เซลล์คุม (Guard Cell)

turgor pressure

สุทธิพงษ์  พงษ์วร
นักวิชาการ  สาขาชีววิทยา สสวท.
นักศึกษาปริญญาเอก University of deeds 

ขอบคุณข้อมูลภายใต้ความร่วมมือของ สสวท. กับ วิชาการดอทคอม
ปีที่ 35 ฉบับที่ 145 เดือนพฤศจิกายน - ธันวาคม 2549

http://www.ipst.ac.th




                   

                   เมื่อศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์จะเห็นได้ว่าเซลล์คุมมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างทำให้เกิดเป็นช่องเปิดตรงกลางได้ เรียกว่า stoma (รูเปิดของปากใบ พหูพจน์ จะเรียกว่า stomata) ในขณะที่อากาศร้อนและพืชอยู่ในสภาวะที่มีการสูญเสียน้ำไปมาก (ไม่ว่าจะด้วยสาเหตุใดก็ตาม) เซลล์คุมจะปิด เพื่อป้องกันการระเหยของน้ำออกจากปากใบ เป็นการพยายามรักษาปริมาณน้ำเอาไว้ (อ่านเรื่องนี้ได้ในชีววิทยา เล่ม 4 หน้า 27 หน้าปกรูปใบหูกวางเปลี่ยนสี)



เราจะพบเซลล์คุม และ ปากใบ ได้ที่ส่วนใดของต้นไม้ ?...


                    เมื่อพูดถึงเซลล์คุม ก็ต้องนึกถึง stoma การตั้งชื่อ stoma ว่า ปากใบ ก็เพราะว่าพบได้ง่ายที่ผิวใบ แล้วมีรูเปิด ลักษณะเสมือนว่า อ้าปากอยู่ (ถ้าเป็นปากคนก็คงมีริมฝีปากหนา) และเนื่องจากเซลล์คุมมีคลอโรฟิลล์ก็เลยทำหน้าที่ในการสร้างอาหารให้แก่ต้นพืชไปด้วยในตัว จริง ๆ แล้วมีรายงานการค้นพบเซลล์คุม และปากใบในส่วนอื่น ๆ ของพืชนอกเหนือจากที่ใบเช่นกัน มีงานวิจัยเผยแพร่ใน Annals of Botany 89 : 23 – 29, 2002 เรื่อง Structure and Development of Stomata on the Primary Root of Ceratonia siliqua L. จาก Department of Botany, University of Athens, ประเทศ Greece ที่ศึกษา stoma ในรากของต้นไม้ชนิดหนึ่ง      งานวิจัยนี้ได้กล่าวในเบื้องต้นว่า “ถึงแม้ว่า..การที่เราพบว่ามีเซลล์คุม หรือ guard cell ที่รากเป็นสิ่งที่น่าสนใจและเป็นปรากฏการณ์ใหม่ แต่เราก็ยังไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของเซลล์คุมที่รากมากนัก และรวมถึงข้อมูลในเรื่องของการเจริญและพัฒนา และหน้าที่ของเซลล์คุมว่ารากมีไว้เพื่ออะไร” จะช่วยสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อสร้างอาหารหรือ รากก็ไม่ได้รับแสงสักหน่อยมีข้อสันนิษฐานเบื้องต้นเกี่ยวกับปากใบที่พบในราก คือ งานวิจัยพบว่า ปากใบในรากจะเปิดตลอดเวลา และมีช่องเปิดกว้างทำให้เนื้อเยื่อภายในของรากสามารถสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมภายนอกได้โดยตรง เพื่อช่วยเพิ่มความสามารถในการแลกเปลี่ยนแก๊ส ระหว่างรากและสิ่งแวดล้อมภายนอก และน่าจะมีส่วนช่วยในการนำเอาน้ำและแร่ธาตุต่าง ๆ เข้าสู่รากเพื่อนำไปใช้เลี้ยงลำต้นพืชด้วยเช่นกัน

                                                   
              นอกจากนี้งานวิจัยในครั้งนั้นยังสามารถยืนยันให้เราเห็นได้ชัดเจนว่า ปากใบนั้นเกิดขึ้นตั้งแต่ในระยะของการเกิดเอมบริโอเลยทีเดียว 



                                                   



                    ข้อมูลดังกล่าว... จึงยืนยันให้เห็นกันชัด ๆ ว่า เซลล์คุมและปากใบมีกระจายอยู่ทั่วไปในต้นพืช แต่จะพบได้มากน้อยแตกต่างกัน
 จากรูปร่างของเซลล์คุมอาจจะเห็นว่ามีรูปร่างเหมือนเมล็ดถั่ว หรือ เหมือนไส้กรอก (sausage-shaped guard cell) ก็แล้วแต่จะนึกเทียบเคียงกันไป ส่วนเรื่องของ...การเปิด-ปิดของรูเปิดปากใบ จะเกี่ยวข้องกับปัจจัยแวดล้อม 3 ปัจจัย ก็คือ ปริมาณแสงหรือความเข้มของแสง ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และปริมาณน้ำ



                    เมื่อเซลล์คุมถูกกระตุ้น (ซึ่งกลไกการกระตุ้นนั้นนักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามศึกษากันอยู่) โพแทสเซียมปั๊ม (เป็นช่องของโปรตีนที่เยื่อหุ้มเซลล์ที่ยอมให้ไอออนแพร่ผ่าน – อ่านได้ในชีววิทยา เล่ม 1 หน้า 97 หน้าปกรูปไอ้มดแดงแรงฤทธิ์) จะปั๊ม โพแทสเซียมไอออนเข้าสู่เซลล์คุม ทำให้ในเซลล์คุมมีความเข้มข้นของโพแทสเซียมไอออนสูงขึ้น ก็จะส่งผลทำให้น้ำแพร่เข้าสู่เซลล์คุมด้วยวิธีการที่เรียกว่า “ออสโมซิส” เมื่อน้ำเข้ามาเซลล์ก็จะเกิดแรงดันภายใน ที่เรียกว่า แรงดันเต่ง หรือ “turgor pressure” ซึ่งเป็นสาเหตุ...ทำให้เซลล์คุมมีรูปร่างเปลี่ยนไป คือบวม...แต่ทำไมเมื่อบวมแล้วไม่บวมแบบการเป่าลูกโป่ง คือทำไมเซลล์ไม่ขยายตัวในทุกทิศทุกทางเท่า ๆ กัน คำตอบ...ก็เพราะว่าผนังเซลล์ของเซลล์คุมด้านในหรือด้านที่ติดกันมีความหนามากกว่าด้านนอก เลยทำให้เซลล์คุมขยายออกทางด้านนอกมากกว่าด้านใน

                                                   

                                                   



                    ขอเล่าต่อ...และจังหวะนี่เอง....ในขณะที่รูเปิดปากใบกำลังเปิด คาร์บอนไดออกไซด์ก็จะแพร่เข้าเซลล์เพื่อนำไปใช้ในวัฏจักรคัลวิน (Calvin) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ออกซิเจนที่เกิดขึ้นขณะเกิดการสังเคราะห์ด้วยแสง...ก็จะแพร่ออกจากรูเปิดปากใบ ส่วนน้ำก็จะระเหยออกทางรูเปิดของปากใบด้วย และขณะที่น้ำระเหยออก แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้ำจะดึงน้ำจากราก จากโคนต้นพืชขึ้นมาด้วย (ตรงนี้อาศัยแรง adhesive force – แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับผนังท่อลำเลียงในพืช และ cohesive force – แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับน้ำ อ่านเพิ่มเติมในหนังสือชีววิทยา เล่ม 4 หน้า 37) ลองเข้าไปดูในเว็บ http://www.tvdsb.on.ca/westmin/science/sbloac/plants/stoma.htm “Regulation of Guard Cells” ซึ่งมี animation  ด้วย จึงน่าจะทำให้เข้าใจเกี่ยวกับการทำงานของเซลล์คุมและจำได้ง่ายขึ้น



เซลล์คุมที่เห็นคือ 1 หรือ 2 เซลล์?
 คำตอบก็คือ 2 เซลล์ และเพื่อให้วิชาชีววิทยาดูยุ่งยากเข้าไปอีก...เอาคณิตศาสตร์มาจับดีกว่า

สูตรจำง่ายๆ นี่เลย...
1 stoma = 2 guard cells + 1 pore


 
1 ปากใบ หรือ 1 หน่วยของ stoma ซึ่งเรียกว่า “stoma complex” ประกอบด้วยเซลล์คุมที่มีคลอโรพลาสต์ 2 เซลล์ ปิดรูปากใบอยู่



คลอโรพลาสต์ในเซลล์คุม

                    ถึงแม้ว่าโครงสร้างต่าง ๆ ของพืชจะแตกต่างกันมากตามกลุ่มและชนิดของพืชก็ตาม แต่โดยทั่วไปแล้วจะพบว่า เซลล์คุมมีคลอโรพลาสต์ประมาณ 8-16 คลอโรพลาสต์ต่อเซลล์คุม 1 เซลล์ (ในขณะที่ palisade cell จะมี คลอโรพลาสต์มากถึง 30-70 คลอโรพลาสต์) และคลอโรพลาสต์ในเซลล์คุมก็มีขนาดเล็ก มีการเจริญและพัฒนาไม่ดีเท่าในที่ทำหน้าที่สังเคราะห์ด้วยแสงเป็นหลัก โดยจะมีจำนวนชั้นของ granum น้อยกว่าในคลอโรพลาสต์ของเซลล์ในชั้น mesophyll

                                                   


                    แต่เมื่อพิจารณาโครงสร้างและขนาดของเซลล์ระหว่างเซลล์ในชั้น mesophyll กับเซลล์คุมแล้วจะเห็นได้ว่า เซลล์คุมมีปริมาตรน้อยกว่าเซลล์ในชั้น mesophyll ประมาณ 10 เท่า นั่นแสดงให้เห็นว่าการที่มีคลอโรพลาสต์อยู่เท่านั้นก็พอเพียงต่อการสร้างพลังงานสำหรับการเป็นแหล่งพลังงานของเซลล์ได้แล้ว และในการศึกษาองค์ประกอบของคลอโรฟิลล์ a, b และแคโรทีนอยด์ พบว่าคล้ายกับใน mesophyll


                    นอกจากนี้เมื่อทำการตรวจทางชีวเคมีก็จะพบเอนไซม์ rubisco และเอนไซม์อีกหลายชนิดที่อยู่ในวัฏจักรคัลวินอีกด้วย และเมื่อแยกคลอโรพลาสต์ออกจากเซลล์คุมก็พบว่าคลอโรพลาสต์สามารถสร้างซูโครสได้ แต่เมื่อทำการตรวจวัดปริมาณซูโครสแล้วพบว่าอัตราการสร้างซูโครสค่อนข้างจะต่ำเมื่อเทียบกับซูโครสที่สะสมอยู่นอกปากใบ ซึ่งน่าจะสัมพันธ์กับอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อสร้างพลังงานที่มีการศึกษามาก่อนหน้านี้แล้ว

tags :

บทความอื่นๆ