วิวัฒนาการ และความหลากหลายของสิ่งมีชีวิต

 ใน ปี ค.ศ.1831 ชารลส์ ดาร์วิน นักธรรมชาติวิทยาชาวอังกฤษ ได้ล่องเรือไปยังหมู่เกาะกาลาปากอส ในมหาสมุทรแปซิฟิก ทางฝั่งตะวันตกของทวีปอเมริกาใต้ ซึ่งเป็นหมู่เกาะซึ่งเกิดขึ้นใหม่จากลาวา ซึ่งประทุขึ้นของภูเขาไฟใต้ท้องมหาสมุทร ดาร์วินสังเกตว่า ทำไมสัตว์ที่พบบนเกาะแห่งนี้ จึงมีลักษณะพิเศษ แตกต่างไปจากสัตว์ประเภทเดียวกันบนผืนแผ่นดินใหญ่ เขาจึงตั้งข้อสันนิษฐานว่า สัตว์เหล่านี้มีต้นกำเนิดมาจากแผ่นดินใหญ่ และถูกน้ำพัดพา ลอยหรือบินมายังเกาะแห่งนี้ และเมื่อเวลาผ่านไปนับล้านปี มันได้ปรับตัวให้เข้ากับสิ่งแวดล้อมของเกาะ รูปร่างลักษณะของมันจึงแตกต่างไปจากบรรพบุรุษบนแผ่นดินใหญ่ ดาร์วินจึงนำเสนอทฤษฎีวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต ซึ่งตั้งอยู่บนพื้นฐานของข้อสังเกตสามประการคือ สิ่งมีชีวิตทั้งมวลล้วนผันแปร มีความสามารถถ่ายทอดคุณสมบัติลักษณะ และต้องดิ้นรนแข่งขันเพื่อความอยู่รอด ปัจจัยทั้งสามนี้ทำให้สิ่งมีชีวิตบางชนิดปรับตัวได้ดีกว่าชนิดอื่นๆ ซึ่งยังผลให้มันอยู่รอดปลอดภัยและแพร่พันธุ์ได้มากขึ้น สิ่งมีชีวิตที่ปรับตัวได้ช้าก็คงเหลืออยู่น้อยหรือสูญพันธุ์ไป การปรับตัวที่ว่านี้เป็นไปอย่างช้าๆ แต่เมื่อเวลาผ่านไปเนิ่นนาน ผลที่ได้คือ คุณลักษณะต่างๆ จะปรากฏมากขึ้นๆ ในรุ่นต่อไป เขาเรียกกระบวนการเช่นนี้ว่า “การคัดเลือกโดยธรรมชาติ” (Natural selection) ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์พบว่า กลไกที่ขับดันให้เกิดการวิวัฒนาการมี 2 สาเหตุ คือ การกลายพันธุ์ และการอยู่รอดของผู้ที่เก่งกว่า

ภาพที่ 1 ชารลส์ ดาร์วิน

การกลายพันธุ์
กลไกในการสืบทอดพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตคือ การคัดลอก DNA โดยธรรมชาติการคัดลอกจะมีความคลาดเคลื่อน (Error) ไปบ้างเล็กน้อย เมื่อการผิดพลาดทำให้เกิดความเพี้ยน เซลล์ใหม่ที่เกิดขึ้นจะมีความแตกต่างจากเซลล์ต้นกำเนิดเล็กน้อย เนื่องจากรหัสพันธุกรรมใน DNA เปลี่ยนแปลงไป คำสั่งในการสร้างโปรตีน กลไกทางเคมี และการควบคุมการทำงานของเซลล์ก็จะเปลี่ยนไปด้วย ครั้นเมื่อเซลล์รุ่นสองจะแบ่งตัวอีก มันกลายเป็นต้นแบบในการคัดลอกให้กับเซลล์รุ่นที่ 3 และการคัดลอกครั้งนี้ก็จะมีความคลาดเคลื่อนไปอีกเล็กน้อยด้วย ความคลาดเคลื่อนจะสะสมมากขึ้นในลักษณะรุ่นต่อรุ่น ทำให้เซลล์รุ่นที่ 3 มีความแตกต่างจากเซลล์รุ่นที่ 1 มากกว่าเซลล์รุ่นที่ 2 เมื่อเกิดการคัดลอกรุ่นแล้วรุ่นเล่านับแสนรุ่น สิ่งชีวิตในรุ่นหลังอาจมีความแตกต่างไปมากจนแทบไม่เหมือนบรรพบุรุษของมันเลย ลักษณะของการคัดลอกเช่นนี้มีลักษณะเหมือนการลอกการบ้านแล้วส่งต่อ คือ
1. เมื่อนักเรียนคนที่สองคัดลอกการบ้านจากเพื่อนคนแรกแล้วส่งต่อให้เพื่อนคนที่สาม คนที่สามจะคัดลอกความคลาดเคลื่อนที่คนที่สองทำไว้แตกต่างจากคนแรก
2. เมื่อนักเรียนคนที่สามคัดลอกการบ้านจากเพื่อนคนที่สองแล้วส่งต่อให้เพื่อนคนที่สี่ คนที่สี่จะคัดลอกความคลาดเคลื่อนที่คนที่สามทำไว้แตกต่างจากคนที่สอง
3. เมื่อนักเรียนคนที่สี่คัดลอกการบ้านจากเพื่อนคนที่สาม แล้วส่งต่อให้เพื่อนคนที่ห้า คนที่ห้าจะคัดลอกความคลาดเคลื่อนที่คนที่สี่ทำไว้แตกต่างจากคนที่สาม
4. เมื่อนักเรียนคนที่ห้าสิบคัดลอกการบ้านจากเพื่อนคนที่สี่สิบเก้า แล้วส่งต่อให้เพื่อนคนที่ห้าสิบ คนที่ห้าสิบจะคัดลอกความคลาดเคลื่อนที่คนที่ห้าสิบทำไว้แตกต่างจากคนที่สี่สิบเก้า
เมื่อนำการบ้านของนักเรียนคนที่ห้าสิบมาเปรียบเทียบกับการบ้านของนักเรียนคนแรก เราจะพบว่าข้อความในการบ้านทั้งสองแตกต่างกันมากจนคิดไม่ถึงเลยว่า นักเรียนคนที่ห้าสิบลอกการบ้านต่อๆ กันมาจากนักเรียนคนแรก ในทำนองเดียวกัน ในสาย DNA ของมนุษย์หนึ่งคู่ ประกอบด้วยฐานนิวโตรจีเนียสจำนวนมากกว่า 1 หมื่นล้านฐาน ในการคัดลอกหนึ่งครั้งจะมีความคลาดเคลื่อนประมาณ 10 ฐาน ความแตกต่างนี้เองทำให้ลูกหลานของเรามีคุณลักษณะบางอย่างไม่เหมือนกับบรรพบุรุษ เมื่อความคลาดเคลื่อนสะสมกันหลายแสนรุ่นซึ่งอาจใช้เวลาหลานล้านปี ก็จะเกิดสิ่งมีชีวิตสปีชีส์ใหม่ (สายพันธุ์ใหม่) เราเรียกปรากฏการณ์เช่นนี้ว่า“การกลายพันธุ์” (Mutation)

ภาพที่ 2 วิวัฒนาการของแขนและปีก

การอยู่รอดของผู้ที่เหนือกว่า
ในความเป็นจริงทุกสถานที่จะมีข้อจำกัดในตัวของมันอยู่ เช่น ห้องเรียนรองรับนักเรียนได้มากที่สุด 50 คน โรงอาหารรองรับนักเรียนได้ 500 คน รถโดยสารมี 42 ที่นั่ง หากมีผู้ต้องการใช้บริการมากกว่าข้อจำกัดนี้ ก็จะเกิดการแข่งขันขึ้นโดยปริยาย ผู้ที่มาก่อนหรือผู้ที่เหนือกว่า จะเป็นผู้ที่ได้ใช้บริการ
ระบบนิเวศในธรรมชาติก็มีข้อจำกัดเช่นกัน ผู้ชนะที่จะได้รับบริการได้แก่ ผู้ที่มีความสามารถในการหาอาหาร ป้องกันตัว หรือปรับตัวเข้ากับสิ่งแวดล้อม และภูมิอากาศที่เปลี่ยนแปลง เป็นต้น ยกตัวอย่าง หากมีเกาะแห่งหนึ่งมีอาหารจำกัดสำหรับสัตว์ 10,000 ตัว สมมติว่าเกาะแห่งนี้มีสัตว์เพียงพันธุ์เดียว และมีอยู่ตัวหนึ่งซึ่งรหัสพันธุกรรมของมันแตกต่างไปจากสัตว์ตัวอื่น ทำให้มันมีความสามารถในการหาอาหารเก่งกว่าผู้อื่น เมื่อมันสืบพันธุ์ลูกของมันก็จะสืบทอดคุณสมบัติในการหาอาหารเก่งเอาไว้ด้วย เมื่อการสืบพันธุ์ก็จะเกิดขึ้นหนึ่งพันรุ่น ก็จะคงเหลือแต่ทายาทของสัตว์ตัวนี้เท่านั้นที่ครอบครองเกาะ เนื่องเพราะมีแต่พวกมันทวีจำนวนขึ้นและมีความสามารถในการหาอาหารที่เหนือกว่า ทายาทของสัตว์ 9,999 ตัวในรุ่นแรก ไม่สามารถหาอาหารสู้พวกมันได้ จึงขาดอาหารและสูญพันธุ์ไป (การสืบทอดทายาทหนึ่งพันรุ่นนั้น เป็นช่วงเวลาแค่พริบตาเมื่อเทียบกับช่วงเวลาทางธรณีวิทยาหลายร้อยล้านปี) เราเรียกเหตุการณ์เช่นนี้ว่า “การอยู่รอดของผู้ที่เหนือกว่า” (Survival of the fittest)
จากการศึกษาฟอสซิล (ซากสิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์) พบว่า สิ่งมีชีวิตบางสปีชีส์อุบัติขึ้นเมื่อหลายร้อยล้านปีก่อนและยังมีสืบทอดลูกหลานให้เห็นในปัจจุบันดังเช่น ปลาดาว แต่บางสปีชีส์ที่เคยอุบัติขึ้นเมื่อหลายร้อนปีที่แล้ว กลับสูญพันธุ์หายไปดังเช่น ไดโนเสาร์ ดังกราฟที่แสดงในภาพที่ 3

ภาพที่ 3 วิวัฒนาการของสัตว์

ความหลากหลายทางชีวภาพ
หลักฐานของสิ่งมีชีวิตที่เก่าแก่ที่สุดเป็นฟอสซิลของจุลินทรีย์โบราณ อายุ 3.5 พันล้านปี ในทวีปออสเตรเลีย มีรูปร่างคล้ายแบคทีเรียสีฟ้าเขียวในปัจจุบัน ซึ่งมีความสามารถในการสังเคราะห์ด้วยแสง ในการเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นอาหารและคายก๊าซออกซิเจนออกมา จุลินทรีย์โบราณนี้เป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวคือ เซลล์โพรคาริโอต ไม่มีนิวเคลียส และอวัยวะพิเศษอื่นใด ตัวอย่างของเซลล์โพรคาริโอตได้แก่ แบคทีเรียชนิดต่างๆ
หนึ่งพันล้านปีต่อมา เซลล์โพรคาริโอตบางชนิดได้วิวัฒนาการให้มีความมั่นคงในการดำรงชีวิต โดยเสริมสิ่งป้องกันตัว และระบบจัดหาพลังงานที่ดีกว่าจนกลายเป็นเซลล์ยูคาริโอต ซึ่งมีขนาดใหญ่และมีความสลับซับซ้อนมากกว่า ในเวลาต่อมา เซลล์ยูคาริโอตได้กลายเป็นบรรพบุรุษของ พืช เห็ดรา และสัตว์ ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ อุบัติขึ้นประมาณหนึ่งพันห้าร้อยล้านปีที่แล้ว ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า สิ่งมีชีวิตทั้งหมดบนโลกนี้มีจำนวนระหว่าง 2 – 30 ล้านสปีชีส์ โดยที่บันทึกอย่างเป็นทางการแล้ว 1.4 ล้านสปีชีส์ ออกเป็นกลุ่มใหญ่ๆ 5 อาณาจักรดังนี้
 อาณาจักรโมเนอรา (Kingdom Monera) เป็นอาณาจักรของโพรคาริโอตเซลล์เดี่ยว ไม่มีนิวเคลียส ได้แก่ แบคทีเรียชนิดต่างๆ มีสมาชิกประมาณ 6,000 สปีชีส์ ซึ่งแบ่งตามกระบวนการทางชีวภาพเคมีได้ 3 จำพวกคือ
 ออโตทรอฟ (Autotroph) หมายถึง พวกที่สร้างอาหารได้ด้วยตนเอง โดยการเปลี่ยนสารอนินทรีย์เป็นสารอินทรีย์ เช่นการสังเคราะห์ด้วยแสง
 เฮเทโรทรอฟ (Heterotroph) หมายถึง พวกที่บริโภคสารอินทรีย์ที่สร้างขึ้นจากสิ่งมีชีวิตอื่น
 มิโซทรอฟ (Mixotroph) หมายถึง พวกที่บริโภคทั้งสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์
 อาณาจักรโพรติสตา (Kingdom Protista) เป็นอาณาจักรของยูคาริโอตเซลเดี่ยว มีสมาชิกประมาณ 60,000 สปีชีส์ เซลล์ถูกพัฒนาให้มีนิวเคลียสห่อหุ้มโครโมโซม และสร้างอวัยวะซึ่งทำหน้าที่เฉพาะทางได้แก่ คลอโรพลาสต์ มีหน้าที่สังเคราะห์อาหารด้วยแสง โดยการเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นอาหารและคายก๊าซออกซิเจน
ไมโทคอนเดรียน มีหน้าที่นำก๊าซออกซิเจนมาเผาผลาญอาหารให้เกิดพลังงานและคายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา ซึ่งวิวัฒนาการในยุคต่อมาได้แยกเป็น พืช เห็ดรา และสัตว์ สิ่งมีชีวิตในอาณาจักรโพติสตาได้แก่ สาหร่าย โปรตัวซัว แพลงตอน
          อาณาจักรพืช (Kingdom Plantae) มีสมาชิกประมาณ 250,000 สปีชีส์ ซึ่งมีเป็นสิ่งมีชีวิตจำพวกออโตทรอฟ ซึ่งใช้คลอโรฟิลล์สีเขียวเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นอาหารและคายก๊าซออกซิเจน พืชมีบทบาทสำคัญต่อวัฎจักรน้ำและเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ นอกจากนั้นยังมีบทบาทที่สำคัญในการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีของดินด้วยการดูดซับธาตุอาหาร อันได้แก่ คาร์บอน ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และกำมะถัน พืชจึงเป็นแหล่งอาหารที่สำคัญของสิ่งมีชีวิตบนโลก
          อาณาจักรเห็ดรา (Kingdom Fungi) มีสมาชิกประมาณ 70,000 สปีชีส์ มีลักษณะคล้ายพืช แต่เป็นสิ่งมีชีวิตจำพวกเฮโรทรอฟซึ่งบริโภคสารอินทรีย์ที่สิ่งมีชีวิตอื่นสร้างไว้ เราจะเห็นได้ว่า เห็ดมักขึ้นอยู่ตามซากต้นไม้ ราและยีสต์มักขึ้นอยู่ตามอาหาร เห็ดราบางชนิดสามารถดูดกลืนสารอินทรีย์จากพื้นดินได้โดยตรง ไลเคนสามารถอาศัยอยู่บนพื้นหินแข็ง พวกมันมีอิทธิพลในการเปลี่ยนแปลงพื้นผิวของป่าเป็นอย่างมาก เนื่องจากความสามารถในการดูดกลืนน้ำและการทำปฏิกิริยาทางเคมี
          อาณาจักรสัตว์ (Kingdom Animalia) มีสมาชิกประมาณ 1,000,000 สปีชีส์ จัดเป็นสิ่งมีชีวิตจำพวกออโตทรอฟ ซึ่งมีการบริโภคเป็นระบบห่วงลูกโซ่อาหารเป็นชั้นๆ เช่น กวางกินหญ้า เสือกินกวาง นกแร้งกินเสือ เป็นต้น สัตว์ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีชีวภาพ เป็นต้นว่า กระดูกและกระดองสร้างจากแคลเซียมคาร์บอเนต การหายใจของสัตว์ควบคุมปริมาณก๊าซออกซิเจนในบรรยากาศไม่ให้มากเกินไป สายพันธุ์ของมนุษย์ (Homo) เพิ่งแยกออกมาจากสายพันธุ์ของลิงเมื่อ 3 ล้านปีก่อน สปีชีส์โฮโมเซเปียนส์ (Homo sapiens) ของมนุษย์ในปัจจุบัน เพิ่งอุบัติขึ้นเมื่อประมาณ 2 แสนปีก่อนนี้เอง

ภาพที่ 4 วิวัฒนาการของอาณาจักรทั้งห้า

การจัดจำแนกกลุ่มของสิ่งมีชีวิต
เนื่องจากสิ่งมีชีวิตในโลกนี้มีมากมายหลายล้านสปีชีส์ นักวิทยาศาสตร์จึงใช้วิธีการจัดกลุ่มเป็นระบบซับเซ็ท เรียงลำดับเป็นระดับ 7 ชั้น จากกลุ่มใหญ่ไปยังกลุ่มย่อย จากรายละเอียดน้อยไปรายละเอียดมาก ซึ่งเรียกว่า “แทกซาโนมี” (Taxanomy) ดังที่แสดงในภาพที่ 5 โดยมี “อาณาจักร” (Kingdom) มีระดับที่ใหญ่ที่สุด และ “สปีชีส์” (Species) เป็นระดับที่เล็กที่สุด โดยที่สมาชิกของสปีชีส์หนึ่งจะผสมพันธุ์ได้เฉพาะกับสมาชิกอื่นๆ ที่อยู่ในสปีชีส์เดียวกันเท่านั้น การผสมพันธุ์ข้ามสปีชีส์เป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ เพราะมีโครโมโซมไม่เหมือนกัน อย่างไรก็ตามยังมีการผสมพันธุ์ข้ามสปีชีส์ในบางกรณี เช่น ล่อ เกิดจากม้าผสมพันธุ์กับลา แต่ทายาทที่เกิดมาก็จะไม่สามารถสืบพันธุ์ได้ต่อไป

ภาพที่ 5 การจัดจำแนกกลุ่มของสิ่งมีชีวิต

          ตัวอย่างการจำแนกสปีชีส์ ได้แก่ สิงโต จัดเป็น สัตว์ (อาณาจักรสัตว์) มีกระดูกสันหลัง (ไฟลัม คอร์ดาตา) เลี้ยงลูกด้วยนม (คลาส แมมเมเลีย) ล่าเนื้อเป็นอาหาร (ออเดอร์ คาร์นิโวรา) มีอุ้งเท้าหน้ามี 5 นิ้ว อุ้งเท้าหลังมี 4 นิ้ว (วงศ์ เฟลิเด) จำพวกเสือ (สกุล แพนเธอรา) สปีชีส์สิงโต (สปีชีส์ แพนเธอรา ลีโอ) ดังที่แสดงในตารางที่ 1
สิงโต (Lion หรือ Leo) เป็นชื่อสามัญที่ใช้เรียกกันทั่วไป ส่วนในการตั้งชื่อทางวิทยาศาสตร์นั้น จะขึ้นต้นด้วยชื่อสกุลแล้วตามด้วยชื่อพันธุ์เช่น แพนเธอรา ลีโอ

ตารางที่ 1 ตัวอย่างการจำแนกสปีชีส์ สิงโต