ความสัมพันธ์ระหว่างชนิดของสิ่งมีชีวิต
ความหลากหลายของสิ่งมีชีวิต
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
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)
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
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
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
ความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศแบ่งได้เป็น 3 ประเภทใหญ่ คือ
1. การได้รับประโยชน์ร่วมกัน (mutualism) เป็นการอยู่ร่วมกันของสิ่งมีชีวิต 2 ชนิดที่ได้ประโยชน์ด้วยกันทั้งสองชนิด ใช้สัญลักษณ์ +, + เช่น
• แมลงกับดอกไม้ แมลงดูดน้ำหวานจากดอกไม้เป็นอาหาร และดอกไม้ก็มีแมลงช่วยผสมเกสร
• นกเอี้ยงกับควาย นกเอี้ยงได้กินแมลงต่าง ๆ จากหลังควาย และควายก็ได้นกเอี้ยงช่วยกำจัดแมลงที่มาก่อความรำคาญ
• มดดำกับเพลี้ย เพลี้ยได้รับประโยชน์ในการที่มดดำพาไปดูดน้ำเลี้ยงที่ต้นไม้ และมดดำก็จะได้รับน้ำหวาน
• ปูเสฉวนกับดอกไม้ทะเล (sea anemore) ปูเสฉวนอาศัยดอกไม้ทะเลพรางตัวจากศัตรูและยังอาศัยเข็มพิษจากดอกไม้ทะเลป้องกันศัตรู ส่วนดอกไม้ทะเลก็ได้รับอาหารจากปูเสฉวนที่กำลังกินอาหารด้วย
• ไลเคน (lichen) คือ การดำรงชีวิตร่วมกันของรากับสาหร่าย ซึ่งเป็นการอยู่แบบที่สิ่งมีชีวิตทั้ง 2 ชนิดต่างก็ได้รับประโยชน์ สาหร่ายมีสีเขียวสร้างอาหารเองได้โดยกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงแต่ต้องอาศัยความชื้นจากรา ส่วนราได้รับธาตูอาหารจากสาหร่าย ได้แก่ ไนโตรเจนจากการตรึงไนโตรเจน นอกจากนั้นราบางชนิดอาจสร้างสารพิษ ซึ่งป้องกันไม่ให้สัตว์อื่นกินไลเคนเป็นอาหาร และรายังสร้างกรดช่วยในการละลายหินและเปลือกไม้ ช่วยในการละลายหินและเปลือกไม้ ทำให้ไลเคนดูดซับธาตุอาหารได้ดี
2. ภาวะอิงอาศัยหรือภาวะเกื้อกูล (commensalism) เป็นการอยู่ร่วมกันของสิ่งมีชีวิตโดยที่ฝ่ายหนึ่งได้ประโยชน์ ส่วนอีกฝ่ายหนึ่งไม่ได้ประโยชน์แต่ก็ไม่เสียประโยชน์ (+,0) เช่น
• ปลาฉลามกับเหาฉลาม เหาฉลามอาศัยอยู่ใกล้ตัวปลาฉลามและกินเศษอาหารจากปลาฉลาม ซึ่งปลาฉลามจะไม่ได้ประโยชน์ แต่ก็ไม่เสียประโยชน์
• พลูด่างกับต้นไม้ใหญ่ พลูด่างอาศัยร่มเงาและความชื้นจากต้นไม้โดยต้นไม้ไม่ได้ประโยชน์แต่ขณะเดียวกันก็ไม่เสียประโยชน์อะไร
• กล้วยไม้กับต้นไม้ใหญ่ กล้วยไม้ยึดเกาะที่ลำต้นหรือกิ่งของต้นไม้ซึ่งได้รับความชื้นและแร่ธาตุจากต้นไม้ โดยที่ต้นไม้ไม่ได้รับประโยชน์ แต่ก็ไม่เสียประโยชน์อะไร
• เพรียงที่อาศัยเกาะบนผิวหนังของวาฬเพื่อหาอาหาร วาฬไม่ได้ประโยชน์ แต่ก็ไม่เสียประโยชน์
3. ฝ่ายหนึ่งได้ประโยชน์และอีกฝ่ายหนึ่งเสียประโยชน์ ใช้สัญลักษณ์ +, - ซึ่งแบ่งเป็น 2 แบบ คือ
ก. การล่าเหยื่อ (predation) เป็นความสัมพันธ์โดยมีฝ่ายหนึ่งเป็นผู้ล่า (predator) และอีกฝ่ายหนึ่งเป็นเหยื่อ (prey) หรือเป็นอาหารของอีกฝ่าย เช่น งูกับกบ
ข. ภาวะปรสิต (parasitism) เป็นความสัมพันธ์ของสิ่งมีชีวิตที่มีฝ่ายหนึ่งเป็นผู้เบียดเบียน เรียกว่า ปรสิต (parasite) และอีกฝ่ายหนึ่งเป็นเจ้าของบ้าน (host)
• ต้นกาฝากเช่น ฝอยทองที่ขึ้นอยู่บนต้นไม้ใหญ่ จะดูดน้ำและอาหารจากต้นไม้ใหญ่
• หมัด เห็บ ไร พยาธิต่าง ๆ ที่อาศัยอยู่กับร่างกายคนและสัตว์
• เชื้อโรคต่าง ๆ ที่ทำให้เกิดโรคกับคนและสัตว์
นอกจากนี้ยังมีความสัมพันธ์แบบภาวะมีการย่อยสลาย (saprophytism) ใช้สัญญลักษณ์ +, 0 เป็นการดำรงชีพของกลุ่มผู้ย่อยสลายสารอินทรีย์ เช่น เห็ด รา แบคทีเรีย และจุลินทรีย์
