บทที่ 20 ความหลากหลายทางชีวภาพ 20.3

 กำเนิดของชีวิต

           สิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นมาได้อย่างไรนั้น ยังไม่มีนักวิทยาศาสตร์ท่านใดสามารถพิสูจน์ได้อย่างชัดเจน มีเพียงสมมติฐานเกี่ยวกับกำเนิดของสิ่งมีชีวิตเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์ในอดีตหลายท่านได้ตั้งสมมติฐานเพื่ออธิบายถึงกำเนิดของสิ่งมีชีวิตชนิดแรกบนโลก โดยเชื่อกันว่าสิ่งมีชีวิตสามารถเกิดขึ้นได้เองจากสิ่งไม่มีชีวิตซึ่งเป็นอิทธิพลของความเชื่อทางศาสนา ต่อมาหลุยส์  พาสเตอร์ (Louis Pasteur) ได้ทำการวิจัยและพิสูจน์ได้ว่าสิ่งมีชีวิตกำเนิดมาจากสิ่งมีชีวิตเท่านั้นทำให้เกิดข้อสงสัยว่าสิ่งมีชีวิตแรกเริ่มของโลกถือกำเนิดมาได้อย่างไร         
          ในปี พ.ศ. 2467 นักชีวเคมีชาวรัสเซีย เอ ไอ โอพาริน (A.I. Oparin) ได้เสนอแนวคิดว่า สิ่งมีชีวิตไม่สามารถเกิดขึ้นได้เองในช่วงเวลาสั้นๆ เพียงขั้นตอนเดียว แต่ต้องใช้เวลานานมากโดยกระบวนการวิวัฒนาการทางเคมีอย่างช้าๆ เป็นการสังเคราะห์สารอินทรีย์จากโมเลกุลง่ายๆ เป็นโมเลกุลที่ซับซ้อนขึ้น แนวคิดกำเนิดของชีวิตบนพื้นผิวโลกของโอพารินมีขั้นตอนต่างๆ ดังนี้

ภาพที่ 20-8 แนวคิดกำเนิดของสิ่งมีชีวิตบนโลกของโอพาริน

          ก. บรรยากาศของโลกในยุคแรกๆ มีการสร้าง NH₃   H₂O  H₂  CH₄ จากแก๊สที่เกิดจากปฏิกิริยาของภูเขาไฟระเบิด

          ข. เกิดโมเลกุลของกรดอะมิโน  น้ำตาล  กรดไขมัน กลีเซอรอล

          ค. เกิดโมเลกุลของพอลิแซ็กคาไรด์ ลิพิด โปรตีนและกรดนิวคลีอิก

          ง. เริ่มปรากฏเซลล์เริ่มแรกของสิ่งมีชีวิต

                จากแนวคิดของโอพารินนักวิทยาศาสตร์ได้สันนิษฐานว่ากรดนิวคลีอิกชนิดแรกที่เกิดขึ้น คือ RNA เนื่องจาก RNAทำหน้าที่ได้ทั้ง 2 อย่าง คือ เป็นสารพันธุกรรมและเอนไซม์ในปฏิกิริยาต่างๆของกระบวนการเมแทบอลิซึม เมื่อ RNA มีวิวัฒนาการขึ้นมาแล้วการสังเคราะห์DNA จึงเกิดขึ้นภายหลัง นักเรียนได้ทราบมาแล้วว่าโครงสร้างของ DNAประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์ 2สายพันกันเป็นเกลียว ทำให้ DNA มีโครงสร้างโมเลกุลที่แข็งแรงกว่า RNAซึ่งเป็นพอลินิวคลีโอไทด์ 1 สาย นอกจากนี้ DNAยังมีกลไกในการแก้ไขหรือตรวจสอบความถูกต้อง ขณะที่มีการจำลองDNA(DNA replication) ทำให้มีมิวเทชันน้อยกว่าRNAจึงมีโอกาสอยู่รอดได้มากว่า ดังนั้นการคัดเลือกโดยธรรมชาตินอกจากจะเกิดขึ้นในระดับของสิ่งมีชีวิตแล้วยังเกิดในระดับโมเลกุลด้วย

                ในปี พ.ศ. 2496  สแตนเลย์ มิวเลอร์ (Stanley Miller) ได้ทำการทดลองเพื่อพิสูจน์แนวคิดของโอพาริน โดยแสดงให้เห็นว่าสารประกอบอย่างง่ายของสิ่งมีชีวิต เช่น กรดอะมิโม กรดอินทรีย์ชนิดอื่นรวมทั้งสารอินทรีย์ เช่นยูเรีย สามารถเกิดขึ้นได้ภายในชุดการทดลองที่คาดว่าเป็นสภาวะของโลกในระยะเวลานั้น คือไม่มีออกซิเจน แต่มีแก๊สมีเทน แอมโมเนีย น้ำและแก๊สไฮโดรเจน โดยมีแหล่งพลังงานจากไฟฟ้า ดังภาพที่ 20-9

ภาพที่ 20-9 มิลเลอร์และอุปกรณ์ในการทดลอง เพื่อพิสูจน์แนวคิดของโอพาริน

                นอกจากนี้ยังมีนักวิทยาศาสตร์อีกหลายท่านที่การทดลองคล้ายกับมิลเลอร์ โดยใช้สารตั้งต้นและพลังงานอย่างอื่น เช่น สารกัมมันตรังสี รังสีอัลตราไวโอเลต พบว่าได้ผลเช่นเดียวกันและเกิดเบสพิวรีนและไพริมิดีนอีกด้วยเมื่อสารอินทรีย์โมเลกุลใหญ่เกิดขึ้นได้ตามแนวคิดของโอพาริน แล้วสารอินทรีย์เหล่านี้จะประกอบเป็นเซลล์เริ่มแรกได้อย่างไร

                ต่อมาซิดนีย์  ฟอกซ์ (Sidney Fox) นักชีวเคมีชาวอเมริกันและคณะได้แสดงให้เห็นว่า เซลล์เริ่มแรกเกิดจากกรดอะมิโนได้รับความร้อนและมีการรวมกลุ่มกัน ซึ่งมีสมบัติหลายประการที่คล้ายกับเซลล์ของสิ่งมีชีวิต เช่น มีการเจริญเติบโต สามารถเพิ่มจำนวนโดยการแตกหน่อและมีกระบวนการเมแทบอลิซึมเกิดขึ้น เป็นต้น

ภาพที่ 20-10 การเกิดเซลล์เริ่มแรกจากแนวคิดของฟอกซ์และคณะ

          20.3.1 การกำเนิดของเซลล์โพรคาริโอต

                จากหลักฐานของซากดึกดำบรรพ์เริ่มพบร่องรอยของสิ่งมีชีวิตเมื่อประมาณ 3,500 ล้านปีที่ผ่านมาและมีวิวัฒนาการเป็นสิ่งมีชีวิตจำนวนมากในปัจจุบันนักเรียนคิดว่าเซลล์ระยะเริ่มต้นของสิ่งมีชีวิตน่าจะคล้ายเซลล์อะไรและมีวิวัฒนาการมาได้อย่างไร

                นักวิทยาศาสตร์สันนิษบานว่าสิ่งมีชีวิตที่มีวิวัฒนาการมาจากเซลล์เริ่มแรกน่าจะเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์โพรคาริโอต เช่น แบคทีเรีย เนื่องจากบรรยากาสของโลกในยุคนั้นมีออกซิเจนเพียงเล็กน้อยดังนั้นสิ่งมีชีวิตที่พบน่าจะดำรงชีวิตแบบไม่ใช้ออกซิเจนและไม่สามารถสร้างอาหารเองได้และมีวิวัฒนาการต่อมาเป็นสิ่งมีชีวิตที่ดำรงชีวิตโดยการสร้างอาหารเองได้ด้วยกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมีเช่นเดียวกับอาร์เคียแบคทีเรียในปัจจุบัน ต่อมาเริ่มมีวิวัฒนาการของแบคทีเรียที่สังเคราะห์ด้วยแสงจากโมเลกุลของน้ำและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ทำให้ปริมาณของแก๊สออกซิเจนในบรรยากาศเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก และเป็นปัจจัยที่เอื้อต่อการเกิดวิวัฒนาการเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์ยูคาริโอตในปัจจุบัน สิ่งที่น่าสงสัยคือ เซลล์ยูคาริโอตถือกำเนิดมาได้อย่างไร

          20.3.2กำเนิดของเซลล์ยูคาริโอต

                นักเรียนทราบมาแล้วว่าลักษณะที่เด่นชัดของเซลล์ยูคาริโอตคือ มีสารพันธุกรรมอยู่ในนิวเคลียส ซึ่งแตกต่างจากเซลล์โพรคาริโอตที่สารพันธุกรรมแขวนลอยในไซโทพลาซึม นอกจากนี้ในเซลล์ยูคาริโอตยังพบโครงสร้างอื่นๆที่สำคัญ เช่น ไมโทคอนเดรีย คลอโรพลาสต์เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมโครงสร้างที่ซับซ้อนของเซลล์ยูคาริโอตเหล่านี้กำเนิดมาจากโครงสร้างอย่างง่ายของเซลล์โพรคาริโอตได้อย่างไร

ภาพที่ 20-11 กำเนิดเซลล์ยูคาริโอต

                     ก. การกำเนิดเยื่อหุ้มนิวเคลียสและเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม
ข. การเกิดไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์

                จากภาพแสดงกำเนิดของเซลล์ยูคาริโอต พบว่าการเจริญของเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไปในเซลล์ล้อมรอบบริเวณที่มีสารพันธุกรรมอยู่แล้วจึงพัฒนาเป็นนิวเคลียสทำให้ได้เซลล์ยูคาริโอตและมีเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม ขณะที่ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์เกิดจากเซลล์โพรคาริโอตขนาดเล็กเข้าไปอาศัยอยู่ภายในเซลล์โพรคาริโอตขนาดใหญ่นั่นเอง แนวคิดนี้มีหลักฐานสนับสนุนหลายอย่าง เช่น ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์สามารถแบ่งตัวเพิ่มจำนวนได้เองมีเยื่อชั้นในที่บรรจุเอนไซม์ในกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน มี DNA และไรโบโซมที่คล้ายคลึงกับแบคทีเรีย

                จากกำเนิดของเซลล์โพรคาริโอตและเซลล์ยูคาริโอต จนกระทั่งมีวิวัฒนาการเป็นความหลากหลายของสิ่งมีชีวิตในปัจจุบันนักเรียนคิดว่าสิ่งมีชีวิตในปัจจุบันมีการจัดหมวดหมู่อย่างไร