HỮNG CUỘC PHIÊU LƯU TRONG QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH CƠ THỂ

Những lúc không ra ngoài tìm kiếm hóa thạch thì tôi dành phần lớn thời gian học sau đại học làm việc với kính hiển vi, quan sát cách thức các tế bào tập hợp lại với nhau để tạo xương.

Tôi lấy chi đang phát triển của một con cá cóc hoặc một con ếch, nhuộm các tế bào bằng thuốc nhuộm. Thuốc nhuộm sẽ nhuộm xanh sụn đang phát triển và nhuộm đỏ xương. Sau đó, tôi có thể làm cho những loại mô khác trở nên trong suốt bằng cách xử lý chi với glycerin. Những mẫu này trông thật là đẹp: phôi hoàn toàn trong suốt và tất cả xương bắt màu thuốc nhuộm. Cứ như thể nhìn vào những sinh vật làm bằng thủy tinh.

Suốt trong những giờ miệt mài bên chiếc kính hiển vi ấy, tôi đã thực sự quan sát một con vật được tạo thành như thế nào. Các phôi bào nguyên thủy nhất có mầm chi nhỏ xíu và các tế bào bên trong được sắp xếp đều đặn. Sau đó, ở giai đoạn phát triển về sau, các tế bào kết thành khối bên trong mầm chi. Ở những phôi phát triển hơn, các tế bào có hình dạng khác nhau và xương được hình thành. Mỗi khối tế bào tôi theo dõi trong giai đoạn phát triển sớm của phôi trở thành một chiếc xương.

Thật khó mà tránh được cảm giác kinh ngạc khi quan sát quá trình con vật được hình thành. Giống như một ngôi nhà xây bằng gạch, chi được hình thành từ những mảnh ghép nhỏ hơn để từ đó tạo thành một cấu trúc lớn hơn. Nhưng có một sự khác biệt lớn. Ngôi nhà có người xây dựng, một người nào đó thực sự biết cần đặt những viên gạch vào đâu; chi và cơ thể thì không như vậy. Thông tin sử dụng để xây dựng nên các chi không nằm ở sơ đồ kiến trúc mà nó được chứa trong mỗi tế bào. Bạn hãy thử tưởng tượng một ngôi nhà được tự xây dựng nhờ vào thông tin trong mỗi viên gạch: đó là cách mà các cơ thể động vật được tạo nên.

Nhiều thông tin sử dụng cho việc hình thành cơ thể được giữ trong tế bào. Trên thực tế, hầu hết các thông tin đặc trưng cho mỗi người trong chúng ta cũng nằm ở đó. Cơ thể của chúng ta khác với cơ thể của một con sứa ở cách các tế bào gắn với nhau, ở cách chúng trao đổi thông tin và ở cả các vật liệu do tế bào tạo nên.

Thậm chí trước khi chúng ta có thể có một “sơ đồ cơ thể” – chứ chưa nói tới đầu, bộ não hoặc cánh tay – thì trước hết phải có một cách tạo ra cơ thể. Điều này nghĩa là gì? Để tạo ra tất cả các mô và cấu trúc của cơ thể, các tế bào phải biết cách phối hợp với nhau – tập hợp cùng nhau để tạo thành một loại cá thể hoàn toàn mới.

Để hiểu được ý nghĩa của điều này, trước tiên hãy tìm hiểu xem một cơ thể là gì. Sau đó, hãy giải đáp ba câu hỏi lớn về cơ thể: Khi nào? Như thế nào? và Tại sao? Các cơ thể xuất hiện khi nào, chúng hình thành như thế nào, và quan trọng nhất là, tại sao lại có cơ thể?

BẠN CÓ CƠ THỂ: HÃY CHO TÔI XEM CƠ THỂ BẠN

Không phải mọi khối tế bào đều có vinh dự được gọi là cơ thể. Một nhóm vi khuẩn hoặc một nhóm tế bào da là những thứ khác hẳn so với tập hợp tế bào mà ta có thể gọi là một cá thể. Đây là sự khác biệt cơ bản; một thí nghiệm giả định sẽ giúp chúng ra thấy rõ sự khác nhau này.

Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn lấy một số vi khuẩn ra khỏi một khóm vi khuẩn? Bạn sẽ thu được một khóm vi khuẩn nhỏ hơn. Điều gì sẽ diễn ra khi bạn lấy một số tế bào ra khỏi cơ thế người hoặc cá, chẳng hạn như từ tim hoặc não bộ? Bạn sẽ có một con người hoặc một con cá chết, phụ thuộc vào loại tế bào nào bạn lấy đi.

Như vậy thí nghiệm giả định này cho thấy một trong những đặc điểm gắn liền với cơ thể là: các bộ phận trong cơ thể chúng ta gắn kết với nhau tạo thành một thể toàn vẹn lớn hơn. Nhưng không phải tất cả các bộ phận của cơ thể đều có vai trò như nhau; một số bộ phận là tuyệt đối cần thiết cho sự sống. Hơn nữa, trong cơ thể có sự phân công lao động giữa các bộ phận; bộ não, tim và dạ dày có những chức năng riêng biệt. Sự phân công lao động này ảnh hưởng tới từng bậc cấu trúc nhỏ nhất, trong đó có tế bào, gene, và những protein tạo nên cơ thể.

Cơ thể của một con giun hay một con người có một đặc tính mà các phần cấu thành – các cơ quan, mỏ và tế bào – không có. Ví dụ như các tế bào da của chúng ta liên tục phân chia, chết đi và bị bong ra. Thế nhưng hạn vẫn là cùng một cá thể so với 7 năm về trước, mặc dù hầu như mọi tế bào da giờ đã là tế bào khác: những tế bào đã có trước đây đã chết và biến mất, thay vào đó là các tế bào mới. Điều này cũng diễn ra tương tự với hầu hết mọi loại tế bào trong cơ thể. Giống như một dòng sông vẫn là chính nó bất chấp những thay đổi về dòng chảy, thành phần nước, thậm chí kích thước, chúng ta vẫn là chính mình bất chấp sự thay đổi liên tục của các bộ phận trong cơ thể.

Và bất chấp sự thay đổi liên tục này, mỗi cơ quan của chúng ta “biết” rõ kích thước và vị trí của mình trong cơ thể. Chúng ta phát triển theo tỉ lệ chính xác vì sự tăng trưởng của xương trong cánh tay được phối hợp đồng bộ với sự tăng trưởng của xương ở các ngón tay và hộp sọ của chúng ta. Da của chúng ta láng mịn vì các tế bào có thể trao đổi thông tin để duy trì tính toàn vẹn và cân đối của bề mặt, cho đến khi có điều gì đó bất thường xảy ra, ví dụ như chúng ta bị mụn cơm. Các tế bào bên trong mụn cơm không phát triển theo quy luật: chúng không biết khi nào thì phải ngừng tăng trưởng.

Khi sự cân bằng nhịp nhàng giữa các bộ phận trong cơ thể bị phá vỡ thì sinh vật có thể chết. Ví dụ, một khối bướu ung thư hình thành khi một nhóm tế bào không còn hợp tác với nhau nữa. Do sự phân chia không có điểm dừng hoặc không chết theo đúng quy luật, những tế bào này có thể phá hủy sự cân bằng cần thiết tạo nên một cơ thể sống. Ung thư sẽ phá vỡ quy luật cho phép các tế bào hợp tác với nhau. Giống như những kẻ xấu phá hủy các xã hội có tính hợp tác cao, ung thư chỉ hoạt động dựa trên lợi ích của chính nó cho tới khi chúng giết chết tập hợp tế bào lớn hơn, tức là cơ thể con người.

Điều gì đã khiến cho sự phức tạp này có thể tồn tại? Để cho các tổ tiên xa xôi của chúng ra phát triển từ các sinh vật đơn bào cho tới các sinh vật có cơ thể, giống như chúng đã làm trên một tỉ năm trước đây, các tế bào của chúng phải sử dụng các cơ chế mới để phối hợp nhau. Chúng cần có khả năng truyền thông tin với nhau. Chúng cần có khả năng gắn kết với nhau theo các cách mới. Và chúng cần có khả năng tạo ra cấu trúc mới, chẳng hạn như các phân tử tạo ra những cơ quan riêng biệt. Những đặc điểm này – sự gắn kết giữa các tế bào, cách thức các tế bào có thể “nói chuyện” với nhau, và các phân tử mà tế bào tạo ra – hình thành bộ công cụ cần có để kiến tạo nên tất cả các loại cơ thể khác nhau mà chúng ta thấy trên đời.

Việc phát minh ra các công cụ này chẳng khác gì một cuộc cách mạng. Sự chuyển đổi từ các động vật đơn bào thành động vật có cơ thể mở ra một thế giới hoàn toàn mới. Các sinh vật mới với những khả năng hoàn toàn mới xuất hiện: chúng có kích thước lớn, chúng di chuyển, chúng phát triển các cơ quan mới giúp chúng cảm nhận, ăn và tiêu hóa thế giới của chúng.

KHAI QUẬT CÁC CƠ THỂ

Một ý nghĩ bình thường dành cho tất cả chúng ta, từ giun, cá cho tới con người: phần lớn lịch sử sự sống là câu chuyện liên quan tới các sinh vật đơn bào. Hầu như mọi điều chúng ta đề cập tới giờ – các loài động vật có tay, đầu, cơ quan cảm giác, thậm chí có sơ đồ cơ thể – mới chỉ xuất hiện trong một thời gian ngắn của lịch sử trái đất. Những người giảng dạy cổ sinh học trong số chúng tôi thưởng sử dụng sự so sánh tương tự của “tuổi trái đất” đế minh họa giai đoạn nhỏ bé đó. Lấy toàn bộ lịch sử 4,5 tỉ năm của trái đất thu ngắn lại thành 1 năm, với ngày 1 tháng 1 là khi trái đất hình thành và nửa đêm ngày 31 tháng 12 là thời điểm hiện tại. Cho tới tháng 6, các sinh vật xuất hiện trên trái đất chỉ là các vi sinh vật cấu tạo đơn bào như tảo, vi khuẩn, và amip. Động vật có đầu chưa xuất hiện cho tới tận tháng 10. Con người đầu tiên xuất hiện vào ngày 31 tháng 12. Cũng giống như các động vật và thực vật đã từng tồn tại, chúng ta là những sinh thể sinh sau đẻ muộn của trái đất.

Sự vĩ đại của thước đo thời gian này trở nên thực sự rõ ràng khi chúng ta nhìn vào các lớp đất đá của thế giới. Các tầng đá trên 600 triệu năm tuổi thường không có động vật hoặc thực vật. Ở trong đó, chúng ta chỉ tìm thấy các sinh vật đơn bào và các tập đoàn vi tảo. Những tập đoàn này ở dưới dạng sợi hoặc khối; một số tập đoàn có hình nắm đấm cửa. Chúng ta sẽ không thế nào nhầm những sinh thể này với những cơ thể chuyên hóa.

Những người đầu tiên nhìn thấy các dạng cơ thể nguyên thủy nhất trong hóa thạch đã không hề biết họ đang thấy cái gì. Từ những năm 1920 đến những năm 1960, các hóa thạch thực sự kỳ quặc bắt đầu xuất hiện bất ngờ ở nhiều nơi trên thế giới. Trong những năm 1920 và 1930, Martin Gurich, một nhà cổ sinh vật người Đức làm việc ở địa bàn hiện nay thuộc Namibia, đã phát hiện ra một loạt các vết in trông giống như cơ thể động vật. Có hình dạng giống những cái đĩa, những sinh vật này có vẻ không có gì đặc biệt: chúng có thể là tảo nguyên thủy hoặc sứa sông ở các vùng biển cổ.

Vào năm 1947, một nhà địa chất mỏ người Australia tên là Reginald Sprigg tình cờ tìm thấy một địa điểm mà mặt dưới các tảng đá có những vết in hình đĩa, dải và lá.

Làm việc xung quanh khu mỏ bị bỏ hoang ở Ediacara Hills thuộc miền Nam Australia, Sprigg phát hiện ra một bộ sưu tập các hóa thạch này và mô tả chúng một cách cần mẫn. Theo thời gian, những vết in tương tự được tìm thấy tại tất cả các lục địa trên thế giới chỉ trừ vùng Nam Cực. Loài sinh vật Sprigg tìm ra trông khá kỳ lạ nhưng ít ai quan tâm tới chúng một cách thực sự.

Sự lãnh đạm của giới cổ sinh học xuất phát từ lý do các hóa thạch bị cho rằng thuộc tầng đá tương đối trẻ của kỷ Cambri, khi mà nhiều hóa thạch động vật có cơ thể nguyên thủy đã được biết đến. Các hóa thạch của Sprigg và Gurich đã không được lưu tâm, chúng chỉ là một tập hợp những vết in không thực sự gây hứng thú mặc dù lạ mắt từ một thời kỳ cổ đại đã có mặt khá nhiều trong các bộ sưu tập của các bảo tàng trên thế giới.

Vào giữa những năm 1960, Martin Glaessner, một người Áo có uy tín sống ở Úc, đã thay đổi tất cả điều đó. Sau khi so sánh những tầng đá này với các tầng đá khác trên thế giới, Glaessner đã chỉ ra rằng không nghi ngờ gì nữa, những hóa thạch này có niên đại cổ hơn từ 15 đến 20 triệu năm so với quan niệm ban đầu. Chúng không phải là các vết in vô nghĩa – thay vào đó, Gurich, Sprigg và những người khác đã tìm thấy những cơ thể nguyên thủy nhất.

Những hóa thạch này có nguồn gốc từ thời kỳ được gọi là tiền Cambri, nghĩa đen là “Trước khi có sự sống”. Hiểu biết của chúng ta về sự cổ xưa của sự sống đã sụp đổ. Những món đồ cũ kỹ của cổ sinh học đã trở thành những viên ngọc quý của khoa học.

Một thang chia thời gian về các sự kiện trong lịch sử sự sống. Lưu ý tới thời kỳ cực kỳ dài trên trái đất chưa có các sinh vật với cơ thể phân hóa, chỉ có các sinh vật đơn bào sống đơn độc hoặc sống thành tập đoàn.

Các dạng đĩa, dải và lá thời kỳ tiền Cambri rõ ràng là thuộc về các sinh vật cổ xưa nhất có cơ thể chuyên hóa. Đúng như chúng ta mong đợi ở những hóa thạch động vật nguyên thủy khác, những sinh vật cổ xưa này bao gồm các đại diện của một số động vật nguyên thủy nhất trên trái đất hiện nay như: bọt biển và sứa. Các hóa thạch tiền Cambri khác trông chẳng giống sinh vật nào mà chúng ta đã biết. Chúng ta có thể nói rằng những hóa thạch đó là những vết in của sinh vật nào đó đã có cấu tạo cơ thể, nhưng kiểu hình dạng sợi, dạng khối và hình hài của chúng đều không tương ứng với sinh vật đương đại nào.

Từ đây đã có một thông điệp rất rõ ràng: sinh vật đa bào bắt đầu cư trú trong môi trường biển cách đây 600 triệu năm. Những sinh vật này có cơ thể rõ ràng và chúng không chỉ là những tập đoàn tế bào. Chúng có kiểu mẫu đối xứng và trong một số trường hợp chúng giống với những dạng sống đương đại. Còn đối với những sinh vật không thể so sánh trực tiếp với các dạng sống hiện nay, những phần khác nhau của cơ thể chúng có các cấu trúc chuyên hóa. Điều này ngụ ý rằng các sinh vật thời tiền Cambri đã có một mức độ tổ chức sinh học mà ở thời điểm đó là hoàn toàn mới trên hành tinh.

Bằng chứng của những sự thay đổi trên không chỉ thể hiện trong các dạng cơ thể hóa thạch mà còn ngay trong các tầng đá. Những cơ thể đầu tiên đã tạo ra những vết di chuyển đầu tiên. Những dấu vết đầu tiên về những sinh vật thực sự biết bò và trườn trong bùn đã được khắc họa trên đá. Những vết di chuyển sớm nhất, các vết hình dải dài trong bùn cổ đại, cho thấy một số trong những sinh vật có cơ thể này có thể thực hiện các chuyển động khá phức tạp. Không chỉ có cấu tạo cơ thể gồm các phần có thể nhận biết được mà chúng đã thực sự sử dụng những bộ phận này để di chuyển theo các cách thức mới.

Tất cả những điều này thực sự có ý nghĩa. Chúng ta nhìn thấy các cơ thể đầu tiên trước khi chúng ta thấy được sơ đồ cấu tạo nên cơ thể. Chúng ta thấy sơ đồ cơ thể nguyên thủy đầu tiên trước khi chúng ta thấy sơ đồ cơ thể có đầu, và cứ tiếp tục như thế. Giống như vườn thú tưởng tượng chúng ta đã thấy ở chương đầu của cuốn sách này, các tầng đá trên thế giới được sắp xếp rất trật tự.

Như chúng ta nói tới ở phần mở đầu chương này, chúng ta nghiên cứu các vấn đề liên quan tới thời điểm, cách thức và lý do hình thành cơ thể. Các khám phá thời tiền Cambri đã cho chúng ta biết thời điểm xuất hiện cơ thể. Để tìm hiểu cách thức, và trên hết là lý do, thì chúng ta cần có một cách tiếp cận hơi khác một chút.

CHỨNG CỨ Ở NGAY BÊN TRONG CƠ THỂ CHÚNG TA

Một bức ảnh không bao giờ nắm bắt được bao nhiêu phần cơ thể chúng ta có thể được tìm thấy trong những dạng hình đĩa, hình dải, hình lá thời tiền Cambri. Loài người chúng ta, với cơ thể phức tạp như thế, có gì chung với những hình hài in trong các tầng đá, đặc biệt những hóa thạch trông giống như con sứa bị gấp nếp và những cuộn phim bị đè bẹp?

Câu trả lời là hoàn toàn có và không thể chối cãi, khi chúng ta thấy bằng chúng: những “thứ” gắn kết cơ thể chúng ta – giúp cơ thể chúng ta có thể tồn tại – không khác biệt so với những gì tạo nên cơ thể sinh vật cổ đại của Gurich và Sprigg. Trên thực tế, khung giàn của toàn bộ cơ thể chúng ta thực chất bắt nguồn từ một gốc cổ xưa: các động vật đơn bào.

Điều gì đã giữ một đám tế bào lại với nhau, dù là để tạo nên một con sứa hay một nhãn cầu? Ở những sinh vật giống chúng ta, chất kết dính sinh học cực kỳ phức tạp; nó không chỉ giữ các tế bào của chúng ta lại với nhau mà còn cho phép các tế bào trao đổi thông tin và hình thành nên phần nhiều các cấu trúc cơ thể. Chất kết dính không phải chỉ có một; nó bao gồm nhiều loại phân tử khác nhau giúp kết nối và đóng vai trò trung gian giữa các tế bào. Ở mức độ hiển vi, nó tạo cho mỗi mô và cơ quan một hình hài và chức năng riêng biệt. Một nhãn cầu trông khác với xương chân cho dù chúng ra có đem soi dưới kính hiển vi hay nhìn bằng mắt thường. Trên thực tế, nhiều điểm khác nhau giữa xương chân và mắt nằm ở cách sắp xếp sâu bên trong của các tế bào và vật liệu.

Vài năm qua, tôi đã khiến các sinh viên trường y quay cuồng với những khái niệm này trong các học kỳ mùa thu. Các sinh viên năm thứ nhất hay lo lắng đã phải học cách xác định các cơ quan khi nhìn dưới kính hiển vi các lát cắt ngẫu nhiên của một mô. Các em làm việc này như thế nào đây?

Công việc này hơi giống việc bạn phải đoán ra mình đang ở nước nào khi nhìn vào bản đồ đường bộ của một ngôi làng nhỏ. Nhiệm vụ này có thể làm được nhưng chúng ta cần có các manh mối thích hợp. Ở các cơ quan trong cơ thể, một số manh mối tốt nhất nằm ở hình dạng các tế bào và cách chúng gắn kết với nhau; việc xác định những thứ nằm giữa chúng cũng có vai trò quan trọng. Các mô có nhiều loại tế bào khác nhau, vốn gắn kết với nhau theo các cách khác biệt: một số vùng có hình dải hoặc dạng cột tế bào; ở các mô khác, các tế bào phân tán rải rác ngẫu nhiên và gắn với nhau lỏng lẻo. Những vùng này, nơi các tế bào được gắn lỏng lẻo, thường chứa đầy vật liệu cấu tạo đặc trưng cho tính chất vật lý của từng mô. Ví dụ, các chất khoáng nằm giữa tế bào xương làm mô xương cứng trong khi các protein lỏng lẻo hơn ở tròng trắng của mắt lại tạo ra thành của nhãn cầu mềm dẻo.

Khả năng xác định các cơ quan trên các lát cắt tiêu bản hiển vi của các sinh viên bắt nguồn từ kiến thức về cách sắp xếp của các tế bào và những chất nằm giữa chúng. Đối với chúng ta nó có một ý nghĩa sâu xa hơn. Các phân tử giúp tạo ra sự sắp xếp tế bào là những phân tử tham gia vào kiến tạo nên cơ thể sống. Nếu không có cách nào gắn kết các tế bào với nhau, hay nếu không có các vật liệu ở giữa các tế bào, sẽ không có các cơ thể sống trên trái đất - thay vào đó chỉ là một đống các tế bào riêng lẻ. Điều này có nghĩa là để hiểu được lý do và cách các cơ thể được hình thành, điểm đầu tiên cần quan sát là các phân tử này: các phân tử giúp các tế bào kết dính với nhau, các phần tử cho phép các tế bào trao đổi thông tin và các chất nằm giữa các tế bào.

Để hiểu được mối liên hệ giữa cấu trúc phân tử này với cơ thể chúng ta, hãy tập trung vào các chi tiết của một bộ phận cơ thể: bộ xương của chúng ta. Bộ xương của chúng ta là một ví dụ thuyết phục cho thấy cách các phân tử nhỏ bé có thể tạo ra ảnh hưởng lớn lên cấu trúc cơ thể và minh chứng cho các nguyên lý chung áp dụng được: cho tất cả các bộ phận trong cơ thể. Nếu không có bộ xương thì chúng ta đã là những khối mô không có hình dạng. Sống ở trên mặt đất sẽ không dễ dàng hoặc thậm chí là không thể. Quá nhiều hoạt động sinh học và hành vi cơ bản của chúng ta thực hiện được là nhờ bộ xương đến nỗi chúng ta thường coi đó là chuyện dĩ nhiên. Bất kể lúc nào chúng ta đi bộ, chơi piano, hít thở hoặc nhai thức ăn thì chúng ta đều phải cảm ơn bộ xương.

Công việc của bộ xương trong cơ thể chúng ta có nhiều điểm tương đồng với một cây cầu. Độ chịu lực của một cây cầu phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và tỉ lệ các phần của dầm cầu và cáp treo. Nhưng quan trọng không kém, độ chịu lực của cây cầu phụ thuộc vào các đặc tính hiển vi của vật liệu tạo nên nó. Cấu trúc phân tử của thép sẽ xác định độ chịu lực của cầu và độ uốn trước khi gãy. Tương tự như vậy, độ chịu lực của bộ xương của chúng ta phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và cả đặc tính phân tử của từng xương.

Chúng ta hãy chạy bộ để kiểm nghiệm bộ xương làm việc ra sao. Khi chúng ra chạy trên một con đường, cơ sẽ co, lưng, cánh tay và cẳng chân di chuyển còn bàn chân dậm lên mặt đất đẩy chúng ra về phía trước. Xương và khớp của chúng ta có chức năng như một tổ hợp đòn bẩy và ròng rọc khổng lồ để giúp toàn bộ các cử động đó thực hiện được. Cử động của cơ thể chúng ra được chi phối bởi các quy luật vật lý cơ bản: khả năng chạy của chúng ta phần lớn phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và tỉ lệ của bộ xương, cũng như cấu tạo của các khớp. Ở mức độ này, toàn bộ cơ thể của chúng ta được ví nhu một cỗ máy lớn. Và giống như một cỗ máy, thiết kế của chúng ta sẽ phù hợp với chức năng. Một vận động viên nhảy cao đẳng cấp quốc tế có tỉ lệ xương khác với một nhà vô địch vật sumo. Tỉ lệ các chân của một con thỏ hoặc một con ếch, các loài chuyên hóa cho lối di chuyển bằng bước nhảy, sẽ khác với tỉ lệ ở một con ngựa.

Bây giờ, hãy quan sát ở mức độ hiển vi hơn. Lấy một lát cắt xương đùi đem soi dưới kính hiển vi, bạn sẽ lập tức thấy điều gì đã làm cho xương có các đặc tính cơ học chuyên biệt. Các tế bào được sắp xếp có trật tự ở mức độ cao tại nhiều vị trí, đặc biệt ở mép ngoài của xương. Một số tế bào kết dính với nhau trong khi số khác lại tách biệt. Giữa các tế bào tách biệt là vật liệu quyết định sự bền chắc của xương. Một trong số đó là dạng đá hoặc tinh thể, còn gọi là chất hydroxyapatite mà chúng ta đã đề cập đến ở Chương 4. Hydroxyapatite cứng như bê tông: cứng khỏe khi bị nén ép, kém bền hơn khi bị vặn xoắn hoặc bẻ cong. Như vậy, giống như một tòa nhà được xây nên từ gạch hoặc bê tông, các xương được tạo hình để tăng tối đa chức năng chịu lực nén và giảm thiểu khả năng bẻ cong và vặn xoắn, một điều mà Galileo đã nhận biết từ thế kỷ 17.

Phân tử còn lại nằm giữa các tế bào xương là một protein thông dụng nhất có trong toàn bộ cơ thể người. Nếu chúng ta phóng đại nó lên 10.000 lần bằng một kính hiển vi điện tử thì chúng ta sẽ thấy cấu tạo trông giống như một sợi dây thừng gồm nhiều bó sợi có kích thước phân tử. Phân tử này, sợi collagen, cũng có đặc tính cơ học như sợi dây thừng. Khi bị kéo, dây thừng khá chắc nhưng nếu bị nén nó sẽ bị sụp xuống; hãy tưởng tượng hai đội trong trò chơi kéo co đẩy vào giữa. Collagen giống như sợi dây thừng, chắc khi bị kéo căng nhưng lại yếu khi các đầu tận cùng bị đẩy dồn lại với nhau.

Xương bao gồm các tế bào nằm trong một biển chất hydroxyapatite, collagen và một số các phân tử khác ít phổ biến hơn. Một số tế bào kết dính với nhau; các tế bào khác trôi nổi trong những vật liệu cấu tạo này. Độ cứng chắc của xương phụ thuộc vào độ chắc khỏe của sợi collagen khi bị kéo căng, và dựa trên độ vững chắc của chất hydroxyapatite khi bị nén.

Sụn, một loại mô khác trong bộ xương của chúng ta, có chức năng khá khác biệt. Trong quá trình chạy bộ, sụn tại các khớp của chúng ta cung cấp bề mặt nhẵn tại những điểm xương trượt trên nhau. Sụn là mô mềm dẻo hơn nhiều so với xương; nó có thể bẻ cong và chịu lực khi bị tác động. Hoạt động mềm mại của khớp gối cũng như hầu hết các khớp khác mà chúng ta dùng tới khi chạy bộ phụ thuộc vào lớp sụn tương đối mềm này. Khi sụn khỏe mạnh bị nén, nó luôn trở về hình dạng ban đầu, giống như một miếng bọt biển rửa bát. Trong mỗi bước chạy, toàn bộ khối lượng cơ thể của chúng ta va chạm với mặt đất với một tốc độ nhất định. Nếu không có những mũ bảo vệ này ở các khớp, xương sẽ cọ xát với nhau: một hậu quả rất khó chịu và gây suy nhược của bệnh viêm khớp.

Tính mềm dẻo của sụn là một đặc tính do cấu trúc hiển vi của nó tạo nên. Sụn ở các khớp có khá ít tế bào và những tế hào này tách biệt bởi nhiều chất gian bào nằm giữa chúng. Ví như ở xương, đặc tính của gian bào xác định phần lớn đặc tính cơ học của sụn.

Sợi collagen chiếm nhiều khoảng trống giữa các tế bào sụn (cũng như các tế bào ở những mô khác). Thứ thực sự tạo cho sụn sự mềm dẻo là một loại phân tử khác, một trong số các phân tử phi thường nhất trong toàn bộ cơ thể. Loại phân tử này, được gọi là phức chất proteoglycan, làm sụn cứng chắc khi vặn xoắn hoặc bị nén. Với hình dạng giống một cây chổi ba chiều khổng lồ có cán dài và nhiều nhánh nhỏ, phức chất proteoglycan có thể nhìn thấy được dưới kính hiển vi. Nó có một đặc tính đáng kinh ngạc liên quan tới khả năng đi bộ và cử động của chúng ta, nhờ vào tính chất ưa nước của các nhánh nhỏ này. Phức chất proteoglycan là phân tử thực sự phồng lớn khi ngậm nước, lấy đầy nước cho tới khi nó giống một miếng thạch khổng lồ. Lấy một mẩu gelatin này, cuốn những sợi thừng collagen bên trong và quanh nó thì bạn sẽ có một chất vừa mềm dẻo vừa chống chịu khá tốt với lực căng, về cơ bản đây là sụn. Một tấm đệm hoàn hảo cho khớp của chúng ta. Vai trò của tế bào sụn là sản sinh ra những phân tử này khi động vật đang sinh trưởng và duy trì chúng khi động vật hết phát triển.

Tỉ lệ giữa các vật liệu khác nhau xác định nhiều điểm khác biệt cơ học giữa xương, sụn và răng. Răng rất cứng và, như có thể dự đoán được, chứa rất nhiều chất hydroxyapatite và tương đối ít sợi collagen giữa các tế bào trong men răng. Xương có tương đối nhiều collagen hơn, ít chất hydroxyapatite hơn và không có men. Hệ quả là nó không cứng được như răng. Sụn có rất nhiều collagen, không có chất hydroxyapatite và được lấp đầy bằng nhiều phức chất proteoglycan. Sụn là mô mềm nhất trong bộ xương của chúng ta. Một trong những lý do chính khiến bộ xương của chúng ta có hình thái và chức năng như vậy là do những phân tử này được bố trí đúng vị trí với tỉ lệ phù hợp.

Tất cả những cấu tạo này có vai trò gì trong nguồn gốc của cơ thể? Một đặc tính chung của động vật cho dù chúng có bộ xương hay không là: tất cả chúng, gồm các khối tế bào, đều có các phân tử gian bào, cụ thể là các loại collagen và proteoglycan khác nhau. Collagen có vẻ đặc biệt quan trọng: là protein phổ biến nhất trong cơ thể động vật, chiếm tới hơn 90 phần trăm trọng lượng protein của cơ thể. Sự hình thành cơ thể từ thời xa xưa đòi hỏi các phân tử như thế này phải được tạo mới.

Một số thứ khác cũng cần thiết cho cơ thể: các tế bào trong xương chúng ta phải có khả năng kết dính với nhau và trao đổi thông tin với nhau. Các tế bào xương liên hệ với nhau như thế nào và các phần khác nhau của xương biết phải hoạt động khác nhau ra sao? Đây chính là nơi nắm giữ bộ dụng cụ tạo nên cơ thể.

Các tế bào xương, giống như mọi tế bào khác trong cơ thể của chúng ta, kết dính với nhau bằng các đinh tán phân tử nhỏ bé. Chúng có mức độ đa dạng rất cao. Một số gắn kết các tế bào giống như keo gắn đế giày: một phân tử gắn chặt với màng ngoài của một tế bào, một phân tử khác gắn với màng ngoài của tế bào kế bên. Bằng cách gắn với màng ngoài của cả hai tế bào, chất kết dính này tạo thành một liên kết ổn định giữa hai tế bào.

Các đinh tán phân tử khác chính xác tới mức chúng chỉ gắn kết một cách chọn lọc với các đinh tán cùng chủng loại. Đây là một đặc điểm cực kỳ quan trọng vì nó giúp tổ chức cơ thể của chúng ta theo một cách thức cơ bản. Những đinh tán chọn lọc này cho phép các tế bào tự tổ chức và đảm bảo rằng các tế bào xương kết dính với tế bào xương, tế bào da kết dính với tế bào da, v.v... Chúng có thể tổ chức cơ thể của chúng ta khi không có các thông tin khác. Nếu chúng ta đặt nhiều tế bào, mỗi loại tế bào có một loại đinh tán khác nhau, lên một chiếc đĩa và để cho các tế bào sinh trưởng, các tế bào sẽ tự tổ chức sắp xếp. Khi các tế bào sắp xếp theo số lượng và các loại đinh tán mà chúng có, một số tế bào sẽ tạo ra hình cầu, số khác hình tấm.

Nhưng có thể cho rằng sự kết nối quan trọng nhất giữa các tế bào nằm ở cách chúng trao đổi thông tin với nhau. Các kiểu mẫu chính xác của bộ xương con người, thực tế là toàn bộ cơ thể của chúng ta, chỉ tồn tại được vì các tế bào biết cách vận hành. Các tế bào cần biết khi nào chúng phân chia, khi nào tổng hợp phân tử và khi nào chết đi. Ví dụ nếu các tế bào xương hoặc da vận hành không theo quy luật – nếu chúng phân chia quá nhiều hoặc chết đi quá ít – thì chúng ta sẽ rất xấu xí hoặc tệ hơn nữa là chết.

Các tế bào trao đổi thông tin với nhau bằng cách sử dụng các “từ” được viết dưới dạng phân tử vốn di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác. Một tế bào có thể “nói” với tế bào kế tiếp bằng cách gửi các phân tử qua lại. Ví dụ, ở một dạng trao đổi thông tin tương đối đơn giản giữa các tế bào, một tế bào sẽ gửi một tín hiệu, trong trường hợp này là một phân tử. Phân tử này sẽ gắn vào lớp vỏ bao ngoài, hay lớp màng, của tế bào nhận tín hiệu. Khi được gắn vào lớp màng ngoài, phân tử sẽ khỏi tạo một chuỗi các phản ứng ở mức phân tử, trong nhiều trường hợp, chúng sẽ truyền từ màng ngoài vào tận bên trong nhân của tế bào đích. Nên nhớ rằng thông tin di truyền nằm bên trong nhân. Kết quả là tín hiệu phân tử này có thể làm cho các gene được bật lên hoặc đóng lại. Kết quả cuối cùng của tất cả quá trình này là các tế bào nhận thông tin giờ đây thay đổi sự vận hành của nó: nó có thể chết, phân chia hoặc tạo phân tử mới để đáp ứng tín hiệu từ tế bào kia.

Ở mức độ cơ bản nhất, những quá trình này làm cho cơ thể tồn tại được. Tất cả động vật có cơ thể đều có phân tử cấu tạo giống như collagen và proteoglycan. Tất cả chúng đều có các hàng loạt các loại đinh tán phân tử kết dính các tế bào với nhau và tất cả đều có các công cụ phân tử cho phép tế bào trao đổi thông tin với nhau.

Chúng ta giờ đây có được một hình ảnh nghiên cứu để hiểu được cơ thể chúng ta hình thành như thế nào. Để thấy được cơ thể đã phát sinh ra sao, chúng ta cần tìm kiếm những phân tử này ở các cơ thể nguyên thủy nhất trên trái đất và cuối cùng là ở các sinh vật hoàn toàn không có cấu tạo cơ thể.

HÌNH THÀNH CƠ THẾ DẠNG GIỌT NƯỚC

Cơ thể của một giáo sư giống với một giọt nước ở điểm gì? Hãy xem xét một số cơ thể nguyên thủy nhất còn tồn tại hiện nay để tìm ra câu trả lởi.

Một trong những sinh vật này có sự phân biệt mơ hồ chưa từng thấy trong thế giới hoang dã. Vào cuối những năm 1880, một sinh vật đơn giản kỳ lạ được tìm thấy trên vách kính của một bể cá. Khác với bất cứ sinh vật nào, nó trông giống như một đống bầy nhầy. Vật duy nhất chúng ta có thể so sánh với nó là sinh vật ngoài hành tinh trong bộ phim của Steve McQueen có tên là Giọt nước (The Blob). Hãy nhớ lại, Blob là một đống hỗn độn vô định hình, sau khi rơi xuống trái đất từ vũ trụ, nó bao lấy con mồi: chó, người và thậm chí là cả những quán ăn nhỏ ở bang Pennsylvania. Phần đầu hệ tiêu hóa của Blob nằm phía dưới: chúng ta không bao giờ trông thấy nó; chúng ta chỉ nghe thấy tiếng kêu thét của các sinh vật bị bắt ở đó. Nếu thu nhỏ Blob xuống khoảng từ 200 đến 1.000 tế bào, với đường kính khoảng 2mm, chúng ta sẽ có sinh vật bí ẩn gọi là placozoan (động vật hình đĩa). Placozoan chỉ có 4 loại tế hào tạo nên cơ thể rất đơn giản có hình một cái đĩa nhỏ. Dù vậy, đó vẫn là một cơ thể thực thụ. Một số tế bào ở mặt dưới được: chuyên hóa cho chức năng tiêu hóa; số khác có roi giúp cho sinh vật di chuyển. Chúng ta có ít thông tin về thức ăn của chúng trong môi trường hoang dã, nơi chúng sống hoặc sinh cảnh tự nhiên của chúng. Thế nhưng những giọt nước nhỏ đơn giản này lại tiết lộ một điều cực kỳ quan trọng: với một số lượng nhỏ tế bào chuyên hóa, những sinh vật nguyên thủy này đã có sự phân công lao động giữa các phần khác nhau.

Nhiều điều thủ vị về cơ thể đã tồn tại trong các placozoan. Chúng có một cơ thể thực thụ, mặc dù cơ thể đó được tổ chức một cách nguyên thủy. Khi nghiên cứu qua DNA và xem xét các phân tử trên bề mặt tế bào của chúng, chúng tôi thấy phần nhiều bộ máy kiến tạo cơ thể của chúng ta có mặt ở đó. Placozoan có các phiên bản đinh tán phân tử và công cụ trao đổi thông tin giữa các tế bào có thể thấy trong cơ thể của chúng ta.

Bộ máy kiến tạo cơ thể của chúng ta có mặt trong các dạng giọt nước đơn giản hơn những hình in cổ đại của Reginald Sprigg. Chúng ta có thể tiếp tục tìm kiếm xa hơn, ở các dạng cơ thể thậm chí nguyên thủy hơn hay không? Một phần của câu trả lời nằm ở một dụng cụ nhà bếp kinh điển: miếng bọt biển cọ rửa. Thoạt nhìn, bọt biển không có gì đặc biệt. Thân của bọt biển chỉ là một ma trận bọt biển; không phải là một chất liệu sống mà là một dạng silica (chất liệu thủy tinh) hoặc calcium carbonate (một chất liệu cứng giống vỏ sò) xen lẫn với một số sợi collagen. Ngay từ đầu, điều này làm cho bọt biển trở nên thú vị. Hãy nhớ lại rằng các sợi collagen chiếm phần lớn khoảng trống gian bào của chúng ta, kết dính các tế bào và nhiều mô với nhau. Bọt biển có thể trông không giống, nhưng chúng đã có một trong những dấu hiệu của cơ thể.

Vào đầu những năm 1900, H.V.P. Wilson đã cho thấy bọt biển thực sự đáng ngạc nhiên như thế nào. Wilson đến Đại học Bắc Carolina với chức danh giáo sư sinh học đầu tiên tại trường vào năm 1894. Ở đó ông đã tiếp tục đào tạo một lực lượng nòng cốt các nhà sinh học Mỹ, những người đã hình thành lĩnh vực sinh học tế bào và di truyền học ở Bắc Mỹ trong thế kỷ tiếp theo. Khi còn trẻ, bạn có thể tưởng tượng được không, Wilson đã quyết định tập trung cuộc đời nghiên cứu của mình vào bọt biển. Một trong những thí nghiệm của ông đã cho thấy khả năng thực sự nổi trội của những sinh vật đơn giản này. Ông lọc chúng qua một cái sàng để phá vỡ cấu trúc khối của chúng thành các tế bào tách biệt. Wilson đặt những tế bào giống amip giờ đây hoàn toàn tách rời vào trong một cái đĩa và theo dõi chúng. Thoạt đầu, chúng bò quanh bề mặt đĩa. Sau đó, điều ngạc nhiên diễn ra: các tế bào tụ lại với nhau. Đầu tiên, chúng tạo thành các quả cầu tế bào màu đỏ đục. Tiếp theo, chúng đạt được sự tổ chức cao hơn với các tế bào được sắp xếp theo các kiểu mẫu xác định. Cuối cùng, các nhóm tế bào tạo thành một cơ thể bọt biển hoàn toàn mới với nhiều loại tế bào khác nhau được sắp xếp tại các vị trí thích hợp. Wilson đã quan sát một cơ thể được hình thành gần như từ con số không. Nếu chúng ta giống bọt biển thì nhân vật Steve Buscemi bị nghiền vụn trong máy xẻ gỗ ở trong bộ phim Fargo của anh em nhà Coen sẽ chẳng bị sao cả. Trên thực tế, sức mạnh của anh ta có thể tăng thêm nhờ trải nghiệm đó vì các tế bào có thể tập hợp để hình thành nhiều phiên bản khác nhau của anh ta.

Các tế bào trong bọt biển rất hữu ích trong việc giúp chúng ta hiểu được nguồn gốc của cơ thể. Phần bên trong bọt biển thường là khoảng trống được chia làm nhiều khoang tùy thuộc vào từng loài. Nước chảy qua khoảng trống, được điều khiển nhờ một loại tế bào đặc biệt. Những tế bào này có hình dạng như cái cốc với phần cốc quay mặt vào bên trong cơ thể bọt biển. Các lông nhỏ đưa ra từ các mép cốc đập và bắt các phân tử thức ăn trong nước. Cũng vươn ra từ mỗi tế bào của phần cốc này là một cái roi lớn. Sự hoạt động roi nhịp nhàng của những tế bào đẩy này chuyển nước và thức ăn qua các lỗ của bọt biển. Các tế bào khác bên trong bọt biển tiêu hóa các phần tử thức ăn. Thêm các tế bào khác nằm bên ngoài và có thể co lại khi bọt biển cần thay đổi hình dạng khi dòng nưóc thay đổi.

Bọt biển có vẻ như còn xa mới có cấu tạo của cơ thể hoàn chỉnh, thế nhưng nó mang nhiều đặc tính quan trọng nhất của cơ thể: tế bào của chúng có sự phân công lao động; các tế bào có thể trao đổi thông tin với nhau; và các tập hợp tế bào hoạt động như một cá thể riêng biệt. Một con bọt biển được cấu tạo từ nhiều loại tế bào khác nhau tại các vị trí khác biệt thực hiện những công việc khác nhau. Cấu tạo này khác xa với một cơ thể người có hàng nghìn tỉ tế bào được sắp xếp chính xác, nhưng nó cũng có những đặc điểm của cơ thể người. Quan trọng nhất, bọt biển có phần lớn sự kết dính, trao đổi thông tin giữa tế bào, và bộ khung như của chúng ta. Bọt biển là các cơ thể sinh vật mặc dù cấu tạo còn rất sơ khai và được tổ chức tương đối kém.

Giống như placozoan và bọt biển, chúng ta có nhiều tế bào. Giống như chúng, cơ thể của chúng ta cho thấy một sự phân chia lao động giữa các phần. Toàn bộ cỗ máy phân tử giúp cơ thể kết dính cũng đã xuất hiện: các đinh tán giúp gắn kết các tế bào với nhau; các công cụ khác nhau giúp các tế bào gửi tín hiệu cho nhau; và nhiều phân tử nằm giữa các tế bào. Giống như chúng ta và tất cả các động vật khác, placozoan và bọt biển cũng có collagen. Không giống với chúng ta, chúng có các phiên bản rất nguyên thủy của những đặc điểm này: thay vì có 21 loại collagen, bọt biển chỉ có hai; trong khi chủng ta có hàng trăm loại đinh tán phân tử thì con số của bọt biển chỉ bằng một phần nhỏ của chúng ta. Bọt biển cấu tạo đơn giản hơn chúng ta và có ít loại tế bào hơn nhưng bộ máy kiến tạo cơ thể cơ bản đã xuất hiện.

Placozoan và bọt biển là những cơ thể đơn giản nhất mà chúng ta thấy ngày nay. Để nghiên cứu sâu hơn nữa, chúng ta phải tìm kiếm những công cụ kiến tạo nên cơ thể chúng ta trong các sinh vật không có cấu tạo cơ thể: các vi sinh vật đơn bào.

Làm thế nào bạn so sánh một vi sinh vật với một động vật có cơ thể? Công cụ kiến tạo nên các cơ thể ở động vật có mặt ở sinh vật đơn bào không? Nếu có, và nếu chúng không được dùng để kiến tạo cơ thể, thì chúng làm gì?

Cách tiếp cận trực tiếp nhất để bắt đầu trả lời những câu hỏi này là nghiên cứu gene của các vi sinh vật để tìm kiếm sự tương đồng với động vật. Những nghiên cứu so sánh đầu tiên giữa hệ gene của động vật và vi sinh vật cho thấy một sự thật đáng ngạc nhiên: ở nhiều động vật đơn bào, phần lớn bộ máy phân tử sử dụng cho sự gắn kết và tương tác tế bào, v.v... chưa từng tồn tại. Một số phân tích thậm chí còn cho rằng hơn tám trăm loại phân tử này chỉ xuất hiện ở các động vật có cơ thể mà không có ở sinh vật đơn bào. Điều này dưởng như ủng hộ quan niệm cho rằng các gene hỗ trợ tế bào tập hợp lại để tạo ra cơ thể đã xuất hiện cùng với sự khởi đầu của những cơ thể. Và thoạt nhìn, có vẻ có lý khi cho rằng các công cụ kiến thiết nên cơ thể có lẽ phát sinh đồng bộ với chính cơ thể đó.

Giả thuyết này bị đảo ngược khi Nicole King, thuộc Đại học California tại Berkeley, nghiên cứu các sinh vật có rên gọi trùng roi hình phễu (choanoflagellates). Sự lựa chọn đối tượng nghiên cứu của King không phải là ngẫu nhiên. Từ công trình nghiên cứu trên DNA, cô biết các trùng roi hình phễu nhiều khả năng là vi sinh vật có họ hàng gần nhất với động vật có cơ thể, placozoan và bọt biển. Cô cũng nghi ngờ rằng ẩn chứa trong các gene của trùng roi hình phễu là các phiên bản DNA tạo nên cơ thể chúng ta.

Nicole được hỗ trợ nghiên cứu bởi Dự án giải mã bộ gene ở người (Human Genome Project), một chương trình đã thành công trong việc lập bản đồ tất cả các gene trong cơ thể chúng ta. Với sự thành công của Dự án giải mã bộ gene người, nhiều nghiên cứu lập bản đồ gene đã xuất hiện: chúng ta đã có Dự án giải mã bộ gene chuột, Dự án giải mã bộ gene ruồi, Dự án giải mã bộ gene ong mật – thậm chí có các dự án giải mã bộ gene bọt biển, placozoan và vi sinh vật đang được thực hiện. Những bản đồ gene này là mỏ vàng về thông tin vì chúng cho phép chúng ta so sánh các gene kiến tạo nên cơ thể ở nhiều loài khác nhau. Chúng cũng cho Nicole các công cụ di truyền để nghiên cứu loài trùng roi hình phễu.

Trùng roi hình phễu trông rất giống các tế bào hình cốc bên trong bọt biển. Trên thực tế, đã từ lâu, nhiều người nghĩ rằng chúng chỉ là những bọt biển thoái hóa – loại bọt biển không có rất cả các loại tế bào khác. Nếu điều này đúng, thì DNA của trùng roi hình phễu sẽ giống một con bọt biển kỳ cục. Không phải vậy. Khi các phần của DNA của trùng roi hình phễu được so sánh với DNA của vi sinh vật và bọt biển, thì chúng tương đồng một cách lạ thường với DNA của vi sinh vật. Trùng roi hình phễu là các vi sinh vật đơn bào.

Sự khác biệt về di truyền giữa “vi sinh vật đơn bào” và “động vật có cấu tạo cơ thể” hoàn toàn bị phá bỏ nhờ công trình của Nicole trên nhóm trùng roi hình phễu. Phần lớn các gene hoạt động ở trùng roi hình phễu cũng hoạt động ở động vật có cấu tạo cơ thể. Trên thực tế, nhiều gene trong số đó là thành phần của bộ máy kiến tạo nên cơ thể. Một số ví dụ cho thấy trọng lượng của sự so sánh này. Các chức năng gắn kết và trao đổi thông tin của tế bào, thậm chí các phần của phân tử hình thành ma trận giữa các tế bào và dòng chảy phân tử chuyên chở tín hiệu từ bên ngoài vào bên trong tế bào – đều đã xuất hiện ở trùng roi hình phễu. Các sợi collagen có mặt ở trùng roi hình phễu. Các loại đinh tán phân tử khác nhau giúp kết dính tế bào với nhau cũng hiện diện ở trùng roi hình phễu, mặc dù chúng thực hiện những công việc hơi khác nhau.

Trùng roi hình phễu thậm chí còn cung cấp cho Nicole một chỉ dẫn để so sánh bộ máy kiến tạo cơ thể của chúng ta với các vi sinh vật khác. Cấu trúc phân tử cơ bản cho phép gắn kết các collagen và proteoglycan đã hiện diện ở một số loại vi sinh vật khác nhau. Liên cầu khuẩn (Streptococcus) – phổ biến trong miệng (và, hiếm gặp ở các chỗ khác, người ta hy vọng thế) – có trên bề mặt tế bào của chúng một phân tử rất giống với collagen. Nó có cấu trúc phân tử giống hệt, nhưng không gắn kết lại để hình thành bó sợi hoặc tấm như collagen ở động vật. Tương tự như vậy, một số đường tạo nên phức chất proteoglycan bên trong sụn của chúng ta xuất hiện trong vách của các loại vi khuẩn khác nhau. Chức năng của chúng ở cả virus và vi khuẩn không thực sự dễ chịu. Chúng liên quan tới cách những tác nhân này thâm nhập và gây nhiễm trùng các tế bào, và trong nhiều trường hợp, trở nên có độc tính. Nhiều phân tử mà vi sinh vật sử dụng để làm khổ chúng ta là phiên bản nguyên thủy của các phân tử giúp cơ thể chúng ta tồn tại.

Trùng roi hình phễu (trái) và bọt biến (phải)

Điều này đặt ra một câu hỏi. Trong các hóa thạch, chúng ta không thấy gì khác ngoài vi sinh vật trong suốt 3,5 tỉ năm đầu tiên của lịch sử trái đất. Sau đó, đột nhiên trong khoảng thời gian có lẽ là 40 triệu năm, tất cả các loại sinh vật có cấu tạo cơ thể xuất hiện: thực vật, nấm, động vật; cơ thể xuất hiện khắp nơi. Sự xuất hiện cấu tạo cơ thể là một sự thú vị thực sự. Nhưng nếu bạn xem xét giá trị công trình của Nicole ở bề nổi, tiềm năng để kiến tạo nên cơ thể đã có mặt rất lâu trước khi các dạng cơ thể thực sự xuất hiện. Tại sao lại có sự bùng nổ của các sinh vật có cấu tạo cơ thể sau một thời gian dài không có sinh vật nào có cơ thể?

MỘT CƠN BÃO HOÀN HẢO BÊN TRONG NGUỒN GỐC CỦA CÁC CƠ THỂ

Thời điểm là quan trọng nhất. Các ý tưởng, phát minh và khái niệm tốt nhất không phải lúc nào cũng thành công. Có bao nhiêu nhạc sĩ, nhà phát minh và nghệ sĩ đi trước quá xa thời đại của họ đến nỗi họ bị thất bại và bị quên lãng, và chỉ được tái phát hiện sau đó? Chúng ta không cần nhìn đâu xa hơn là Heron tội nghiệp ở thành Alexandria, người có lẽ vào thế kỷ thứ nhất sau Công nguyên đã phát minh ra turbine hơi nước. Không may, nó chỉ được coi như một thứ đồ chơi. Thế giới chưa sẵn sàng cho phát minh đó.

Lịch sử sự sống cũng diễn ra giống như vậy. Mọi thứ đều có một khoảnh khắc ra đời, có lẽ ngay cả cơ thể cũng vậy. Để thấy được điều này, chúng ta cần hiểu được lúc đầu tại sao các cơ thể có thể xuất hiện.

Có một giả thuyết cực kỳ đơn giản về sự xuất hiện này: Có lẽ các cơ thể đã xuất hiện khi các vi sinh vật phát triển các cách thức mới để ăn thịt lẫn nhau hoặc tránh bị ăn thịt? Việc có cơ thể với nhiều tế bào sẽ cho phép sinh vật to ra. Có kích thước lớn thường là một cách rất tốt để tránh bị ăn thịt. Các cơ thể có thể đã xuất hiện chỉ như là một cách tự vệ.

Khi một sinh vật ăn thịt phát triển các cách mới để săn mồi thì con mồi cũng sẽ phát triển một phương thức mới để tránh bị ăn thịt. Sự tương tác này có thể dẫn tới nguồn gốc của nhiều phân tử kiến tạo nên cơ thể của chúng ta. Nhiều vi sinh vật kiếm ăn bằng cách gắn vào và nuốt chủng các vi sinh vật khác. Các phân tử cho phép vi sinh vật bắt mồi và giữ chúng lại chắc chăn là ứng viên cho “chức” phân tử tạo nên sự gắn kết bằng đinh tán giữa các tế bào trong cơ thể của chúng ta. Một số vi sinh vật có thể thật sự trao đổi thông tin với nhau bằng cách tạo ra các hợp chất ảnh hưởng đến hành vi của các vi sinh vật khác. Mối tương tác sinh vật ăn thịt – con mồi giữa các vi sinh vật thường bao hàm các tín hiệu phân tử, hoặc để xua đuổi sinh vật ăn thịt tiềm năng hoặc để hấp dẫn con mồi đến gần. Có lẽ các tín hiệu như vậy là tiền thân của các loại tín hiệu mà các tế bào của chúng ta sử dụng để trao đổi thông tin, giúp giữ cho cơ thể của chúng ta nguyên vẹn.

Chúng ta có thể suy đoán về vấn đề này nhiều hơn nữa, nhưng sẽ thú vị hơn khi một số bằng chứng thực nghiệm hữu hình cho thấy sự săn mồi có thể tạo ra các cơ thể. Đây chính là điều mà Martin Boraas và đồng nghiệp của ông đã thực hiện. Họ lấy một loại tảo đơn bào bình thường và đề chúng sống trong phòng thí nghiệm qua hàng nghìn thế hệ. Sau đó họ thả một vật ăn thịt vào: một sinh vật đơn bào có roi và bao lấy các vi sinh vật khác để tiêu hóa chúng. Sau chưa đầy 200 thế hệ, tảo đã đáp lại bằng cách trở thành đa bào với một khối hàng trăm tế bào; theo thời gian, số tế bào ít đi cho tới khi có khoảng 8 tế bào trong một khối. Tám hóa ra là tối ưu vì nó tạo khối đủ lớn để tránh bị ăn thịt nhưng cũng đủ nhỏ để mỗi tế bào có thể nhận ánh sáng để sống sót. Điều dáng ngạc nhiên nhất diễn ra khi vi sinh vật săn mồi bị loại bỏ: tảo tiếp tục sinh sản và tạo thành các cá thể với tám tế bào. Nói tóm lại, một phiên bản đơn giản về dạng sống đa bào đã xuất hiện từ một dạng không có cấu tạo cơ thể.

Nếu một thí nghiệm có thể tạo ra một tổ chức đơn giản giống cơ thể từ một dạng không có cấu tạo cơ thế trong vài năm, hãy hình dung xem điều gì có thể xảy ra qua hàng tỉ năm. Câu hỏi lúc này không phải là cấu tạo cơ thể phát sinh như thế nào mà là tại sao sinh vật có cấu tạo cơ thể không ra đời sớm hơn?

Lời đáp cho câu hỏi này có thể nằm ở môi trường cổ sinh nơi các sinh vật có cấu tạo cơ thể được hình thành: thế giới có thể chưa sẵn sàng cho sự ra đời của chúng.

Cơ thể là thứ rất đắt giá. Việc hình thành một sinh vật có cơ thể lớn đem lại những ưu thế rõ rệt: bên cạnh việc tránh được sinh vật ăn thịt, các động vật có cơ thể có thể ăn các sinh vật khác nhỏ hơn và di chuyến chủ động trên những khoảng cách dài. Cả hai khả năng này cho phép các động vật kiểm soát môi trường sống của chúng tốt hơn. Nhưng cả hai tiêu thụ rất nhiều năng lượng. Cơ thể đòi hỏi thậm chí nhiều năng lượng hơn khi chúng to ra, đặc biệt nếu chúng tích hợp collagen. Collagen đòi hỏi một lượng oxy tương đối lớn cho quá trình tổng hợp của nó và sẽ tạo ra sự tăng vọt nhu cầu oxy của tổ tiên chúng ta đối với nguyên tố chuyển hóa quan trọng này.

Nhưng vấn đề là: lượng oxy trên trái đất cổ sinh rất thấp. Qua hàng tỉ năm lượng oxy trong khí quyển kém xa mức chúng ta thấy ngày nay. Sau đó, khoảng 1 tỉ năm trước đây, lượng oxy đã tăng đột ngột và giữ ở mức tương đối cao kể từ đó. Vì sao chúng ta biết điều này? Từ thành phần hóa học của đá. Đá hình thành khoảng 1 tỉ năm trước đây cho thấy vết tích của việc hình thành trong điều kiện lượng oxy gia tăng. Liệu sự gia tăng lượng oxy trong khí quyển có liên hệ với nguồn gốc của các sinh vật có cấu tạo cơ thể không?

Có lẽ phải có một thứ trong cổ sinh tương đương với một cơn bão hoàn hảo để sinh ra các cơ thể trên trái đất. Qua hàng tỉ năm, vi sinh vật đã phát triển các cách thức mới tương tác với môi trường của chúng và tương tác với nhau. Để làm được điều này, chúng đã có được một số bộ phận cấu tạo và công cụ cấp phân tử để kiến thiết nên các cơ thể mặc dù chúng đã dùng những công cụ đó cho mục đích khác. Một nguyên nhân tạo ra nguồn gốc của các cơ thể cũng đã xuất hiện: vào khoảng một tỉ năm trước, các vi sinh vật đã học cách ăn thịt lẫn nhau. Có lý do đế hình thành cấu tạo cơ thể, và các công cụ để thực hiện điều này đã sẵn sàng trong điều kiện đó.

Có một điều gì đó còn thiếu. Đó là đủ lượng oxy trên trái đất để hỗ trợ sự tồn tại của các cơ thể. Khi oxy của trái đất tăng lên, các sinh vật có cấu tạo cơ thể xuất hiện ở khắp nơi. Sự sống sẽ không bao giờ như cũ nữa.