บทที่ 1 ชีววิทยา (Biology) คืออะไร

1. ชีววิทยาคืออะไร

วิชาชีววิทยาเป็นวิชาที่กล่าวถึงเรื่องราวต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต (Living organisms) ซึ่งคำว่าชีววิทยา หรือ Biology มีรากศัพท์มาจากภาษากรีกสองคำ คือ bios+logos คำว่า ไบออส (bios) หมายถึง สิ่งมีชีวิต และโลกอส (logos) ที่หมายถึง ความคิดและเหตุผล 

คำว่า “Biology” ใช้เป็นครั้งแรก เมื่อปี ค.ศ. 1801 โดยนักวิทยาศาสตร์ 2 ท่าน คือ 
Jean Baptiste de Lamarck นักสัตววิทยาชาวฝรั่งเศส และ Ludolf Christian Treviranus  ซึ่งเป็นนักพฤกษศาสตร์ชาวเยอรมัน

การศึกษาเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตสามารถศึกษาได้หลายระดับ ตั้งแต่ระดับใหญ่ เช่น การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างประชากรสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตกลุ่มต่างๆ การศึกษาลักษณะรูปร่าง การดำรงชีวิตและการจัดจำแนกสิ่งมีชีวิต สำหรับการศึกษาในระดับย่อยลงมา เช่น การศึกษาองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิต ได้แก่ อวัยวะ เนื้อเยื่อ และเซลล์ ในด้านโครงสร้างและหน้าที่การทำงานนอกจากนี้ชีววิทยายังครอบคลุมถึงการศึกษาเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตในระดับโมเลกุล อะตอมที่เป็นองค์ประกอบทางเคมีของเซลล์ เช่น โมเลกุลดีเอ็นเอ (DNA) อาร์เอ็นเอ (RNA) โมเลกุลของสารอินทรีย์และอะตอมของธาตุต่างๆที่พบในสิ่งมีชีวิต รวมถึง การศึกษาเรื่องปฏิกิริยาเคมี และพลังงานที่เกิดขึ้นในร่างกายสิ่งมีชีวิตอีกด้วย จะเห็นได้ว่า ชีววิทยานั้นเกี่ยวข้องกับความรู้ต่างๆหลายสาขา ทั้งทางด้านเคมี ฟิสิกส์ คณิตศาสตร์ และคอมพิวเตอร์ ที่สามารถประยุกต์นำมาใช้อธิบายหรือจำลองความเป็นไปของสิ่งมีชีวิต ทั้งหลายเพื่อตอบปัญหาต่างๆที่มนุษย์สงสัยเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตได้

ความแตกต่างระหว่างสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิตนั้นมีหลายประการ ในการศึกษาทางด้านชีววิทยามีความจำเป็นอย่างยิ่ง ที่จะต้องสามารถแยกให้ได้ว่าสิ่งใดคือสิ่งมีชีวิต และสิ่งใดคือสิ่งไม่มีชีวิตเสียก่อน จึงสามารถศึกษาในขั้นต่อไปได้อย่างถูกต้อง ซึ่งลักษณะที่สำคัญของสิ่งมีชีวิต ได้แก่

1. มีโครงสร้างและการทำหน้าที่อย่างเป็นระบบ (organization) ในสิ่งมีชีวิตโดยเฉพาะสิ่งมีชีวิตชั้นสูงจะมีการทำงานประสานกันตั้งแต่ระดับหน่วยย่อยภายในเซลล์ (organelle) กลุ่มเซลล์ (tissue) และอวัยวะ (organ) ต่าง ๆ อย่างเป็นระบบและมีประสิทธิภาพ

2. มีการรักษาสมดุลภายในร่างกาย (homeostasis) การรักษาสมดุลภายในร่างกาย เช่น ระดับอุณหภูมิ ค่าความเป็นกรด-เบส (pH) และความเข้มข้นของสารต่างๆให้อยู่ในจุดที่ไม่เป็นอันตราย ต่อเซลล์

3. มีการปรับตัว (adaptation) สิ่งมีชีวิตพยายามปรับตัวให้เข้ากับสิ่งแวดล้อมอยู่เสมอ เช่น การเปลี่ยนสีของผิวหนังในสัตว์เลื้อยคลาน เพื่ออำพรางศัตรู การที่ปลามีรูปร่างเพรียวไม่ต้านกระแสน้ำ การลดรูปของใบจนมีลักษณะคล้ายเข็มในต้นกระบองเพชรเพื่อลดการสูญเสียน้ำ เพราะเจริญอยู่ในสิ่งแวดล้อมที่เป็นทะเลทราย การปรับตัวของสิ่งมีชีวิตเป็นไปก็เพื่อให้สามารถอยู่รอดในสิ่งแวดล้อมที่มันอาศัยอยู่และสามารถสืบทอดลูกหลานต่อไปได้นั่นเอง

4. มีการสืบพันธุ์และถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม (reproduction and heredity) สิ่งมีชีวิตต้องสามารถสืบพันธุ์ได้ เพื่อดำรงเผ่าพันธุ์ไว้ไม่ให้สูญสิ้นไป โดยอาจอาศัย วิธีสืบพันธุ์โดยอาศัยเพศ (sexual reproduction) หรือไม่อาศัยเพศ (asexual reproduction) อย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองวิธีก็ได้ เมื่อมีการสืบพันธุ์ สิ่งมีชีวิตจะถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมไปยังลูกหลานโดยอาศัยสารพันธุกรรมซึ่งได้แก่ ดีเอ็นเอ (DNA) และอาร์เอ็นเอ (RNA) ซึ่งเปรียบเสมือนเป็นตัวเก็บรหัสทางพันธุกรรมของรุ่นพ่อ-แม่ไว้นั่นเอง

5. มีการเจริญเติบโตและพัฒนารูปร่าง (growth and development) ในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว หลังจากมีการสืบพันธุ์ให้ลูกหลานแล้ว เซลล์ลูกเริ่มแรกจะมีขนาดเล็กหลังจากได้รับสารอาหารจะมีการเจริญเติบโตขยายขนาดใหญ่ขึ้นและพัฒนาจนเป็นเซลล์ที่พร้อมจะสืบพันธุ์ได้ (mature cell) ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์จะมีกระบวนการเจริญเติบโตและพัฒนาที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งประกอบด้วย กระบวนการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์ (cell differentiation) เพื่อให้เหมาะกับการทำหน้าที่แต่ละอย่าง เช่น การเปลี่ยนแปลงรูปร่างเซลล์ต้นกำเนิดของเซลล์กล้ามเนื้อเพื่อให้เหมาะสมกับการทำหน้าที่เคลื่อนไหวของร่างกาย เป็นต้น

6. ต้องการพลังงาน (energy) และสร้างพลังงาน สิ่งมีชีวิตต้องการพลังงานเพื่อนำมาสร้างสาร ATP (adenosine triphosphate) โดยผ่านกระบวนการเมแทบอลิซึม (metabolism) ATP เป็นสารที่ใช้ในการขับเคลื่อนกิจกรรมต่างๆภายในร่างกายสิ่งมีชีวิต เช่น การสืบพันธุ์ การเจริญเติบโต การเคลื่อนไหว ฯลฯ พลังงานที่สิ่งมีชีวิตต้องการดังกล่าวอาจได้มาจากแหล่งต่างๆ เช่น พืช ได้พลังงานจากแสงอาทิตย์ สัตว์ได้พลังงานจากปฏิกิริยาเคมีของสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ ไวรัส ได้พลังงานจากสิ่งมีชีวิตอื่น

7. มีการรับรู้ต่อสิ่งเร้าที่มากระตุ้น (sensitivity) สิ่งมีชีวิตสามารถรับรู้และตอบสนองต่อสิ่งเร้าจากสิ่งแวดล้อมที่อาศัยอยู่ในลักษณะต่างๆ กัน เช่น การเจริญเข้าหาแสงของต้นพืช การเจริญเติบโตช้าลงของจุลินทรีย์เมื่ออยู่ในที่อุณหภูมิต่ำ 4 องศาเซลเซียส การเคลื่อนที่เข้าหาสารอาหารของพารามีเซียม เป็นต้น

8. มีปฏิสัมพันธ์ (interaction) กับสิ่งแวดล้อม สิ่งมีชีวิตมีลักษณะเป็นระบบเปิด (open system) ซึ่งสามารถมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมได้ตลอดเวลาโดยมีการรับพลังงาน สารอาหารเข้าสู่ร่างกาย และขับถ่ายของเสียออกสู่สิ่งแวดล้อมรวมทั้งมีความสัมพันธ์กับสิ่งมีชีวิตอื่นในรูปแบบต่างๆ เช่น การอยู่ร่วมกันแบบพึ่งพาอาศัย (symbiosis) การเป็นปฏิปักษ์ต่อกัน (antagonism) และการเบียดเบียนสิ่งมีชีวิตอื่น (parasitism) เป็นต้น

ปัจจุบันความรู้ทางชีววิทยาได้ถูกนำมาใช้ประโยชน์ในหลายๆ เรื่องที่สำคัญในชีวิตของเรา เช่น เรื่องของสุขภาพอนามัย การรักษาโรคอย่างมีประสิทธิภาพ การพัฒนาคุณภาพอาหารที่ใช้บริโภคให้มีคุณค่ามากขึ้น การพิสูจน์หลักฐานทางกฎหมาย รวมทั้งการแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมที่เสื่อมโทรมลงทุกวัน จะเห็นได้ว่าสิ่งเหล่านี้ต้องอาศัยพื้นฐานความรู้

ความเข้าใจทางด้านชีววิทยาเป็นอย่างดีจนสามารถประยุกต์นำมาใช้ประโยชน์ได้ในที่สุด
ซึ่งจะเห็นได้ว่าชีววิทยาเป็นสิ่งที่ใกล้ตัวมนุษย์มาก การที่เราสามารถเข้าใจสิ่งมีชีวิตและกระบวนการต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตก็เปรียบเสมือนกับการที่เราเข้าใจตัวเองจนสามารถนำความรู้ดังกล่าวมาพัฒนาคุณภาพชีวิตให้ดีขึ้นได้ นอกจากชีววิทยาจะเกี่ยวข้องกับมนุษย์แต่ละคนแล้วก็ยังเกี่ยวข้องกับสังคมส่วนรวม ซึ่งมีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกันอีกด้วย โดยความรู้ทางด้านชีววิทยาสามารถนำมาใช้แก้ปัญหาต่างๆทั้งในระดับประเทศและระดับโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อดำรงเผ่าพันธุ์มนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่นเอาไว้ไม่ให้สูญพันธุ์ไปในระยะเวลาอันรวดเร็ว และสามารถดำรงชีวิตต่อไปได้อย่างมีความสุขสมบูรณ์

2. วิธีการหาความรู้ทางชีววิทยา

กระบวนการศึกษาหาความรู้ทางชีววิทยาก็มีลักษณะเช่นเดียวกับ การหาความรู้ในสาขาอื่นๆทางวิทยาศาสตร์ คืออาศัยวิธีการทางวิทยาศาสตร์ (scientific method) ซึ่งเป็นกระบวนการทำงานอย่างมีระบบ เริ่มต้นจากการสังเกต และค้นหาหลักฐานเพื่อสนับสนุนแนวความคิดสมมติฐานที่ตั้งไว้ การทดลอง หรือการสำรวจเพื่อให้ได้ข้อมูลและการสรุปผลเป็นความรู้ใหม่ๆ การทดลองหรือการสำรวจใดๆเพื่อให้ได้ข้อมูล โดยอาศัยเครื่องมือที่ถูกต้องเป็นสิ่งที่ต้องได้รับการฝึกฝนจนเกิดทักษะ (skill) ซึ่งจะนำมาซึ่งข้อมูลที่ถูกต้องแม่นยำ และเป็นที่ยอมรับในที่สุด นอกจากกระบวนการที่ต้องได้รับการฝึกฝนแล้ว เจตคติและความคิดที่เป็นวิทยาศาสตร์ เช่น การชอบใช้เหตุผลอธิบายสิ่งต่างๆ การเป็นคนช่างสังเกต ใฝ่รู้ และมีความอดทน เป็นสิ่งที่ช่วยสนับสนุนการค้นหาข้อเท็จจริง (fact) ทางวิทยาศาสตร์เป็นอย่างยิ่ง การที่เราเป็นผู้มีแนวคิดเป็นวิทยาศาสตร์ยังเป็นประโยชน์อีกทางหนึ่งในการดำรงชีวิตในสังคม ซึ่งเต็มไปด้วยปัญหาที่ต้องแก้ไขอยู่ตลอดเวลา ความอดทน ความเชื่อในเหตุผลและหลักฐาน เป็นสิ่งที่ทำให้เราสามารถแก้ไขปัญหาและอุปสรรคที่เกิดขึ้นได้อย่างถูกต้อง เช่นเดียวกับปัญหาทางวิทยาศาสตร์ที่เราต้องการหาคำตอบ ดังนั้นการศึกษาวิชาชีววิทยา มิได้เกี่ยวข้องกับความรู้ทางวิชาการเพียงอย่างเดียวเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันและสังคมที่เราอาศัยอยู่อีกด้วย

การศึกษาเรียนรู้ทางชีววิทยาอาศัยวิธีการทางวิทยาศาสตร์  (Scientific Method)  อันมีขั้นตอนดังนี้

            1.  การสังเกต  (Observation)

            2.  การตั้งปัญหา  (Problem)

            3.  การรวบรวมข้อมูล  (Accumulation of Data)

            4.  การตั้งสมมุติฐาน  (Formulation of Hypothesis)

            5.  การทดสอบสมมุติฐาน  (Testing of Hypothesis)  หรือ  การทดลอง  (Experimentation)

            6.  การสรุปผล (Conclusion)

วิธีการทางวิทยาศาสตร์ (scientific method) เป็นกระบวนการซึ่งทำให้ได้มาซึ่งความรู้  ความเข้าใจในปรากฏการณ์ของธรรมชาติอย่างมีเหตุผล ทฤษฎี (Theory) หรือ กฎ  (Law) ที่มีอยู่มากมายทางวิทยาศาสตร์นั้น ล้วนเป็นผลมาจากการศึกษาค้นคว้าอย่างเป็นระบบของนักวิทยาศาสตร์ทั้งสิ้น ซึ่งวิธีการทางวิทยาศาสตร์หรือกระบวนการศึกษาหาความรู้ทางชีววิทยา มีขั้นตอนดังภาพที่ 1

                ภาพที่ 1  วิธีการทางวิทยาศาสตร์ (scientific method)

3. ทฤษฎีที่เป็นพื้นฐานของการหาความรู้ทางชีววิทยายุคใหม่ (modern biology) มีอะไรบ้าง

การแสวงหาความรู้ทางชีววิทยาโดยอาศัยกระบวนการทางวิทยาศาสตร์นั้น ความรู้ที่ได้อาจมีความซับซ้อนจนสามารถใช้อธิบายหรือทำนายปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นได้อย่างกว้างขวาง เช่น ทฤษฏี (theory) ที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบขึ้น ทฤษฎีสำคัญทางชีววิทยาที่มีบทบาท โดยถูกนำมาใช้อธิบาย และแสวงหาความรู้ใหม่ๆ อย่างมากมายในปัจจุบันได้แก่

               1. ทฤษฎีเซลล์ (cell theory)

               2. ทฤษฎีวิวัฒนาการ (theory of evolution)

               3. ทฤษฎียีน (gene theory)

               4. ทฤษฏีการรักษาสมดุล (homeostasis theory)

4. การจัดระเบียบในการศึกษาสิ่งมีชีวิต

เมื่อการศึกษาสิ่งมีชีวิตในธรรมชาติได้ดำเนินมา  นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาชีววิทยาซึ่งเรียกว่า  นักชีววิทยา  (Biologist)  ได้จัดสภาพความคงอยู่ของสิ่งมีชีวิตให้เป็นระบบ โดยพิจารณาจากองค์ประกอบตั้งแต่ขนาดเล็กสุดไปใหญ่ขึ้นเป็นลำดับขั้นได้ดังนี้

การจัดระเบียบในการศึกษาสิ่งมีชีวิต (The Hierarchy of Biological Organization)

อะตอม (Atom)

 

โลกของสิ่งมีชีวิต (Biosphere)

โลกของสิ่งมีชีวิต เริ่มจากอะตอมซึ่งถือว่าเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของสาร อะตอมหลายๆอะตอมมาอยู่รวมกันเป็นโมเลกุล  หลายโมเลกุลมาประกอบกันเป็นออแกเนลล์  ออแกเนลล์ต่างๆ  มาอยู่รวมกันเป็นองค์ประกอบของเซลล์

เซลล์ถือว่าเป็นหน่วยพื้นฐาน  (Basic Unit)  ของสิ่งมีชีวิตที่แสดงคุณสมบัติของสิ่งมีชีวิตเซลล์หลายๆ  เซลล์มาทำงานร่วมกันเป็นเนื้อเยื่อ  เนื้อเยื่อหลายๆ  ประเภทมาประกอบกันเข้าเป็นอวัยวะ จากอวัยวะมาเป็นระบบอวัยวะ และรวมกันเป็นออแกนิซึม ซึ่งก็คือ ตัวตนของสิ่งมีชีวิตนั่นเอง

สิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกันเป็นจำนวนมากมาอยู่ร่วมกันเรียกว่า  ประชากร  ประชากรหลากหลายพันธุ์มาอยู่ร่วมกันเป็นสังคมสิ่งมีชีวิต  สังคมสิ่งมีชีวิตผนวกกับสิ่งแวดล้อมที่ไม่มีชีวิตจึงเป็นระบบนิเวศ  ระบบนิเวศจะมีรูปแบบที่แตกต่างกันไปอย่างมากมายทั้งขนาดและองค์ประกอบ  เมื่อรวมกันเข้าทั้งหมดก็คือ  โลกของสิ่งมีชีวิต  นั่นเอง 

5. สาขาชีววิทยา

ในปัจจุบันชีววิทยาได้มีการศึกษาวิจัยในเชิงต่างๆ  ออกไปอย่างมากมาย  นอกจากนี้มีการนำความรู้ไปประยุกต์ในสาขาวิชาอื่นๆ รวมทั้งในชีวิตประจำวัน  ซึ่งจะขอสรุปอย่างกว้างๆ  ดังนี้

1.  ชีววิทยา : วิทยาศาสตร์บริสุทธิ์  (Pure Science)  เพื่อการศึกษาและวิจัย เช่น Entomology   Biochemistry Microbiology Protozovlogy  Ecology Cell Biology Physiology Anatomy Genetics

2.  ชีววิทยา : วิทยาศาสตร์ประยุกต์ (Applied Science) เพื่อการศึกษาและวิจัย , รับราชการ , รับจ้าง , ธุรกิจ เช่น การประมง การกสิกรรม การเพาะเลี้ยง โภชนาการ อุตสาหกรรม การแพทย์และสาธารณสุข เทคโนโลยีชีวภาพ เภสัชวิทยาและพิษวิทยา

3.  ชีววิทยา :  เพื่อการอนุรักษ์  (Conservation) และการจัดการ (Management) ทรัพยากรของประเทศและของโลก

4.  ชีววิทยา : เพื่อการผักผ่อนหย่อนใจ , บันเทิง , สุนทรีย์ในชีวิต เช่น การสะสม การท่องเที่ยว การประดับตกแต่ง การเพาะเลี้ยง การออกแบบ