บทนําและวิวฒันาการของจลุชีววิทยา

ผศ.ดร.ปิยะนุช เนียมทรพัย์คณะวิทยาศาสตร ์มหาวิทยาลยัแม่โจ้

� จลุชีววิทยา (Microbiology) เป็นวชิาที�ศกึษาเกี�ยวกบัจุลนิทรยีแ์ละกจิกรรมของจุลนิทรยี ์เชน่การศกึษาเกี�ยวกบัรปูรา่ง หน้าที�การทาํงาน กระบวนการ เมแทบอลซิมึ การสบืพนัธุ ์การจดัจาํแนกชนิดของจุลนิทรยี ์รวมทั *งการศกึษาการกระจายของจุลนิทรยีใ์นธรรมชาต ิ และความสมัพนัธ์กนักบัสิ�งมชีวีติอื�น ประโยชน์และโทษของจุลนิทรยีท์ี�มตี่อมนุษย ์กนักบัสิ�งมชีวีติอื�น ประโยชน์และโทษของจุลนิทรยีท์ี�มตี่อมนุษย ์และสตัว ์ ความสามารถในการทาํใหเ้กดิความเปลี�ยนแปลงกบัสิ�งแวดลอ้ม

� จลุินทรีย ์(Microorganisms) คืออะไร ?

- สิ�งมชีวีติขนาดเลก็ที�มองดว้ยตาเปลา่ไมเ่หน็ หรอืเหน็ไม ่ ชดัเจน เชน่ แบคทเีรยี สาหรา่ย ทั *งที�มโีครงสรา้งเป็นเซลล ์(cellular organisms) และที�มีโครงสรา้งไมเ่ป็นเซลล ์(non-cellular organisms)โครงสรา้งไมเ่ป็นเซลล ์(non-cellular organisms)

- หน่วยของจุลนิทรยีม์หีน่วยเป็นไมโครเมตร (micrometer) โดยจุลนิทรยีจ์ะมขีนาดประมาณ 0.2-3 ไมโครเมตร ยาวประมาณ 3-10 ไมโครเมตร

� การจดัจาํแนกจลุินทรีย์ ค.ศ.1969 วทิแทกเกอร ์(Robert H.Whittaker) ไดม้กีารจดัสิ�งมชีวีติออกเป็น 5 อาณาจกัร โดยอาศยัลกัษณะการไดส้ารอาหาร การสงัเคราะห์แสง การดดูซมึอาหารและการกนิอาหาร ดงันี*

1. Kingdom Monera

2. Kingdom Protista

Prokaryotic cell

ไม่มีเยื?อหุ้มนิวเคลียส

จลุินทรีย์

(แบคทเีรยี สาหรา่ยสเีขยีวแกมนํ*าเงนิ)

(โปรโตซวั)2. Kingdom Protista

3. Kingdom Fungi

4. Kingdom Plantae

5. Kingdom Animalia

Eukaryotic cell

มีเยื?อหุ้มนิวเคลียส

(โปรโตซวั)

(ยสีต ์เหด็ รา)

(พชื)

(สตัว)์

- Cellular organisms: Prokaryote – Bacteria, Cyanobacteria

Eukaryote – Protozoa, Algae, Fungi

- Non-cellular organisms: Virus, Viroid, Prion

Viroid

Virus

Viroid

Prion

• แบคทีเรีย (bacteria) เป็นพวกโพรคารโิอตเซลลเ์ดยีว (unicellular) โดยทั �วไปเพิ�มจาํนวนเซลลโ์ดยวธิแีบง่จากหนึ�งเป็นสอง

� กลุ่มต่างๆ ของจลุินทรีย์

• โปรโตซวั (Protozoa) - เป็นพวกยคูารโิอตเซลลเ์ดยีว รปูรา่งหลายแบบ เชน่ กลม ร ียาว - ไซโตพลาสซมึม ี2 ชั *น คอื Ectoplasm และ Endoplasm - โดยทั �วไปเพิ�มจาํนวนเซลลโ์ดยวธิแีบง่จากหนึ�งเป็นสอง

Paramecium Euglena

Amoeba

• สาหร่าย (Algae) - มทีั *งที�เป็นเซลลเ์ดยีวและหลายเซลล ์(multicellular) - มคีลอโรฟิลลเ์พื�อทาํหน้าที�สงัเคราะหแ์สง - มรีปูรา่งหลายแบบ เชน่ กลม แฉก กระบอก เหลี�ยม เป็นเสน้ สาย (filamentous) หรอื thallus

Spirulina Anabaena Diatom Dinoflagellate

สาหรา่ยสเีขยีว สาหรา่ยสแีดง สาหรา่ยสนีํ*าตาล

• รา (Fungi) - เป็นพวกยคูารโิอตที�ไมม่คีลอโรฟิลล ์ - มทีั *งแบบเซลลเ์ดยีว เชน่ ยสีต ์และหลายเซลล ์เชน่ ราเสน้ สายและเหด็ - สบืพนัธุโ์ดยการแบ่งตวั แตกหน่อ หรอืการสรา้งสปอร์

ไลเคน

ราก่อโรค

• ไวรสั (Virus) - เป็นอนุภาคที�มขีนาดเลก็มาก มองเหน็ได้ โดยใชก้ลอ้งจุลทรรศน์อเิลก็ตรอนเทา่นั *น - ยงัไมม่อีงคป์ระกอบของเซลล ์แต่มเีอนไซม์ ในกระบวนการเมแทบอลซิมึ - ประกอบดว้ยสารพนัธุกรรมชนิด DNA หรอื

RNA และมโีปรตนีหอ่หุม้สารพนัธุกรรม RNA และมโีปรตนีหอ่หุม้สารพนัธุกรรม - เพิ�มจาํนวนไดเ้ฉพาะในเซลลท์ี�มชีวีติเทา่นั *น

(Obligatory intracellular parasites)

• ไวรอยด ์(Viroid) - Circular RNA

- ไมม่เีอนไซม์ - ทั *งหมดก่อโรคในพชื - ไมม่โีปรตนีหอ่หุม้สารพนัธุกรรม

• พริออน (Prion)- มสีว่นประกอบเป็นโปรตนีอยา่งเดยีว ไมม่กีรดนิวคลอิกิ- มคีวามทนทานต่ออุณหภูมสิงู 90 oC ซึ�งทาํลายไวรสัได้

- ไมถ่กูยอ่ยทาํลายโดยเอนไซมท์ี�ยอ่ย DNA และ RNA ได้ การทําให้เกิดโรค

Bovine spongiform encephalopathy (BSE) : ในววั ซึ�งเกดิการระบาดในประเทศองักฤษและตดิต่อมายงัผูท้ี�รบัประทานเนื*อววัที�เป็นโรคเขา้ไป เนื*อสมองถกูทาํลายเป็นรพูรนุคลา้ยฟองนํ*าสมองถกูทาํลายเป็นรพูรนุคลา้ยฟองนํ*า

� ขอบเขตของวิชาจลุชีววิทยา

1. การศึกษาจลุินทรียเ์ฉพาะกลุ่ม

- แบคทีเรียวิทยา (Bacteriology) ศกึษาเกี�ยวกบัแบคทเีรยี

- โปรโตซวัวิทยา (Protozoology) ศกึษาเกี�ยวกบัโพรโทซวั

- ปรสิตวิทยา (Parasitology) ศกึษาเกี�ยวกบัโพรโทซวัที�ทาํให้

เกดิโรค หรอืเป็นปรสติ

- ราวิทยา (Mycology) ศกึษาเกี�ยวกบัเชื*อราและยสีต์

- ไวรสัวิทยา (Virology) ศกึษาเกี�ยวกบัไวรสั

- สาหร่ายวิทยา (Phycology) ศกึษาเกี�ยวกบัสาหรา่ย

2. การศึกษาจลุินทรียท์ี?เกี?ยวข้องกบัสิ?งแวดล้อม - จลุชีววิทยาทางนํ@ า (Aquatic Microbiology) ศกึษาเกี�ยวกบับทบาทและกจิกรรมของจุลนิทรยี์ในนํ*า

- จลุชีววิทยาของนม (Dairy Microbiology) ศกึษาบทบาทและกจิกรรมของจุลนิทรยีใ์นนม ศกึษาบทบาทและกจิกรรมของจุลนิทรยีใ์นนมและผลติภณัฑน์ม - จลุชีววิทยาทางอาหาร (Food Microbiology) ศกึษาบทบาทและกจิกรรมของจุลนิทรยีท์ี�อยูใ่นอาหาร

2. การศึกษาจลุินทรียท์ี?เกี?ยวข้องกบัสิ?งแวดล้อม (ต่อ) - จลุชีววิทยาทางอตุสาหกรรม (Industrial Microbiology) ศกึษาเกี�ยวกบัการนําจุลนิทรยีม์าใชป้ระโยชน์ในอุตสาหกรรม ต่างๆ เชน่ การผลติยาปฏชิวีนะ เอนไซม ์เป็นตน้

- จลุชีววิทยาของดิน (Soil Microbiology) ศกึษาบทบาทและกจิกรรมของจุลนิทรยีใ์นดนิที�ทาํใหเ้กดิการเปลี�ยนแปลงของสารต่างๆ ในดนิ

�ประวตัิของวิชาจลุชีววิทยา- แต่เดมิมนุษยเ์ชื�อวา่กาํเนิดของสิ�งมชีวีติมาจากสิ�งไม่มชีวีติ

(Abiogenesis หรอื spontaneous generation) ซึ�งมผีูส้นบัสนุนหลายคน จนถงึศตวรรษที� 17 จงึมผีูค้ดัคา้นแนวความคดินี*

- Francesco Redi (ค.ศ.1626-1697) นายแพทยช์าวเยอรมนัลบลา้งแนวความคดิของ abiogenesis โดยทดลองใหเ้หน็วา่หนอนไมไ่ดเ้กดิจากเนื*อเน่า โดยใสเ่นื*อลงในขวด 2 ชุด ชุดแรกเปิดฝาทิ*งไวป้รากฏว่าจากเนื*อเน่า โดยใสเ่นื*อลงในขวด 2 ชุด ชุดแรกเปิดฝาทิ*งไวป้รากฏว่าเกดิหนอนพรอ้มมแีมลงวนับนิเขา้ออก ชุดที�สองปิดฝาแน่น ไมป่รากฏวา่มหีนอนเกดิขึ*น

- Antonie van Leeuwenhoek (ค.ศ.1632-1723) เป็นผูใ้ชก้ลอ้งจุลทรรศน์ที�ประดษิฐข์ึ*นเองในปี ค.ศ.1673 ซึ�งขยายได ้300 เทา่สอ่งดูหยดนํ*าจากที�ต่างๆ ทาํใหเ้หน็สิ�งมชีวีติเลก็ๆ จาํนวนมาก

- John Needham (ค.ศ.1713-1781) ไดต้ม้นํ*ากบัเนื*อแกะ พบวา่มีแบคทเีรยีเกดิขึ*นจากเนื*อ จงึสรปุว่าสิ�งมชีวีติเกดิขึ*นเอง

- Lazzaro Spallanzani (ค.ศ.1729-1799) ทดลองตม้นํ*าเนื*อแลว้ปิดฝาใหแ้น่น กไ็มม่จีุลนิทรยีเ์กดิขึ*น แต่มคีนแยง้วา่อากาศซึ�งจาํเป็นสาํหรบัการเกดิสิ�งมชีวีติเขา้ไปไมไ่ด้

- Franz Schulze (ค.ศ.1815-1873) ไดพ้สิจูน์วา่อากาศเป็นตวันําเชื*อจุลนิทรยีเ์ขา้ไป โดยใหอ้ากาศผา่นสารละลายกรดแก่ก่อนเขา้ไปในเชื*อจุลนิทรยีเ์ขา้ไป โดยใหอ้ากาศผา่นสารละลายกรดแก่ก่อนเขา้ไปในนํ*าตม้เนื*อ กพ็บวา่ไมม่สีิ�งมชีวีติใดๆ เกดิขึ*น

- Theodor Schwann (ค.ศ.1810-1882) ทดลองใหอ้ากาศผา่นหลอดแกว้ที�เผาไฟจนรอ้น ก่อนที�อากาศจะผา่นเขา้สูส่ารอาหารที�กําลงัตม้ กพ็บว่าไมม่จีุลนิทรยีเ์กดิขึ*นในอาหาร

- Schultze และ Schwann ถูกแยง้ว่า การใหอ้ากาศผา่นกรดหรอืความรอ้นจะไปเปลี�ยนแปลงทาํใหอ้ากาศนั *นไมเ่หมาะกบัการเจรญิของสิ�งมชีวีติ

- Schroeder และ von Dusch ในราวปี 1850 ไดท้ดลองโดยใหอ้ากาศผา่นจุกสาํลทีี�อุดไวใ้นหลอดแกว้ก่อนที�จะเขา้ไปในอาหารในขวด พบวา่จุลนิทรยีจ์ะถกูกรองไวท้ี�สาํล ีดงันั *นจงึไมม่จีุลนิทรยีเ์ตบิโตในอาหาร วธิีนี*จงึเป็นจุดเริ�มตน้ของเทคนิคการอุดจุกสาํลใีนหอ้งปฏบิตักิาร

- Louis Pasteur (ค.ศ.1822-1896) เป็นคนแรก ที�พสิจูน์วา่สิ�งมชีวีติตอ้งเกดิจากสิ�งมชีวีติเท่านั *น โดยใชข้วดแกว้รปูคอหา่นที�โคง้งอ ตม้อาหารและ ใหอ้ากาศผา่นเขา้ออกตามปกต ิพบวา่ไมม่จีุลนิทรยี์ เกดิขึ*นในอาหาร เนื�องจากจลุนิทรยีแ์ละฝุน่ละอองเมื�อ เขา้ไปในขวดแกว้จะไปตดิอยูต่ามสว่นโคง้งอของหลอดแกว้ และถา้เอยีง ใหอ้าหารมาสมัผสักบัสว่นโคง้งอ กพ็บวา่อาหารจะขุน่เนื�องจากจุลนิทรยี์ เขา้ไปเจรญิได ้จงึตั *งเป็นทฤษฎีเชืhอโรค (germ theory of disease) จงึคดิวา่กน็่าจะ เขา้ไปเจรญิได ้จงึตั *งเป็นทฤษฎีเชืhอโรค (germ theory of disease) จงึคดิวา่กน็่าจะ เป็นสาเหตุทาํใหเ้กดิโรคในคนและสตัวไ์ด้

- Louis Pasteur (ค.ศ.1822-1896) - ยงัเป็นผูค้น้พบกระบวนการหมกัของจลุินทรีย ์(fermentation) ซึ�ง เกดิจากการกระทาํของจุลนิทรยีห์ลายชนิด เชน่ ยสีต ์

- ยงัพบวา่การที�เหลา้องุน่เสยีนั *นเกดิจากการกระทาํ ของแบคทเีรยีที�สรา้งกรดนํ*าสม้ ดงันั *นจงึตอ้งกําจดั จุลนิทรยีท์ี�ไมต่อ้งการโดยใชค้วามรอ้นตํ�า ซึ�งจะไม่ ทาํลายกลิ�น รส ของเหลา้องุน่ ซึ�งเรยีกวธิกีารนี*ว่า พาสเจอรไ์รเซชั ?น (pasteurization)

- Robert Koch (ค.ศ.1843-1910) - แพทยช์าวเยอรมนั ซึ�งกําลงัศกึษาสาเหตุของโรคแอนแทรกซไ์ด้สนบัสนุนทฤษฎขีอง Pasteur โดยสามารถแยกเชื*อแบคทเีรยีจากเลอืดของววัที�ตาย เลี*ยงใหเ้ป็นเชื*อบรสิทุธิ q และแยกไดว้า่เป็นเชื*อ Bacillus anthracis นอกจากนี*ยงั

ไดศ้กึษาหาสาเหตุของโรคต่างๆ โดย เป็นคนแรกที�ไดร้วบรวมขอ้มลูและพสิจูน์ ไดศ้กึษาหาสาเหตุของโรคต่างๆ โดย เป็นคนแรกที�ไดร้วบรวมขอ้มลูและพสิจูน์ ใหเ้หน็วา่จุลนิทรยีเ์ป็นสาเหตุทาํใหเ้กดิ โรคในสตัวไ์ด ้จงึตั *งเป็นสมมตฐิานที�เกี�ยว ขอ้งกบัการเกดิโรควา่ สมมติฐานของคอคซ ์

(Koch’s postulate)

สมมติฐานของคอคซ์ (Koch’s postulate)1. ตอ้งพบจุลนิทรยีใ์นสตัวห์รอืสิ�งมชีวีติที� ปว่ยเป็นโรค2. สามารถแยกจุลนิทรยีอ์อกจากสิ�งมชีวีติ นั *นและเลี*ยงใหเ้ป็นเชื*อบรสิทุธิ qได้3. ใชเ้ชื*อบรสิทุธิ qนั *นปลกู (inoculate) ลงใน สตัวท์ดลองที�ไมป่ว่ย กส็ามารถทาํให้3. ใชเ้ชื*อบรสิทุธิ qนั *นปลกู (inoculate) ลงใน สตัวท์ดลองที�ไมป่ว่ย กส็ามารถทาํให้ เกดิโรคได้4. สามารถแยกเชื*อบรสิทุธิ qออกจากสตัวท์ี� ปว่ยได ้และเป็นเชื*อแบบเดยีวกบัที�แยก ไดใ้นครั *งแรก

หลงัจากนั *นจงึเป็นจุดเริ�มตน้ของการคน้พบสาเหตุของโรคที�เกดิจากแบคทเีรยีจาํนวนมาก เชน่- Edward Jenner (ค.ศ.1714-1823) ทดลองนําหนองฝีจากววัที�เป็นโรคฝีดาษมาใสใ่นคน เพื�อกระตุน้ใหร้า่งกายสรา้งภมูคิุม้กนัต่อโรคฝีดาษ ซึ�งเป็นหลกัการของการทาํวคัซนีในปจัจุบนั

- Edwin Klebs และ Federick Loeddler คน้พบเชื*อโรคคอตบีในปี ค.ศ.1883 และพบวา่มนัสรา้งสารพษิได้ค.ศ.1883 และพบวา่มนัสรา้งสารพษิได้

- Winogradsky ชาวรสัเซยี พบจุลนิทรยีใ์นดนิที�ตรงึก๊าซไนโตรเจนจากอากาศรว่มกบั Beijerinck

- ในปี ค.ศ. 1901 Beijerinck พบเชื*อ Azotobacter ซึ�งเป็นแบคทเีรยีที�ตรงึก๊าซไนโตรเจนแบบอสิระในดนิ ที�ชว่ยเพิ�มความอุดมสมบรูณ์ของดนิ

- ในปี ค.ศ. 1886 E. Mayer พบโรคจุดของยาสบูและสามารถถ่ายทอดไปตน้ใหมผ่า่นนํ*าคั *นจากตน้ที�เป็นโรค

หนังสืออ่านประกอบ

นงลกัษณ์ สวุรรณพนิิจ และปรชีา สวุรรณพนิิจ. 2557. จุลชวีวทิยาทั �วไป. พมิพค์รั *งที� 10. จุฬาลงกรณ์มหาวทิยาลยั

Talaro, K.P. and Talaro, A. 2001. Foundation in Microbiology. McGraw-Hill Company.