โครงสร้างของเซลล์

 โครงสร้างและหน้าที่ของเซลล์

จุดประสงค์การเรียนรู้

1. อธิบายกฎแห่งการแยกของเมนเดล และการทดลองอันเป็นที่มาของกฏได้

2. อธิบายกฎความน่าจะเป็นที่นามาใช้อธิบายการถ่ายทอดทางพันธุกรรมได้

3. บอกความเชื่อมโยงกฎแห่งการแยกกับการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสได้

เนื้อหา

สิ่งมีชีวิตประกอบด้วยหน่วยย่อยพื้นฐานที่เรียกว่าเซลล์ (cell) โดยปกติแล้วจะไม่สามารถมองเห็นเซลล์ด้วยตาเปล่า เนื่องจากมีขนาดเล็กตั้งแต่ 5-15 ไมครอน (micron) แต่เซลล์ของสิ่งมีชีวิตบางชนิด เช่น ไข่นก ไข่ของสัตว์เลื้อยคลานนั้นมีขนาดใหญ่และสามารถมองเห็นได้ชัดเจน เซลล์มีองค์ประกอบขนาดเล็กที่สามารถทำหน้าที่ของสิ่งมีชีวิตอยู่ภายใน เรียกว่า ออร์แกเนลล์ (organelle)
 โดยสามารถแบ่งเซลล์ตามลักษณะความซับซ้อนขององค์ประกอบภายในเซลล์ได้เป็น 2 ชนิด คือ
เซลล์โพรคาริโอต (prokaryote) และ เซลล์ยูคาริโอต (eukaryote) ในการค้นพบเซลล์และการศึกษาเรื่องราวเกี่ยวกับเซลล์ของนักวิทยาศาสตร์ ทำให้เราสามารถเข้าใจถึงการทำงานในระบบร่างกายสิ่งมีชีวิตได้ดียิ่งขึ้น 

การค้นพบเซลล์สิ่งมีชีวิตเกิดขึ้น ในปี ค.ศ. 1655 โดย นักพฤกษศาสตร์ ชาวอังกฤษ โรเบิร์ต ฮุค (Robert Hooke) ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์ที่เขาประดิษฐ์ขึ้นสังเกตโครงสร้างเล็กๆ ของไม้คอร์ก (cork)
ที่ถูกเฉือนเป็นแผ่นบางๆ พบว่ามีลักษณะเป็นห้องเล็กๆ คล้ายรังผึ้ง เขาได้เรียกห้องเล็กๆเหล่านี้ว่าเซลล์ ซึ่งการศึกษาเซลล์ไม้คอร์กของโรเบิร์ต ฮุค ในครั้งนั้นเป็นการค้นพบเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเป็น
ครั้งแรก แต่เป็นเซลล์ที่ตายแล้วคงเหลือแต่ส่วนของผนังเซลล์ (cell wall) เท่านั้น

       รูปที่ 1 กล้องจุลทรรศน์ของโรเบิร์ต ฮุค (ซ้าย) และเซลล์ไม้คอร์กที่ตายแล้ว (ขวา)

 

รูปที่ 2  อันตวน แวน เลเวนฮุค (ซ้าย) และกล้องจุลทรรศน์ของเลเวนฮุค (ขวา)

          หลังจากนั้นในปี ค.ศ. 1830-1839 นักพฤกษศาสตร์ มัตทิอัส ชไลเดน (Matthias Schleiden) และนักสัตววิทยา เทโอดอร์ ชวันน์ (Theodor Schwann) ได้ศึกษาเซลล์พืชและเซลล์สัตว์ชนิดต่างๆ รวมทั้งศึกษาบทบาทของนิวเคลียส (nucleus)ภายในเซลล์ต่อการแบ่งเซลล์ ชไลเดน และ ชวันน์ ได้รวบรวมความรู้ที่ได้และจัดตั้งเป็น ทฤษฎีเซลล์ (The Cell Theory) โดยมีใจความที่สำคัญดังนี้

          1. สิ่งมีชีวิตทุกชนิดประกอบด้วยเซลล์
                   2. เซลล์เป็นหน่วยพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต
                    3. เซลล์เกิดจากการแบ่งตัวของเซลล์ที่มีอยู่ก่อน

รูปที่ 3  มัตทิอัส ชไลเดน (ซ้าย) และทีโอดอร์ ชวันน์ (ขวา) 

ประเภทของเซลล์

เซลล์สิ่งมีชีวิตสามารถแบ่งเป็นประเภทใหญ่ๆ ได้ 3 ประเภทตามความแตกต่างขององค์ประกอบภายในเซลล์ คือ เซลล์สัตว์ เซลล์พืช และเซลล์ของแบคทีเรียโดยเซลล์สัตว์์แตกต่างจากเซลล์พืชตรงที่ เซลล์สัตว์ไม่มีผนังเซลล์ และไม่มีรงควัตถุที่ใช้ในการสังเคราะห์แสง สำหรับเซลล์แบคทีเรียมีความซับซ้อนขององค์ประกอบภายในเซลล์น้อยกว่าเซลล์สัตว์และเซลล์พืชมาก เช่น ไม่มีเยื่อหุ้มสารพันธุกรรม และออร์แกเนลล์ต่างๆ  เป็นต้น

 

   

                     ก                                                                             ข
ภาพที่ 1 เซลล์ของพารามีเซียม ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวจัดอยู่ในกลุ่มโปรโตซัว
            ก. ภาพกาลังขยายต่ำแสดงให้เห็นเซลล์ของพารามีเซียมเคลื่อนที่
            ข. ภาพกาลังขยายสูงแสดงให้เห็นเซลล์ของพารามีเซียมแตก

          

รูปที่ 4 โครงสร้างเซลล์สัตว์

 

รูปที่ 5  โครงสร้างเซลล์พืช

 

รูปที่ 6 โครงสร้างเซลล์แบคทีเรีย

            ขนาดของเซลล์

          เนื่องจากการแลกเปลี่ยน ออกซิเจน สารอาหาร และของเสียกับสิ่งแวดล้อมภายนอกเซลล์จะเกิดได้ดี มีประสิทธิภาพก็ต่อเมื่อเซลล์นั้นมีอัตราส่วนของพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูง ซึ่งหมายถึง เซลล์นั้น ๆ มีพื้นที่ผิวที่ใหญ่พอสำหรับการแลกเปลี่ยนหรือถ่ายเทสารให้ทั่วถึงปริมาตรทั้งหมดของเซลล์ และเซลล์ที่มีขนาดเล็กจะมีอัตราส่วนของพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูงกว่าเซลล์ที่มีขนาดใหญ่ ยกตัวอย่าง เช่น ถ้าขนาดของเซลล์ซึ่งวัดโดยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพิ่มขึ้น 10 เท่า พื้นที่ผิวจะเพิ่มขึ้นประมาณ 100 เท่า
ในขณะที่ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นประมาณ 1,000 เท่า ดังนั้นเซลล์ยิ่งมีขนาดใหญ่ขึ้นเท่าใด ยิ่งจะมีอัตราส่วนของพื้นที่ผิวต่อปริมาตรลดลง

                  ตัวอย่างการคำนวณเช่น ถ้าเส้นผ่านศูนย์กลางของเซลล์ 2 ชนิดมีขนาด 1 ซม. และ 10 ซม. ดังนั้น พื้นที่ผิว( 4r² ) เท่ากับ 3.14 ตร.ซม. และ 314.16 ตร.ซม. ตามลำดับ  ปริมาตร ( r³ ) เท่ากับ 0.524 ลบ.ซม. และ 523.599 ลบ.ซม. ดังนั้นพื้นที่ผิวต่อปริมาตร ประมาณ 5.99 : 1 และ 0.6 : 1 

               อย่างไรก็ตาม สิ่งมีชีวิตที่มีขนาดใหญ่กว่าสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่งนั้นไม่ได้มีีเซลล์ขนาดใหญ่กว่าแต่มีจำนวนเซลล์ที่มากกว่า