3. กำเนิดของสิ่งมีชีวิต

จุดประสงค์การเรียนรู้ เพื่อให้นักเรียนสามารถ

1. สืบค้นข้อมูล อภิปรายและอธิบายกำเนิดของสิ่งมีชีวิต

2. สืบค้นข้อมูล อภิปรายและอธิบายกำเนิดของเซลล์โพรคาริโอต เซลล์ยูคาริโอตและความสัมพันธ์ระหว่างเซลล์โพรคาริโอตและเซลล์ยูคาริโอต

http://www.youtube.com/watch?v=X2fdRcqm48w

กำเนิดโลกและสิ่งมีชีวิต

ให้นักเรียนพิจารณาตารางธรณีกาล

ภาพที่ 20-9 แนวคิดกำเนิดของสิ่งมีชีวิตบนโลกของโอพาริน ก. บรรยากาศของโลกในยุคแรก ๆ มีการสร้าง NH₃ , H₂O , H₂ , CH₄ ข. เกิดโมเลกุลของกรดอะมิโน น้ำตาล กรดไขมัน กลีเซอรอล ค. เกิดโมเลกุลของพอลิแซ็กคาไรด์ ลิพิด โปรตีนและกรดนิวคลีอิค ง. เริ่มปรากฎเซลล์เริ่มแรกของสิ่งมีชีวิต (ที่มา : สสวท., 2548 , หน้า 168)

จากภาพที่ 20-9 ตามแนวคิดของโอพาริน แล้วร่วมกัน สืบค้น วิเคราะห์ อภิปราย ลำดับเหตุการณ์กำเนิดของสิ่งมีชีวิต

สิ่งมีชีวิตกำเนิดขึ้นมาได้อย่างไร ?

สิ่งมีชีวิตชนิดแรกที่เกิดขึ้นน่าจะมีโครงสร้างเซลล์แบบใด ?

สิ่งมีชีวิตมีลำดับวิวัฒนาการมาอย่างไร ?

ลำดับขั้นตอนการเกิดสิ่งมีชีวิตตามแนวคิดของโอพารินเป็นอย่างไร ?

วิวัฒนาการทางเคมีเกิดขึ้นมาได้อย่างไร ?

เพราะเหตุใดจึงพบ DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตมากกว่า RNA ?

สิ่งมีชีวิตมีกำเนิดมาบนโลกนี้เมื่อไร และเกิดขึ้นได้อย่างไร เป็นความอยากรู้ของมนุษย์มานานแล้ว ในสมัยโบราณ มีความเชื่อว่าสิ่งมีชีวิตมีกำเนิดมาจากพระเจ้าสร้างขึ้น บ้างก็เชื่อว่า ชีวิตเกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติ แล้วเปลี่ยนแปลงมาเป็นสิ่งมีชีวิตตามทฤษฎีการเกิดเองโดยธรรมชาติ (Spontaneous theory) ซึ่งมีนักปราชญ์สมัยก่อนๆ สนับสนุนแนวคิดนี้ เช่น ทาเลส (Thales) อนาซิแมนเดอร์ (Anaximader) หรือ Aristotle เป็นต้น

ในยุคสมัยต่อมา ความรู้และวิทยากรต่าง ๆ เจริญมากขึ้น ความคิดเห็นเกี่ยวกับกำเนิดของสิ่งมีชีวิตเริ่มเปลี่ยนแปลงไปและขัดแย้งกับความคิดเดิมอยู่บ้างเช่น ฟรานเซลโก เรดิ (Francisco Redi) หลุย ปลาสเตอร์ (Louise Pasteur) ได้ทดลองโดยออกแบบและสร้างเครื่องมือขึ้นมาและได้ข้อสรุปว่าสิ่งมีชีวิตเกิดมาจากสิ่งมีชีวิตเสมอ แต่ก็ยังไม่ได้คำตอบแน่ชัดว่า สิ่งมีชีวิตเริ่มแรกเกิดขึ้นมาได้อย่างไร

ความคิดในยุคสมัยปัจจุบัน วิทยาศาสตร์ได้เจริญก้าวหน้ามากขึ้น โดยเฉพาะความรู้ทางด้านชีวเคมีและอินทรีย์เคมี แนวคิดเกี่ยวกับการเกิดของสิ่งมีชีวิตจึงเปลี่ยนไปจากเดิม และพยายามพิสูจน์ให้เป็นได้ชัดเจนว่าสิ่งมีชีวิตมีกำเนิดขึ้นมาได้อย่างไร เช่น

ฮัลเดน (J.B.S. Haldane) พ.ศ. 2467, มูทเนอร์ (R. Bentner) และ โอปาริน (A.I. oparin) บุคคลทั้งสามได้กล่าวทำนองเดียวกันว่า สิ่งมีชีวิตไม่สามารถเกิดขึ้นได้เองในช่วงเวลาสั้น ๆ เพียงขั้นตอนเดียว แต่ต้องใช้เวลานานมากโดยกระบวนการวิวัฒนาการทางเคมีอย่างช้า ๆ เป็นการสังเคราะห์สารอินทรีย์จากโมเลกุลง่าย ๆ ประกอบขึ้นด้วยสารอินทรีย์ซึ่งต้องมีธาตุคาร์บอน ไนโทรเจน ไฮโดรเจน และออกซิเจนประกอบอยู่ ทำให้เชื่อว่า โลกในสมัยแรกระยะหนึ่งนั้นมีภาวะเหมาะสมที่ทำให้ธาตุทั้ง 4 ชนิดมาประกอบกันได้แล้วกลายเป็นสารประกอบส่วนหนึ่งของสิ่งมีชีวิต ดังภาพที่ 20-9

จากแนวคิดของโอพาริน นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่ากรดนิวคลีอิคชนิดแรกที่เกิดขึ้น คือ RNA ทำหน้าที่ได้ทั้งเป็นสารพันธุกรรมและเอนไซม์ในปฏิกิริยาต่าง ๆ ขิงกระบวนการเมแทบอลิซึม เมื่อ RNA มีวิวัฒนาการขึ้นมาแล้วการสังเคราะห์ DNA จึงเกิดขึ้นภายหลัง (รายละเอียดในเรื่อง ยีนและโครโมโซม) จากโครงสร้างของ DNA ที่เป็นสองสายพันกันเป็นเกลียวทำให้ DNA มีโครงสร้างโมเลกุลที่แข็งแรงกว่า RNA จากแบบแผนการจำลองตัวเองของ DNA (DNA replication) ทำให้มีมิวเทชันน้อยกว่า RNA จึงมีโอกาสอยู่รอดได้มากกว่า ดังนั้นการคัดเลือกโดยธรรมชาตินอกจากจะเกิดขึ้นในระดับของสิ่งมีชีวิตแล้วยังเกิดในระดับโมเลกุล

สรุป

บรรยากาศของโลกในยุคแรก ๆ ทำให้เกิดการสังเคราะห์สารเคมีอย่างง่าย ๆ เช่น NH₃ H₂O H₂ และ CH₄ ต่อมาสารเคมีเหล่านี้ มีวิวัฒนาการเกิดเป็นโมเลกุลที่มีโครงสร้างซับซ้อนคือ กรดอะมิโน กรดไขมัน น้ำตาลและกลีเซอรอลเป็นต้น จนกระทั่งเกิดกรดนิวคลีอิก ครูชี้แจงเพิ่มเติมว่าแนวคิดที่ว่าสิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นจากสิ่งไม่มีชีวิตนั้นสามารถเกิดขึ้นได้ครั้งเดียวในโลก ซึ่งในปัจจุบันไม่สามารถเกิดขึ้นได้อีก เนื่องจากสภาพแวดล้อมไม่เหมาะสมต่อการเกิดสิ่งมีชีวิตจากสิ่งไม่มีชีวิต โดยในขั้นตอนแรกของการเกิดสิ่งมีชีวิตจะเป็นวิวัฒนาการทางเคมีเกิดเป็นเซลล์แรกเริ่ม เซลล์แรกเริ่มนี้สามารถแบ่งตัวได้และมีสารพันธุกรรมเกิดขึ้นโดยสารพันธุกรรมชนิดแรกที่เกิดขึ้นคือ RNA ก่อนที่จะมีวิวัฒนาการเป็น DNA ซึ่งเป็นวิวัฒนาการระดับโมเลกุล แต่การที่สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ในปัจจุบันมีสารพันธุกรรมเป็น DNA ยกเว้นไวรัสบางชนิดเนื่องจาก DNA มีโครงสร้างโมเลกุลที่แข็งแรงกว่า RNA นั่นคือเป็นผลมาจากกระบวนการคัดเลือกโดยธรรมชาติ ที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุลนั่นเอง

คำถามเพิ่มเติม

ให้นักเรียนร่วมกันศึกษาภาพที่ 20-10 และภาพที่ 20-11 เพื่อหาคำตอบว่า นักวิทยาศาสตร์ท่านใดที่พิสูจน์แนวคิดของโอพารินว่าเป็นไปได้ และเซลล์เริ่มแรกเกิดได้อย่างไร

ในปี พ.ศ. 2496 สแตนเลย์ มิลเลอร์ (Stanley Miller) ได้ทำการทดลองเพื่อพิสูจน์แนวคิดของโอพาริน โดยแสดงให้เห็นว่าสารประกอบอย่างง่ายของสิ่งมีชีวิต เช่น กรดอะมิโน กรดอินทรีย์ชนิดอื่นรวมทั้งสารอินทรีย์ เช่น ยูเรีย สามารถเกิดขึ้นได้ภายในชุดการทดลองที่คาดว่าเป็นสภาวะของโลกในระยะเวลานั้น คือ ไม่มีออซิเจน แต่มีแก๊สมีเทน แอมโมเนีย น้ำและแก๊สไนโตรเจน โดยมีแหล่งพลังงานจากไฟฟ้าดังภาพที่ 20-10

ภาพที่ 20-10 มิลเลอร์และอุปกรณ์การทดลอง เพื่อพิสูจน์แนวคิอดของโอพาริน (ที่มา : สสวท., 2548 หน้า 169)

นอกจากนี้ยังมีนักวิทยาศาสตร์อีกหลายท่านที่ทำการทดลองคล้ายกับมิลเลอร์ โดยใช้สารตั้งต้นและพลังงานอย่างอื่น เช่น สารกัมมันตรังสี รังสีอัลตราไวโอเลต พบว่าได้ผลเช่นเดียวกันและเกิดเบสพิวรีนและไพริมิดีนอีกด้วย

เมื่อสารโมเลกุลใหญ่เกิดขึ้นได้ตามแนวคิดของโอพาริน สารอินทรีย์เหล่านี้จะประกอบเป็นเซลล์เริ่มแรกได้อย่างไร ?

ซิดนีย์ ฟอกซ์ (Sidney Fox) นักชีวเคมีชาวอเมริกันและคณะได้แสดงให้เห็นว่า เซลล์เริ่มแรกเกิดจากกรดอะมิโนได้รับความร้อนและมีการรวมกลุ่มกัน ซึ่งมีสมบัติหลายประการที่คล้ายกับเซลล์ของสิ่งมีชีวิต เช่น มีการเจริญเติบโต สามารถเพิ่มจำนวนโดยการแตกหน่อและมีกระบวนการเมแทบอลิซึมเกิดขึ้น ดังภาพที่ 20-11

ภาพที่ 20-11 การเกิดเซลล์เริ่มแรกตามแนวคิดของซิดนีย์ ฟอกซ์ (ที่มา : สสวท., 2548, หน้า 169)

                สรุปแนวคิดเกี่ยวกับกำเนิดของสิ่งมีชีวิต
                1. สแตนเลย์ มิลเลอร์เป็นผู้พิสูจน์แนวคิดของโอพาริน
                2. ซิดนีย์ ฟอกซ์ เสนอว่าเซล์เริ่มแรกเกิดจากกรดอะมิโนได้รับความร้อนและมีการรวมกลุ่มกันมีสมบัติหลายประการเหมือนสิ่งมีชีวิต

Prokaryotic Cells and Eukaryotic Cells

3.1 กำเนิดของเซลล์โพรคาริโอต

ให้นักเรียนศึกษาตารางธรณีกาล และจากหลักฐานของซากดึกดำบรรพ์ แล้วช่วยกันสรุปจากคำถามต่อไปนี้

1. พบร่องรอยของเซลล์เริ่มแรก เมื่อประมาณกี่พันล้านปีมาแล้ว

2. เซลล์ระยะเริ่มต้นของสิ่งมีชีวิตน่าจะคล้ายเซลล์อะไร และถือกำเนิดมาได้อย่างไร ?
3. เซลล์โพรคาริโอตพวกแรกที่เกิดขึ้นน่าจะดำรงชีวิตแบบใด ?

แนววิเคราะห์และสรุป

เริ่มพบร่องรอยของเซลล์เริ่มแรกซึ่งเป็นเซลล์โพรคาริโอต เมื่อประมาณ 3,500 ล้านปีที่ผ่านมา เซลล์โพรคาริโอตระยะแรกควรดำรงชีวิตแบบไม่ใช้ออกซิเจน โดยไม่สามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้ เนื่องจากสภาพแวดล้อมของโลกขณะนั้นมีออกซิเจนไม่เพียงพอ ต่อมาจึงมีวิวัฒนาการเป็นเซลล์โพรคาริโอตที่สามารถสังเคราะห์ด้วยแสงจากน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ ทำให้บรรยากาศของโลกในยุคนั้นมีออกซิเจนเพิ่มมากขึ้น ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่เอื้อต่อการเกิดวิวัฒนาการมาเป็นเซลล์ยูคาริโอตที่ส่วนใหญ่ดำรงชีวิตโดยใช้ออกซิเจน

เซลล์ยูคาริโอตถือกำเนิดมาได้อย่างไร

3.2 กำเนิดของเซลล์ยูคาริโอต

นักเรียนทราบมาแล้วว่าเซลล์โพรคาริโอตและยูคาริโอตมีความแตกต่างกันที่ เซลล์โพรคาริโอตไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส ไม่มีออร์แกเนลที่มีเยื่อหุ้ม เช่น ER ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ และให้นักเรียนพาจารณาภาพที่ 20-12

ภาพที่ 20-12 กำเนิดของเซลล์ยูคาริโอต (ที่มา : สสวท., 2548. หน้า 171)

จากภาพที่ 20-12 ให้นักเรียนร่วมกันวิเคราะห์ อภิปราย ตอบคำถามต่อไปนี้ และร่วมกันสรุปในลำดับต่อไป

เซลล์ยูคาริโอตเกิดขึ้นมาได้อย่างไร และโครงสร้างที่ซับซ้อนของเซลล์ยูคาริโอตเกิดมาจากโครงสร้างอย่างง่ายของเซลล์โพรคาริโอตได้อย่างไร

จากภาพที่ 20-12 แสดงกำเนิดของเซลล์ยูคาริโอต พบว่าการเจริญของเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไปในเซลล์ล้อมรอบบริเวณที่มีสารพันธุกรรมอยู่แล้วจึงพัฒนาเป็นนิวเคลียสทำให้ได้เซลล์ยูคาริโอตและมีเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม ขณะที่ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์เกิดจากเซลล์โพรคาริโอตขนาดเล็กเข้าไปอาศัยอยู่ภายในเซลล์โพรคาริโอตขนาดใหญ่นั่นเอง จากประจักษ์พยานพบว่า ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์มี DNA และไรโบโซมคล้ายกับเซลล์โพรคาริโอตและมีเอนไซม์ในกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนเหมือนกัน เพราะฉะนั้นเป็นไปได้ว่าเซลล์ยูคาริโอตมีวิวัฒนาการมาจากเซลล์โพรคาริโอต

จากกำเนิดของเซลล์โพรคาริโอตและเซลล์ยูคาริโอตจนกระทั่งมีวิวัฒนาการเป็นสิ่งมีชีวิตที่หลากหลายในปัจจุบันนี้ นักวิทยาศาสตร์จะต้องมีวิธีการที่จะศึกษาสิ่งมีชีวิตอย่างเป็นระบบ โดยการจัดสิ่งมีชีวิตเป็นหมวดหมู่ นักเรียนคิดว่า นักวิทยาศาสตร์จัดหมวดหมู่ของสิ่งมีชีวิตออกเป็นกี่กลุ่ม ใช้เกณฑ์ใดในการจัดหมวดหมู่ของสิ่งมีชีวิต

.......................................................................................

เอกสารอ้างอิงและแหล่งเรียนรู้เพิ่มเติม

ส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, สถาบัน. กระทรวงศึกษาธิการ. คู่มือครูสาระ

การเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ชีววิทยา เล่ม 5. องค์การค้าคุรุสภา. กรุงเทพฯ. 2547.

ส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, สถาบัน. กระทรวงศึกษาธิการค. หนังสือเรียนสาระ

Bauer, Penelope Hanchey, Magnoli, Micheal A., Alarez, Armand, Chang-Van Horn, Dorothy and

Gomes, Delilah Taylor. Experiences in Biology. Laidlaw Brothers Publishers. Illinois.

1977.

http://www.ba-education.demon.co.uk/dna/mitosis.jpg

http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/img/bimeiosis.gif

http://www.cellsalive.com/mitosis.htm

http://www.chanforchan.com/