สุทธิพงษ์ พงษ์วร 

                    Guard cell หรือเซลล์คุม เป็นชื่อเรียกเซลล์ที่พบในพืช เป็นเซลล์เนื้อเยื่อผิว (epidermis) ที่เปลี่ยนแปลงมาทำหน้าที่เฉพาะ... สำหรับการควบคุมการแลกเปลี่ยนแก๊สและการระเหยของน้ำ เมื่อศึกษาภายใต้กล้องจุลทรรศน์ จะเห็นได้ว่าเซลล์คุมมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างทำให้เกิดเป็นช่องเปิดตรงกลาง ได้ เรียกว่า Stoma (หรือ รูเปิดของปากใบ - pl. หรือพหูพจน์ จะเรียกว่า stomata) ในขณะที่อากาศร้อนและพืชอยู่ในสภาวะที่มีการสูญเสียน้ำไปมากๆ (ไม่ว่าจะด้วยสาเหตุใดๆ ก็ตาม) เซลล์คุมจะปิด เพื่อป้องกันการระเหยของน้ำออกจากใบ เป็นการพยายามรักษาปริมาณน้ำเอาไว้ (อ่านได้ในชีววิทยา เล่ม 4 หน้า 27 หน้าปกรูปใบหูกวางเปลี่ยนสี)

เราจะพบเซลล์คุม และ ปากใบ ได้ที่ส่วนใดของต้นไม้บ้าง?...

 

                    เมื่อพูดถึงเซลล์คุม ก็ต้องนึกถึง stoma การตั้งชื่อ “stoma ว่า ปากใบ” ก็เพราะว่าพบได้ง่ายที่ผิวใบ แล้วก็มีรูเปิด ลักษณะเสมือนว่า อ้าปากอยู่ (ถ้าเป็นคนก็คงมีริมฝีปากหนามากๆ) และเนื่องจากเซลล์คุมมีคลอโรฟิลล์ก็เลยทำหน้าที่ในการสร้างอาหารให้แก่ต้น พืชไปด้วยในตัว จริงๆ แล้วก็มีรายงานการค้นพบเซลล์คุม และปากใบในส่วนอื่นๆ ของพืชนอกเหนือจากที่ใบด้วยเช่นกัน มีงานวิจัยเผยแพร่ใน Annals of Botany 89: 23-29, 2002 เรื่อง Structure and Development of Stomata on the Primary Root of Ceratonia siliqua  L. จาก Department of Botany, University of Athens, ประเทศ Greece ที่ศึกษา stoma ในรากของต้นไม้ชนิดหนึ่ง งานวิจัยนี้ได้กล่าวในเบื้องต้นว่า “ถึงแม้ว่า การที่เราพบว่ามีเซลล์คุม หรือ guard cell ในรากเป็นสิ่งที่น่าสนใจและเป็นปรากฏการณ์ใหม่ แต่เราก็ยังไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของเซลล์คุมที่รากมากนัก รวมไปถึงข้อมูลในเรื่องของการเจริญและพัฒนา และหน้าที่ของเซลล์คุมที่รากว่ามีไว้เพื่ออะไร”

                    จะ ช่วยสังเคราะห์แสงเพื่อสร้างอาหารหรือ รากก็ไม่โดนแสงสักหน่อย มีข้อสันนิษฐานเบื้องต้นเกี่ยวกับปากใบที่พบในราก ก็คือ จากงานวิจัยพบว่า ปากใบในรากจะเปิดตลอดเวลา และมีช่องเปิดกว้างทำให้เนื้อเยื่อภายในของรากสามารถสัมผัสกับสิ่งแวดล้อม ภายนอกได้โดยตรง ช่วยเพิ่มความสามารถในการแลกเปลี่ยนแก๊ส ระหว่างรากและสิ่งแวดล้อมภายนอก และน่าจะมีส่วนช่วยในการนำเอาน้ำและแร่ธาตุต่างๆ เข้าสู่รากเพื่อนำไปใช้ในลำต้นพืชด้วยเช่นกัน

                    นอก จากนี้งานวิจัยในครั้งนี้ยังสามารถยืนยันให้เราเห็นได้ชัดเจนว่า การเกิดปากใบ (stoma) นั้นเกิดขึ้นตั้งแต่ในระยะของการเกิดเอมบริโอเลยทีเดียว (ดูได้จากภาพประกอบที่ 5 ของงานวิจัย เอกสารอ่านเพิ่มเติมที่ 8) จากข้อมูลดังกล่าว...เป็นข้อยืนยันให้เห็นกันชัดๆ ว่า เซลล์คลุมและปากใบพบกระจายอยู่ทั่วไปในต้นพืช แต่จะพบได้ปริมาณมากน้อยแตกต่างกันไป

                     รูป ร่างของเซลล์คุมอาจจะมองเห็นว่ามีรูปร่างเหมือนเมล็ดถั่ว หรือ เหมือนไส้กรอก (sausage-shaped guard cell) ก็แล้วแต่จะเทียบเคียงกันไป ส่วนเรื่องของ...การเปิด-ปิดของรูเปิดปากใบ (stoma) จะเกี่ยวข้องกับปัจจัยทางสิ่งแวดล้อม 3 ปัจจัย ก็คือ ปริมาณแสงหรือความเข้มของแสง ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และปริมาณน้ำ

 

                    เมื่อ เซลล์คุมถูกกระตุ้น (ซึ่งกลไกการกระตุ้นนั้นนักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามศึกษากันอยู่) โพแทสเซียมปั๊ม (เป็นช่องของโปรตีนที่เยื่อหุ้มเซลล์ที่ยอมให้ไอออนแพร่ผ่าน - อ่านได้ในชีววิทยา เล่ม 1 หน้า 97 หน้าปกรูปไอ้มดแดงแรงฤทธิ์) จะปั๊มนำเอา โพแทสเซียมไอออนเข้าสู่เซลล์คุม ทำให้ในเซลล์คุมมีความเข้มข้นของโพแทสเซียมไอออนสูงขึ้น ก็จะส่งผลทำให้น้ำแพร่เข้าสู่เซลล์คุมด้วยวิธีการที่เรียกว่า “ออสโมซิส” เมื่อน้ำเข้ามาเซลล์ก็จะเกิดแรงดันภายใน ที่เรียกว่าแรงดันเต่ง หรือ “turgor pressure” ซึ่งเป็นสาเหตุ... ทำให้เซลล์คุมมีรูปร่างเปลี่ยนไป – บวม...แต่ทำไมเมื่อบวมแล้วไม่บวมแบบการเป่าลูกโป่ง คือทำไมเซลล์ไม่ขยายตัวไปทุกทิศทุกทางเท่าๆ กัน คำตอบ...ก็เพราะว่าผนังเซลล์ของเซลล์คุมด้านในหรือด้านที่ติดกันมีความหนา มากกว่าด้านนอก เลยทำให้เซลล์คุมขยายออกทางด้านนอกมากกว่าด้านใน (ด้านใน คือด้านที่ติดกับ รูเปิดปากใบ)

 

                    ขอ เล่าต่อ....และจังหวะนี่เอง.... ในขณะที่ stoma หรือ รูเปิดปากใบกำลังเปิด คาร์บอนไดออกไซด์ก็จะแพร่เข้าเซลล์เพื่อนำไปใช้ใน Calvin Cycle ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ออกซิเจนที่เกิดขึ้นขณะเกิดการสังเคราะห์ด้วยแสงก็จะแพร่ออกจากรู เปิดปากใบ ส่วนน้ำก็จะระเหยออกทางรูเปิดของปากใบด้วย และขณะที่น้ำระเหยออกมา แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้ำก็จะดึงเอาน้ำจากราก จากโคนต้นพืชขึ้นมาด้วย (ตรงนี้อาศัยแรง Adhesive force – แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับผนังท่อลำเลียงในพืช และ Cohesive force – แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับน้ำ อ่านเพิ่มเติมในหนังสือชีววิทยา เล่ม 4 หน้า 37) ลองเข้าไปดูในเว็บ http://www.tvdsb.on.ca/westmin/science/sbioac/plants/stoma.html “Regulation of Guard Cells” ซึ่งมี animation น่าจะทำให้เข้าใจเกี่ยวกับการทำงานของเซลล์คุมและจำได้ง่ายขึ้น

เซลล์คุมที่เห็นคือ 1 หรือ 2 เซลล์?

                    คำตอบก็คือ 2 เซลล์ และเพื่อให้วิชาชีววิทยาดูยุ่งยากเข้าไปอีก... เอาคณิตศาสตร์มาจับดีกว่า สูตรจำง่ายๆ นี่เลย....
1 stoma = 2 guard cell + 1 pore

1 ปากใบ หรือ 1 หน่วยของ stoma จะเรียกว่า “stoma complex” จะประกอบไปด้วยเซลล์คุมที่มีคลอโรพลาสต์ 2 เซลล์ ปิดรูปากใบอยู่
1 ปากใบ หรือ 1 หน่วยของ stoma จะเรียกว่า “stoma complex” จะประกอบไปด้วยเซลล์คุมที่มีคลอโรพลาสต์ 2 เซลล์ ปิดรูปากใบอยู่

คลอโรพลาสต์ในเซลล์คุม

                    ถึง แม้ว่าโครงสร้างต่างๆ ของพืชจะมีความแตกต่างกันมากตามกลุ่มและชนิดของพืชก็ตาม แต่โดยทั่วไปแล้วพบว่า เซลล์คุมจะมีคลอโรพลาสต์ประมาณ 8-16 คลอโรพลาสต์ต่อเซลล์คุม 1 เซลล์ (ในขณะที่ palisade cell จะมีคลอโรพลาสต์มากถึง 30-70 คลอโรพลาสต์เลยทีเดียว) และคลอโรพลาสต์ในเซลล์คุมก็มีขนาดเล็ก มีการเจริญและพัฒนามาไม่ดีเท่าในที่ทำหน้าที่สังเคราะห์แสงเป็นหลัก โดยจะมีจำนวนชั้นของ granum น้อยกว่าในคลอโรพลาสต์ของเซลล์ในชั้น mesophyll

                     แต่ เมื่อพิจารณาจากโครงสร้างและขนาดของเซลล์ระหว่างเซลล์ในชั้น mesophyll กับเซลล์คุมแล้วจะเห็นได้ว่า เซลล์คุมมีปริมาตรน้อยกว่าเซลล์ในชั้น mesophyll ประมาณ 10 เท่า นั่นแสดงให้เห็นว่าการที่มีคลอโรพลาสต์อยู่เท่านั้นก็พอเพียงต่อการสร้าง พลังงานสำหรับเป็นแหล่งพลังงานของเซลล์ได้แล้ว และในการศึกษาองค์ประกอบของคลอโรฟิลล์ a, b และแคโรทีนอยด์ พบว่าคล้ายกับใน mesophyll

                    นอก จากนี้เมื่อทำการตรวจทางชีวเคมี ก็จะพบ เอนไซม์ rubisco และเอนไซม์อีกหลายชนิดที่อยู่ในวัฎจักรคัลวินอีกด้วย และเมื่อทำการแยกเอาคลอโรพลาสต์ออกจากเซลล์คุมก็พบว่าคลอโรพลาสต์สามารถ สร้างซูโครสได้ แต่เมื่อทำการตรวจวัดปริมาณซูโครสแล้วพบว่าอัตราการสร้างซูโครสค่อนข้างจะ ต่ำเมื่อเทียบกับซูโครสที่สะสมอยู่นอกปากใบ ซึ่งน่าจะสัมพันธ์กับอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อสร้างพลังงานที่มีการ ศึกษามาก่อนหน้านี้แล้ว

 

เอกสารอ้างอิง

1. สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ชีววิทยา
      เล่ม 1 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 หลักสูตรการศึกษาขั้นพื้นฐาน
      พ.ศ.2544. 2546. พิมพ์ครั้งที่ 1. 136 หน้า.
2. สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ชีววิทยา
      เล่ม 4 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 หลักสูตรการศึกษาขั้นพื้นฐาน
      พ.ศ.2544. 2547. พิมพ์ครั้งที่ 1. 166 หน้า.
3. Cynthia A. Rogers, Robert D. Powell and Peter J.H. Sharpe. 1979. “Relationship of
        Temperature to Stomatal Aperture and Potassium Accumulation in Guard
      Cells of Vicia Faba ”. Plant Physiol. 63, 388-391. (Online). Available:
        http://www.pubmedcentral.gov/picrender.fcgi?artid=542834&blobtype=pdf
        (Retrieved 9/08/2006).
4. James I. L. Morison and Tracy Lawson. 2002. “Guard Cell Osmoregulation and Blue
        Light-Activated Metabolic Switch”. Department of Biological Sciences, University
        of Essex, Colchester, UK. file:///D:/daeng/sawinee/Sep%202007/biology/Bio-Articles/www.plantphys.net. Essay 18.1. (Online). Available:
        http://3e.plantphys.net/article.php?ch=t&id=268 (Retrieved 9/08/2006).
5. Adam I. Marcus, Richard C. Moore, and Richard J. Cyr. 2001. “The Role of
        Microtubules in Guard Cell Function”. Plant Physiol. 125, 387-395. (Online).
        Available: http://www.bio.psu.edu/People/Faculty/Cyr/Lab/publications/Marcus_Plant_Physiology.pdf
        Marcus_Plant_Physiology.pdf (Retrieved 9/08/2006).
6. ภาพ Animation แสดงการทำงานของปากใบอย่างง่ายๆ ของโรงเรียน Thames Valley District School,
        London. (Online). Available:
        http://www.tvdsb.on.ca/westmin/science/sbioac/plants/stoma.html
        (Retrieved 9/08/2006).
7. ภาพปากใบจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็คตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron Microscope - SEM)
        (Online). Available: http://www.indigo.com/software/gphpcd/em85-88.html
        (Retrieved 9/08/2006).
8. N.S. Christodoulakis, J. Menti and B. Galatis. 2002. “Structure and Development
      of Stomata on the Primary Root of Ceratonia siliqua  L.”. Annals of Botany. 89:
        23-29. (Online). Available: http://aob.oxfordjournals.org/cgi/content/full/89/1/23
        (Retrieved 9/08/2006).

ภาพประกอบ

      จากตัวอย่างสิ่งมีชีวิตที่เตรียมโดยครูผู้เข้ารับการอบรม การอบรมเชิงปฏิบัติการ: การเตรียมตัวอย่างสิ่งมีชีวิตเพื่อ
      ศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์ ณ.ห้องปฏิบัติการชีววิทยา สสวท. วันที่ 28-30 กรกฎาคม 2549
      จัดโดย สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)
      Biology Teacher Training Workshops - 28-30 July 2006 @IPST