4.1 การติดต่อสื่อสารระหว่างเซลล์

การสื่อสารระดับเซลล์ระยะใกล้ เซลล์ของสิ่งมีชีวิตที่อยู่ใกล้กันมีโอกาสที่จะเกิดการติดต่อสื่อสารถึงกันและกันได้มากกว่าเซลล์ที่ อยู่ห่างไกลกันออกไป การสื่อสารระหว่างเซลล์ที่อยู่ใกล้เคียงกันพบทั้งใน โปรคาริโอต ยูคา-ริโอตเซลล์เดียว และยูคารีโอตหลายเซลล์ การสื่อสารของเซลล์ที่อยู่ใกล้แบ่งออกเป็นแบบต่างๆตาม ลักษณะความสัมพันธ์ของเซลล์ ได้แก่ 1. การสื่อสารระหว่างเซลล์ที่อยู่ชิดติดกัน (cell communication by direct contact between cells) 2. การสื่อสารระหว่างเซลล์ที่อยู่ในอาณาบริเวณใกล้เคียงกันแต่เซลล์ไม่ได้ชิดติดกัน (paracrine signaling) 1. การสื่อสารระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกัน (cell communication by direct contact between cells) แบ่งรูปแบบย่อยได้เป็น 2 แบบคือ 1.1 การสื่อสารผ่านทางเชื่อมติดต่อระหว่างเซลล์ (communication through aqueous channel) การสื่อสารในรูปแบบนี้อาศัยช่องขนาดเล็กที่เป็นทางเชื่อมติดต่อระหว่างเซลล์ สำหรับในเซลล์สัตว์ ทางเชื่อมระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกันนี้เรียกว่า gap junction(แกป จังชั่น) gap junction ประกอบด้วย โปรตีนหน่วยย่อย (protein subunit) หลายหน่วยพบอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์ เมื่อโปรตีนหน่วยย่อยที่เยื่อหุ้ม เซลล์ด้านที่ติดกันของทั้งสองเซลล์สามารถเชื่อมต่อกันได้ท าให้เกิด gap junction ขึ้น อย่างไรก็ดี gap junction จะสามารถเปิดให้สารผ่านได้หรือปิดไม่ให้สารผ่านนั้นขึ้นกับสภาพแวดล้อมภายในของเซลล์ใน แต่ละด้าน การสื่อสารผ่านทาง gap junction มีลักษณะเฉพาะตรงที่โมเลกุลที่จะเคลื่อนที่ ผ่าน gap junction ต้องมีขนาดเล็กมาก ไม่เกิน 1.0 – 1.5 นาโนเมตร ดังนั้นโมเลกุลที่จะเคลื่อนผ่านทาง gap junction จึง ได้แก่ กลุ่ม ion (ไออน) ต่างๆ และสารโมเลกุลขนาดเล็กอื่นๆ การสื่อสารผ่านทาง gap junctionทำให้เกิด การประสานงานของกลุ่มเซลล์ที่อยู่ในบริเวณที่ต่อเนื่องกันเกิดขึ้นได้ในเวลาที่รวดเร็ว ตัวอย่างแสดงการสื่อสารผ่านทาง gap junction ได้แก่การทดลองในเซลล์แมลงที่น ามาเลี้ยงใน จานแก้วทดลอง เลือกเซลล์ 2 เซลล์ที่อยู่ติดกัน ใส่อุปกรณ์microelectrode (ไมโครอิเล็คโทรด) ขนาดเล็กมากที่สอดเข้าไปในเซลล์ได้ ซึ่ง microelectrode เชื่อมต่อกับอุปกรณ์แสดงการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ จากนั้นใช้ปิเปตต์ขนาดเล็กมาก (micropipette) ใส่สารละลายที่แตกตัวเป็น ion ได้ซึ่ง ion ดังกล่าวมีประจุ ไฟฟ้า ให้ ion ดังกล่าวกับเซลล์ใดเซลล์หนึ่ง หากระหว่างทั้ง 2 เซลล์มี gap junction ที่เชื่อมต่อกันอยู่จะ สามารถตรวจพบการเปลี่ยนความต่างศักย์ได้จากทั้งสองเซลล์ แต่หากไม่มี gap junction เชื่อมต่อระหว่าง ทั้งสองเซลล์ จะตรวจพบการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์เฉพาะที่เซลล์ที่ได้รับ ion เท่านั้น
นอกจากนั้นยังตรวจสอบการสื่อสารผ่านทาง gap junction จากกล้องจุลทรรศน์ โดยการให้สาร เรืองแสงกับเซลล์ การทดลองทดสอบ gap junction ที่ท าให้เกิดการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาทที่จอ ประสาทตา (retina) ท าโดยให้สารเรืองแสง Lucifer yellow (ลูซิเฟอร์ เยลโล) ที่จอประสาทตา ซึ่งจะทำให้ สามารถสังเกตโครงข่ายของเซลล์ประสาทที่จอประสาทตาได้ gap junction ระหว่างเซลล์ประสาทที่จอ ประสาทตาช่วยท าให้เกิดการสื่อสารเชื่อมต่อกระแสประสาทได้อย่างรวดเร็ว แต่หากใส่สาร Dopamine (โดปามีน) ซึ่งมีผลยับยั้งการท างานของ gap junction ไปที่จอประสาทตาก่อนที่จะให้สาร Lucifer yellow พบว่าไม่สามารถติดตามโครงข่ายเซลล์ประสาทในจอประสาทตาได้ตามปกติ จะพบการเรืองแสงของ Lucifer yellow ในเซลล์ประสาทบางเซลล์เท่านั้น และไม่เกิดการส่ง Lucifer yellow ต่อไปยังเซลล์ประสาท เซลล์อื่นๆ
สำหรับในเซลล์พืชการมีผนังเซลล์ (cell wall) เป็นข้อจำกัดสำหรับการประสานงานระหว่างเซลล์ที่ อยู่ใกล้เคียงกัน แต่เซลล์พืชมีช่องทางติดต่อระหว่างเซลล์ที่อยู่ใกล้เคียงกันผ่านทาง plasmodesmata (พลาสโมเดสมาทา) ซึ่งเป็นช่องทางของเยื่อ (membrane) แทรกอยู่ในชั้นผนังเซลล์ plasmodesmata เป็น ช่องที่มีขนาดใหญ่กว่า gap junction ในเซลล์สัตว์ โดยมีขนาดความกว้างประมาณ 30 – 60 นาโนเมตร ดังนั้นโมเลกุลที่สามารถเคลื่อนผ่านทาง plasmodesmata จึงมีขนาดใหญ่กว่าที่เคลื่อนผ่าน gap junction ซึ่งได้แก่ โปรตีน กรดนิวคลีอิกเช่น RNA หรือแม้แต่ไวรัสบางชนิด สามารถเคลื่อนผ่าน plasmodesmata ได้ plasmodesmata เป็นช่องทางหนึ่งของการสื่อสารระดับเซลล์ที่เกิดในพืช การทดสอบแสดงการสื่อสารผ่านทาง plasmodesmata ใช้รูปแบบการติดตามการเปลี่ยนแปลง กระแสไฟฟ้าเช่นเดียวกับที่ทำการศึกษาในเซลล์แมลง แต่เปลี่ยนเป็นเซลล์สาหร่าย 2 เซลล์ที่อยู่ติดกัน แทน และกระตุ้นที่เซลล์ใดเซลล์หนึ่งด้วยกระแสไฟฟ้าอ่อนๆ ซึ่งผลที่ได้ก็เป็นแบบเดียวกัน คือถ้ามีทาง เชื่อมต่อระหว่างทั้ง 2 เซลล์จะสามารถตรวจพบการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าในทั้ง 2 เซลล์ แต่ถ้าทั้ง 2 เซลล์ไม่มีการเชื่อมต่อกัน ก็จะพบกระแสไฟฟ้าเฉพาะในเซลล์ที่ได้รับการกระตุ้นเท่านั้น

1.2 การสื่อสารโดยการยึดเกาะระหว่างเซลล์ผู้ส่งสัญญาณกับเซลล์เป้าหมาย (contact dependent signaling) การสื่อสารแบบนี้ทั้งโมเลกุลสัญญาณและโมเลกุลตัวรับอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์และมีส่วนที่ยื่นออกมา จากเยื่อหุ้มเซลล์ การสื่อสารแบบนี้เซลล์ผู้ส่งสัญญาณและเซลล์เป้าหมายต้องเคลื่อนเข้ามาใกล้ชิดกันเพื่อที่ โมเลกุลสัญญาณและโมเลกุลตัวรับสามารถจับกันได้ (ดังภาพที่ 4) การสื่อสารแบบนี้จึงพบในเซลล์สัตว์ โดยเฉพาะกลุ่มเซลล์ในระบบภูมิคุ้มกันที่สามารถเคลื่อนที่ได้ เซลล์ macrophage (มาโครฝาจ) ซึ่งเป็น เซลล์ที่เคลื่อนที่ได้ เมื่อจับกินสิ่งแปลกปลอมของร่างกายเช่นแบคทีเรีย จะนำโปรตีน หรือเปปไทด์ที่ได้จาก การย่อยแบคทีเรียออกสู่เยื่อหุ้มเซลล์โดยอยู่ร่วมกับโมเลกุลอื่นที่เยื่อหุ้มเซลล์ ในกรณีของการสื่อสารระดับ เซลล์ เซลล์macrophage ทำหน้าที่เป็นเซลล์ผู้ส่งสัญญาณ (signaling cell) ในขณะที่โปรตีนหรือเปปไทด์ ของแบคทีเรียที่ถูกนำมาที่เยื่อหุ้มเซลล์นั้นทำหน้าที่เป็น โมเลกุลสัญญาณ (signal molecule) ในทางระบบ ภูมิคุ้มกัน เซลล์macrophage ท าหน้าที่เป็นเซลล์ผู้น าเสนอแอนติเจน (antigen presenting cell) ต่อเซลล์ เม็ดเลือดขาวชนิด Helper T cell เมื่อเซลล์macrophage เกิดการนำเสนอแอนติเจนที่เยื่อหุ้มเซลล์แล้ว จะท าให้ Helper T cell ซึ่งเป็นเซลล์เป้าหมายที่โมเลกุลตัวรับที่สามารถจับโมเลกุลแอนติเจนที่เซลล์ macrophage นำเสนอได้อย่างจำเพาะเจาะจงเคลื่อนเข้ามาจับกับแอนติเจนดังกล่าว (ดังภาพที่ 5) จากนั้น ทั้งเซลล์macrophage และ Helper T cell จะผลิตและหลั่งสารที่ไปกระตุ้นการทำงานของเซลล์ในระบบ ภูมิคุ้มกันชนิดอื่นๆให้ทำการกำจัดแอนติเจนและแบคทีเรียต่อไป

2.2 การสื่อสารระหว่างเซลล์ที่ไม่ได้อยู่ติดกัน (paracrine communication) เซลล์ที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียงกันแต่เซลล์ไม่ได้ติดกันสามารถสื่อสารถึงกันได้ โดยเซลล์ส่ง สัญญาณ หลั่งโมเลกุลสัญญาณ ซึ่งจะเคลื่อนผ่านตัวกลาง(medium) ที่อยู่ระหว่างเซลล์ต่างๆ ไปยังเซลล์ เป้าหมาย ตัวกลางดังกล่าวมักเป็นของเหลว หรือเป็นพื้นที่ๆมีความชื้นสูง ในเนื้อเยื่อของสัตว์หลายเซลล์ ตัวกลางดังกล่าวได้แก่ สารที่แทรกอยู่ระหว่างเซลล์ หรือเรียกว่าสารนอกเซลล์ (extracellular material) สารนอกเซลล์ดังกล่าวในเนื้อเยื่อชนิดต่างๆส่วนใหญ่มักมีความสามารถในการดูดซับน้ำและความชื้นได้ดี โมเลกุลสัญญาณที่เคลื่อนไปตามสารนอกเซลล์จะไปจับกับโมเลกุลตัวรับที่อยู่บนผิวของเซลล์เป้าหมายที่ อยู่ใกล้เคียงกันได้อย่างจำเพาะเจาะจง ในการสื่อสารระดับเซลล์แบบนี้โมเลกุลสัญญาณทำหน้าที่เป็นผู้ประสานงานระหว่างกลุ่มเซลล์ที่มีการส่งและรับสัญญาณ เรียกได้ว่าโมเลกุลสัญญาณทำหน้าที่เป็น local mediator ท าให้เซลล์ทั้งกลุ่มสามารถประสานการทำงานกันได้ดี ตัวอย่างของการสื่อสารแบบ paracrine communication ได้แก่การสื่อสารระหว่างเซลล์ของ Myxobacteria เมื่อสภาพแวดล้อมไม่เหมาะสม การสื่อสารระหว่างเซลล์ยีสต์Saccharomyces cerevesiae ต่าง mating type และการสื่อสารระหว่างเซลล์สเปิร์มกับเซลล์ไข่ของเม่นทะเลสปีชี่ส์เดียวกัน ( ศึกษาจาก สื่อการสอนเรื่อง การสื่อสารระดับเซลล์คืออะไร ) เห็นได้ว่าการสื่อสารระดับเซลล์ในรูปแบบนี้ เซลล์ส่ง สัญญาณกับเซลล์เป้าหมายอาจเป็นเซลล์ชนิดเดียวกัน หรือเป็นเซลล์ต่างชนิดกันก็ได

4.2 อายุของเซลล์

การเปลี่ยนสภาพของเซลล์และการชราภาพของเซลล์

เซลล์เมื่อแบ่งตัวแล้วก็จะเปลี่ยนสภาพไป เพื่อทำหน้าที่เฉพาะอย่าง การแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส ทำให้ได้จำนวนเซลล์เพิ่มมากขึ้น และเป็นผลให้เกิดการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้น ซึ่งตามปกติแล้วจะเกิดกระบวนการต่าง ๆ 4 กระบวนการ ดังนี้

1. การเพิ่มจำนวนเซลล์ (cell multiplication)  ในสิ่งมีชีวิตที่เป็นเซลล์เดียว เมื่อมีการแบ่งเซลล์ เพื่อเพิ่มจำรนวนเซลล์ก็จะทำให้เกิดการสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศขึ้น ส่วนในพวกสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ เมื่อเกิดปฏิสนธิแล้ว เซลล์ที่ได้ก็ คือ ไซโกต ซึ่งจะมีการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส เพื่อเพิ่มจำนวนเซลล์ให้มากขึ้น ผลจากการเพิ่มจำนวนเซลล์ทำให้ได้เซลล์ใหม่มากขึ้น และมีขนาดเพิ่มขึ้น การจะมีเซลล์มากน้อยแค่ไหนก็แล้วแต่ชนิดของสิ่งมีชีวิตนั้นว่ามีขนาดเล็กหรือขนาดใหญ่เท่าใด

2. การเจริญเติบโต (growth)  ในสิ่งมีชีวิตที่เป็นเซลล์เดียว การเพิ่มของโพรโทพลาซึมก็จัดว่า เป็นการเจริญเติบโต เมื่อเซลล์ของสิ่งมีชีวิตแบ่งเซลล์ในตอนแรกเซลล์ใหม่ที่ได้จะมีขนาดเล็กกว่าเซลล์เดิม ในเวลาต่อมาเซลล์ใหม่ที่ได้จะสร้างสารต่าง ๆ เพิ่มมากขึ้นทำให้ขนาดของเซลล์ใหม่นั้นขยายขนาดขึ้น ซึ่งจัดเป็นการเจริญเติบโตด้วย ในสิ่งมีชีวิตพวกที่เป็นหลายเซลล์ ผลจากการเพิ่มจำนวนเซลล์ก็คือ การขยายขนาดให้ใหญ่โตขึ้น ซึ่งจัดเป็นการเจริญเติบโตด้วยเช่นกัน

3. การเปลี่ยนแปลงของเซลล์  เพื่อไปทำหน้าที่ต่าง ๆ (cell differentiation) สิ่งมีชีวิตที่เป็นเซลล์เดียวก็มีการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ เพื่อไปทำหน้าที่ต่าง ๆ เหมือนกัน เช่น มีการสร้างเซลล์ที่ทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสมได้ดี เช่น การสร้าง เอนโดสปอร์ (endospore) ของแบคทีเรียในพวกสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินก็มี เช่น การสร้างเซลล์พิเศษซึ่งเรียกว่า เฮเทอโรซิสต์ (heterocyst) มีผนังหนาและสามารถจับก๊าซไนโตรเจนในอากาศเปลี่ยนเป็นสารประกอบไนโตรเจนที่มีประโยชน์ต่อเซลล์ของสาหร่ายชนิดนั้น ๆ ได้
ในสิ่งมีชีวิตที่มีการสืบพันธุ์แบบมีเพศ เมื่อไข่และสเปิร์มผสมกันก็จะได้เซลล์ใหม่ คือ ไซโกต ซึ่งมีเพียงเซลล์เดียว ต่อมาไซโกตจะแบ่งตัวเพิ่มจำนวนเซลล์ให้มากขึ้น เซลล์ใหม่ ๆ ที่ได้จะเปลี่ยนแปลงไป เพื่อไปทำหน้าที่ต่าง ๆ กัน เช่น เซลล์กล้ามเนื้อ ทำหน้าที่ในการหดตัว ทำให้เกิดการเคลื่อนที่หรือเคลื่อนไหว เซลล์เม็ดเลือดแดง ทำหน้าที่ลำเลียงก๊าซออกซิเจน เซลล์ประสาททำหน้าที่ในการนำกระแสประสาทเกี่ยวกับความรู้สึก และคำสั่งต่าง ๆ เซลล์ต่อมไร้ท่อ ทำหน้าที่สร้างฮอร์โมน เป็นต้น จะเห็นได้ว่าเซลล์ภายในร่างการของเราจะเริ่มต้นมาจากเซลล์เซลล์เดียวกัน แต่มีการเปลี่ยนแปลงไป เพื่อทำหน้าที่ต่าง ๆ กันไป เพื่อให้สิ่งมีชีวิตชนิดนั้น ๆ สามารถดำรงชีวิตอยู่ในสภาพแวดล้อมต่าง ๆ กันได้

4. การเกิดรูปร่างที่แน่นอน (morphogenesis)  เป็นผลจากการเพิ่มจำนวนเซลล์การเจริญเติบโต การเปลี่ยนแปลงของเซลล์ เพื่อทำหน้าที่ต่าง ๆ ขบวนการเหล่านี้จะเกิดขึ้นในระยะเอมบริโออยู่ตลอดเวลาที่มีการสร้างอวัยวะต่าง ๆ ขึ้น อัตราเร็วของการสร้างในแต่ละแห่งบนร่างกายจะไม่เท่ากัน ทำให้เกิดรูปร่างของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดขึ้น โดยที่สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดจะมีแบบแผนและลักษณะต่าง ๆ เป็นแบบที่เฉพาะตัว และไม่เหมือนกับสิ่งมีชีวิตชนิดอื่น ๆ ลักษณะต่าง ๆ เหล่านี้จะเป็นลักษณะทางพันธุกรรม ซึ่งถูกควบคุมโดยจีนบนโครโมโซมของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้น ๆ