การถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม

การแบ่งเซลล์

เซลล์ (cell) ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี โดยเฉพาะการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ ทำให้รู้เรื่องราวของเซลล์ซึ่งเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของสิ่งมีชีวิตคือ เซลล์เซลล์สามารถแบ่งตัวได้ เซลล์มีหลายขนาดขึ้นอยู่ว่าเซลล์เหล่านั้นเป็นของสิ่งมีชีวิตชนิดใดและอยู่ในส่วนใดของร่างกาย เซลล์ที่ใหญ่ที่สุดคือ เซลล์ไข่นกกระจอกเทศ เซลล์ที่มีขนาดที่เล็กที่สุด คือ เซลล์ของแบคทีเรียบางชนิด เซลล์ที่ประกอบเป็นร่างกายของสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์มีเซลล์อยู่ 2 ประเภท คือ เซลล์ในส่วนประกอบอวัยวะทั่วๆ ไป เรียกว่าเซลล์ร่างกายหรือโซมาติกเซลล์ (somatic cell) และเซลล์ในอวัยวะสืบพันธุ์เรียกว่าเซลล์สืบพันธุ์หรือเซกส์เซลล์(sex cell)

เซลล์พืชและเซลล์สัตว์ แตกต่างกันที่ผนังเซลล์ ผนังเซลล์พืชจะแข็งกว่าเซลล์สัตว์ มีเยื่อหุ้มเซลล์เรียกว่า เซลล์วอลล์ (cell wall) ส่วนผนังเซลล์สัตว์มีเยื่อหุ้มเซลล์ที่นุ่มกว่าผนังเซลล์พืชเรียกว่า เซลล์เมมเบรน (cell membrane) และในเซลล์พืชจะมีเม็ดสีคลอโรพลาสต์(chloroplast) ซึ่งมีโมเลกุลของคลอโรฟิลล์ (chlorophyll) หน้าที่ของคลอโรพลาสต์คล้ายกับไมโตคอนเดรีย (mitochondria) ของสัตว์คือเก็บสะสมพลังงานในรูปของแป้ง น้ำตาล โดยคลอโรพลาสต์สามารถสังเคราะห์แสง น้ำตาลจากการสังเคราะห์แสงด้วยตนเองได้ ขณะที่mitochrodria ของสัตว์ทำไม่ได้ ส่วนประกอบของเซลล์ที่สำคัญ คือ มีไซโตปลาสซึม(cytoplasm) ซึ่งเป็นของเหลวอยู่รอบๆนอกนิวเคลียสจะมีผนังหุ้มอยู่เรียกว่า นิวเคลียร์เมมเบรน (nuclear membrane) เมื่อส่องกล้องจุลทรรศน์ ดูนิวเคลียสจะเห็นนิวคลีโอลัส(nucleolus) ซึ่งมีรูปร่างกลม ๆ ได้อย่างชัดเจน ภายในนิวเคลียสมีสารเคมีที่สำคัญ 2 ชนิดได้แก่ RNA (ribonucleic acid) และ DNA (deoxyribonucleic acid) ซึ่ง DNA เป็นสารเก็บข้อความทางพันธุกรรมไว้และอยู่ร่วมกับโปรตีน DNA อยู่รวมกันเป็นโครโมโซม (chro-mosome)

การแบ่งเซลล์ การแบ่งเซลล์ทำให้พืช สัตว์ เจริญเติบโตได้มีอยู่ 2 แบบ คือ

    1. ไมโตซิส (mitosis) เป็นการแบ่งนิวเคลียสของเซลล์ร่างกายทั่ว ๆ ไป
    2. ไมโอซิส (miosis) เป็นการแบ่งนิวเคลียสโดยการลดโครโมโซมลงครึ่งหนึ่ง เพื่อสร้างเซลล์สืบพันธุ์โดยเซลล์เดิม 1 เซลล์ เมื่อแบ่งเซลล์แล้วจะทำให้เกิดเซลล์ใหม่ 4 เซลล์
    1. การแบ่งเซลล์แบบไมโตซิส (mitosis) เป็นการแบ่งเซลล์ที่มีการเพิ่มจำนวนเซลล์ของร่างกายในสภาพปกติมีจำนวนโครโมโซมเป็น 2 ชุด เรียกว่า ดิพพลอย (diploid) หรือ 2n ผลสุดท้ายจะได้เซลล์ลูก 2 เซลล์ ที่มีโครโมโซมเป็นดิพพลอย (2n) เท่ากับเมื่อเริ่มต้น

ในพืชจะพบการแบ่งเซลล์แบบไมโตซิสที่ปลายราก ยอด ตา และการที่หน่วยทางพันธุกรรมไม่เปลี่ยนแปลง จึงใช้ประโยชน์ในพืชมาก เพื่อรักษาพันธุ์ให้เหมือนพันธุ์เดิมทุกประการ เป็นประโยชน์ในการตอนกิ่ง ปักชำ และติดตา

ในสัตว์พบการแบ่งเซลล์ของร่างกายแบบไมโตซิสมากขณะเป็นตัวอ่อนกำลังพัฒนาเป็นเนื้อเยื่อแบบต่าง ๆ การแบ่งเซลล์แบบไมโตซิส แบ่งเป็นระยะพัก หรือ อินเทอร์เฟส(interphase) และระยะแบ่งตัว 4 ระยะ คือ โปรเฟส (prophase) เมตาเฟส (metaphase) แอนาเฟส (anaphase) และทีโลเฟส (telophase)

ระยะพัก หรือ อินเทอร์เฟส เป็นระยะที่มองไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงของโครโมโซมอย่างชัดเจน ระยะนี้เมื่อย้อมสีเซลล์และมองดูในกล้องจุลทรรศน์แล้วจะเห็นนิวเคลียสมีสีเข้มมาก แต่ยังไม่เห็นโครโมโซมเป็นรูปร่างชัดเจน

ระยะโปรเฟส เห็นโครโมโซมแต่ละอันประกอบด้วย โครมาติด (chromatid) 2 อันหรือเรียกว่า ซิสเตอร์โครมาติด (sister chromatis) ติดกันเป็นคู่ที่เซนโตรเมียร์ (centromere)เห็นเป็นแท่งชัดเจน โครมาติดแต่ละอันจะเหมือนกับคู่ของตนทุกประการ แต่ยังติดกันเซนโตรเมียร์

ในเซลล์สัตว์ทั่วไปพบว่าในระยะนี้มีเซนตริโอล(centriole)ซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วกำเนิดของเซลล์ใหม่ทั้งสองและเคลื่อนตัวไปอยู่ตรงข้ามเซลล์ มีการสร้างไมโครทูบูล (microtubule) รอบ ๆ เซนตริโอล มีลักษณะคล้ายดาว เรียกว่า แอสเทอร์ (aster) และไมโครทูบูลนี้จะต่อกันเป็นสายยาวหลายสายเรียกว่า สปินเดิ้ล (spindle) ซึ่งรวมกันอยู่ที่ขั้วเซลล์

ระยะเมตาเฟส ระยะนี้โครโมโซมจะขดพันกันแน่นขึ้นเห็นโครมาติดเป็นคู่อย่างชัดเจนและเริ่มมาเรียงกันตรงกึ่งกลางของเซลล์ เซนโตรเมียร์แบ่งเป็น 2 ส่วน โครมาติดจะเริ่มแยกออกจากกัน

ระยะแอนาเฟส ระยะนี้เซนโตรเมียร์จะเคลื่อนตัวก่อนและโครมาติดที่เคยติดกันจะเริ่มแยกตัวไปยังขั้วตรงกันข้ามของเซลล์ คู่ของโครโมโซมเดิมเรียกว่าโครมาติดจะเป็นโครโมโซม ระยะนี้จะกลายเป็นโครโมโซมของแต่ละเซลล์ที่เกิดใหม่ ระยะเวลานี้จะเป็นระยะเวลาที่สั้นที่สุด

ระยะทีโลเฟส โครมาติดที่แยกจากกันจะห่างกันมากขึ้นไปอยู่ที่ขั้วเซลล์คนละด้านจำนวนโครโมโซมที่ขั้วเซลล์แต่ละด้านจะเท่ากับเซลล์เดิมทุกประการ ระยะนี้สายใยสปินเดิ้ลจะสลายตัวไป ต่อมาเห็นเยื่อหุ้มนิวเคลียสและนิวคลีโอลัสอย่างชัดเจนกลุ่มโครโมโซมจะคลายตัวเป็นลักษณะเส้นบางยาวพันกันอยู่ในแต่ละขั้วเซลล์ซึ่งเป็นเซลล์ใหม่ ถ้าเป็นเซลล์สัตว์จะเห็นไซโตรพลาสซึม คอดตัวกันแบ่งเป็น 2 เซลล์ ถ้าเป็นเซลล์พืชจะมีเซลล์เพลต (cellplate)ระหว่าง 2 เซลล์ชัดเจน

การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส (meiosis) เป็นการแบ่งเซลล์สืบพันธุ์เพศผู้และเพศเมีย หลักใหญ่ของการแบ่งเซลล์แบบนี้ คือ การลดจำนวนโครโมโซมเป็นครึ่งหนึ่งของเซลล์สืบพันธุ์ทั้ง 2 เพศเดิม มีจำนวน 2n เหลือเพียงเซลล์ละครึ่งเดียวหรือมีจำนวนโครโมโซมเป็นแฮพพลอยด์ n เดียว และเมื่อสิ้นสุดการแบ่งเซลล์แบบนี้จะได้เซลล์ใหม่จำนวน 4 เซลล์ด้วยกันและเซลล์ใหม่จากพ่อแม่นี้จะรวมตัวกันมีจำนวนโครโมโซมเท่ากับพ่อแม่ดังเดิม

ขั้นตอนการแบ่งเซลล์แบบนี้แบ่งเป็น 2 ขั้นตอนใหญ่ ๆ คือ โมโอซิส 1 และไมโอซิส 2 ในตอนแบ่งในขั้นไมโอซิส 1 นั้น ได้เซลล์ 2 เซลล์มีจำนวนโครโมโซมลดจำนวนลงครึ่งหนึ่ง ส่วนไมโอซิส 2 เป็นการแบ่งตัวเพิ่มจำนวนเซลล์เป็น 4 เซลล์ ใช้วิธีการแบ่งตัวเหมือนไมโตซิส ดังนั้นเซลล์ใหม่ 4 เซลล์จะมีโครโมโซมเซลล์ละ n เท่านั้น

ระยะไมโอซิส 1 แบ่งเป็นระยะโปรเฟส เมตาเฟส 1 แอนาเฟส 1 และทีโลเฟส 1 มีรายละเอียดดังนี้คือ

ระยะโปรเฟส 1 โครโมโซมแต่ละคู่จะหดสั้นลงและมีเส้นหนาขึ้นและมาจับคู่กันกับโครโมโซมคู่อื่น มีการแลกเปลี่ยนส่วนกันระหว่างโครมาติดเรียกว่า ครอสซิ่งโอเวอร์(crossing over) หรือรีคอมไบเนชั่น (recombination) การครอสซิ่งโอเวอร์มีในการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสเท่านั้น การครอสซิ่งโอเวอร์ทำให้จีนในแต่ละโครโมโซมได้แลกเปลี่ยนลักษณะกันได้จีนหลาย ๆ แบบมากขึ้น ในระยะโปรเฟส 1 นี้นิวคลีโอลัสเริ่มจางหายไป ส่วนที่ติดกันของโครโมโซมเคลื่อนตัวไปอยู่ที่ส่วนปลายของโครโมโซมแต่ละคู่

ระยะเมตาเฟส 1 ผนังนิวเคลียสเริ่มจางหายไปโครโมโซมทุกคู่มาเรียงกันที่กลางเซลล์มีเส้นสายคือโครโมโซมเกิดขึ้น

ระยะแอนาเฟส 1 โครโมโซมที่จับคู่กันแยกจากกันไปอยู่คนละขั้ว เริ่มเห็นการแบ่งชัดเจนเป็น 2 เซลล์

ระยะที่โลเฟส 1 มีการสร้างผนังนิวเคลียสล้อมรอบโครโมโซมและมีการแบ่งโซโตปลาสซึมเกิดขึ้น เมื่อสิ้นสุดการแบ่งจะเกิดเซลล์ใหม่ 2 เซลล์มีจำนวนโครโมโซมลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของเซลล์เดิม

ระยะไมโอซิส 2 เมื่อได้เซลล์ 2 เซลล์ มีจำนวนโครโมโซม n แล้วเซลล์จะเข้าสู่ระยะไมโอซิส 2 เซลล์ 2 เซลล์จะแบ่งตัวต่อไป การแบ่งตัวในระยะนี้จะมี 4 ระยะคือ ระยะโปรเฟส 2 ระยะเมตาเฟส 2 ระยะแอนาเฟส 2 และระยะที่โลเฟส 2 รายละเอียดการแบ่งเซลล์ทั้ง 4 ระยะจะเหมือนกันทุกประการกับการแบ่งเซลล์แบบไมโตซิส ต่างกันแต่เพียงว่าการเริ่มต้นจำนวนเซลล์เป็น 2 เซลล์ ดังนั้น เมื่อแบ่งเซลล์จนถึงระยะสุดท้ายจะได้เซลล์ดอเตอร์จำนวน 4 เซลล์มีโครโมโซม n

การแบ่งเซลล์สืบพันธุ์เป็นการจัดการของธรรมชาติที่ลงตัวพอดี เพราะเมื่อเซลล์สืบพันธุ์เพศผู้มีดอเตอร์เซลล์ 4 เซลล์ มีโครโมโซม n ผสมพันธุ์กับเซลล์สืบพันธุ์เพศเมียมีดอเตอร์เซลล์ 4 เซลล์ มีโครโมโซม n การจับคู่กันของโครโมโซมลงตัวพอดี ทำให้เกิดการรักษาเผ่าพันธุ์ได้ เพราะแม้เราจะนำพืช สัตว์ คนละชนิดกันมาผสมพันธุ์กันจำนวนโครโมโซมที่ไม่เท่ากันทำให้ไม่เกิดการปฏิสนธิ

โครโมโซม

โครโมโซม (chromosome) โครโมโซมมีบทบาทมากในการถ่ายทอดลักษณะพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตจากชั่วหนึ่งไปยังอีกชั่วหนึ่ง ขณะที่เซลล์แบ่งตัวจะมองเห็นโครโมโซมมีลักษณะหดตัวสั้นติดกันเป็นคู่ ๆ ย้อมสีติดมองเห็นได้ชัดเจนในกล้องจุลทรรศน์ผู้ศึกษาเซลล์ในช่วงแรก ๆ จึงเรียกว่า โครโมโซม มีความหมายว่า colored body มีบางขณะโครโมโซมจะมีลักษณะบาง จำนวนโครโมโซมในเซลล์ปกติจะคงที่และมีลักษณะประจำของสิ่งมีชีวิตนั้น ในเซลล์สืบพันธุ์ เช่น ไข่ เชื้ออสุจิ ละอองเกสรเพศผู้ จะมีโครโมโซมเป็นจำนวนครึ่งหนึ่งของเซลล์ที่เป็นส่วนประกอบของร่างกาย สิ่งมีชีวิตต่างชนิด กันมีจำนวนโครโมโซมต่างกัน เช่นแมลงหวี่มี 8 อัน ข้าวโพดมี 20 อัน มนุษย์มี 46 อัน ลิงชิมแปนซีมี 48 อัน ฯลฯ เป็นต้น เมื่อแยกโครมาติด ซึ่งเป็นส่วนประกอบของโครโมโซมมาวิเคราะห์จะพบใยยาว ๆ มีโปรตีนประมาณ60 เปอร์เซนต์ มี DNA ประมาณ 35 เปอร์เซนต์ บางอันมี RNA 5 เปอร์เซนต์ ปริมาณของ DNA ในโครโมโซมจะต่างกันไป ขึ้นอยู่กับสิ่งมีชีวิตและขึ้นอยู่กับแต่ละโครโมโซมด้วย DNA ในโครโมโซมมี 2 สายพันกันเป็นขั้นบันได มีขนาดความยาวต่าง ๆ กัน

โดยปกติโครโมโซมจะมีจำนวนและรูปร่างคงที่อาจพบโครโมโซมที่แตกต่างออกไปได้คือ โครโมโซมเพศ ตัวอย่างได้แก่ โครโมโซมเพศของคน ถ้ามีลักษณะคู่เหมือนกันจะเป็นเพศหญิง (ใช้สัญญลักษณ์ XX) แต่ถ้ามีลักษณะต่างกันจะเป็นเพศชาย(ใช้สัญญลักษณ์ XY) ส่วนโครโมโซม YY จะทำให้ตัวอ่อนตายตั้งแต่เริ่มเป็นตัว นอกจากโครโมโซมที่ผิดปกติตามธรรมชาติแล้ว ในการเรียนเกี่ยวกับโครโมโซมหากพบโครโมโซมที่ขาดท่อนที่ไม่สมบูรณ์การถ่ายทอดลักษณะ ทางพันธุกรรมจะผิดปกติด้วย เช่น โรคทางพันธุกรรมหลายโรคที่ปรากฎแก่คนหลายชนิด เป็นต้น

เรื่องจีน

จีนหรือยีน (gene) คือ ตัวควบคุมการถ่ายทอดลักษณะต่าง ๆ ไปสู่ลูกหลาน จีนของสัตว์และพืชคือสารเคมี DNA ที่อยู่บนโครโมโซม แต่ละจีนจะอยู่เป็นคู่ ๆ เรียกว่า อัลลีน(allele) การเข้าคู่กันของจีนที่ควบคุมแต่ละลักษณะจะไม่สัมพันธ์กัน เช่น สีของเมล็ดถูกควบคุมด้วยอัลลีนคู่หนึ่ง ผิวของเมล็ดควบคุมด้วยอัลลีนอีกคู่หนึ่ง เป็นต้น ลักษณะที่มีจีนควบคุมเพียง 2 อัลลีนมักมีลักษณะปรากฎ หรือฟีโนไทป์ (phenotype) ไม่กี่แบบ เช่น รูปร่างของเมล็ดถั่วลันเตาที่เมนเดลค้นพบก็มีเพียง พวกเมล็ดกลมกับเมล็ดขรุขระเท่านั้น แต่ยังมีลักษณะบางอย่างที่มีความผันแปรต่อเนื่อง เช่น ผลผลิต ปริมาณโปรตีนในเมล็ดพืชความเจริญเติบโตของสัตว์ เป็นต้น ลักษณะเหล่านี้ไม่สามารถแบ่งแยกได้ด้วยตาเนื่องจากมีความผันแปรอย่างต่อเนื่องตั้งแต่ค่าน้อยจนถึงค่ามาก จึงต้องใช้วิธีการชั่งตวงวัด และกำหนดเป็นค่าสถิติเพื่อแบ่งแยกลักษณะดังกล่าว จีนที่ควบคุมลักษณะเหล่านี้มีหลายคู่ทำหน้าที่ควบคุมลักษณะเดียวกัน จีนกลุ่มนี้อาจอยู่บนโครโมโซมเดียวกัน หรือคนละโครโมโซมก็ได้เรียกว่ามัลติเปิลจีน (multiple gene)