วิทยาศาสตร์

ชีววิทยา

พันธุวิศวกรรม

พันธุวิศวกรรม(genetic engineering) เป็นกระบวนการปรับปรุงพันธุ์สิ่งมีชีวิต โดยนำยีน(gene)จากสิ่งมีชีวิตชนิดพันธุ์หนึ่ง (species) ถ่ายฝากเข้าไปอีกชนิดพันธุ์หนึ่ง เพื่อจุดประสงค์ที่จะปรับปรุงสายพันธุ์ให้ดีขึ้น กระบวนการดังกล่าวไม่ได้เกิดขึ้นตามธรรมชาติ สิ่งมีชีวิตดังกล่าวมีชื่อเรียกว่า LMO (living modified organism) หรือ GMO (genetically modified organism) ตัวอย่างการวิจัยและพัฒนา รวมถึงการใช้ประโยชน์เชิงการค้ามีมากมาย ซึ่งจะกล่าวถึงเพียงบางอย่างเท่านั้น

การใช้ประโยชน์ของพันธุวิศวกรรมทางด้านต่างๆ

1. ทางด้านการเกษตรและอาหาร เช่น

     การปรับปรุงพันธุ์พืชให้ต้านทานโรคหรือแมลง การปรับปรุงพันธุ์แบบดั้งเดิมนั้น ซึ่งยังคงทำกันอยู่ โดยใช้วิธีหาพันธุ์ต้านทานซึ่งส่วนใหญ่เป็นพันธุ์ป่าและมีลักษณะไม่ดีอยู่มาก จากนั้นเอาพันธุ์ต้านทานผสมพันธุ์พ่อแม่ เข้าด้วยกันรวมทั้งลักษณะต้านทานด้วยเหตุนี้ จึงต้องเสียเวลาคัดเลือก และพัฒนาพันธุ์ต่ออีกอย่างน้อย 8-10 ปี กว่าจะได้พันธุ์ต้านทานและมีลักษณะอื่น ๆ ดีด้วย เพราะไม่สามารถเลือกยีน(gene)ที่สามารถต้านทานใส่ไปได้โดยตรง ดังนั้นวิธีการปรับปรุงพันธุ์โดยการถ่ายฝากยีน(gene)ที่ได้รับจากชนิดพันธุ์อื่น จึงสามารถลดระยะเวลาการพัฒนาพันธุ์ได้มาก

     พันธุ์พืชต้านทานแมลง มีสารสกัดชีวภาพจากแบคทีเรีย Bacillus thuringiensis หรือ บีที ที่ใช้กำจัดแมลงกลุ่มหนึ่งอย่างได้ผลโดยการฉีดพ่นคล้ายสารเคมีอื่น ๆ เพื่อลดการใช้สารเคมีด้วยความก้าวหน้าทางวิชาการทำให้สามารถแยกยีนบีที จากจุลินทรีย์นี้และถ่ายฝากให้พืชพันธุ์ต่าง ๆ เช่น ฝ้าย ข้าวโพด และมันฝรั่ง เป็นต้น ให้ต้านทานแมลงกลุ่มนั้น และใช้อย่างได้ผลเป็นการค้าแล้วในบางประเทศ

     พันธุ์พืชต้านทานโรคไวรัส โรคไวรัสของพืชหลายชนิด เช่น โรคจุดวงแหวนในมะละกอ (papaya ring-spot virus) สามารถป้องกันกำจัดได้โดยวิธีนำยีน(gene)เปลือกโปรตีน (coat protein) ของไวรัสนั้นถ่ายฝากไปในพืช เหมือนเป็นการปลูกวัคซีนให้พืชนั่นเอง กระบวนการดังกล่าวได้ถูกนำใช้กันอย่างแพร่หลายในพืชชนิดต่างๆแล้ว เป็นต้น

2. ทางการพัฒนาพันธุ์สิ่งมีชีวิตให้มีคุณภาพผลผลิตดี ตัวอย่างเช่น

     - การถ่ายฝากยีน(gene)สุกงอมช้า (delayed ripening gene) ในมะเขือเทศ การสุกในผลไม้เกิดจากการผลิตสาร ethylene เพิ่มมากในระยะสุกแก่ นักวิชาการสามารถวิเคราะห์โครงสร้างยีน(gene)นี้ และมีวิธีการควบคุมการแสดงออกโดยวิธีการถ่ายฝากยีน(gene)ได้ ทำให้ผลไม้สุกงอมช้า สามารถเก็บไว้ได้นาน ส่งไปจำหน่ายไกล ๆ ได้ สหรัฐเป็นประเทศแรกที่ผลิตมะเขือเทศสุกงอมช้าได้เป็นการค้า และวางตลาดให้ประชาชนรับประทานแล้ว

     - การพัฒนาพันธุ์พืชให้ผลิตสารพิเศษ เช่น สารที่เป็นประโยชน์ต่าง ๆ ที่มีคุณค่าทางอาหารสูง อาจเป็นแหล่งผลิตวิตามิน ผลิตวัคซีน และผลิตสารที่นำไปสู่การผลิตทางอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่น พลาสติกที่สามารถย่อยสลายได้ง่ายและโพลิเมอร์ชนิดต่าง ๆ เป็นต้น

     - การพัฒนาพันธุ์สัตว์ มีการพัฒนาพันธุ์โดยการถ่ายฝากยีน(gene)ทั้งในปศุสัตว์ และสัตว์น้ำ รวมทั้งน้ำปลา ได้มีตัวอย่างหลายรายการ เช่น การถ่ายฝากยีน(gene)เร่งการเจริญเติบโต และยีน(gene)ต้านทานโรคต่าง ๆ เป็นต้น อย่างไรก็ตามประโยชน์ของพันธุวิศวกรรม(genetic engineering)ในเรื่องการผลิตสัตว์นั้นเป็นเรื่องของการพัฒนาชุดตรวจระวังโรคเป็นส่วนใหญ่

     - การพัฒนาสายพันธุ์จุลินทรีย์ ให้มีคุณลักษณะพิเศษบางอย่าง เช่น ให้สามารถกำจัดคราบน้ำมันได้ดี เป็นต้น

3. ทางด้านการแพทย์และสาธารณสุข

     เทคโนโลยีชีวภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง องค์ความรู้จากการวิจัยจีโนม(Genome) ทำให้นักวิจัยรู้สึกถึงระดับยีน(gene)สิ่งมีชีวิต รู้ว่ายีน(gene)ใดอยู่ที่ไหนบนโครโมโซม(chromosome) หรือนอกโครโมโซม(chromosome) สามารถสังเคราะห์ชิ้นส่วนนั้นได้ หรือตัดออกมาได้ แล้วนำไปใช้ประโยชน์ในเรื่องต่างๆ ตัวอย่างเช่น

     - การตรวจโรค เมื่อสามารถสังเคราะห์ชิ้นส่วนของดีเอ็นเอ(DNA) หรือยีน(gene)ได้แล้ว ก็สามารถพัฒนาเป็น molecular probes สำหรับใช้ในการตรวจโรคต่างๆได้อย่างมีประสิทธิภาพ

     - การพัฒนายารักษาโรคและวัคซีน ยารักษาโรค และวัคซีน ใหม่ๆ ผลิตโดยวิธีพันธุวิศวกรรม(genetic engineering)ในจุลินทรีย์ หรือ recombinant DNA ทั้งสิ้น

     - การสับเปลี่ยนยีนด้อยด้วยยีนดี (gene therapy) ในอนาคต เมื่องานวิจัยจีโนมมนุษย์สำเร็จ ความหวังของคนที่ป่วยเป็นโรคทางพันธุกรรม อาจมีหนทางรักษาโดยวิธีปรับเปลี่ยนยีน(gene)ได้

4. ทางด้านการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม

     ความเจริญก้าวหน้าของเทคโนโลยีชีวภาพ นำไปสู่การพัฒนาที่ยั่งยืน และช่วยอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมโดยเฉพาะอย่างยิ่ง พืชที่ได้รับการถ่ายฝากยีน(gene)ต้านทานโรคและแมลง ทำให้ไม่ต้องใช้สารเคมีฉีดพ่นหรือใช้ในปริมาณที่ลดลงมาก พันธุวิศวกรรม(genetic engineering)อาจนำไปสู่การผลิตพืชที่ใช้ปุ๋ยน้อย และ น้ำน้อย ทำให้เป็นการลดการใช้ปุ๋ยเคมี เป็นการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม และนำไปสู่การสร้างสมดุลทรัพยากรชีวภาพได้

5. ทางด้านการพัฒนาอุตสาหกรรม

     เมื่อวัตถุดิบได้รับการปรับเปลี่ยนคุณภาพให้ตรงกับความต้องการของอุตสาหกรรม โดยใช้พันธุวิศวกรรม(genetic engineering)แล้ว อุตสาหกรรมใหม่ๆจะเกิดตามมากมาย เช่น การเปลี่ยนโครงสร้างแป้ง น้ำมัน และโปรตีน ในพืช หรือการลดปริมาณเซลลูโลสในไม้ เป็นต้น ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีชีวภาพในอนาคต จะเป็นการปฏิรูปแบบอุตสาหกรรมใหม่ โดยเน้นการใช้วัตถุดิบจากสิ่งมีชีวิตมากขึ้น รถยนต์ทั้งคัน อาจทำจากแป้งข้าวโพด สารเคมีทั้งหมดอาจพัฒนาจากแป้ง เชื้อเพลิงอาจพัฒนาจากวัตถุดิบพืช เป็นต้น

                                          เคมี

พอลิเมอร์

พอลิเมอร์ (Polymer) คือ สารประกอบที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ และมีมวลโมเลกุลมากประกอบด้วยหน่วยเล็ก ๆ ของสารที่อาจจะเหมือนกันหรือต่างกันมาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์
มอนอเมอร์ (Monomer) คือ หน่วยเล็ก ๆ ของสารในพอลิเมอร์ ดังภาพ

ประเภทของพอลิเมอร์ แบ่งตามเกณฑ์ต่าง ๆ ดังนี้
1. แบ่งตามการเกิดเป็นเกณฑ์ เป็น 2 ชนิด คือ
ก . พอลิเมอร์ธรรมชาติ เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น โปรตีน แป้ง เซลลูโลส ไกโคเจน กรดนิวคลีอิก และยางธรรมชาติ (พอลีไอโซปรีน)
ข . พอลิเมอร์สังเคราะห์ เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากการสังเคราะห์เพื่อใช้ประโยชน์ต่าง ๆ เช่น พลาสติก ไนลอน ดาครอน และลูไซต์ เป็นต้น

2. แบ่งตามชนิดของมอนอเมอร์ที่เป็นองค์ประกอบ เป็น 2 ชนิด คือ
ก . โฮมอลิเมอร์ (Homopolymer) เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ชนิดเดียวกัน เช่น แป้ง(ประกอบด้วยมอนอเมอร์ที่เป็นกลูโคสทั้งหมด) พอลิเอทิลีน PVC (ประกอบด้วยมอนอเมอร์ที่เป็นเอทิลีนทั้งหมด)

ข . เฮเทอโรพอลิเมอร์ (Heteropolymer) เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ต่างชนิดกัน เช่น โปรตีน (ประกอบด้วยมอนอเมอร์ที่เป็นกรดอะมิโนต่างชนิดกัน) พอลิเอสเทอร์ พอลิเอไมด์ เป็นต้น

3. แบ่งตามโครงสร้างของพอลิเมอร์ แบ่งออกเป็น 3 แบบ คือ

ก. พอลิเมอร์แบบเส้น (Chain length polymer) เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์สร้างพันธะต่อกันเป็นสายยาว โซ่พอลิเมอร์เรียงชิดกันมากว่าโครงสร้างแบบอื่น ๆ จึงมีความหนาแน่น และจุดหลอมเหลวสูง มีลักษณะแข็ง ขุ่นเหนียวกว่าโครงสร้างอื่นๆ ตัวอย่าง PVC พอลิสไตรีน พอลิเอทิลีน ดังภาพ

ข. พอลิเมอร์แบบกิ่ง (Branched polymer) เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ยึดกันแตกกิ่งก้านสาขา มีทั้งโซ่สั้นและโซ่ยาว กิ่งที่แตกจาก พอลิเมอร์ของโซ่หลัก ทำให้ไม่สามารถจัดเรียงโซ่พอลิเมอร์ให้ชิดกันได้มาก จึงมีความหนาแน่นและจุดหลอมเหลวต่ำยืดหยุ่นได้ ความเหนียวต่ำ โครงสร้างเปลี่ยนรูปได้ง่ายเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ตัวอย่าง พอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำ ดังภาพ

ค. พอลิเมอร์แบบร่างแห (Croos -linking polymer) เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ต่อเชื่อมกันเป็นร่างแห พอลิเมอร์ชนิดนี้มีความแข็งแกร่ง และเปราะหักง่าย ตัวอย่างเบกาไลต์ เมลามีนใช้ทำถ้วยชาม ดังภาพ

หมายเหตุ พอลิเมอร์บางชนิดเป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากสารอนินทรีย์ เช่น ฟอสฟาซีน ซิลิโคน

การเกิดพอลิเมอร์

พอลิเมอร์เกิดขึ้นจากการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชันของมอนอเมอร์
พอลิเมอร์ไรเซชัน (Polymerization) คือ กระบวนการเกิดสารที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ ( พอลิเมอร์) จากสารที่มีโมเลกุลเล็ก ( มอนอเมอร์)

 ปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชัน

1. ปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชันแบบเติม (Addition polymerization reaction) คือปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชันที่เกิดจากมอนอเมอร์ของสารอินทรีย์ชนิดเดียวกันที่มี C กับ C จับกันด้วยพันธะคู่มารวมตัวกันเกิดสารพอลิเมอร์เพียงชนิดเดียวเท่านั้น ดังภาพ

2. ปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชันแบบควบแน่น (Condensation polymerization reaction) คือปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชันที่เกิดจากมอนอเมอร์ที่มีหมู่ฟังก์ชันมากกว่า 1 หมุ่ ทำปฏิกิริยากันเป็นพอลิเมอร์และสารโมเลกุลเล็ก เช่น น้ำ ก๊าซแอมโมเนีย ก๊าซไฮโดรเจนคลอไรด์ เมทานอล เกิดขึ้นด้วย ดังภาพ

                                                                           ฟิสิกส์

                                                             ไฟฟ้ากระแส 

ไฟฟ้ากระแส คือ การไหลของอิเล็กตรอนภายใน ตัวนำไฟฟ้าจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งเช่น ไหลจาก แหล่งกำเนิดไฟฟ้าไปสู่แหล่ง ที่ต้องการใช้กระ แสไฟฟ้า ซึ่งก่อให้เกิด แสงสว่าง เมื่อกระแส ไฟฟ้าไหลผ่านลวด ความต้านทานสูงจะก่อให้ เกิดความร้อน เราใช้หลักการเกิดความร้อน เช่นนี้มาประดิษฐ์อุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น เตาหุงต้ม เตารีดไฟฟ้า เป็นต้น

    ไฟฟ้ากระแสแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ 
  -  ไฟฟ้ากระแสตรง ( Direct Current หรือ D .C )
  -  ไฟฟ้ากระแสสลับ ( Alternating Current หรือ A.C. )

     ไฟฟ้ากระแสตรง ( Direct Current หรือ D .C )
             เป็นไฟฟ้าที่มีทิศทางการไหลไปทางเดียวตลอดระยะเวลาที่วงจรไฟฟ้าปิดกล่าวคือกระแสไฟฟ้าจะไหลจากขั้วบวก
ภายในแหล่งกำเนิด ผ่านจากขั้วบวกจะไหลผ่านตัวต้านหรือโหลดผ่านตัวนำไฟฟ้าแล้ว ย้อนกลับเข้าแหล่งกำเนิดที่ขั้วลบ วนเวียนเป็นทางเดียวเช่นนี้ตลอดเวลา การไหลของไฟฟ้ากระแสตรงเช่นนี้ แหล่งกำเนิดที่เรารู้จักกันดีคือ ถ่าน-ไฟฉาย ไดนาโม ดีซี เยนเนอเรเตอร์ เป็นต้น 

    ไฟฟ้ากระแสตรงแบ่งออกเป็น 2 ประเภท 
    ไฟฟ้ากระแสตรงประเภทสม่ำเสมอ (Steady D.C) เป็นไฟฟ้ากระแสตรง อันแท้จริง คือ เป็นไฟฟ้ากระแสตรง
ที่ไหลอย่างสม่ำเสมอตลอดไปไฟฟ้ากระแสตรงประเภทนี้ได้มาจากแบตเตอรี่หรือ ถ่านไฟฉาย

     ไฟฟ้ากระแสตรงประเภทไม่สม่ำเสมอ ( Pulsating D.C) เป็นไฟฟ้ากระแสตรงที่เป็นช่วงคลื่นไม่สม่ำเสมอ
ไฟฟ้ากระแสตรงชนิดนี้ได้มาจากเครื่องไดนาโมหรือ วงจรเรียงกระแส (เรคติไฟ )

    คุณสมบัติของไฟฟ้ากระแสตรง 
(1) กระแสไฟฟ้าไหลไปทิศทางเดียวกันตลอด
(2) มีค่าแรงดันหรือแรงเคลื่อนเป็นบวกอยู่เสมอ
(3) สามารถเก็บประจุไว้ในเซลล์ หรือแบตเตอรี่ได้

    ประโยชน์ของไฟฟ้ากระแสตรง 
(1) ใช้ในการชุบโลหะต่างๆ
(2) ใช้ในการทดลองทางเคมี
(3) ใช้เชื่อมโลหะและตัดแผ่นเหล็ก
(4) ทำให้เหล็กมีอำนาจแม่เหล็ก
(5) ใช้ในการประจุกระแสไฟฟ้าเข้าแบตเตอรี่
(6) ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์
(7) ใช้เป็นไฟฟ้าเดินทาง เช่น ไฟฉาย

    ไฟฟ้ากระแสสลับ ( Alternating Current หรือ A.C. ) 
             เป็นไฟฟ้าที่มีการไหลกลับไป กลับมา ทั้งขนาดของกระแสและแรงดันไม่คงที่ เปลี่ยนแปลงอยู่เสมอ คือ กระแสจะไหลไปทางหนึ่งก่อน ต่อมาก็จะไหลสวนกลับแล้ว ก็เริ่มไหลเหมือนครั้งแรก

         ครั้งแรกกระแสไฟฟ้าจะไหลจากแหล่งกำเนิดไปตามลูกศรเส้นหนัก เริ่มต้นจากศูนย์ แล้วค่อยๆเพิ่มขึ้นเรื่อยๆจนถึงขีดสุด แล้วมันจะค่อยๆลดลงมาเป็นศูนย์อีกต่อจากนั้นกระแสไฟฟ้าจะไหลจากแหล่งกำเนิดไปตามลูกศรเส้นปะลดลงเรื่อยๆจนถึงขีด ต่ำสุด แล้วค่อยๆ เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนถึงศูนย์ตามเดิมอีก เมื่อเป็นศูนย์แล้วกระแสไฟฟ้าจะไหลไปทางลูกศรเส้นหนักอีกเป็นดังนี้ เรื่อยๆไปการที่กระแสไฟฟ้าไหลไปตามลูกศร เส้นหนักด้านบนครั้งหนึ่งและไหลไปตามเส้นประด้านล่างอีกครั้งหนึ่ง เวียน กว่า 1 รอบ ( Cycle )

    ความถี่ หมายถึง จำนวนลูกคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับที่เปลี่ยนแปลงใน 1 วินาที กระแสไฟฟ้าสลับในเมืองไทยใช้ไฟฟ้าที่มี ความถี่ 50 เฮิรตซ์ ซึ่งหมายถึง จำนวนลูกคลื่นไฟฟ้าสลับที่เปลี่ยนแปลง 50 รอบ ในเวลา 1 วินาที

    คุณสมบัติของไฟฟ้ากระแสสลับ 
(1) สามารถส่งไปในที่ไกลๆได้ดี กำลังไม่ตก
(2) สามารถแปลงแรงดันให้สูงขึ้นหรือต่ำลงได้ตามต้องการโดยการใช้หม้อแปลง(Transformer)

    ประโยชน์ของไฟฟ้ากระแสสลับ 
(1) ใช้กับระบบแสงสว่างได้ดี
(2) ประหยัดค่าใช้จ่าย และผลิตได้ง่าย
(3) ใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการกำลังมากๆ
(4) ใช้กับเครื่องเชื่อม
(5) ใช้กับเครื่องอำนวยความสะดวกและอุปกรณ์ไฟฟ้าได้เกือบทุกชนิด