้งกลับ, เกาะเกี่ยวกัน. . . . โดยวิธีใดวิธีหนึ่ง กลุ่มอะตอมที่ไร้ความคิดเหล่านี้จะรวมตัวกันและเคลื่อนที่ไปมาอย่างถูกต้องแม่นยำ.”
ด้วยเหตุผลที่ถูกต้อง หลายคนที่ได้ศึกษาการทำงานภายในเซลล์จึงลงความเห็นว่า จะต้องมีพลังอำนาจที่ประกอบด้วยเชาวน์ปัญญาสร้างสิ่งดังกล่าวขึ้นมา. ให้เรามาพิจารณาว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนี้.
[เชิงอรรถ]
a เพื่อศึกษาองค์ประกอบทางเคมีและลักษณะเฉพาะของเซลล์ นักวิทยาศาสตร์ใช้เครื่องหมุนเหวี่ยงด้วย ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่แยกส่วนประกอบของเซลล์.
[กรอบ/ภาพหน้า 5]
ภาพภายในเซลล์
ภายในเซลล์แต่ละเซลล์จะมีนิวเคลียส ซึ่งเป็นศูนย์บัญชาการของเซลล์. ส่วนที่อยู่ภายในนิวเคลียสคือโครโมโซม ซึ่งประกอบด้วยโปรตีนและโมเลกุลดีเอ็นเอ ที่ขดเป็นเกลียวแน่น. ยีนของเราอยู่ที่โมเลกุลดีเอ็นเอเหล่านี้แหละ. ไรโบโซม ซึ่งเป็นโรงงานผลิตโปรตีนอยู่ในไซโตพลาสซึม ของเซลล์ ภายนอกนิวเคลียส.
[แผนภูมิ]
(รายละเอียดดูจากวารสาร)
เซลล์
ไรโบโซม
ไซโตพลาสซึม
นิวเคลียส
โครโมโซม
ดีเอ็นเอ คือขั้นบันไดแห่งชีวิต
[แผนภูมิหน้า 7]
(รายละเอียดดูจากวารสาร)
วิธีที่ดีเอ็นเอจำลองแบบ
ขดเกลียวดีเอ็นเอที่ถูกดึงแผ่ออก เพื่อช่วยให้เห็นภาพชัดขึ้น
1 ก่อนที่เซลล์จะแบ่งตัวสร้างเซลล์รุ่นต่อไป มันต้องทำการจำลองแบบ (ก๊อบปี้) ดีเอ็นเอ. ขั้นแรก โปรตีนจะช่วยคลายสายดีเอ็นเอที่เป็นเกลียวคู่ออกจากกัน
โปรตีน
2 จากนั้น เบสอิสระ (ที่มีอยู่) ในเซลล์จะเชื่อมต่อกับคู่เบสของมันที่อยู่ตามสายเกลียวสองเส้นแรก โดยปฏิบัติตามกฎการจับคู่เบสอย่างเคร่งครัด
เบสอิสระ
3 สุดท้าย ก็เกิดเป็นหนังสือรหัสสองเล่มที่เหมือนเดิมทุกประการ. ดังนั้น เมื่อเซลล์แบ่งตัว เซลล์ใหม่แต่ละเซลล์จะมีหนังสือรหัสดีเอ็นเอ (ข้อมูลพันธุกรรม) ที่เหมือนกันคนละเล่ม
โปรตีน
โปรตีน
กฎการจับคู่เบสดีเอ็นเอ:
เอ คู่กับ ที เสมอ
เอ ที ไทมิน
ที เอ อะดีนิน
ซี คู่กับ จี เสมอ
ซี จี กัวนิน
จี ซี ไซโตซิน
[แผนภูมิหน้า 8, 9]
(รายละเอียดดูจากวารสาร)
วิธีที่โปรตีนถูกสร้างขึ้น
เพื่อให้ง่ายขึ้น เราจึงแสดงภาพโปรตีนที่ประกอบด้วยกรดอะมิโน 10 หน่วย. โปรตีนส่วนใหญ่มีกรดอะมิโนมากกว่า 100 หน่วย
1 โปรตีนพิเศษชนิดหนึ่งจะทำการแยกเกลียวดีเอ็นเอส่วนหนึ่งออกจากกัน
โปรตีน
2 เบสของอาร์เอ็นเออิสระจะเชื่อมต่อกับเบสของดีเอ็นเอที่รอรับอยู่บนเส้นดีเอ็นเอเส้นเดียวเท่านั้น และก่อตัวเป็นอาร์เอ็นเอชนิดตัวนำรหัสเส้นหนึ่ง
เบสของอาร์เอ็นเออิสระ
3 อาร์เอ็นเอชนิดตัวนำรหัสที่เกิดใหม่นี้จะแยกตัวออกไปอยู่ที่ไรโบโซม
4 อาร์เอ็นเอชนิดถ่ายทอดข้อมูลจะนำกรดอะมิโนไปที่ไรโบโซม
อาร์เอ็นเอชนิดถ่ายทอดข้อมูล
ไรโบโซม
5 ขณะที่ไรโบโซมเคลื่อนผ่านอาร์เอ็นเอชนิดตัวนำรหัส กรดอะมิโนก็จะเชื่อมต่อกันเป็นสายโซ่
กรดอะมิโน
6 ขณะที่สายโซ่โปรตีนกำลังก่อตัวอยู่ มันจะเริ่มซ้อนทบกันตามรูปร่างที่จำเป็นต่อการปฏิบัติงานอย่างถูกต้อง. แล้วไรโบโซมก็จะปล่อยสายโซ่นี้ออก
อาร์เอ็นเอชนิดถ่ายทอดข้อมูล มีปลายสองด้านที่สำคัญ:
ด้านหนึ่ง รู้รหัสของอาร์เอ็นเอชนิดตัวนำรหัส
อีกด้านหนึ่ง ลำเลียงกรดอะมิโนที่ถูกต้องไป
อาร์เอ็นเอชนิดถ่ายทอดข้อมูล
เบสของอาร์เอ็นเอเลือก ยู ไม่ใช่ ที ดังนั้น ยู จึงคู่กับ เอ
เอ ยู ยูราซิล
ยู เอ อะดีนิน