บทที่ 1 ธรรมชาติของสิ่งมีชีวิต

1.1 สิ่งมีชีวิตคืออะไร
1.1.1 สิ่งมีชีวิตมีการสืบพันธุ์

จะเห็นได้ว่า การสืบพันธุ์ (reproduction) เป็นลักษณะสำคัญของสิ่งมีชีวิต การสืบพันธุ์เป็นกระบวนการเพิ่มสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกัน (specics)เพื่อดำรงรักษาเผ่าพันธุ์ไว้ โดยการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่ง

การที่สิ่งมีชีวิตมีรูปร่างลักษณะคล้ายพ่อและแม่ของตน เนื่องจากมีการถ่ายทอดหน่วยพันธุกรรมที่ควบคุมลักษณะต่างๆ สู่สิ่งมีชีวิตรุ่นต่อไป

1.1.2   สิ่งมีชีวิตต้องการสารอาหารและพลังงาน
ในธรรมชาติปลาที่ถูกขังอยู่รวมกันจำนวนมาก   นักเรียนแยกได้ไหมว่าตัวใดยังมีชีวิตอยู่   ตัวใดตายไปแล้ว นักเรียนคงบอกได้ว่าตัวที่ตายแล้ว   คือตัวที่หยุดนิ่งไม่เคลื่อนไหวไม่หายใจ   เมื่อไม่หายใจก็ไม่มีพลังงานในการทำกิจกรรมต่างๆ พลังงานสำคัญต่อการมีชีวิตอย่างไร สัตว์ได้พลังงานโดยการกินสัตว์หรือพืชอื่นเป็นอาหาร เช่น คางคกจับแมลง   นกจิกกินหนอนหรือเมล็ดพืช    กวางกินใบไม้ แนวกินหหนู   ส่วนพืชต้องการน้ำ   แสงสว่าง และคาร์บอนไดออกไซด์   เราเองก็ต้องการอาหารทุกวัน   ในบางประเทศมีอาหารไม่เพียงพอต่อการบริโภคทำให้ประชาชนอดยาก   มีร่างกายซูบผอม   ถ้าคนและสัตว์อดอาหารนานๆ ก็จะตายในที่สุด   สิ่งมีชีวิตจะไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ถ้าปราศากอาหารและพลังงาน อาหารและพลังงานจำเป็นต่อการดำรงชีวิตอย่างไร

เชื่อมโยงกับฟิสิกส์
ตามกฏของการอนุรักษ์พลังงาน   พลังงานไม่สามารถเกิดขึ้นใหม่ได้   แต่สามารถเปลี่ยนรูปได้ เช่น พลังงานเคมีในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานกลได้

ในอาหารมีสารอาหารช่วยเสริมสร้างให้ร่างกายเจริญเติบโตซ่อมแซมเนื้อเยื่อที่ชำรุด สารอาหารเหล่านี้ บางชนิดสลายแล้วจะให้พลังงานเพื่อใช้ในการทำกิจกรรมต่างๆของร่างกาย เช่น การเคลื่อนไหวร่างกาย การงอกของรากพืช รวมทั้งปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตที่เรียกว่า เมแทบอลิซึม(metabolism) มีการใช้พลังงานจากอาหาร พลังงานที่อยู่ในสารอาหารมาจากไหน
ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดของพลังงานที่สำคัญของสิ่งมีชีวิตบนโลก   พืชและสาหร่ายสีเขียวสามารถเปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานศักย์สะสมอยู่ในโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่อยู่ในเนื้อเยื่อของพืช   โดยกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง   คนและสัตว์ได้รับการถ่ายทอดพลังงานมาโดยการกินกันเป็นทอดๆ   จากโซ่อาหารและสารใยอาหาร   ทำให้ได้รับสารอาหารและพลังงานเพื่อการดำรงชีวิต

1.1.3   สิ่งมีชีวิตมีการเจริญเติบโต   มีอายุขัยและขนาดจำกัด
นักเรียนคงแปลกใจถ้าทราบว่าไข่ของคนมีขนาด 100 ไมโครเมตร เรามองไม่เห็นด้วยตาเปล่า   เมื่อเกิดการปฏิสนธิแล้วเจริญเป็นไซโกต   เอ็มบริโอและคลอดออกมาเป็นทารก มีขนาดความยาว 50-65 เซนติเมตร   และมีน้ำหนักเฉลี่ยประมาณ 2,800-3,800 กรัม   เมื่ออายุมากขึ้น   บางคนอาจมีร่างกายสูงถึง 160-180 เซนติเมตร   และมีน้ำหนักตัวมากถึง 45 กิโลกรัมหรือมากกว่านี้   แสดงว่าสิ่งมีชีวิตมีการเพิ่มขนาดของร่างกายขณะมีการเจริญเติบโต

การเจริญเติบโต (development) ของสิ่งมีชีวิต   เซลล์เพิ่มจำนวน มีการเพิ่มขนาด มีการเปลี่ยนแปลงเพื่อทำหน้าที่เฉพาะอย่างและมีการรวบรวมข้อมูลของเซลล์เพื่อพัฒนาเป็นเนื้อเยื่อและอัวยวัต่างๆ

สิ่งมีชีวิตบางชนิดขณะเจริญเติบโตไม่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง   แต่สิ่งมีชีวิตบางชนิด ขณะเจริญเติบโตมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและโครงสร้างของร่างกาย   แตกต่างไปจากเดิมอย่างเห็นได้ชัดเจน เช่น ผีเสื้อ ยุง กบเป็นต้น ดังภาพที่ 1-3

ภาพที่ 1-3 การเจริญเติบโตของผีเสื้อไหม

เมื่อสิ่งมีชีวิตเจริญเติบโตระยะหนึ่งก็จะตายไป   อายุสิ่งมีชีวิต ตั้งแต่เกิดจนตายเรียกว่า อายุขัย (life span) อายุขัยของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดแตกต่างกันอย่างไร สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีอายุขัยจำกัด   ซึ่งมียีนเป็นตัวกำหนด

นักเรียนจงศึกษาอายุขัยของสัตว์ ในตารางที่ 1.1

ตารางที่ 1.1 อายุขัยของสิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ

-   จากตารางที่ 1.1 นักเรียนสรุปได้อย่างไร
-   สัตว์ชนิดใดมีอายุขัยสั้น   และสัตว์ชนิดใดบ้างที่มีอายุขัยยาวกว่าสัตว์อื่นๆ

อายุขัยของพืชมีความแตกต่างกัน   เราอาจจะพิจารณาเป็นกลุ่ม พืชที่มีช่วงอายุสั้นมาก (ephemeral plant) เช่น บานชื่น ดาวเรือง บานเย็น แพงพวยฝรั่ง ถั่วเขียว ถั่วลิสง และพืชวงศ์แตง เป็นต้น

บางกลุ่มเป็น พืชที่มีช่วงชีวิต 1 ปี (annual plant) เช่น ข้าว อ้อย สับปะรด เป็นต้น บางกลุ่มเป็น พืชกลุ่มที่มีช่วงอายุ 2 ปี (biennial plant) พืชพวกนี้มักมีลำต้นใต้ดิน   เมื่อใบและลำต้นแห้งเหี่ยวไป    ยังมีลำต้นที่อยู่ใต้ดิน สามารถงอกและเกิดออกมาในปีถัดมา เช่น ว่านสี่ทิศ หอม กระเทียม เป็นต้น

กลุ่มพืชี่มีช่วงอายุนานกว่า 2 ปี(perennial plant) อาจเป็นไม้พุ่มหรือไม้ยืนต้น เช่น มะม่วง โพธิ์ หางนกยุง ประดู่ เต็ง แก้ว ข่อย จำปี เป็นต้น การนับอายุไม้ยืนต้น   อาจนับได้จากจำนวนวงปี   พืชบางชนิดเมื่อออกดอกและผลแล้วตาย เช่น ไผ่ ลาน เป็นต้น

จากที่กล่าวมาแล้ว   สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีอายุขัยจำกัด สิ่งที่น่าสงสัยคือ ขนาดของสิ่งมีชีวิตมีขนาดจำกัดหรือไม่ นักเรียนเคยเห็นยุงมีขนาดเท่ากับนก หรือต้นพริกสูงเท่ากับต้นมะม่วงหรือไม่
ถ้าเราสังเกตสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด  เมื่อเจริญเต็มที่แล้ว   ขนาดความยาวและความสูงจะไม่เพิ่มขึ้นนักเรียนจะสังเกต ภาพที่ 1-4

ภาพที่ 1-4 ขนาดของสัตว์เลื้อยคลานที่โตเต็มที่ 3 ชนิด
ก.จิ้งจก *(x1/3) ข.กิ้งก่า *(x2/3) ค.จระเข้ (x1/44)
* เอื้อเฟื้อภาพโดย : คุณโกวิท   น้อยโคตร

จากภาพที่ 1-4 จะเห็นว่าสัตว์เลื้อยคลานทั้ง 3 ชนิด มีลักษณะคล้ายคลึงกัน   แต่เมื่อเจริญเติบโตเต็มที่จะมีขนาดแตกต่างกัน   จึงไม่เคยเห็นจิ้งจกตัวเท่ากิ้งก่า และไม่เคยเห็นกิ้งกาตัวเท่าจระเข้
ในในพืชก็เช่นกัน   เรือนยอดของต้นไม้ในป่าจะมีความสูงแตกต่างกัน และขนาดเส้นรอบวงของลำต้นก็มีขนาดแตกต่างกันด้วย   ถ้าพิจารณาลำต้นตามขนาดความสูง   เมื่อพืชโตเต็มที่แล้วอาจแบ่งได้เป็น 3 กลุ่ม คือ พืชล้มลุก (herb) ซึ่งมีความสูงไม่เกิน 120 เซนติเมตร ไม้พุ่ม (shrub) ซึ่งมีความสูงไม่เกิน 120-300 เซนติเมตร และพวกที่สูงกว่านี้จัดเป็น ไม้ยืนต้น (tree)
จากการสังเกตขนาดของสัตว์และพืชชนิดต่างๆ นักเรียนคงสรุปได้ว่าสิ่งมีชีวิตมีขนาดจำกัด

1.1.4 สิ่งมีชีวิตมีการตอบสนองต่อสิ่งเร้า
พืชหลายชนิดมักเลื้อยพันหลัก เช่น บวบ น้ำเต้า ฟัก ถั่วฝักยาว ตำลึง เป็นต้น   โดยอาศัยลำต้นพันไปรอบๆหลัก และมี มือเกาะ (tendril) พันรอบกิ่งไม้ที่อยู่ใกล้ๆ เพื่อพยุงลำต้นขึ้นที่สูง   เพื่อให้ได้รับแสงแดดต้นไม้บางชนิด เช่น ทานตะวันจะหันดอกเข้าหาดวงอาทิตย์   ดอกบัวบางชนิดจะบานในตอนเช้าและจะหุบในตอนเย็น   ใบพืชตะกูลถั่วในตอนบ่ายและเวลากลางคืนจะหุบใบห้อยลงมา   เรียกว่า ต้นไม้นอน

แมวเมื่อเห็นหนูจะวิ่งไล่ตะครุบเพื่อจับเป็นอาหารเช่นเดียวกับเหยี่ยวโฉบลงมาจับลูกไก่   และนกไล่จิกแมลง

นักเรียนจะเห็นได้ว่าสิ่งมีชีวิตมีการตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อมเพื่อหาอาหาร หลบหลีกภัยจากศัตรู และมีการปรับตัวให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อม เช่น อากาศที่หนาวจัดหรือร้อนจัดเกินไป   ทั้งนี้เพื่อความอยู่รอด   สภาพการของสิ่งแวดล้อมที่ทำหให้สิ่งมีชีวิตแสดงพฤติกรรมเรียกว่า สิ่งเร้า (stimulus) สิ่งเร้าของสิ่งมีชีวิตมีทั้ง   สิ่งเร้าภายในและสิ่งเร้าภายนอกของสิ่งมีชีวิต   และปฏิกิริยาที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้า เรียกว่า การตอบสนอง(response)
-   สิ่งแวดล้อมภายนอกและสิ่งแวดล้อมภายในที่เป็นสิ่งเร้าของสิ่งมีชวิตมีอะไรบ้าง
-   นักเรียนคิดว่า   การพัฒนาของระบบประสาทของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีความสัมพันธ์กับการตอบสนองต่อสิ่งเร้าของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้นๆ อย่างไร

 
ภาพที่ 1-5 ทิศทางการเจริญเติบโตของรากและยอดของต้นหอม

-   จากภาพที่ 1-5 นักเรียนบอกได้หรือไม่ว่า รากและลำต้นของหัวหอมตอบสนองต่อสิ่งเร้าใด   ปลายรากและปลายยอดมีทิศทางการตอบสนองต่างกันอย่างไร

กิจกรรมที่ 1.2 การตอบสนองต่อสิ่งเร้าของสิ่งมีชีวิต
1.   นักเรียนจะเลือกสิ่งมีชีวิตที่สนใจจะศึกษามาอย่างน้อย 1 ชนิด 
2.   ออกแบบการทดลองเพื่อศึกษาดูว่าสิ่งมีชีวิตนั้นๆ สามารถตอบสนองต่อสิ่งเร้า เช่น อุณหภูมิ สี สารเคมี อาหาร ฯลฯ
3.   ดำเนินการทดลอง บันทึกผล
4.   นำผลการทดลองมาเสนอและอภิปรายในชั้นเรียน
-  สิ่งมีชีวิตที่นักเรียนศึกษาตอบสนองต่อสิ่งเร้าหรือไม่ อย่างไร
-   ผลการทดลองของนักเรียนและกลุ่มอื่นๆ สรุปได้ว่าอย่างไร

1.1.5 สิ่งมีชีวิตมีการรักษาดุลยภาพของร่างกาย
จากการนำสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว เช่น อะมีบา พารามีเซียม มาใส่ในสารละลายที่ความเข้มข้นต่ำกว่าสารละลายภายในเซลล์พบว่าโครงสร้างภายในดซลล์ที่เรียกว่า คอนแทร็กไทล์แวคิวโอล(contractile vacuole) มีการเปลี่ยนแปลงขนาดและรูปร่าง

ภาพที่ 1-6 คอนแทร็กไทล์แวคิวโอลของพารามีเซียม

คอนแทร็กไทล์แวคิวโอลจะเปลี่ยนแปลงรูปร่าง   เนื่องจากสารละลายในสภาพแวดล้อมภายนอกเซลล์มีความเข้มข้นน้อยกว่าสารละลายภายในเซลล์   จึงเกิดออสโมซิสของน้ำจากภายนอกเข้าสู่ภายในเซลล์ตลอดเวลา  และถ้าน้ำเข้าไปในเซลล์มากขึ้น  เซลล์จะขยายขนาดจนอาจทำให้เซลล์แตก   เพื่อรักษาสมดุลของน้ำและสารละลายระหว่างสภาพแวดล้อมภายนอกเซลล์และภายในเซลล์  พารามีเซียมจะต้องมีกลไก   เพื่อรักษาสมดุล   โดยมีการลำเลียงของเหลวเข้าสู่แทร็กไทล์แวคิโอล   ทำให้คอนแทร็กไทล์แวคิวโอล   มีขนาดใหญ่ขยายขนาดเต็มที่และบีบตัวให้ของเหลวส่วนเกินนี้ออกนอกเซลล์
สิ่งมีชีวิตอื่นๆ ก็เช่นกัน   จำเป็นต้องมีกลไกในการักษาดุลยภาพภายในร่างกายให้อยู่ในสภาพที่สมดุล   ซึ่งรวมถึงการักษาสมดุลของน้ำ อุณหภูมิ และ pH เป็นต้น
การรักษาดุลยภาพของร่างกายของคน เมื่อดื่นน้ำเข้าไปมากๆ ร่างกายก็จะขับน้ำออกจากร่างกายในรูปของปัสสาวะ  ทำให้ต้องปัสสาวะบ่อยครั้งขึ้น หรือการที่ร่างกายมีอุณหภูมิคงที่ประมาณ 37 องศาเซลเซียส ไม่ว่าอากาศภายนอกจะร้อนหรือเย็น เป็นรักษาสมดุลของอุณหภูมิของร่างกาย
-   ต้นถั่วมีการสูญเสียน้ำโดยการคายน้ำ จะมีการปรับสมดุลอย่างไร

กิจกรรมที่ 1.3 อุณหภูมิกับการรักษาดุลยภาพของปลา
วัสดุอุปกรณ์
1.   ปลาน้ำจืดที่มีเกล็ด เช่น ปลาตะเพียนขนาดเล็ก หรือปลาอื่นๆ ที่มีอยู่ในท้องถิ่น
2.   น้ำ
3.   น้ำแข็ง
4.   น้ำร้อน
5.   บีกเกอร์
6.   เทอร์มอมิเตอร์
วิธรการทดลอง
ให้นักเรียนออกแบบ   และดำเนินการทดลองเพื่อแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิมีผลต่อการรักษาดุลยภาพของปลาชนิดนั้น
-  อัตราการขยับแผ่นปิดเหงือก (operculum) ก่อนและหลังการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของนแตกต่างกันหรือไม่ เพราะเหตุใด
-   นักเรียนอธิบายได้ไหมว่า   การขยับแผ่นปิดเหงือกของปลาเกี่ยวข้องกับการรักษาดุลยภาพของปลายอย่างไร

1.1.6 สิ่งมีชีวิตมีลักษณะจำเพาะ
ถ้านักเรียนศึกษาภาพของผัก ผลไม้และสัตว์ในภาพที่ 1-7 นักเรียนบอกได้หรือไม่ว่าเป็นสิ่งมีชีวิตชนิดใด เพราะเหตุใด

ภาพที่ 1-7 ผัก ผลไม้และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม

จากภาพที่ 1-7 ทุกคนคงสามารถระบุชื่อของสิ่งมีชีวิตได้ถูกต้องเพราะสิ่งมีชีวิตจะมีลักษณะจำเพาะ อาจสังเกตได้จากลักษณะภายนอก เช่น รูปร่าง ขนาด ความสูง สีผิว ลักษณะเส้นขน จำนวนขา ลักษณะพื้นผิวที่เรียบ หรือขรุขระ หรือมีความมัน ลักษณะของหนาม เป็นต้น ลักษณะบางอย่างต้องตรวจสอบด้วยการทดลอง เช่น การชิมรส การดมกลิ่น เป็นต้น แม้แต่เสียงร้องของสัตว์ ผู้ชำนาญก็สามารถบอกได้ว่าเป็นเสียงร้องของสัตว์ชนิดใด
แสดงว่าสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดก็จะมีลักษณะเฉพาะเป็นเอกลักษณ์ตามชนิดของตนซึ่งแตกต่างจากสิ่งมีชีวิตชนิดอื่นๆ 
สิ่งมีชีวิตบางชิดถึงแม้จะมีขนาดเล็กมาก   แต่ก็มีลักษณะเฉพาะของตนเช่นกัน เช่น สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว Closterium sp. และ Euglena sp. ดังภาพที่ 1-8

 
ภาพที่ 1-8 สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว ก. Closterium sp. ข. Euglena sp.

1.1.7   สิ่งมีชีวิตมีการจัดระบบ
สิ่งมีชีวิตแม้ประกอบด้วยเซลล์เดียวก็มีการจัดระบบ (organization) หน้าที่ในการทำงานของโครงสร้างต่างๆ ภายในเซลล์ เช่น คลอโรพลาสต์ ทำหน้าที่สร้างอาหารให้แก่เซลล์   ไมโทคอนเดรียเป็นแหล่งให้พลังงาน   แวคิวโอลควบคุมสมดุลของน้ำ หรือเป็นที่เก็บผลึกของสารพิษ   นิวเคลียสทำหน้าที่ควบคุมการทำกิจกรรมต่างๆ ของเซลล์ เป็นต้น   สิ่งมีชีวิตที่มีหลายเซลล์ก็มีการจัดระบบภายในร่างกายมีการทำงานร่วมกัน   เพื่อทำให้ดำรงชีวิตอยู่ได้   สิ่งมีชีวิตหลายชนิดที่อยู่ในบริเวณเดียวกันเป็นกลุ่มสิ่งมีชีวิต ส่วนสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกันร่วมกันอยู่ ณ บริเวณใดบริเวณหนึ่ง ในช่วงเวลาหนึ่งเรียกว่า ประชากร และสิ่งมีชีวิตแต่ละตัวมีหน่วยพื้นฐานที่มีชีวิตคือ เซลล์ ดังภาพที่ 1-9

ภาพที่ 1-9 การจัดระบบของสิ่งมีชีวิต

-   การจัดระบบภายในเซลล์   หรือภายในร่างกายของสิ่งมีชีวิตมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตอย่างไร

รู้หรือเปล่า?ในร่างกายของเราประกอบด้วยเซลล์มากถึง 1 ล้านล้านเซลล์ (1,000,000,000,000 หรือ  เซลล์) ซึ่งสามารถนำมาเรียงรอบโลกตามเส้นรอบวงได้ถึง 2 รอบ