วันจันทร์ที่ 17 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2557

สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ เล่มที่ 4 (การเรืองแสงของสิ่งมีชีวิต)


สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ เล่มที่ 4 (การเรืองแสงของสิ่งมีชีวิต)



         เราจะลองพิจารณาเปรียบเทียบสิ่งมีชีวิตต่างๆ ตามลำดับขั้นวิวัฒนาการ เริ่มจากพวกที่มีวิวัฒนาการน้อยกว่า  จนถึงพวกที่มีวิวัฒนาการขั้นสูงสุด คือ  ตั้งแต่สัตว์พวกเซลล์ เดียวขึ้นมาถึงสัตว์ชั้นสูง


          สิ่งที่มีชีวิตเซลล์เดียวสามารถเปล่งแสงสีได้ สีของแสงที่เปล่งออกมานั้นอาจเปลี่ยนได้ตามสภาพแวดล้อม เช่น นอคติลูคา (noctiluca) ชนิดต่างๆ  ตามปกติจะเปล่งแสง สีแดงจนทำให้ผิวทะเลที่มีสิ่งที่มีชีวิตนี้อาศัยอยู่อย่างหนาแน่นเป็นสีแดงเต็มไปหมด  แต่ในเวลากลางคืน  ถ้ามีคลื่นมารบกวนมาก  นอคติลูคาจะเปล่งแสงเป็นสีน้ำเงินแทนสีแดง สิ่งที่มีชีวิตพวกเซลล์เดียวอีกชนิดหนึ่ง  คือ โกนีออแลกซ์ (gonyaulax) มีความสามารถในการผลิตแสงได้มากที่สุดในเวลากลางคืน และน้อยที่สุดในเวลากลางวันไม่ว่าจะอยู่ในสภาพแวดล้อมตามธรรมชาติของมันเองคือในทะเล หรือภายในสภาพห้องทดลองที่ห่างไกลจากทะเลหลายพันกิโลเมตร  กำหนดเวลาของการเปลี่ยนแสงดังกล่าวนี้จะเที่ยงตรงราวกับมี "นาฬิกา" ตั้งไว้ภายในเซลล์  นอกจากนี้ บัคเตรีซึ่งก็เป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวจะผลิตแสงสีน้ำเงินหรือน้ำเงินเขียว  และตราบใดที่สภาพแวดล้อมเหมาะสมกับปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ของมัน  แสงที่เรืองนั้นจะต่อเนื่องกันโดยไม่หยุด

          ในสัตว์ทะเลพวกหนึ่งซึ่งมีขนาดและลำตัวคล้ายช่อดอกไม้เล็กๆ เช่น แคมพานูลาเรีย  เฟลกซูโอสา (Campanularia  flexuosa) การเรืองแสงเกิดในเซลล์ที่เป็นแกนในของลำตัว  ผ่านผิวชั้นนอกซึ่งใสบาง ส่วนแมงกะพรุนซึ่งเป็นสัตว์กลุ่มใกล้เคียงกันถัดขึ้นมาในลำดับวิวัฒนาการ จะมีการเรืองแสงเกิดขึ้นตามกลุ่มเซลล์ที่กระจายอยู่ตามขอบร่ม เช่น เอควอเรีย เอควอร์  (Aequorea  aequore)

          หนอนทะเลชนิดหนึ่งซึ่งเป็นสัตว์กลุ่มที่ใกล้เคียงมากกับไส้เดือนดิน และเป็นที่รู้จักกันดีในบริเวณหมู่เกาะอินเดียตะวันตก   คือ  โอดอนโตซิลลิส อีโนปลา (Odontosyllisenopla) จะมีการเรืองแสงเป็นหมู่  ประมาณ ๒-๓ วันหลังจากเดือนเพ็ญ พวกตัวเมียซึ่งมีไข่สุกและมีขนาดถึง ๓ ๑/ซ.ม. จะว่ายวนตามผิวน้ำเปล่งแสงสีเขียว  เริ่มประมาณ ๑  ชั่วโมง  หลังจากตะวันตกดิน  มีตัวผู้ซึ่งเปล่งแสงวาบๆ ว่ายตามมา  และต่อมามีการปล่อยเซลล์สืบพันธุ์ทั้งสองฝ่ายออกผสมพันธุ์ในน้ำ


         ส่วนสัตว์ทะเลอีกชนิดหนึ่งซึ่งเป็นสัตว์คล้ายกับไรน้ำในน้ำจืด คือ ไรน้ำทะเล  ไซปริดิน่า ฮิลเกนดอร์ฟิอิ  (Cypridinae  hilgendorfii) นี้ เป็นสัตว์ที่รู้จักกันดีในสมัยสงครามโลกครั้งที่ ๒ ทหารญี่ปุ่นได้นำมาใช้ประโยชน์ในการอ่านแผนที่ขณะที่มีการพรางไฟ  สัตว์ชนิดนี้เมื่อนำมาตากให้แห้งจะเก็บไว้ได้นานในลักษณะเป็นผง เมื่อต้องการใช้ก็นำมาผสมกับน้ำจะได้แสงสีน้ำเงินที่สว่างพอที่จะอ่านแผนที่ได้โดยไม่ต้องกลัวว่าจะถูกเครื่องบินค้นพบ ได้มีผู้นำไรน้ำทะเลชนิดนี้มาศึกษาปฏิกิริยาชีวเคมีอย่างละเอียด

          ในสัตว์พวกแมลงที่เรืองแสง หิ่งห้อยหลายชนิด เช่น โฟทูริส ไพราลิส (Photurispyralis) และ พี. เพนซิลวานิคัส  (P. Pennsylvanicus) เป็นแมลงที่พบทั่วไปทั้งในยุโรป เอเชีย  และอเมริกา มีการผลิตแสงสีเขียวเหลืองตรงปลายท้อง และมีการเปล่งแสงเป็นจังหวะ ตัวผู้ในฝูงเดียวกันจะเปล่งแสงเป็นจังหวะพร้อมกัน หิ่งห้อยต่างชนิดจะมีจังหวะแตกต่างกัน ส่วนตัวเมียปกติจะไม่เปล่งแสงก่อน แต่จะเปล่งแสงตอบต่อเมื่อได้รับแสงจากตัวผู้ชนิดเดียวกัน เป็นการบอกทิศทางให้ตัวผู้บินตามมา แมลงปีกแข็งไพโรโฟรัสนอคติลูคัส (Pyrophorus  noctilucus) อีกชนิดหนึ่งซึ่งพบในอเมริกาเหนือและมีลักษณะภายนอกคล้ายกับหิ่งห้อย  แต่มีการเรืองแสงที่ตำแหน่งต่างกันมาก  คือ  ที่จุด ๒  จุด  ตรงทรวงอกด้านบน ในประเทศบราซิลมีหนอนซึ่งเป็นตัวอ่อนของแมลงชนิดหนึ่ง  มีลวดลายการเรืองแสงที่เหมาะสมกับชื่อของมัน คือ  มีจุด เรืองแสงสีแดงที่เรืองแสงต่อเนื่องกันตลอดเวลา  ๒ จุดตรงหัว  ส่วนตามลำตัว  มีจุดเรืองแสง  ๑๑  คู่  เรียงตามยาวลำตัวปล้องละ ๑  คู่  จุดเหล่านี้ปกติไม่เปล่งแสง แต่หากถูกรบกวน หรือเมื่อเคลื่อนไหวจะเปล่งแสงสีเขียว จึงทำให้ได้สมญาว่า "หนอนรถไฟ"
         
          สัตว์ทะเลกลุ่มหอย ได้แก่  หอยสองกาบ  โฟลาส  แดคติลุส  (Pholas dactylus) และปลาหมึก เธามาโตแลมพัส  ไดอะเดมา (Thaumatolampus diadema) ซึ่งเป็นสัตว์ที่ใกล้เคียงกับหอยมาก สัตว์สองชนิดนี้เป็นตัวอย่างของสัตว์ทะเลขนาดใหญ่ที่เรืองแสงขณะเคลื่อนไหว ปรากฏเห็นได้ชัดเจน

          ในสัตว์ทะเลชั้นสูงจำพวกที่มีกระดูกสันหลังนั้น การเรืองแสงปรากฏเฉพาะในพวกปลา โดยเฉพาะปลาน้ำลึก  ซึ่งแต่ละชนิดมีลวดลายบริเวณเรืองแสงบนลำตัวต่างกัน  ในทะเลที่แสงแดดส่องไม่ถึง  มันจะจำศัตรูหรือเพื่อนชนิดเดียวได้กันในที่มืดโดยทราบจากลวดลายการเรืองแสงบนลำตัว  ปลาบางชนิดมีอวัยวะเรืองแสงลักษณะคล้ายคันเบ็ดที่ห้อยจากหัวลงมา เหนือบริเวณปาก ปลายสายเบ็ดนี้มีแสงเรืองล่อปลาขนาดเล็ก  หรือสัตว์ทะเลอื่นๆ ให้เข้ามาใกล้ ปลาที่มีการเรืองแสงตามบริเวณต่างๆ เหล่านี้ส่วนมากมิได้มีเซลล์ของตนเองที่ผลิตแสงได้ดังสัตว์อื่นที่กล่าวข้างต้น การเรืองแสงเกิดจากเซลล์ของบัคเตรีที่มาอาศัยอยู่เป็นประจำในบริเวณเหล่านั้นซึ่งประกอบด้วยเนื้อเยื่อที่เจริญเป็นพิเศษ เพื่อการรองรับบัคเตรีเหล่านี้ เช่น โฟโตเบลฟารอน (Photoblepharon)

          ในสิ่งมีชีวิตอื่นนอกจากสัตว์และจุลินทรีย์ที่ได้กล่าวข้างต้นแล้ว  พืชจำพวกเห็ดที่เจริญตามพื้นดินในป่า  หรือขอนไม้ผุชื้นก็เรืองแสงได้ แสงของมันจะมีสีเขียว-เหลือง


ปฏิกิริยาการเรืองแสงในสิ่งมีชิวิต


         ในบรรดาสิ่งมีชีวิตที่เรืองแสงชนิดต่างๆ  ดังกล่าวข้างต้น  สิ่งที่มีผู้พยายามศึกษา ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เป็นชนิดแรกคือหอยสองกาบ  โฟลาส แดคติลุส  (Pholas   dactylus)ผู้ทดลองนำมาสกัดในน้ำเย็น  สารละลายที่ได้จากการสกัดจะเรืองแสงอยู่ชั่วครู่แล้วก็หยุดแต่สารละลายที่ได้จากการสกัดด้วยน้ำร้อนจะไม่เรืองแสง    แต่เมื่อตั้งทิ้งไว้ให้เย็นและนำไปผสมกับสารละลายแรกที่ดับแล้ว  จะกลับมีการเรืองแสงขึ้นมาใหม่

           ผู้ทำการวิจัยเรื่องนี้  คือ  ดูบัวส์ (Dubois) ได้สรุปผลของเขาว่าในสารละลายที่สกัด ด้วยน้ำร้อนนั้น   ความร้อนได้ทำลายสารชนิดหนึ่งไป  (ก) ส่วนสารอีกชนิดหนึ่ง  (ข)  ไม่ถูกทำลายโดยความร้อน  ดังนั้น  ในสารละลายที่สกัดด้วยน้ำเย็นซึ่งมีการผลิตแสงเป็นผลจากปฏิกิริยาระหว่าง (ก) และ (ข)   ซึ่ง (ข) จะค่อยๆ หมดไป  เมื่อนำสารละลายที่สกัดด้วยน้ำร้อนมาผสมด้วยภายหลัง  (ก)  ซึ่งยังคงอยู่โดยไม่หมดไปขณะทำปฏิกิริยา  ก็จะเข้าทำปฏิกิริยากับ (ข) ที่เติมมาใหม่  เกิดการผลิตแสงได้ใหม่
           ก + ข  ในเซลล์ → เย็น  ก + ข (แสง) → ก (ไม่มีแสง)
           ก + ข  ในเซลล์ → ร้อน  ก + ข (ไม่มีแสง) → ก (แสง)

          ดูบัวส์เรียก  (ข) ว่า ลูซิเฟอริน (luciferin) และ (ก) ว่า ลูซิเฟอรัส  (luciferous)ตามชื่อเทพบุตรแห่งแสง    คือ   ลูซิเฟอร์ (Lucifer) ลูซิเฟอริน  คือ  สารที่ทำหน้าที่เป็นวัตถุดิบ  ส่วนลูซิเฟอรัสเป็นสารเอนไซม์  (enzyme) ซึ่งถูกทำลายง่ายด้วยความร้อน  สารเอ็น-ไซม์นี้ทำปฏิกิริยากับวัตถุดิบ  (ลูซิเฟอริน)  ทำให้เกิดแสง
          ลูซิเฟอริน (ข) + ลูซิเฟอรัส (ก) → แสง

กลไกควบคุมการเรืองแสง


     เมื่อเปรียบเทียบปฏิกิริยาการเรืองแสงของสิ่งมีชีวิต (bioluminescence) ดังกล่าวข้างต้นกับการเรืองแสงในระบบสิ่งไร้ชีวิต (phosphorescence หรือ fluorescence)  แล้ว  ข้อแตกต่างสำคัญก็คือ  การเรืองแสงในระบบสิ่งไร้ชีวิตเป็นผลของการเปลี่ยนแปลงความร้อนหรือกระแสไฟฟ้าหรือการสั่นสะเทือนของอณู  ส่วนการเรืองแสงของสิ่งมีชีวิตเป็นผล จากปฏิกิริยาชีวเคมีภายในเซลล์มีการผลิตแสงที่ไม่มีพลังงานความร้อน  และสีที่ปรากฏพบในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว  จะเป็นแสงในช่วงคลื่นตั้งแต่ประมาณ  ๐.๐๐๐๐๔๘-๐.๐๐๐๐๕๐  ซม.(น้ำเงิน  หรือน้ำเงินปนเขียว)  ถึงประมาณ ๐.๐๐๐๐๕๖๕ ซม. (เขียวปนเปลือง) เช่นในหิ่งห้อย  จนกระทั่งถึง  ๐.๐๐๐๐๖๑๔  ซม. (แดง) ในพวกหนอนรถไฟ  เป็นต้น
 
           ถึงแม้การเรืองแสงในสิ่งมีชีวิตต่างๆ จะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะแวดล้อมต่างกัน  มีผลลัพธ์ซึ่งแตกต่างกันมากมายในแง่ของสี  แสง  ตำแหน่ง  ช่วงเวลา และจังหวะการเรืองแสงแต่การเรืองแสงในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดเป็นปฏิกิริยาชีวเคมีทั้งหลายภายในเซลล์  ภายใต้การควบคุมงานของสารที่เรียกว่า เอนไซม์  ปฏิกริยาชีวเคมีภายในเซลล์ที่มีชีวิตมีผลสำคัญ  คือ  การเปลี่ยนแปลงทางเคมีของสารในเซลล์  และการหมุนเวียนพลังงาน ในปฏิกิริยาการเรืองแสงของสิ่งมีชีวิต เอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง คือ ลูซิเฟอรัส จะทำปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงสารลูซิเฟอริน ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาที่ต้องการก๊าซออกซิเจนไปทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบปฏิกิริยาการเผาไหม้ภายในเซลล์  ต่างกันที่พลังงานที่ผลิตขึ้นในกรณีนี้เป็นพลังงานแสง 

           แสงที่เกิดขึ้นจึงเป็นพลังงานที่ถูกเปลี่ยนรูปมาจากพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีที่อาจเกิดได้ในหลอดแก้วที่มีเอนไซม์และวัตถุดิบลูซิเฟอริน ที่สกัดจากเซลล์เรืองแสง  ก๊าซออกซิเจนและ ATP (เอ.ที.พี.) ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีพลังงานสูง พบในเซลล์มีชีวิตทั่วไป แสงเรืองที่เกิดจากการใช้ ATP จากเซลล์ปกติจะมีความเข้มมากกว่าแสงเรืองที่เกิดในการใช้   ATP จากเซลล์มะเร็ง ข้อแตกต่างนี้นอกจากจะแสดงกลไกของปฏิกิริยาการเรืองแสงแล้ว ยังให้ความหวังว่าอาจใช้การวัดความเข้มของแสงที่ได้เป็นดรรชนีในการวินิจฉัยสภาพของเซลล์ในการตรวจสอบมะเร็งได้

           เนื่องจากลักษณะของการเรืองแสงแตกต่างกันไปตามชนิดของสิ่งมีชีวิต  ความสามารถในการเรืองแสงและลักษณะการเรืองแสงนั้นเป็นสิ่งที่ถ่ายทอดได้ทางพันธุกรรมและปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ในการเรืองแสงถูกควบคุมโดยเอนไซม์ที่อยู่ภายใต้อิทธิพลของหน่วย กรรมพันธุ์ จากรายงานการศึกษาการเรืองแสงในจุลินทรีย์พบว่าหน่วยกรรมพันธุ์ที่ควบคุมการเรืองแสงนั้นอาจเกิดการกลายพันธุ์ขึ้นได้  และหน่วยกรรมพันธุ์ใหม่นี้ทำให้เกิดเซลล์ที่ไม่อาจเรืองแสงได้ในสภาพปกติ แต่จะเรืองแสงได้ในสภาพที่เติมสารเคมี ATP แสดงว่าการกลายพันธุ์คือการสูญเสียความสามารถในการสังเคราะห์สารบางชนิดที่จำเป็นในการเรืองแสง  หรือการขาดเอนไซม์ในการสังเคราะห์สารนั้น

           ผลจากการเปรียบเทียบสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ ที่มีการเรืองแสง  ปรากฏว่าปรากฏการณ์การเรืองแสงนี้มีในสิ่งมีชีวิตทุกลำดับขั้นวิวัฒนาการ  ตั้งแต่จุลินทรีย์ต่างๆ ที่มีเซลล์เดียวขึ้นมาถึงพวกที่มีกระดูกสันหลัง และในทุกชนิดพบว่าเป็นปฏิกิริยาชีวเคมีแบบเดียวกัน คือเป็นปฏิกิริยาที่ต้องใช้ออกซิเจนไปทำปฏิกิริยากับสารในเซลล์ โดยความควบคุมของเอนไซม์และปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสง การวิวัฒนาการเกิดขบวนการเรืองแสงนี้จึงสันนิษฐานว่าเป็นขบวนการที่เกิดในระยะแรกเริ่มของโลก  โดยเฉพาะในยุคที่โลกนี้เริ่มมีการผลิตออกซิเจนโดยขบวนการสังเคราะห์แสงของพืชสีเขียว  และเป็นขบวนการที่เกิดระยะเดียวกับที่มีการเกิดการหายใจโดยใช้ออกซิเจน การผลิตแสงเป็นการปรับตัวของสิ่งมีชีวิตบางอย่างที่รอดตายจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติและอยู่มาได้จนถึงปัจจุบัน  เป็นการปรับตัวแบบหนึ่งที่ส่งเสริมการสืบพันธุ์  และการรอดตายจากศัตรู

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น