พันธุกรรม (Heredity)

สิ่งที่เป็นลักษณะต่างๆของสิ่งมีชีวิตที่ได้รับการถ่ายทอดมาจากสิ่งมีชีวิตรุ่นก่อนหน้าโดยสามารถถ่ายทอดส่งต่อจากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่งได้ หรือ พันธุกรรม(Heredity) คือ เป็นการถ่ายทอดลักษณะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิตจากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่ง(รุ่นลูกรุ่นหลาน)ได้ เช่น คนรุ่นพ่อแม่สามารถถ่ายทอดลักษณะต่างๆลงไปยังสู่รุ่นลูกรุ่นหลานของตนได้ โดยลักษณะที่ถูกถ่ายทอดแบ่งเป็นประเภทหลักๆได้ 2 ลักษณะ คือ ลักษณะเชิงคุณภาพ และ ลักษณะเชิงปริมาณ โดยได้มีการเริ่มต้นทำการศึกษาเรื่องของพันธุกรรม(Heredity)ในช่วงกลางของศตวรรษที่ 18 โดย เกรเกอร์ เมนเดล (Gregor Mendel) ซึ่งเป็นผู้ที่ได้ค้นพบและได้อธิบายหลักของการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม(Heredity)

พันธุกรรม(Heredity)อาจสามารถเรียกอีกอย่างหนึ่งได้ว่า กรรมพันธุ์พันธุกรรม(Heredity) เป็นสิ่งที่ทำให้คนเรามีลักษณะต่างๆที่แตกต่างกันไปมากมาย โดยมีหน่วยควบคุมที่คอยควบคุมลักษณะต่างๆเหล่านี้ ที่เรียกว่า ยีน(Gene) โดยยีน(Gene)นี้จะมีอยู่เป็นจำนวนมากภายในเซลล์แทบทุกเซลล์ ซึ่งยีน(Gene) แต่ละยีน(Gene)ก็จะมีหน้าที่คอยควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม(Heredity)ลักษณะหนึ่งๆไป โดยจะมีทั้งยีน(Gene)ที่ควบคุมลักษณะเด่น และยีน(Gene)ที่ควบคุมลักษณะด้อย แต่ส่วนหนึ่งที่ทำให้ลักษณะเราแตกต่างออกไปนอกเหนือพันธุกรรม(Heredity) คือสิ่งแวดล้อม หรือ สภาพแวดล้อม เช่น ความอ้วน อาจเกิดจากสภาพแวดล้อมมากกว่าพันธุกรรม(Heredity)

หน่วยพันธุกรรม

โครโมโซม

             หน่วยพื้นฐานที่สำคัญของสิ่งมีชีวิตคือ เซลล์ ภายในประกอบด้วยไซโทพลาสซึม และนิวเคลียสอยู่ตรงกลางเซลล์ ภายในนิวเคลียสจะมีโครโมโซม ซึ่งมีลักษณะ เป็นเส้นใยบาง ๆ พันกันอยู่

            การแบ่งเซลล์แบบไมโทซีส  เป็นการแบ่งนิวเคลียสของเซลล์ร่างกาย  โดยการแบ่งเซลล์เดิมออกเป็น 2 เซลล์ใหม่่โดยที่นิวเคลียสของทั้ง  2 เซลล์จะเท่ากับเซลล์เดิมด้วยเช่นกัน  มีแต่ละโครโมโซมจะมียีนที่กำหนดลักษณะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิตในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด จะมีจำนวนโครโมโซมแตกต่างกันออกไป 

โครโมโซมของร่างกายคนเรามีอยู่ 46 โครโมโซม  เมื่อนำมาจัดเป็นคู่ได้ 23 คู่  มีโครโมโซมอยู่  22 คู่  ที่เหมือนกันทั้งเพศหญิงและเพศชาย  เรียกโครโมโซมทั้ง  22  คู่นี้ว่า  โครโมโซมร่างกาย (autosome)  ส่วนคู่ที่  23  จะต่างกันในเพศหญิง และเพศชายคือ  ในเพศหญิงโครโมโซมคู่นี้จะเหมือนกัน  เรียกว่า  โครโมโซม  XX ส่วนในเพศชายโครโมโซมหนึ่งแท่งของคู่ที่  23  จะเหมือนโครโมโซม X  ในเพศหญิง  ส่วนอีกโครโมโซมมีลักษณะแตกต่างกันออกไป  เรียกว่า  โครโมโซม Y  ส่วนโครโมโซมคู่ที่  23  ในเพศชาย  เรียกว่า  โครโมโซม  XY  ดังนั้นโครโมโซมคู่ที่ 23  ทั้งในเพศหญิงและในเพศชาย  จึงเป็นคู่โครโมโซมที่กำหนดเพศใน มนุษย์จึงเรียกว่า  โครโมโซมเพศ (sex chromosome)

การแบ่งเซลล์ในสิ่งมีชีวิตมี 2 แบบ คือ

การแบ่งเซลล์แบบไมโทซีส
                  เป็นการแบ่งนิวเคลียสของเซลล์ร่างกาย  โดยการแบ่งเซลล์เดิมออกเป็น 2 เซลล์ใหม่  โดยที่นิวเคลียสของทั้ง  2 เซลล์จะเท่ากับเซลล์เดิมด้วยเช่นกัน  มีวิธีแบ่งเป็นระยะต่างๆ ดังภาพ

- ระยะอินเตอร์เฟส โครโมโซมมีลักษณะคล้ายเส้นใย เรียกว่า เส้นใยโครมาติน  (a)

- ระยะโปรเฟส  โครโมโซมหดสั้นเข้า  จึงมองเห็นเป็นเส้นโครโมโซมสั้นลง  และมีการสร้างเส้นใยสปินเดิล   (b – c)

- ระยะเมทาเฟส  โครโมโซมเรียงตัวกันกลางเซลล์ (d)

- ระยะแอนาเฟส  โครมาติดของแต่ละโครโมโซมถูกดึงแยกจากกัน  โดยเส้นใยสปินเดิล (e)

- ระยะเทโลเฟส  เกิดการแบ่งไซโทพลาสซึมโดยเยื่อหุ้มเซลล์คอดเข้าหากัน  จนกระทั่งเซลล์แยกออกจากกัน (f)

การแบ่งแบบไมโอซีส

             เป็นการแบ่งเซลล์เพื่อสร้างเซลล์สืบพันธุ์  กล่าวคือเป็นการแบ่งนิวเคลียสของเซลล์ไข่ (egg)  และเซลล์อสุจิ (sperm)  การแบ่งเซลล์ดังกล่าวนี้นิวเคลียสมีการเปลี่ยนแปลง  2 ขั้นตอน  คือ

ไมโอซีส I  เซลล์เดิมแบ่งออกเป็นเซลล์ใหม่  โดยนิวเคลียสของเซลล์ใหม่จะมีจำนวนโครโมโซมครึ่งหนึ่งของเซลล์เดิม

ไมโอซีส II  เป็นการแบ่งเซลล์เหมือนกับการแบ่งเซลล์แบบไมโทซีส  หลังจากมีการแบ่งเซลล์ในขั้นนี้แล้วจะได้เซลล์ใหม่ 4 เซลล์  และมีจำนวนเซลล์เพียงครึ่งหนึ่งของเซลล์เดิม  ซึ่งมีวิธีแบ่งเซลล์ดังภาพ

บิดาพันธุกรรม

             เกรเกอร์ โยฮันน์ เมนเดล เกิดวันที่ 22 กรกฎาคม ค.ศ.1822 เป็นบาทหลวงชาวออสเตรีย และในขณะเดียวกันเขาก็เป็นอาจารย์สอนหนังสือให้แก่นักเรียน สอนนักเรียน ถึงเรื่องพันธุ์กรรมด้วย เมนเดลมีความสนใจศึกษาด้านวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะ ด้านพันธุศาสตร์ เขาได้ใช้สถานที่ภายในบริเวณวัดเพื่อทำการทดลองสิ่งต่างๆ ที่เขาสนใจ เมนเดลเริ่มต้นทดลองเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ.1856 เรื่องที่เขาทำการทดลองคือ การรวบรวมต้นถั่วหลายๆพันธุ์นำมาผสมกันหลายๆวิธีเขาใช้เวลาทดลองต่อเนื่องถึง 7 ปี จนได้ข้อมูลมากเพียงพอ ในปี ค.ศ.1865 เมนเดล จึงได้ รายงานผลการทดลอง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการผสมพันธุ์ ต้นถั่ว ให้แก่ที่ประชุม Natural History Society ในกรุงบรุนน์ ( Brunn ) ผลงานของเขาได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ออกไปทั่วทวีปยุโรปและ อเมริกาในปีต่อมาคือปี ค.ศ.1866 ผลงานของเขาถูกปล่อยไว้นานถึง 34 ปี จนกระทั่งปี ค.ศ.1900 ได้มีนัก ชีววิทยา 3 ท่าน คือ ฮูโก เดอฟรีส์ ชาวฮอลันดา คาร์ล คอร์เรนส์ ชาวเยอรมันและ เอริช ฟอน แชร์มาค ชาวออสเตรเลีย ได้ทดลองผสมพันธุ์พืชชนิดอื่นๆ และได้ผลการทดลองตรงกับที่เมนเดลเคยรายงานไว้ ทำให้เมนเดลเป็นที่รู้จัก ในวงการพันธุศาสตร์นับแต่นั้นเป็นต้นมา

สิ่งมีชีวิตที่ควรเลือกมาศึกษา

1. ปลูกง่าย อายุสั้น ผลดก
2. มีการแปรผันมาก มีความแตกต่างของลักษณะที่ต้องศึกษาชัดเจนและสามารถหาพันธุ์แท้ได้ง่าย
3. มี RECOMBINATION คือการรวมกันของลักษณะของพ่อและแม่เมื่อมีการผสมพันธุ์
4. ความคุมการผสมพันธุ์ได้สามารถกำหนดให้มีลักษณะต่างๆเข้าผสมกันได้ตามต้องการ

การทดลองของเมนเดล

           เมนเดลประสบผลสำเร็จในการทดลอง จนตั้งเป็นกฎเกี่ยวกับการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากพ่อแม่มายังลูกหลานในช่วงต่อๆมาได้เนื่องจากสาเหตุสำคัญสองประการคือ

1. เมนเดล รู้จักเลือกชนิดของพืชมาทำการทดลอง พืชที่เมนเดลใช้ในการทดลองคือถั่วลันเตา (Pisum sativum) ซึ่งมีข้อดีในการศึกษาด้านพันธุศาสตร์หลายประการ เช่น 

  1.1 เป็นพืชที่ผสมตัวเอง (self- fertilized) ซึ่งสามารถสร้างพันธุ์แท้ได้ง่าย หรือจะทำการผสมข้ามพันธุ์ (cross-fertilized) เพื่อสร้างลูกผสมก็ทำได้ง่ายโดยวิธีผสมโดยใช้มือช่วย (hand pollination)
  1.2 เป็นพืชที่ปลูกง่าย ไม่ต้องทำนุบำรุงรักษามากนัก ใช้เวลาปลูกตั้งแต่ปลูก จนถึงเก็บเกี่ยวภายในหนึ่งฤดูปลูก (growing season) หรือประมาณ 3 เดือน เท่านั้น และยังให้เมล็ดในปริมาณที่มากด้วย
   1.3 เป็นพืชที่ มีลักษณะทางพันธุกรรม ที่แตกต่างกันชัดเจนหลายลักษณะ ซึ่งในการทดลองดังกล่าว เมนเดลได้นำมาใช้ 7 ลักษณะด้วยกัน

2. เมนเดลรู้จักวางแผนการทดลอง
   2.1 เลือกศึกษาการถ่ายทอดลักษณะของถั่วลันเตาแต่ละลักษณะก่อน เมื่อเข้าใจหลักการถ่ายทอดลักษณะนั้น ๆ แล้ว เขาจึงได้ศึกษาการถ่ายทอดสองลักษณะไปพร้อม ๆ กัน
   2.2 ในการผสมพันธุ์จะใช้พ่อแม่ พันธุ์แท้ (pure line) ในลักษณะที่ตรงกันข้ามกัน มาทำการผสมข้ามพันธุ์เพื่อสร้างลูกผสมโดยใช้มือช่วย (hand pollination )
   2.3 ลูกผสมจากข้อ 2.2 เรียกว่าลูกผสมช่วงที่ 1 หรือ F1( first filial generation) นำลูกผสมที่ได้มาปลูกดูลักษณะที่เกิดขึ้นว่าเป็นอย่างไร บันทึกลักษณะและจำนวนที่พบ
   2.4 ปล่อยให้ลูกผสมช่วงที่ 1 ผสมกันเอง ลูกที่ได้เรียกว่า ลูกผสมช่วงที่ 2 หรือ F2( second filial generation) นำลูกช่วงที่ 2 มาปลูกดูลักษณะต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นว่าเป็นอย่างไร บันทึกลักษณะและจำนวนที่พบ

ลักษณะต่าง ๆ ของถั่วลันเตาที่เมนเดล ใช้ในการศึกษาการถ่ายทอดลักษณะพันธุกรรม

1.ลักษณะของเมล็ด - เมล็ดกลม และ เมล็ดย่น (round & wrinkled)
2. สีของเปลือกหุ้มเมล็ด - สีเหลือง และ สีเขียว (yellow & green)
3. สีของดอก - สีม่วงและ สีขาว (purple & white)
4. ลักษณะของฝัก - ฝักอวบ และ ฝักแฟบ (full & constricted)
5. ลักษณะสีของฝัก - สีเขียว และ สีเหลือง (green & yellow )
6. ลักษณะตำแหน่งของดอก-ดอกติดอยู่ที่กิ่ง และเป็นกระจุกที่ปลายยอด (axial & terminal)
7. ลักษณะความสูงของต้น - ต้นสูง และ ต้นเตี้ย (long & short)

ข้อสรุปจากการวิเคราะห์ของเมนเดล

1. การถ่ายทอดลักษณะหนึ่งลักษณะใดของสิ่งมีชีวิตถูกควบคุมโดยปัจจัย (fector) เป็นคู่ๆ ต่อมาปัจจัยเหล่านั้นถูกเรียกว่า ยีน (gene)
2. ยีนที่ควบคุมลักษณะต่างๆจะอยู่กันเป็นคู่ๆ และสามารถถ่ายทอดไปยังรุ่นต่อไปได้
3. ลักษณะแต่ละลักษณะจะมียีนควบคุม 1 คู่ โดยมียีนหนึ่งมาจากพ่อและอีกยีนมาจากแม่
4. เมื่อมีการสร้างเซลล์สืบพันธุ์(gamete) ยีนที่อยู่เป็นคู่ๆจะแยกออกจากกันไปอยู่ในเซลล์สืบพันธุ์ของแต่ละเซลล์และยีนเหล่านั้นจะเข้าคู่กันได้ใหม่อีกในไซโกต
5. ลักษณะที่ไม่ปรากฏในรุ่น F1  ไม่ได้สูญหายไปไหนเพียงแต่ไม่สามารถแสดงออกมาได้
6. ลักษณะที่ปรากฏออกมาในรุ่น F1   มีเพียงลักษณะเดียวเรียกว่า ลักษณะเด่น ( dominant) ส่วนลักษณะที่ปรากฏในรุ่น F2  และมีโอกาสปรากฏในรุ่นต่อไปได้น้อยกว่า เรียกว่า ลักษณะด้อย (recessive)
7. ในรุ่น F2 จะได้ลักษณะเด่นและลักษณะด้อยปรากฏออกมาเป็นอัตราส่วน เด่น : ด้อย = 3 : 1

กระบวนการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม

กฎของเมนเดล

การค้นพบของเมนเดล

          เมื่อปี พ.ศ. 2408  เกรเกอร์  โยฮัน  เมนเดล  (Gregor  Johan  Mendel)  บาทหลวงชาวออสเตรีย  ซึ่งได้รับยกย่องว่าเป็นบิดาแห่งพันธุศาสตร์  ได้อธิบาย ลักษณะบางอย่างของสิ่งมีชีวิตที่ปรากฏในรุ่นลูก  อันเป็นผลมาจากการถ่ายทอด ลักษณะดังกล่าวจากพ่อแม่  ผ่านทางเซลล์สืบพันธุ์

เมนเดลทำการทดลองศึกษาการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม  โดยการผสมพันธุ์
ถั่วลันเตาที่มีประวัติว่าต้นสูงทุกรุ่นกับต้นเตี้ยเคระ  ผลปรากฏว่ารุ่นลูกหรือรุ่น  F1  (first filial generation)  จะเป็นต้นสูงทั้งหมดและเมื่อเมนเดลนำเอา เมล็ดที่เกิด จากการผสมพันธุ์ภายในดอกเดียวกันของรุ่น F1  ไปเพาะเมล็ด  ซึ่งเป็นรุ่นหลาน หรือรุ่น F2  (second filial generation)  เจริญเติบโตเป็นต้นสูงมากกว่า ต้นเตี้ยแคระในอัตราส่วน  3 : 1 เมนเดลได้อธิบายผลการทดลองที่เกิดขึ้นว่า  ลักษณะต้นสูงที่ปรากฏนทุกรุ่น เรียกว่า  ลักษณะเด่น (dominant)  ส่วนลักษณะต้นเตี้ยแคระที่มีโอกาสปรากฏในบางรุ่น  เรียกว่า ลักษณะด้อย (recessive)

กฏของเมนเดล กล่าวไว้ 2 ข้อ คือ

1. กฏแห่งการแยกตัว

          มีใจความว่า  “ ยีนแต่ละคู่ที่ควบคุมแต่ละลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต  จะแยกตัวจากกันเป็นอิสระไปสู่เซลล์สืบพันธุ์แต่ละเซลล์ ”

2.กฏแห่งการรวมกลุ่มกันอย่างอิสระ

           มีใจความว่า  “ ในการสร้างเซลล์สืบพันธุ์  จะมีการรวมกลุ่มของ หน่วยควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม (ยีนเดียวของทุกยีน) ซึ่งการรวม กลุ่มนี้เกิดขึ้นอย่างอิสระ ”