Biology for High School PDF

1 BIOBYNATSUMI Biology for high school  สารบัญ เรื่อง หน้า 1. การศึกษาชีววิทยา (The Science of biology) 9 ลักษณะของสิ่งมีชีวิต 9 การศึกษาทางชีววิทยา...

1 BIOBYNATSUMI Biology for high school  สารบัญ เรื่อง หน้า 1. การศึกษาชีววิทยา (The Science of biology) 9 ลักษณะของสิ่งมีชีวิต 9 การศึกษาทางชีววิทยา 12 กล้องจุลทรรศน์ 14 2. สารชีวโมเลกุลในสิ่งมีชีวิต (Biochemistry of life) 21 สารอนินทรีย์ (Inorganic substance) พันธะเคมี 21 น ้ำ 23 วิตามิน 23 สารอินทรีย์ (Organic substance) คาร์โบไฮเดรต 26 การทดสอบแป้ง 33 โปรตีน 33 เอนไซม์ 35 การทดสอบโปรตีน 38 กรดนิวคลีอิก 38 ลิพิด 41 3. ชีววิทยาของเซลล์ (Cell biology) 49 เซลล์ยูคาริโอด 49 ชั้นเคลือบเซลล์ 50 เยื่อหุ้มเซลล์ 50 นิวเคลียส 53 ออร์แกเนลล์ที่ไม่มีเยื่อหุ้ม 55 ออร์แกเนลล์ที่มีเยื่อหุ้ม 1 ชั้น 59 ออร์แกเนลล์ที่มีเยื่อหุ้ม 2 ชั้น 61 การขนส่งสารระหว่างเซลล์ 63 การแบ่งเซลล์ 65 การหายใจระดับเซลล์ 70 ไกลโคไลซิส 71 การสร้างแอซีติลโคเอนไซม์เอ 72 วัฏจักรเครบส์ 73 การถ่ายทอดอิเล็กตรอน 74 การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน 76 4. เนื้อเยื่อ (Tissue) 79 เนื้อเยื่อสัตว์ 79 เนื้อเยื่อบุผิว 79  สารบัญ เรื่อง หน้า 4. เนื้อเยื่อ (Tissue) ต่อ ต่อม 84 เนื้อเยื่อเกี่ยวพัน 87 เนื้อเยื่อกล้ามเนื้อ 91 เนื้อเยื่อพืช 92 เนื้อเยื่อเจริญ 92 เนื้อเยื่อถาวร 95 5. อนุกรมวิธาน (Taxonomy) 101 อาณาจักรสัตว์ 101 ไฟลัมฟอริเฟอรา 105 ไฟลัมไนดาเรีย 108 ไฟลัมแพลทิเฮลมินทิส 112 ไฟลัมนีมาโตดา 114 ไฟลัมแอนนีลิดา 115 ไฟลัมอาร์โทรโปดา 117 ไฟลัมมอลลัสกา 122 ไฟลัมเอคไคโนเดอร์มาตา 125 ไฟลัมคอร์ดาตา 127 อาณาจักรพืช 128 ดิวิชั่นไบรโอไฟตา 128 ดิวิชั่นไซโลไฟตา 131 ดิวิช่ันไลโคไฟตา 132 ดิวิช่ันสฟิโนไฟตา 133 ดิวิชั่นเทอโรไฟตา 133 ดิวิช่ันโคนิเฟอโรไฟตา 135 ดิวิช่ันไซแคโดไฟตา 136 ดิวิช่ันกิงโกไฟตา 136 ดิวิช่ันนีโทไฟตา 136 ดิวิช่ันแอนโทไฟตา 137 อาณาจักรมอเนอรา 137 อาณาจักรโพรทิสตา 145 อาณาจักรฟังไจ 152 6. ระบบย่อยอาหาร (Digestive system) 157 ระบบย่อยอาหารของสัตว์ 157 ระบบย่อยอาหารของอะมิบา 157 ระบบย่อยอาหารของพารามีเซียม 158  สารบัญ เรื่อง หน้า 6. ระบบย่อยอาหาร (Digestive system) ต่อ ระบบย่อยอาหารของไฮดรา 159 ระบบย่อยอาหารของพลานาเรีย 159 ระบบย่อยอาหารของไส้เดือน 160 ระบบย่อยอาหารของแมลง 161 ระบบย่อยอาหารของปลา 162 ระบบย่อยอาหารของกบ 164 ระบบย่อยอาหารของสัตว์ปีก 165 ระบบย่อยอาหารของสัตว์เคี้ยวเอื้อง 166 ระบบย่อยอาหารของมนุษย์ 168 ปาก 169 คอหอย 172 หลอดอาหาร 172 กระเพาะอาหาร 172 ล ำไส้เล็ก 176 ล ำไส้ใหญ่ 180 ทวารหนัก 183 ต่อมน ้ำลาย 183 ตับ 183 ถุงน ้ำดี 184 ตับอ่อน 185 01 THE SCIENCE OF BIOLOGY นักวิทยาศาสตร์ใช้หลักเกณฑ์ใดในการจ ำแนกสิ่งมีชีวิตออกจากสิ่งไม่มีชีวิต? แม้เราสามารถแยกได้ ว่าสิ่งใดคือสิ่งมีชีวิต สิ่งใดคือซากสิ่งมีชีวิต หรือสิ่งใดไม่มีชีวิต แต่มีสัตว์บาง ชนิดที่ไม่อาจแยกได้ด้วยลักษณะสัณฐาน ตัวอย่างเช่น ปะการัง ฟองน ้ำ และกัลปังหาเป็นต้น 1 Characteristics of organisms ลักษณะของสิ่งมีชีวิติ นักชีววิทยาจะใช้คุณสมบัติ 2 ประการ ในการจ ำแนกสิ่งมีชีวิตออกจากสิ่งไม่มีชีวิต คือ ลักษณะทาง โครงสร้างและส่วนประกอบ กับกระบวนการทางชีวภาพต่างๆ ซึ่งจากคุณสมบัติดังกล่าว ท ำให้สิ่งมีชีวิต มีลักษณะดังต่อไปนี้ (สมาน, 2544) 1.1 สิ่งมีชีวิตประกอบขึน้ มาจากเซลล์ ชวันน์และชไลเดนกล่าวว่า 'All living things consist of cell' สิ่งมีชีวิตทุกชนิดจะประกอบไปด้วย เซลล์ อันเป็นหน่วยพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต โดยสิ่งมีชีวิตบางชนิดอาจประกอบขึ้นจากเซลล์เพียง 1 เซลล์ เรียกว่าสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว (Unicellular organism) และอีกบางชนิดประกอบขึ้นมาจากเซลล์มากกว่า หนึ่ ง เซลล์ เรียกว่าสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (Multicellular cell) เซลล์เป็น หน่วยพื้น ฐานที่เล็ก ที่สุดของร่างกาย เพื่อประกอบขึ้นมาเป็นรากฐานของสิ่ง มีชีวิต ซึ่ งเซลล์ จะแบ่งออกตามลักษณะของโครงสร้างได้ 2 ประเภท ได้แก่ เซลล์โพรคาริโอด (Prokaryotic cell) เป็น เซลล์ที่ไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส (Nuclear membrane) และไม่มีออร์แกเนลล์ที่มีเยื่อหุ้ม กับเซลล์ยูคาริโอด (Eukaryotic cell) อันเป็นเซลล์ที่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส รูปที่ 1.1 แสดงลักษณะของเซลล์ยูคาริโอด (ขวา) กับเซลล์โพรคาริโอด (ซ้าย) 1.2 สิ่งมีชีวิตมีการจัดระบบ สิ่งมีชีวิตมีการจัดระบบภายในร่างกาย เรียกว่า Biologycal organization โดยเริ่มจากการรวมตัวกัน ของหน่วยย่อยที่เล็กที่สุดอย่างอะตอม (Atom) เป็นเซลล์ เป็นอวัยวะ เป็นระบบอวัยวะ และเป็นร่างกาย สิ่งมีชีวิต จนกระทั่งรวมกันเป็นสังคม และเป็นระบบนิเวศ (ศุภณัฐ, 2560) 10 อย่างที่กล่าวมาแล้วข้างต้นว่า อะตอม คือหน่วยย่อยที่เล็กที่สุดของร่างกายสิ่งมีชีวิต เมื่ออะตอมรวม ตัวกันหลายๆ อะตอม จะเกิดเป็นสารประกอบทางชีวโมเลกุล ได้แก่ น ้ำตาล แป้ง คาร์โบไฮเดรต โปรตีน และไขมัน ซึ่งสารประกอบทางชีวโมเลกุลจะรวมกันกลายเป็นออร์แกเนลล์ (Organelle) ออร์แกเนลล์หลายๆ ออร์แกเนลล์รวมกันจะพัฒนากลายเป็นเซลล์ (Cell) เมื่อเซลล์หลายๆ เซลล์รวม กันจะกลายเป็นเนื้อเยื่อ (Tissue) ส่วนเนื้อเยื่อหลายๆ เนื้อเยื่อรวมกัน จะกลายเป็นอวัยวะ (Organ) และ เมื่ออวัยวะหลายๆ อวัยวะรวมกันจะเกิดเป็นระบบอวัยวะ (Organ system) ก่อนจะรวมกันเป็นร่างกาย ของสิ่งมีชีวิต (Organism) ในท้ายที่สุด รูปที่ 1.2 แสดงการจัดระบบในร่างกายมนุษย์ 1.3 สิ่งมีชีวิตมีความต้องการพลังงาน ลักษณะส ำคัญของสิ่งมีชีวิต คือ ต้องการพลังงานเพื่อใช้ในกิจกรรมต่างๆ ในการด ำรงชีวิต ตัวอย่าง เช่น การหายใจ การไหลเวียนเลือด หรือการสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงาน (Metabolism) ล้วนเป็น กิจกรรมที่ต้องใช้พลังงานทั้งสิ้น แล้วพลังงานมาจากไหน? ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งก ำเนิดพลังงานหลักของโลกใบนี้ หลังจากนั้นพืชและสาหร่ายสีเขียวจะเปลี่ยน พลังงานแสงให้กลายเป็นพลังงานศักย์ แล้วสะสมไว้ในรูปของสารอินทรีย์ โดยผ่านกระบวนการที่เรียกว่า การสังเคราะห์แสง (Photosynthesis) สัตว์ได้รับอาหารและพลังงานจากการกินเป็นทอดๆ โดยเริ่มจากสัตว์กินพืช ไปสู่สัตว์กินสัตว์ และ สัตว์ที่กินทั้งพืช และสัตว์ จนไปจบที่ผู้ย่อยสลาย ซึ่งการกินเป็นทอดๆ จะท ำให้เกิดการถ่ายเทพลังงาน จากผู้ผลิต ไปยังผู้บริโภค โดยจะกล่าวต่อไปในเรื่องระบบนิเวศ  11 1.3 สิ่งมีชีวิตมีการสืบพันธุ ์ การสืบพันธุ์ (Reproduction) คือการเพิ่มจ ำนวนของสิ่งมีชีวิตจากจ ำนวนที่มีอยู่เดิม เพื่อด ำรงไว้ซึ่ง เผ่าพันธุ์ โดยการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่ง การสืบพันธุ์เป็นคุณสมบัติที่ส ำคัญมากที่สุดในการจ ำแนกสิ่งมีชีวิตออกจากสิ่งไม่มีชีวิต ซึ่งการสืบพันธุ์ จะแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ การสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศและการสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศ การสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศ (Sexual reproduction) เป็นการเพิ่มจ ำนวนของสิ่งมีชีวิตโดยอาศัยเซลล์ สืบพันธุ์ (เพศชาย; Sperm / เพศหญิง; Egg) ท ำให้ลูกที่ได้มีการแปรผันของลักษณะทางพันธุกรรม ส่ง ผลให้สิ่งมีชีวิตมีความหลากหลาย ส่วนการสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศ (Asexual reproduction) เป็นการ เพิ่มจ ำนวนของสิ่งมีชีวิตโดยไม่ใช้เซลล์สืบพันธุ์ ลูกที่ได้จึงมีลักษณะเหมือนพ่อแม่ทุกประการ 1.4 สิ่งมีชีวิตมีการเจริญเติบโตและมีอายุขัย เมื่อสิ่งมีชีวิตได้รับอาหาร ส่วนหนึ่งของอาหารจะถูกน ำไปใช้ในกระบวนการหายใจเพื่อสร้างพลังงาน (ATP) และอีกส่วนจะถูกเปลี่ยนให้เป็นโพรโทพลาสซึมอยู่ภายในเซลล์ ท ำให้สิ่งมีชีวิตมีมวลเพิ่มขึ้น จน เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดและรูปร่างของเซลล์ ซึ่งเรียกกระบวนการเหล่านี้ว่าการเจริญเติบโต (Growth and Development) (สมาน, 2544) การเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตจะเกี่ยวข้องกับการเพิ่มจ ำนวนของเซลล์ การเปลี่ยนแปลงรูปร่างเพื่อท ำ หน้าที่เฉพาะ (Cell differentiation) และการเกิดอวัยวะและรูปร่างของสิ่งมีชีวิต (Organogenesis and Morphogenesis) เมื่อสิ่งมีชีวิตเจริญเติบโตจนถึงระยะเวลาหนึ่งก็จะตายไป เรียกช่วงเวลาตั้งแต่เกิดจนตายนี้ว่าอายุขัย (Life expectancy) ซึ่งสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดจะมีอายุขัยต่างกัน เช่น สุนัขจะมีอายุโดยเฉลี่ยประมาณ 20 ปี แมว 27 ปี มนุษย์ 120 ปี หรือเต่ากาลาปากอส 152 ปี เป็นต้น ส่วนอายุขัยของพืชจะแบ่งออกเป็นพืชอายุสั้น (Ephemeral plant) ได้แก่ พืชปีเดียว (Annual plant) เช่น ข้าว อ้อย และสับปะรดเป็นต้น กับพืชอายุขัย 2 ปี (Biennial plant) ซึ่งพืชกลุ่มนี้จะมีล ำต้นใต้ดิน เมื่อใบและล ำต้นที่อยู่เหนือดินแห้งตาย ล ำต้นใต้ดินจะงอกขึ้นมาใหม่ จนผลิดอกออกผลในปีถัดไป เช่น ว่านสี่ทิศ หอม กระเทียม แครอท เป็นต้น อีกกลุ่มหนึ่งเป็นพืชอายุยาว (Perennial plant) โดยจะมีช่วงอายุมากกว่า 2 ปี อาจเป็นไม้พุ่มหรือไม้ ยืนต้น เช่น มะม่วง โพธิ์ หางนกยูง ประดู่ เต็ง แก้ว ข่อย จ ำปี เป็นต้น ซึ่งการนับอายุของไม้ต้นจะนับได้ จากจ ำนวนวงปี (Tree ring) แต่มีพืชหลายปีบางชนิดที่เมื่อผลิดอกออกผลแล้วก็จะตายไปในที่สุด เช่น ไผ่ ลาน เป็นต้น (ไพศาล และคณะ, 2555) 1.5 สิ่งมีชีวิตมีการรักษาดุลยภาพ สิ่งมีชีวิตจ ำเป็นต้องมีกลไกในการรักษาดุลยภาพ เพื่อให้ร่างกายอยู่ในสภาพที่สมดุล โดยการรักษา ดุลยภาพจะหมายรวมถึงการรักษาสมดุลน ้ำในร่างกาย ควบคุมอุณภูมิร่างกายให้คงที่ และรักษาสมดุล pH เป็นต้น 1.6 สิ่งมีชีวิตมีการตอบสนองต่อสิ่งเร้า สิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีการตอบสนองต่อสิ่งเร้า เพื่อปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่อยู่อาศัย โดยพืชจะ มีการตอบสนองต่อสิ่งอย่างช้าๆ แตกต่างจากสัตว์ เพราะพืชไม่มีระบบประสาท ยกเว้นไมยราบ เมื่อถูก สิ่งเร้ากระตุ้นก็จะหุบใบอย่างรวดเร็ว 12 1.7 สิ่งมีชีวิตมีวิวัฒนาการ เมื่อประมาณ 3,000 ล้านปีก่อน โลกอุบัติสิ่งมีชีวิตกลุ่มแรกเป็นพวกโพรคาริโอด (Prokaryote) ขึ้น หลังจากนั้นสิ่งมีชีวิตกลุ่มโพรคาริโอดก็วิวัฒนาการ (Evolution) มาเรื่อยๆ จนเกิดความเปลี่ยนแปลงทาง พันธุกรรม อันก่อให้เกิดสิ่งมีชีวิตชนิดใหม่อย่างหลากหลาย โดยปัจจุบันมีสิ่งมีชีวิตที่ผ่านการจ ำแนกแล้ว มากถึง 2 ล้านชนิด 2 การศึกษาทางชีววิทยาต้องอาศัยกระบวน Biology and การทางวิทยาศาสตร์ (Science process) เพื่อ Scincetific process แสวงหาองค์ความรู้ใหม่ๆ โดยมีขั้นตอนต่างๆ ที่เป็นระเบียบแบบแผนดังต่อไปนี้ 2.1 การสังเกต (Observation) คือลักษณะพื้นฐานล ำดับแรกของนักวิทยาศาสตร์ ที่จะน ำไปสู่ความอยากรู้อยากเห็น และความอยาก รู้อยากเห็นจะกลายเป็นปัญหาที่น ำไปสู่การแสวงหาค ำตอบ ซึ่งการสังเกตจ ำเป็นต้องใช้ประสาทสัมผัสทั้ง ห้า หรืออย่างใดอย่างหนึ่ง อันได้แก่ ตา หู จมูก ปาก และการสัมผัส แต่การสังเกตนั้นห้ามใส่ความคิดส่วนตัวลงไปไม่ว่าจะเห็น ได้ยิน หรือสัมผัสได้ โดยผู้สังเกตจะต้อง บันทึกข้อมูลตามความเป็นจริงที่สังเกตเห็นเท่านั้น 2.2 การก ำหนดปั ญหา (Statement of the problem) การสังเกตจะน ำไปสู่ข้อสงสัย และข้อสงสัยจะท ำให้เกิดปัญหา แต่การก ำหนดปัญหาที่ดีนั้นท ำได้ยาก ดังที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันเคยกล่าวว่า 'การก ำหนดปัญหานั้นสําคัญกว่าการแก้ปัญหา' เพราะการก ำหนดปัญหาที่ดีและมีความชัดเจน จะน ำไปสู่ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์อย่างแท้จริง การตั้งปัญหาจะต้องอิงข้อเท็จจริงที่รวบรวมได้จากการสังเกต หรือจากการค้นคว้าตามแหล่งข้อมูล ต่างๆ เท่านั้น ห้ามตั้งปัญหานอกเหนือจากข้อเท็จจริง หรือตั้งปัญหาโดยไม่ค ำนึงถึงข้อเท็จจริงโดยเด็ด ขาด 2.3 การตัง้ สมมติฐาน (Formulation of hypothesis) เป็นการคาดคะเนค ำตอบล่วงหน้า โดยอิงกับบัญหาที่ก ำหนดไว้ ซึ่งสมมติฐานมักจะขึ้นต้นด้วยค ำว่า 'ถ้า' และลงท้ายด้วยค ำว่า 'ดังนัน' สมมติฐานอาจมีเพียงหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่ง และค ำตอบอาจเป็นจริง หรือไม่ก็ได้ 2.4 การตรวจสอบสมมติฐาน (Test hypothesis) สามารถท ำได้ 2 วิธี คือ การค้นคว้าเพิ่มเติมจากผลงานวิจัยที่มีผู้เคยท ำการศึกษามาก่อน และการ ทดลอง โดยในทางวิทยาศาสตร์ ส่วนใหญ่จะนิยมใช้วิธีการทดลอง ซึ่งก่อนลงมือทดลองจะต้องมีการออก แบบการทดลองก่อน การออกแบบการทดลองเริ่มจากการก ำหนดตัวแปร (Variable) ได้แก่ 1. ตัวแปรต้นหรือตัวแปรอิสระ (Independent variable) คือ ปัจจัยที่ท ำให้เกิดผลการทดลอง 2. ตัวแปรตาม (Dependent variable) คือ ปัจจัยที่เกิดจากตัวแปรต้น เมื่อตัวแปรต้นเปลี่ยน ค่า ตัวแปรตามก็จะเปลี่ยนไปด้วย  13 3. ตัวแปรควบคุม (Controlled variable) คือ ปัจจัยอื่นๆ ที่นอกเหนือจากตัวแปรต้นและตัวแปร ตาม ซึ่งในการทดลองหนึ่งๆ เรามักจะแบ่งการทดลองออกเป็น 2 กลุ่ม ได้แก่ กลุ่มควบคุม (Control group) กับกลุ่มทดลอง (Experiment group) 1.5 การวิเคราะห์ข้อมูล (Data analysis) เป็นการน ำข้อมูลที่ได้มาวิเคราะห์และสรุปความสัมพันธ์ว่าสอดคล้องกับสมมติฐานที่ตั้งไว้หรือไม่ ซึ่ง การสรุปผลการทดลองจะท ำให้ได้กฏ (Law) และทฤษฎี (Theory) โดยกฏคือความจริงพื้นฐานที่เป็นจริง ในตัวของมันเอง ที่ไม่ว่าจะท ำการทดลองกี่ครั้ง ผลที่ได้จะเหมือนเดิมทุกครั้ง ส่วนทฤษฎีคือผลการทดลองที่สามารถอธิบายข้อเท็จจริงได้ และมีเหตุมีผลจนเป็นที่ยอมรับของคน ทั่วไป สามารถน ำไปใช้อ้างอิงในการทดลองอื่นๆ ที่คล้ายกัน หรือหากมีการทดลองใดการทดลองหนึ่งให้ ผลขัดแย้งกับทฤษฎีใด ทฤษฎีนั้นก็สามารถเปลี่ยนแปลงได้เสมอ 3 Microscope กล้องจุลทรรศน์ (Microscope) คืออุปกรณ์วิทยาศาสตร์ที่ส ำคัญในการศึกษาชีววิทยา โดยเป็นเครื่อง มือที่ช่วยในการมองเห็นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก เช่น เชลล์หรือจุลินทรีย์ต่างๆ ซึ่งกล้องจุลทรรศน์มีหลายชนิด และแบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่ๆ ได้แก่ กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (Light microscope) กับกล้อง จุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Electron microscope) 3.1 ประวัตคิ วามเป็ นมา กล้องจุลทรรศน์ (Microscope) มีรากศัพท์มาจากภาษากรีก คือไมครอน (Micron) ที่แปลว่าขนาด เล็ก และสโคปอส Scopos ที่แปลว่าเป้าหมายหรือมุมมอง ซึ่งแต่เดิมใช้เพียงแค่แว่นขยายในการส่องดู สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กเท่านั้น ในปี ค.ศ. 1609 (พ.ศ. 2152) กาลิเลโอ กาลิเลอิ นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี สามารถฝนเลนส์เพื่อ สร้างกล้องโทรทรรศน์ (Teloscope) ได้ส ำเร็จ โดยมีวัตถุประสงค์ในการส่องดูดวงดาวและดาวเคราะห์ ต่างๆ แต่เนื่องจากตัวเลนส์มีก ำลังขยายมากถึง 30 เท่า กาลิเลโอเลยใช้กล้องโทรทรรศน์ในการส่องดู ภาพขยายชิ้นส่วนของแมลง จึงกลายเป็นจุดเริ่มต้นในการศึกษาค้นคว้าเพื่อสร้างกล้องจุลทรรศน์ในเวลา ต่อมา ต่อมาปี ค.ศ.1665 (พ.ศ. 2208) โรเบร์ต ฮุค นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ เลนส์ประกอบตัวแรกได้ส ำเร็จ ซึ่งล ำกล้องมีความสวยงาม และสามารถป้องกันแสงรบกวนจากภายนอก ได้ โรเบิร์ต ฮุค ได้ท ำการศึกษาจุกไม้คอร์กที่ฝานบางๆ ด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่เขาสร้างขึ้น แล้วพบช่อง ว่างเล็กๆ มากมาย ซึ่งเขาเรียกช่องเหล่านั้นว่า Cellula และให้ความหมายว่า Empty room (ห้องว่าง) โดยเซลล์ตามความเข้าใจของโรเบิร์ตเป็นเซลล์ที่ไม่มีชีวิต เพราะมีเพียงผนังเซลล์แต่ไม่มีโพรโตพลาสซึม 14 ต่อมาประมาณปี ค.ศ.1672 (พ.ศ. 2215) แอนโทนี แวน ลิวเวนฮุค นักวิทยาศาสตร์ชาวฮอลันดา ได้ ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ชนิดเลนส์เดียวจากแว่นขยายที่ฝนเองได้ส ำเร็จ ซึ่งมีก ำลังขยายมากถึง 300 เท่า ลิวเวนฮุคเกิดเมื่อวันที่ 24 ตุลาคม ค.ศ.1632 ในครอบครัวของชนชั้นกลาง ซึ่งบิดาของเขาเสียชีวิต ตั้งแต่เขายังเด็ก ท ำให้ครอบครัวต้องเผชิญกับความยากล ำบาก ลิวเวนฮุคจึงไม่มีโอกาสได้ศึกษาต่อใน ระดับสูงเช่นนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ แม้ลิวเวนฮุกจะเรียนมาน้อย แต่เขากลับเป็นคนที่ช่างสังเกต วันหนึ่งขณะที่เขาใช้แว่นขยายส่องผ้า เขาบังเอิญท ำตกจนเลนส์แตก เขาเลยพยายามฝนเลนส์ขึ้นใหม่ จนกลายเป็นจุดเริ่มต้นของการประดิษฐ์ กล้องจุลทรรศน์ที่มีประสิทธิภาพสูงในเวลาต่อมา แอนโทนี แวน ลิวเวนฮุค พยายามฝนเลนส์ให้มีขนาดเท่าหัวไม้ขีดไฟ และในที่สุดเขา ก็สามารถฝน เลนส์ที่มีขนาดเพียง 1/8 นิ้ว ได้ส ำเร็จ ก่อนจะน ำไปสร้างเป็นกล้องจุลทรรศน์ โดยใช้เลนส์นูน 2 เลนส์ ประกบติดกับโลหะ 2 ชิ้น ด้านบนเป็นช่องมองและมีด้ามส ำหรับจับ อีกทั้งตัวกล้องมีสกรูที่สามารถปรับ ความคมชัดของภาพได้ ท ำให้กล้องจุลทรรศน์ของแอนโทนี แวน ลิวเวนฮุค มีก ำลังขยายมากถึง 300 เท่า! ลิวเวนฮุคใช้กล้องของเขาส่องดูสิ่งมีชีวิตจากแหล่งน ้ำต่างๆ ซึ่งผลปรากฏว่ามีสัตว์ตัวเล็กๆ จ ำนวน มากที่ไม่อาจมองเห็นด้วยตาเปล่า และเขาเรียกสัตว์เหล่านั้นว่า "Wretahed beasties" Dr.Regnier de Graaf ได้แนะน ำให้ลิวเวนฮุคส่งจดหมายรายงานผลการทดลองไปยังราชสมาคมแห่ง กรุงลอนดอน (Royal society of London) แม้จดหมายฉบับแรกของเขาจะไม่ได้รับความเชื่อถือ แต่เขา ก็ขยันเขียนส่งไปอย่างสม ่ำเสมอ โดยในปี ค.ศ.1674 เขาได้เขียนเกี่ยวกับเส้นเลือดฝอยในร่างกายมนุษย์ และได้เขียนอธิบายลักษณะการเชื่อมต่อกันระหว่างเส้นเลือดฝอยกับเส้นเลือดใหญ่ ซึ่งเป็นการสนับสนุน ทฤษฎีการไหลเวียนเลือดของ Dr.William Harver นายแพทย์ชาวอังกฤษ ที่ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ จน ทางราชสมาคมเริ่มให้ความสนใจในผลงานของเขา  15 ด้วยความพยายามของเขา สุดท้ายแอนโทนี แวน ลิวเวนฮุค ได้ค้นพบสัตว์เซลล์เดียวอย่างไฮดรา (Hydra) และวอลวอกซ์ (Volvox) อันเป็นการหักล้างทฤษฏี 'สิ่งมีชีวิตเกิดจากสิ่งไม่มีชีวิต' จนทางราช สมาคมแห่งกรุงลอนดอนติดต่อขอยืมกล้องจุลทรรศน์ของเขา แต่ด้วยปัญหาในเรื่องการขนส่ง ทางราช สมาคมจึงขอให้โรเบิร์ต ฮุค ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ของลิวเวนฮุคที่ผ่านการปรับปรุงแก้ไขจนมีประสิทธิ ภาพสูงสุด เพื่อศึกษาสิ่งต่างๆ ตามที่เขาเขียนเล่าไว้ในจดหมาย ซึ่งปรากฏว่าเป็นความจริงทุกประการ ลิวเวนฮุค ถูกยอมรับให้เป็นสมาชิกของราชสมาคมแห่งกรุงลอนดอน ในปี ค.ศ.1680 และสิบเจ็ดปี ต่อมา เขาได้รับการยกย่องจากสมาคมนักวิทยาศาสตร์แห่งฝรั่งเศษ (France academy of science) ใน ฐานะผู้ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์และผู้ค้นพบจุลินทรีย์คนแรกของโลก 3.2 องค์ประกอบของกล้องจุลทรรศน์ กล้องจุลทรรศน์ (Microscope) สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ ได้แก่ กล้องจุลทรรศน์แบบ ใช้แสง (Light microscopes) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Electron microscopes) 1. กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (Light microscopes) คือกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้แสงจากแหล่งก ำเนิดแสงต่างๆ เช่น แสงอาทิตย์หรือหลอดไฟ ให้ส่องผ่าน วัตถุที่ต้องการศึกษา ซึ่งจะแบ่งออกเป็น 2 ชนิด ได้แก่ กล้องจุลทรรศน์เลนส์เดี่ยวหรือแว่นขยาย (Simple microscope or Magnifying glass) กับกล้องจุลทรรศน์เชิงซ้อน (Compound microscope) โดยกล้อง จุลทรรศน์เลนส์เดี่ยวจะประกอบไปด้วยเลนส์นูนเพียงอย่างเดียว ท ำให้ภาพที่ได้เป็นภาพเสมือนหัวกลับ ส่วนกล้องจุลทรรศน์เชิงซ้อนจะมีองค์ประกอบและรายละเอียดต่างๆ ดังต่อไปนี้ 6 7 8 5 2 3 4 1 16 กล้องจุลทรรศน์เชิงซ้อน (Compound microscope) เป็นกล้องจุลทรรศน์ที่ประกอบไปด้วยระบบเลนส์ 2 ชุด ได้แก่ เลนส์ใกล้วัตถุ (Objective lens) และ เลนส์ใกล้ตา (Eyepiece lens) เพื่อท ำงานร่วมกันในการขยายวัตถุให้ดูใหญ่ขึ้น ซึ่งกล้องจุลทรรศน์แบบ นี้มีหลายชนิด แต่ชนิดที่นิยมใช้ในห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์คือชนิด Bright field microscope อัน เป็นชนิดที่เมื่อส่องดูวัตถุตัวอย่างแล้วจะพบว่าพื้นที่รอบๆ วัตถุจะสว่าง ส่วนวัตถุที่น ำมาส่องดูจะมืดทึบ กว่า ซึ่งกล้องชนิดนี้จะประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังนี้ 1. แหล่งก ำเนิดแสง (Light source) โดยทั่วไปจะเป็นหลอดไฟ 2. เลนส์รวมแสง (Condenser) มีหน้าที่รวมแสงจากแหล่งก ำเนิดแสงให้ส่องผ่านวัตถุท่ีต้องการศึกษา 3. แท่นวางวัตถุ (Stage) 4. ที่หนีบสไลด์ (Stage clips) มี 2 ข้าง อยู่ระหว่างเลนส์รวมแสง 5. เลนส์ใกล้วัตถุ (Objective lens) จะท ำหน้าที่รับแสงที่ส่องผ่านวัตถุ แล้วขยายภาพให้ใหญ่ข้ึน ตามก ำลังขยายของเลนส์ ซึ่งมีก ำลังขยาย 3-4 ระดับ ได้แก่ 4X, 10X, 40X, 100X และภาพที่ได้จะเป็น ภาพจริงหัวกลับ 6. เลนส์ใกล้ตา (Eyepiece lens) เป็นเลนส์ที่อยู่ส่วนบนสุดของกล้อง มีหน้าที่รับและขยายภาพจาก เลนส์ใกล้วัตถุ ซึ่งมีก ำลังขยาย 4X, 10X และ 15X ส่วนภาพที่ได้นั้นจะเป็นภาพเสมือนหัวกลับ โดยก ำลังขยายของกล้องจุลทรรศน์ สามารถหาได้จากสูตร กําลังขยายของภาพ = กําลังขยายของเลนส์ตา x กําลังขยายของเลนส์วัตถุ = ระยะภาพ/ระยะวัตถุ = ขนาดภาพ/ขนาดวัตถุ 7. ปุ่มปรับภาพหยาบ (Coarse adjustment) จะปรับภาพโดยการเลื่อนแท่นวางวัตถุขึ้นลง เพื่อให้ได้ ภาพชัดเจน 8. ปุ่มปรับภาพละเอียด (Fine adjustment) มีหน้าที่เช่นเดียวกับปุ่มปรับภาพหยาบ แต่ช่วงการ เลื่อนจะสั้นกว่า ท ำให้ได้ภาพที่ชัดเจนมากยิ่งขึ้น ซ้าย คือ ภาพจริง ขวา คือ ภาพที่เห็นจากกล้องจุลทรรศน์ วิธีการใช้กล้องจุลทรรศน์ 1. เปิดสวิตช์ไฟที่บริเวณฐานกล้อง แล้วปรับความเข้มแสงให้อยู่ในระดับปานกลาง 2. วางตัวอย่างที่ต้องการศึกษาลงบนแท่นวางสไลด์ แล้วหนีบด้วยที่หนีบสไลด์ จากนั้นก็ปรับต ำแหน่ง ให้ตัวอย่างอยู่ตรงกลางรูรับแสง เพื่อให้แสงจากเลนส์รวมแสงสามารถส่องผ่านตัวอย่างไปยังเลนส์ใกล้ วัตถุได้ 3. เริ่มจากการใช้เลนส์ใกล้วัตถุที่มีก ำลังขยายต ่ำสุดก่อน 4. หมุนปุ่มปรับภาพหยาบให้สุด จนแท่นวางสไลด์ขึ้นไปอยู่ที่ต ำแหน่งสูงสุด แล้วค่อยๆ หมุนปุ่มปรับ ภาพหยาบลง ให้แท่นวางสไลด์เลื่อนลงช้าๆ จนกระทั่งเห็นภาพที่ชัดเจน 5. เมื่อได้ระยะภาพที่ชัดเจนแล้ว ให้หมุนปุ่มปรับภาพละเอียดเล็กน้อย เพื่อให้ได้ภาพที่ชัดเจนที่สุด ซึ่งจะเรียกระยะนี้ว่าระยะโฟกัส  17 6. หากต้องการศึกษาตัวอย่างที่ความละเอียดสูงขึ้น ให้ปรับก ำลังขยายเลนส์ใกล้วัตถุ จากก ำลังขยาย ต ่ำสุดไป 10X, 40X และ 100X ตามล ำดับ โดยที่ก ำลังขยาย 100X ให้หยดน ้ำมัน (Immersion oil) ลง บนสไลด์ เพื่อป้องกันการหักเหของแสง 2. กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Electron microscope) เป็นกล้องจุลทรรศน์ที่มีก ำลังการขยายสูงมาก เนื่องจากใช้ล ำแสงอิเล็กตรอนแทนแสงปกติ และ ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแทนเลนส์แก้ว ท ำให้มีความสามารถในการแจกแจงรายละเอียดได้มากกว่ากล้อง จุลทรรศน์แบบใช้แสงธรรมดาประมาณ 1,000 เท่า ซึ่งกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจะแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องผ่าน (Transmission electron microscope : TEM) และกล้อง จุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องกราด (Scanning electron microscope : SEM) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องผ่าน (TEM) คือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ใช้ศึกษาตัวอย่างชนิดแบนและบาง โดยจะบางประมาณ 1-100 นาโนเมตร ซึ่งเตรียมขึ้นด้วยวิธีพิเศษเพื่อให้ล ำอนุภาคอิเล็กตรอนสามารถทะลุผ่านได้ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องผ่าน เหมาะส ำหรับศึกษารายละเอียดขององค์ประกอบภาย ในของตัวอย่าง เช่น องค์ประกอบภายในเซลล์ ลักษณะของเยื่อหุ้มเซลล์ หรือผนังเซลล์ เป็นต้น ซึ่งจะให้ รายละเอียดสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์ชนิดอื่นๆ เพราะมีก ำลังขยายสูงสุดประมาณ 0.1 นาโนเมตร รูปที่ 1.3 แสดงลักษณะของภาพที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์แบบ TEM กล้องจุลทรรศน์ TEM จะมีกลไกการสร้างภาพ โดยการปล่อยกลุ่มอิเล็กตรอนจากแหล่งก ำเนิด อิเล็กตรอนให้ผ่านกระแสไฟฟ้าแรงสูง จากนั้นกลุ่มอิเล็กตรอนจะผ่านเลนส์รวมแสง (Condenser lens) จนกลุ่มอิเล็กตรอนกลายเป็นล ำแสงอิเล็กตรอน ซึ่งล ำแสงอิเล็กตรอนจะวิ่งเข้าไปในขดลวด (Tungsten filament) ท ำให้มีอิเล็กตรอนวิ่งออกมาจากส่วนปลายของ Filament ก่อนจะวิ่งตรงไปยังวัตถุ เพื่อผ่าน วัตถุไปยังเลนส์ใกล้วัตถุ (Objective lens) 18 โดยอิเล็กตรอนจะไปกระตุ้นโมเลกุลของซิงค์ซัลไฟด์ ที่ฉาบอยู่บนฉากรับภาพ (Fluorescence screen) ท ำให้ได้ภาพ 2 มิติ โดยวัตถุที่มีค่าเลขอะตอมมาก ภาพที่ได้จะเห็นเป็นสีด ำ ส่วนวัตถุที่มีค่าเลข อะตอมน้อย ภาพที่เห็นจะเป็นสีขาว กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องกราด (SEM) เป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีก ำลังขยายไม่สูงเท่ากล้องจุลทรรศน์ TEM โดยมีก ำลังขยาย สูงสุดประมาณ 10 นาโนเมตร นิยมใช้เพื่อศึกษาผิวของเซลล์หรือผิวของวัตถุที่น ำมาศึกษา โดยล ำแสง อิเล็กตรอนจะส่องกราดไปบนผิวของวัตถุ จนท ำให้เกิดอิเล็กตรอนทุติยภูมิ (Secondary electron) และ เห็นเป็นภาพ 3 มิติ รูปที่ 1.4 แสดงลักษณะของภาพที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์แบบ SEM เอกสารอ้างอิง จิตเกษม หล ำสะอาด และประสงค์ หล ำสะอาด. (2549). คัมภีร์ชีววิทยาฉบับสมบูรณ์. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพ: ส ำนักพิมพ์ พ.ศ. พัฒนา จ ำกัด จิรารัช กิตนะ. (2551). ส่วนประกอบและวิธีการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง. กรุงเทพ: คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ไพศาล สิทธิกรกุล, จงกล แก่นเพิ่ม, และคณะ. (2555). ชีววิทยา เล่ม 1. พิมพ์ครั้งที่ 3. กรุงเทพ: องค์การ ค้าของ สกสค. ศุภณัฐ ไพโรหกุล. (2560). BIOLOGY. พิมพ์ครั้งที่ 6. กรุงเทพ: บริษัท แอคทีฟ พริ้นท์ จ ำกัด สมาน แก้วไวยุทธ. (2544). ชีววิทยา ม.4-5-6. กรุงเทพ: บริษัท ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง จ ำกัด อุษณีย์ ยศยิ่งยวด, กิ่งแก้ว วัฒนเสริมกิจ, และคณะ. (2551). สัตววิทยา 1. พิมพ์ครั้งที่ 5. กรุงเทพ: บริษัท สุทธาการพิมพ์จ ำกัด 02 CHEMISTRY OF LIFE ค ำว่า 'ชีวเคมี' ถูกบัญญัติขึ้นโดยนักเคมีชาวเยอรมันที่ชื่อว่า 'Carl Neubeerg' อันหมายถึงศาสตร์ที่ เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบทางเคมีของสิ่งมีชีวิต ได้แก่ ธาตุและโมเลกุลของสารชนิดต่างๆ ซึ่งในธรรมชาติ พบได้สองประเภท คือ สารอนินทรีย์ (Inorganic subtance) และสารอินทรีย์ (Organic substance) ธาตุที่มีความส ำคัญในการจัดล ำดับโครงสร้างของสิ่งมีชีวิตมี 25 ชนิด และในจ ำนวนนั้นมีประมาณ 95% เป็นธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน ส่วนที่เหลือจะเป็นไอโอดีน ฟลูออรีน สังกะสี แมงกานีส ตลอดจนแมกนีเซียม ก ำมะถัน และฟอสฟอรัสเป็นต้น (อุษณีย์, 2551) 1 Inorganic substance 1.1 พันธะเคมี (Chemical bond) เมื่ออะตอมของธาตุต่างๆ มาเชื่อมต่อกันเป็นสารประกอบ จะมีพันธะเคมีเกิดขึ้นเพื่อตรึงอะตอมทั้ง หมดไว้ด้วยกัน ซึ่งพันธะเคมีจะมีความส ำคัญในการก ำหนดคุณสมบัติของสารประกอบนั้นๆ พันธะเคมีสามารถจ ำแนกออกได้เป็น 5 ประเภท คือ พันธะโคเวเลนต์ พันธะไอออนิก พันธะไฮโดรเจน แรงวันเดอร์วาลส์ และปฏิสัมพันธ์ไฮโดรโฟบิก 1. พันธะโคเวเลนต์ (Covalent bond) เป็นพันธะที่เกิดจากอะตอมของอโลหะ 2 อะตอม ใช้ อิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของอะตอมร่วมกัน และเมื่ออิเล็กตรอนในชั้นถูกเติมเต็ม สารประกอบนั้นๆ จะอยู่ ในสภาพที่เสถียรที่สุด เช่น อะตอมของคาร์บอนที่มีอิเล็กตรอนชั้นนอกสุด 4 ตัว และเพื่อให้อิเล็กตรอนใน ชั้นครบ 8 ตามกฏออกเตต คาร์บอนจึงต้องสร้างพันธะโคเวเลนต์กับไฮโดรเจนเพิ่มอีกสี่อะตอม แล้วได้ สารประกอบที่ชื่อว่ามีเทน (CH4) พันธะเดีย่ ว (Single bond) เป็นพันธะโคเวเลนต์ที่อะตอมในโมเลกุลใช้ e- ร่วมกันเพียงแค่ 1 คู่ พบได้ในอะตอมของคาร์บอน 2 อะตอม หรือคาร์บอนกับไฮโดรเจน และ อื่นๆ พันธะคู่ (Double bond) หมายถึงพันธะโคเวเลนต์ที่อะตอมในโมเลกุลใช้ e- ร่วมกัน 2 คู่ พบ รูปที่ 2.1 ได้ในอะตอมของคาร์บอนกับออกซีเจน (C=O) หรืออะตอมของคาร์บอน แสดงลักษณะพันธะโคเวเลนต์ 2 อะตอม เช่น C2H4 22 พันธะสาม (Triple bond) จัดเป็นพันธะโคเวเลนต์ที่อะตอมในโมเลกุลใช้ e- ร่วมกันสามคู่ ซึ่ง พบได้ในอะตอมของคาร์บอนกับคาร์บอน (C =C) หรือในอะตอมของ คาร์บอนกับไนโตรเจน หรือในอะตอมของไนโตรเจนกับไนโตรเจน เช่น C2H2, N2 และอื่นๆ การใช้อิเล็กตรอนร่วมกันจะท ำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมขึ้น โดยอะตอมของธาตุแต่ละ ชนิดจะมีความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนแตกต่างกัน แต่อะตอมของคาร์บอนกับไฮโดรเจนกลับมี ความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนเท่ากัน ท ำให้สารประกอบที่เกิดจากธาตุทั้งสองเป็นสารประกอบที่ไม่ มีขั้ว (Nonpolar) แต่ถ้าหากคาร์บอนสร้างพันธะโคเวเลนต์กับธาตุอื่นๆ ที่มีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนสูง กว่า จะท ำให้ธาตุนั้นมีความเป็นขั้วลบ และเกิดการเหนี่ยวน ำให้คาร์บอนมีขั้วบอกอ่อนๆ ขึ้นมา โมเลกุล ที่ได้จึงมีสมบัติเป็นขั้วคู่ (Dipole) 2. พันธะไอออนิก (Ionic bond) เป็นพันธะที่เกิดจากแรงดึงดูดระหว่างไอออนบวกของธาตุที่ให้ อิเล็กตรอนกับไอออนลบของธาตุที่รับอิเล็กตรอน แล้วได้ผลิตภัณฑ์ที่เรียกว่าสารประกอบไอออนิก (Ionic compound) และพลังงานแลตติช โดยพันธะไอออนิกจะเกิดได้ดีในธาตุที่มีค่าไอออไนเซชั่นต ่ำกับธาตุที่ มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวีตีสูง ซึ่งในสารชีวโมเลกุล หมู่ฟังก์ชั่นที่สร้างพันธะไอออนิกได้ ได้แก่ หมู่คาร์บอกซิล หมู่ฟอสเฟต และหมู่อะมิโน รูปที่ 2.2 แสดงลักษณะการเกิดพันธะไอออนิก  23 3. พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond) เป็นพันธะที่เกิดจากอะตอมของ H ในโมเลกุลที่มีขั้วสูง ดูดอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวจากอะตอมของโมเลกุลที่อยู่ข้างเคียง ท ำให้มีการยึดเหนี่ยวกันแบบไฟฟ้าสถิต โดยทั่วไปพันธะไฮโดรเจนจะมีพลังงานอยู่ระหว่าง 1 ถึง 5 กิโลแคลอรีต่อโมล และมีความยาวแตกต่าง กัน ขึ้นอยู่กับชนิดของอะตอมที่เกี่ยวข้อง 4. แรงวันเดอร์วาลส์ (Van der waals force) หมายถึงแรงดึงดูดที่อ่อนและไม่จ ำเพาะ ซึ่งแบ่ง ออกได้เป็น 3 ชนิด คือ แรงไดโพล-ไดโพล (Dipole-dipole force) เป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลที่มี ขั้วกับโมเลกุลที่มีขั้ว โดยที่แรงชนิดนี้จะมีความแรงที่ขึ้นอยู่กับต ำแหน่งและการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอน ในโมเลกุลนั้นๆ แรงกระตุ้นให้เกิดขั้วคู่ (Dipole-induced dipole force) เป็นแรงที่เกิดจากโมเลกุลที่มีขั้ว เหนี่ยว น ำให้โมเลกุลที่ไม่มีขั้วมีขั้วตามไปด้วย และแรงแผ่กระจาย (London force) ที่เป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่าง โมเลกุลที่ไม่มีขั้วกับโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว ซึ่งความแรงของแรงแผ่กระจายจะขึ้นอยู่กับรูปร่างและมวลของโมเลกุลนั้นๆ 5. ปฏิสัมพันธ์ไฮโดรโฟบิก (Hydrophobic interaction) เมื่อน ำน ้ำกับน ้ำมันมาผสมกัน จะเกิดการ แยกของน ้ำออกจากโมเลกุลของน ้ำมันอย่างรวดเร็ว เพราะน ้ำมันเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่ไม่มี ขั้ว ซึ่งจะมีปฏิสัมพันธ์กับน ้ำด้วยแรงวันเดอร์วาลส์เท่านั้น แต่น ้ำเป็นสารที่สามารถมีขั้ว ซึ่งมีแนวโน้มที่จะสร้างปฏิสัมพันธ์กันเองด้วยพันธะไฮโดรเจนอันมี ค่าพลังงานสูงกว่าแรงวันเดอร์วาลส์ จึงท ำให้เกิดแรงผลักโมเลกุลของน ้ำมันออกจากโมเลกุลของน ้ำ และ เรียกแรงผลักนี้ว่าปฏิสัมพันธ์ไฮโดรโฟบิก 1.2 น ้ำ (H2O) เป็นโมเลกุลที่มีขั้ว ซึ่งสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนได้ดี และน ้ำท ำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ไฮโดรโฟบิกได้ น ้ำจึงเป็นองค์ประกอบที่ส ำคัญของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด น ้ำมีสูตรโมเลกุลทั่วไป คือ H2O โดยมีอะตอมของไฮโดรเจน 2 อะตอมต่อกับอะตอมของออกซิเจน ที่มุม 104.5 องศา ซึ่งออกซิเจนมีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนได้ดีกว่าไฮโดรเจน ออกซิเจนจึงมี ประจุเป็นลบ และเหนี่ยวน ำให้ไฮโดรเจนมีประจุบวกอ่อนๆ น ้ำจึงเป็นโมเลกุลที่มีขั้ว เมื่อน ้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้ว น ้ำจึงสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลข้างเคียงได้ ส่งผลให้โมเลกุล ของน ้ำมีเสถียรภาพมากและมีจุดเดือดสูง เมื่อเทียบกับมีเทน (CH4) ที่มีมวลโมเลกุลใกล้เคียงกัน ดังนั้นที่ อุณหภูมิห้องน ้ำจึงสถานะเป็นของเหลว เพราะน ้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้ว น ้ำจึงเป็นตัวท ำละลายที่ดีมาก อีกทั้งน ้ำยังสามารถลดแรงไอออนระหว่าง ประจุได้ น ้ำเลยท ำให้สารชีวโมเลกุลที่มีประจุตรงข้ามกันอยู่ด้วยกันได้อย่างเป็นอิสระ และน ้ำมีสมบัติที่ ท ำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ไฮโดรโฟบิก น ้ำจึงมีบทบาทส ำคัญในการก ำหนดรูปร่างของเยื่อหุ้มเซลล์ หรือเยื่อหุ้ม นิวเคลียส และออร์แกนอื่นๆ อีกมากมาย 1.3 วิตามิน (Vitamin) วิตามินเป็นสารที่ร่างกายต้องการเพียงเล็กน้อยหรือประมาณ 6% ของน ้ำหนักตัว แต่วิตามินกลับเป็น สารที่ส ำคัญและจ ำเป็นต่อการด ำรงชีวิต โดยจะแบ่งออกเป็นวิตามินที่ละลายในน ้ำ กับวิตามินที่ละลาย ในไขมัน ซึ่งวิตามินที่ละลายในไขมันเป็นวิตามินที่มีการสะสมในร่างกาย ถ้าได้รับมากเกินไปจะถูกน ำไปเก็บ ไว้ที่ตับ ได้แก่ A, D, E และ K 24 วิตามิน หน้าทีแ่ ละแหล่งทีพ ่ บ วิตามิน A (Retinol) เป็นวิตามินที่พบมากในพืชผักใบเขียว ซึ่ง จะมีบทบาทต่อการสร้างโปรตีนในเด็ก และช่วยรักษาเนื้อเยื่อบุผิว เช่น เยื่อบุลูกตา ถ้าขาดจะท ำให้เกิดโรคสายตาฝ้าฟางในตอนกลางคืน วิตามิน D (Calciferol) เป็นวิตามินที่พบได้มากในไข่แดงกับน ้ำ มันตับปลา ซึ่งมีบทบาทในการรักษาระดับแคลเซียมและฟอสฟอรัส หากขาดจะท ำให้ชักเนื่องจากแคลเซียมต ่ำ วิตามิน E (α-Tocopherol) เป็นวิตามินที่พบได้ในน ้ำมันพืชและ ผักสีเขียว โดยมีบทบาทในกระบวนการสร้างพลังงานและการสลาย โมเลกุลของกรดไขมัน ถ้าขาดจะท ำให้เป็นโรคโลหิตจางชนิดเม็ดเลือดแดงใหญ่ผิดไป จากปกติ (Macrocytic anemia) กล้ามเนื้อลีบ และเป็นหมัน วิตามิน K (α-phylloquinone) เป็นวิตามินที่พบได้ในตับวัว เนื้อ วัว กะหล ่ำปลี มะเขือเทศ และผักโขม โดยวิตามิน K จะมีบทบาท ส ำคัญในกระบวนการสร้างโพรทรอมบิน ซึ่งเป็นสารที่จ ำเป็นในการ แข็งตัวของเลือด หากขาดจะท ำให้เลือดแข็งตัวช้า และเลือดไหลไม่หยุด ส่วนวิตามินที่ละลายในน ้ำมีทั้งหมด 11 ชนิด ได้แก่ วิตามิน B1, B2, B3, B5, B6, B9, และ B12 ซึ่ง ในกลุ่มเหล่านี้จะเรียกว่าวิตามินบีรวม นอกจากนี้ยังมีวิตามินซีกับคาร์นีทีน โดยวิตามินชนิดนี้เมื่อได้รับ มากเกินจะถูกขับออกจากร่างกายผ่านทางปัสสาวะ ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้ วิตามิน B1 (Thiamine) เป็นวิตามินที่พบได้มากในอาหารจ ำพวกเนื้อ นม ไข่ และธัญพืช ซึ่งจะท ำงาน ร่วมในกระบวนการเมตาบอลิซึมของคาร์โบไฮเดรต หากขาดจะท ำให้เป็นโรคเหน็บชา และโรคที่เกี่ยวกับ ระบบประสาท  25 วิตามิน B2 (Riboflavin) เป็นวิตามินที่พบได้มากในไข่ เนื้อสัตว์ ปลาทูสด และธัญพืช หากขาดจะ ท ำให้เป็นโรคปากนกกระจอก การเติบโตหยุดชะงัก และผิวหนังหยาบแห้ง วิตามิน B3 (Niacin) เป็นวิตามินที่พบได้มากในไข่ ปลา เนื้อสัตว์ไม่ติดมัน ตับ จมูกข้าว ถั่วลิสง แป้ง โฮลวีต อะโวคาโด อินทผลัม ลูกพรุน และอื่นๆ โดยวิตามินบี 3 จัดเป็นวิตามินที่มีความเสถียรมาก และ ร่างกายสามารถสังเคราะห์ขึ้นเองได้จากกรดอะมิโนทริปโตเฟน นอกจากนี้วิตามินบี 3 ยังมีส่วนช่วยในการสังเคราะห์ฮอร์โมนเพศ และมีความจ ำเป็นต่อระบบประสาท กับสมอง โดยจะท ำงานเป็นสารจ ำพวก CoA, FAD+ และ NADP+ หากขาดจะท ำให้ระบบย่อยอาหารและ ระบบประสาทท ำงานผิดปกติ แต่ถ้าได้รับมากเกินไปจะท ำให้เสี่ยงต่อการเป็นโรคเกาต์หรือมีอาการปวดตามข้อได้ วิตามิน B5 (Pantothenic acid) เป็นวิตามินที่พบได้มากในผัก ผลไม้ เนื้อ นม ไข่ งา ตับวัว และยีสต์ โดยเป็นส่วนประกอบส ำคัญในสารจ ำพวก Acetyl-CoA ซึ่งจ ำเป็นในกระบวนการหายใจระดับเซลล์ หาก ขาดจะท ำให้เบื่ออาหาร ปวดท้อง และนอนไม่หลับ วิตามิน B6 (Pyridoxine) เป็นวิตามินที่พบมากในธัญพืช ผักใบเขียว เนื้อ นม ไข่ และเครื่องในสัตว์ โดยมีบทบาทส ำคัญในกระบวนการสร้างฮีโมโกลบิน หากขาดจะท ำให้เป็นโรคโลหิตจางชนิดเม็ดเลือดแดง เล็กและสีจาง (Microcytic anemia) มีอาการบวม และคันตามผิวหนัง วิตามิน B9 (Folic acid or Folate) คือวิตามินที่พบได้ในธัญพืช ไข่แดง ตับ แคนตาลูป และอื่นๆ ซึ่ง มีบทบาทส ำคัญในกระบวนการแบ่งเซลล์ การเผาพลาญโปรตีน และการสร้างเม็ดเลือดแดง หากขาดจะ ท ำให้เป็นโรคโลหิตจางชนิดเม็ดเลือดแดงใหญ่และมีน้อย วิตามิน B12 (Cyanocobalamin) เป็นวิตามินที่พบได้ในปลา และเนื้อ นม ไข่ โดยจะมีบทบาทส ำคัญ ในกระบวนการเมตาบอลิซึมของกรดอะมิโน และจะท ำงานร่วมในกระบวนการสังเคราะห์กรดนิวคลีอิก หากขาดจะท ำให้เป็นโรคโลหิตจางชนิดเม็ดเลือดแดงมีรูปร่างผิดปกติ และมีฮีโมโกลบินน้อย วิตามิน C (Ascorbic acid) เป็นวิตามินที่พบได้มากในผลไม้ที่มีรสเปรี้ยว อย่างมะนาว ส้ม มะเขือเทศ และพริกหยวก ซึ่งจะช่วยให้ผนังเส้นเลือดมีความยืดหยุ่น หากขาดจะท ำให้เป็นโรคลักปิดลักเปิด คาร์นิทนี (Carnitine) จัดเป็นสารที่ร่างกายสามารถสังเคราะห์ได้จากกรดอะมิโนไลซีน ซึ่งจะมีบทบาท ในการสลายไขมัน หากขาดจะท ำให้เกิดการคั่งของไขมันในอวัยวะต่างๆ 2 Organic substance สารอินทรีย์ (Organic substance) คือสารที่มีธาตุคาร์บอน (C) เป็นองค์ประกอบหลัก สามารถแบ่ง ออกเป็นสารอินทรีย์ที่พบได้ในธรรมชาติ กับสารอินทรีย์สังเคราะห์ ซึ่งสารอินทรีย์ที่พบได้ในธรรมชาติจะ เรียกว่าสารชีวโมเลกุล (Biomolecules) อันเป็นสารที่พบได้ในสิ่งมีชีวิตทั่วไป ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน (C) ออกซิเจน (O) และไฮโดรเจน (H) โดยคาร์บอนแต่ละตัวจะเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์จนเกิด เป็นโครงร่างคาร์บอน ก่อนที่จะเติมสารอื่นๆ เข้าไป และเรียกสารนั้นว่าหมู่ฟังก์ชั่น หมู่ฟังก์ชั่น (Functional group) คือกลุ่มอะตอมของธาตุที่แสดงคุณสมบัติเฉพาะของสารอินทรีย์ชนิด หนึ่ง อีกทั้งยังเป็นส่วนที่ใช้ท ำปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ด้วย 26 ตารางที่ 2.1 แสดงสูตรโครงสร้างของหมู่ฟังก์ชั่นต่างๆ (ที่มา: จิรัสย์ เจนพานิชย์, Biology for highschool, 2555) หมู่ฟังก์ช่ัน สูตรโครงสร้าง หมู่ฟังก์ช่ัน สูตรโครงสร้าง O H Carbonyl C H อัลดีไฮด์ Amino N H เอมีน (R-CHO) (R-NH2) O C คีโตน (R-CO-R) O O- Carboxyl C OH กรดอินทรีย์ Phosphate O P O- (R-COOH) O (R-PO43-) กรดนิวคลีอิก Hydroxyl OH แอลกอฮอล์ Sulfhydryl SH ไทออล (R-SH) (R-OH) 2.1 คาร์โบไฮเดรต นิยามของคาร์โบไฮเดรต (Carbohydrate) คือคาร์บอนที่อิ่มไปด้วยน ้ำ (สมาน, 2544) โดยเป็นสาร ชีวโมเลกุลประเภทอัลดีไฮด์หรือคีโตน (หมู่คาร์บอนิล) ที่มีหมู่ไฮดรอกซิลมาเกาะเป็นจ ำนวนมาก มีชนิด และขนาดต่างกัน แต่มีสูตรโครงสร้างเหมือนกัน คือ (CH2O)n เมื่อ n มีค่ามากกว่าหรือเท่ากับ 3 และมี อัตราส่วนของ H : O = 2 : 1 คาร์โบไฮเดรตจะพบได้ทั้งในพืช สัตว์ และจุลินทรีย์ ซึ่งพืชใบเขียวจะเป็นผู้สังเคราะห์คาร์โบไฮเดรต ขึ้นผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสง และได้คาร์โบไฮเดรตในรูปของน ้ำตาลกลูโคส  27 น ้ำตาลกลูโคสที่พืชสังเคราะห์ได้จะถูกน ำไปสร้างเป็นคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อนชนิต่างๆ ซึ่งชนิดที่พบ มากคือโพลีแซ็กคาไรด์ เนื่องจากเป็นองค์ประกอบในการสร้างเนื้อเยื่อพืช โดยคาร์โบไฮเดรตจะอยู่ในรูป ของข้าว แป้ง และอื่นๆ ส่วนสัตว์ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถสังเคราะห์กลูโคสได้ จ ำเป็นต้องได้รับจาก พืช เพราะเมื่อบริโภคพืชเข้าไป คาร์โบไฮเดรตจากพืชจะถูกย่อยให้มีโมเลกุลที่เล็กลงจนกลายเป็นน ้ำตาล กลูโคส ก่อนจะถูกเปลี่ยนให้เป็นพลังงานต่อไปโดยอาศัยกระบวนการที่เรียกว่าเมตาบอลิซึม แสง 6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2O คลอโรฟิ ล สมการที่ 2.1 แสดงสมการของปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสง (Photosynthesis) เมื่อ C6H12O6 คือน ้ำตาลกลูโคส ประเภทของคาร์โบไฮเดรต 1. โมโนแซ็กคาไรด์ (Monosaccharide) คือน ้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว มีลักษณะเป็นผลึกสีขาว มีรสหวาน และละลายน ้ำได้ มีสูตรโมเลกุลเป็น (CH2O)n เมื่อ n มีค่าเท่ากับ 3-7 โมโนแซ็กคาไรด์หากจ ำแนกตามต ำแหน่งที่อยู่ของหมู่คาร์บอนิล จะแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ น ้ำตาลอัลโดส (Aldose sugar) ที่มีหมู่คาร์บอนิลอยู่ตรงปลายสุดของโครงคาร์บอน ท ำให้มีลักษณะของ หมู่ฟังก์ชั่นเป็นแบบ (-CHO) เรียกว่าหมู่อัลดีไฮด์ (Aldehyde) ส่วนอีกประเภท คือ น ้ำตาลคีโตส (Ketose sugar) ซึ่งจะมีหมู่คาร์บอนิลอยู่ตรงอะตอมของคาร์บอน ต ำแหน่งอื่นๆ ที่นอกเหนือจากปลายสุดของโครงคาร์บอน ท ำให้มีลักษณะของหมู่ฟังก์ชั่นเป็นแบบ (-C=O) เรียกว่าหมู่คีโตน (Ketone) โดยธรรมชาติจะพบโมโนแซ็กคาไรด์ที่มีโครงสร้างเป็นรูปวงแหวน เพราะมีความเสถียรมากกว่าแบบ โซ่เปิด ที่พบมากได้แก่วงแหวนที่มีคาร์บอน 5 หรือ 6 อะตอม ส่วนวงที่ใหญ่กว่าไม่มีความเสถียร และวง ที่เล็กกว่าจะเกิดขึ้นได้น้อยหรือไม่ได้เลย โครงสร้างรูปวงแหวน 5 หรือ 6 เหลี่ยม เกิดจากการท ำปฏิกิริยาเฮมิอะซิตัลระหว่างหมู่อัลดีไฮด์กับ ไฮดรอกซิลภายในโมเลกุลของน ้ำตาลอัลโดส หรือปฏิกิริยาเฮมิคีตัลระหว่างหมู่คีโตนกับหมู่ไฮดรอกซิล ในโมเลกุลของน ้ำตาลคีโตส การปิดวงของน ้ำตาล D-Glucose จะเกิดจากหมู่อัลดีไฮด์บนคาร์บอนต ำแหน่งที่ 1 ซึ่งเป็นคาร์บอน ที่ไม่สมมาตร เรียก Anomeric carbon โดยจะเข้าไปท ำปฏิกิริยากับหมู่ไฮดรอกซิลบนคาร์บอนต ำแหน่งที่ 5 แล้วได้โครงสร้างที่มีลักษณะคล้ายวงแหวนของไพแรน จึงเรียกน ้ำตาลที่มีวงในลักษณะเช่นนี้ว่าน ้ำตาล ไพราโนส (Pyranose) ส่วนน ้ำตาล D-Fructose จะได้โครงสร้างที่มีลักษณะคล้ายวงของฟิวแรน และเรียกน ้ำตาลที่มีวงแหวน ในลักษณะนี้ว่าน ้ำตาลฟิวราโนส (Furanose) ในปฏิกิริยาการเกิดวงแหวน จะท ำให้น ้ำตาลมีไอโซเมอร์เพิ่มขึ้นอีกสองรูป ได้แก่ ในรูปของแอลฟ่า (α-anomeric) ที่หมู่ไฮดรอกซิลจะชี้ลงใต้ระนาบวงแหวน และในรูปของเบต้า (β-anomeric) ซึ่งหมู่ ไฮดรอกซิลจะชี้ขึ้นเหนือระนาบของวงแหวน โดยทั้งสองจะเป็นแอนอเมอร์ของกันและกัน 28 เมื่อพิจารณาโครงสร้างของโมโนแซ็กคาไรด์ 5 ชนิด ที่พบมากที่สุดในธรรมชาติ จะมีสูตรโมเลกุลเป็น RCOH และ RCOHCOR ซึ่งจะแสดงคุณสมบัติเป็นตัวรีดิวซ์ เนื่องจากสามารถให้อิเล็กตรอนได้ โดยสาร ละลายที่มักใช้ทดสอบน ้ำตาลรีดิวซ์ คือ สารละลายเบเนดิกต์ (Benedict solution) กับสารละลายเฟห์ลิง (Fehling’s solution) ซึ่งสารละลายทั้งสองจะมีคุณสมบัติเป็นด่าง และมีตัวออกซิไดส์ในรูปของเกลือทอง แดงละลายอยู่ (CuSO4) โดยในปฏิกิริยานี้ น ้ำตาลอัลโดสจะรีดิวซ์สารคอปเปอร์ (II) ไอออน (Cu2+) ในสารละลายเบเนดิกต์ ให้กลายเป็นคอปเปอร์ (I) ออกไซด์ (Cu+) ในรูปตะกอนสีแดงของคิวปรัสออกไซด์ (Cu2O) ส่วนน ้ำตาล อัลโดสจะถูกเปลี่ยนให้เป็นกรดน ้ำตาล (Aldonic acid) ซึ่งวิธีนี้จะนิยมใช้ในการตรวจหาน ้ำตาลในปัสสาวะของผู้ป่วยโรคเบาหวาน ส่วนน ้ำตาลคีโตสก็สามารถเกิดปฏิกิริยากับสารละลายเบเนดิกต์ได้เช่นกัน เพราะในสภาวะที่เป็นด่าง น ้ำตาลคีโตสจะถูกเปลี่ยนให้เป็นน ้ำตาลอัลโดส โดยปฏิกิริยา Base-catalyzed tautomerization น ้ำตาล คีโตสจึงมีคุณสมบัติเป็นน ้ำตาลรีดิวซ์เช่นเดียวกับน ้ำตาลอัลโดส ซึ่งโมโนแซ็กคาไรด์ 5 ชนิดที่มีคุณสมบัติ เป็นตัวรีดิวซ์ ได้แก่ น ้ำตาลไรโบส น ้ำตาลกลูโคส น ้ำตาลกาแลกโตส น ้ำตาลฟรุกโตส และน ้ำตาลไรบูโลส CH2OH CH2OH O O OH CH2HO O OH OH OH HO CH OH OH OH OH 2