Phép màu kỳ diệu của Mendel (kỳ 1)
Tháng 7/2022 đánh dấu 200 năm ngày sinh của Gregor Mendel, người thường được vinh danh là “cha đẻ của di truyền học hiện đại”. Lần theo nguồn gốc của Mendel, đọc lại công trình nổi tiếng “Các thí nghiệm lai tạo thực vật” (Versuche über Pflanzenhybriden) của ông, chúng ta có thể chiêm nghiệm ý nghĩa mang tính cách mạng và di sản khoa học khiến công trình này tiếp tục định hình sinh y học hiện đại cho đến ngày nay.
Một thế giới mới của vật chất hữu sinh
So với vật chất vô sinh, việc quan sát cũng như đo đếm hoạt động của các thành phần phân tử trong tế bào hữu sinh là vấn đề vô cùng khó khăn. Tuy vậy, ngày nay chúng ta đã biết cấu trúc đến mức nguyên tử của hầu hết các đại phân tử trong tế bào. Phương pháp đo đếm sự tương tác của các cấu trúc này theo không gian và thời gian cũng ngày càng tinh vi. Quan trọng hơn cả là chúng ta đã hiểu cách các cấu trúc này được tạo ra, và cách thức tế bào truyền lại thông tin để các thế hệ sau cũng có thể tạo ra được những cấu trúc như vậy. Tri thức này đã thay đổi cách ta hiểu và cả chữa trị bệnh tật. Khả năng giải trình tự DNA gần như không có giới hạn ngày nay đã tạo ra một cuộc cách mạng trong việc theo dõi các dịch bệnh lây lan, chẩn đoán bệnh cũng như xác định nguyên nhân di truyền hay môi trường gây bệnh.
Cuộc cách mạng giải trình tự DNA còn cho phép cả việc quan sát và mô tả hệ sinh thái, cho phép ta hiểu rõ thêm mối quan hệ và sự phụ thuộc của bản thân mình đối với những sinh vật khác. Trừ vấn đề nguồn gốc sự sống vốn vẫn còn nhiều suy đoán, công nghệ giải trình tự DNA đã cho phép ta hiểu sâu sắc về những giai đoạn chuyển tiếp then chốt trong quá trình tiến hóa. Ví dụ nổi bật là phát hiện gần đây cho thấy tất cả các tế bào nhân thật (eukaryotae) đều là hậu duệ từ một nhánh đặc biệt của vi sinh vật cổ (Archaea), những sinh vật có protein tiền thân của nhiều loại protein mà trước đây người ta nghĩ chỉ có eukaryotae mới có. Việc khám phá ra sự đứt gãy cả hai mạch DNA dẫn đến hiện tượng tái tổ hợp tương đồng cũng đã mở ra nhiều kỹ thuật rất tốt trong thay đổi bộ gene ở bất kỳ sinh vật nào. Những kỹ thuật này mang lại lợi ích to lớn cho nông nghiệp và y khoa, song mong muốn dùng chúng để “cải thiện bản thân” chúng ta cũng sẽ đưa đến nhiều hệ quả xã hội khó lường mà không phải cái nào cũng có lợi. Nói ngắn gọn, những tiến bộ gần đây đã mở ra cho ta một “thế giới mới đầy táo bạo”.
Những thành tựu này đều dựa trên hai trụ cột phương pháp luận song song. Một là việc xác định cấu trúc các đại phân tử trong đó có DNA bằng phương pháp nhiễu xạ sóng điện từ. Hai là mô tả và truy dấu phân li các biến dị DNA bằng các kỹ thuật di truyền cổ điển trước đây hay các kỹ thuật giải trình tự DNA sau này. Cả hai cách tiếp cận này rất khác nhau, nhưng đều là nguồn gốc của những thông tin đáng tin cậy và chính xác nhất về sinh vật sống. Và điều đáng lưu ý là cả hai đều bắt nguồn từ những sự kiện có ý nghĩa lịch sử cùng diễn ra vào năm 1865: công bố của James Clerk Maxwell về lý thuyết động học trường điện từ, và loạt bài báo cáo của Gregor Mendel về lai tạo thực vật trước Hội lịch sử tự nhiên Brünn (nay là Brno). Công trình của Maxwell là bước tiếp nối giữa Isaac Newton và Albert Einstein, tạo cơ sở cho toàn bộ ngành sinh học cấu trúc. Còn thí nghiệm của Mendel mở đầu cho một lĩnh vực phân tích định lượng hoàn toàn đặc trưng cho sinh học mà không vay mượn từ hóa học và vật lý – một phương pháp chìa khóa mở ra cánh cửa cất giấu bí ẩn cốt lõi của sự sống: sinh vật sinh sản như thế nào.
Tư duy sáng suốt của Mendel hay ở chỗ nó cho phép ta đo đếm hiện tượng truyền thông tin di truyền mà không cần phải biết cơ sở vật chất, chỉ cần quan sát quá trình truyền tính trạng là được. Nói cách khác, ta chỉ cần khảo sát cách dịch chuyển của thông tin chứ không cần của vật chất. Việc tìm ra cơ sở vật chất của hiện tượng di truyền phải cần đến các khám phá sau này về nhiễm sắc thể, chứng minh một bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh là cần thiết cho phát triển, rồi kết luận được sự giảm số lượng nhiễm sắc thể trong quá trình hình thành giao tử rồi nhân đôi khi hình thành hợp tử là rất giống với những quan sát về di truyền tính trạng của Mendel. Lý thuyết nhiễm sắc thể xuất phát từ đây không chỉ là tiền đề trực tiếp cho cuộc cách mạng DNA hiện đại, mà còn là cơ sở khoa học cho quan điểm của Charles Darwin và Alfred Wallace rằng các loài được hình thành từ chọn lọc các biến dị cạnh tranh. Quan điểm này thực ra ban đầu giống với một luận điểm xuất phát từ các tham vọng xã hội và đế quốc hơn là một giả thuyết có thể kiểm chứng được. Chẳng những thế, quan điểm của Darwin và Wallace cũng chỉ đúng một phần do các yếu tố ngẫu nhiên và hiệu ứng trôi dạt di truyền (genetic drift) cũng đóng vai trò cực kỳ quan trọng bên cạnh “đấu tranh sinh tồn”. Tiến hóa là một hệ luận vô cùng quan trọng, nhưng thực ra không phải cơ sở cho các giả thuyết về vai trò của DNA trong sinh vật sống.
Phát hiện gần đây cho thấy tất cả các tế bào nhân thật (eukaryotae) đều là hậu duệ từ một nhánh đặc biệt của vi sinh vật cổ (Archaea), những sinh vật có protein tiền thân của nhiều loại protein mà trước đây người ta nghĩ chỉ có eukaryotae mới có.
Công trình đột phá của Mendel là một trong năm nhánh lớn hợp thành kiến thức sinh học hiện đại bao la. Ba nhánh khác là: tế bào học về sự phân bào và phân chia nhiễm sắc thể, nghiên cứu các phản ứng hóa học trong tế bào, và tìm hiểu cấu trúc các đại phân tử bằng nhiễu xạ sóng điện từ. Còn nhánh cuối cùng là khái niệm về sự canh tranh giữa các biến thể DNA đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra thế giới sinh vật vô cùng đa dạng đang tồn tại và chỉ tồn tại trên hành tinh này.
Nguồn gốc của những phát hiện đột phá
Vậy Mendel từ đâu tới, ông đã làm gì, ông làm như thế nào và tại sao, ông đã kết luận gì, những việc này quan trọng ra sao, và những đóng góp của ông có thực sự đặc biệt?
Mendel chào đời ngày 22/7/1822 trong gia đình có cha mẹ là nông dân nghèo, nói tiếng Đức ở một khu làng nhỏ lúc bấy giờ có tên gọi là Heizendorf, nay thuộc lãnh thổ Cộng hòa Czechia. Lúc nhỏ, Mendel học trường làng, sau đó ông lên Troppau học trung học nên phải ở xa nhà sáu năm. Mendel có một thời gian quay về nhà để phụ giúp gia đình sau khi cha của ông bị thương tật do tai nạn. Tuy nhiên, Mendel nhanh chóng quay lại học, tốt nghiệp trung học, rồi vào đại học ở Olmütz. Mặc dù gia đình bán cả nông trại và được em gái giúp đỡ thêm, nhưng Mendel cũng chỉ đủ tiền học hai năm đầu. May sao, nhờ thành tích học tập tốt, đặc biệt là luôn đạt điểm vật lý cao nhất, Mendel được nhận vào dòng tu Augustinus ở Brünn với dự định sau này sẽ dạy học cả đời ở một trường trung học địa phương.
Là người sống nội tâm, Mendel rất muốn làm thầy giáo. Tuy vậy, Mendel lại trượt hai lần khi thi vấn đáp để lấy chứng chỉ dạy học. Một phần là do ông quá căng thẳng, nhưng một phần cũng là do ông không chịu đưa ra câu trả lời mà giám khảo muốn nghe. Mendel thi trượt không phải vì vật lý mà là vì môn lịch sử tự nhiên – thật quá trớ trêu vì ông chính là người có những đóng góp to lớn nhất cho lĩnh vực này về sau. Nhưng thi trượt thế mà lại là chuyện may. Sau lần trượt đầu tiên, Mendel được tu viện trưởng Cyrill Napp sắp xếp cho đi học hai năm ở Wien. Ở đó, Mendel theo học sinh lý thực vật và tế bào học dưới sự hướng dẫn của Franz Unger. Unger là người giới thiệu cho Mendel khái niệm thụ tinh là sự kết hợp giữa tế bào đực và tế bào cái. Cũng nhờ ông mà Mendel được biết rằng các loài sinh vật hiện hữu không phải xuất hiện ngay từ đầu mà tiến hóa qua sự sinh sôi tế bào liên tiếp từ tổ tiên chung, và không phải hậu duệ nào cũng sống sót. Về mặt cơ sở tế bào học và cổ sinh vật học, các ý tưởng tiến hóa của Unger mang tính cơ học hơn, không nhấn mạnh tầm quan trọng của cạnh tranh như ý tưởng của Darwin và Wallace.
Ngoài ra, Mendel còn học vật lý thực nghiệm dưới sự hướng dẫn của Christian Doppler rồi sau đó là Andreas von Ettinghausen. Nhờ thầy, Mendel nắm rất vững môn toán tổ hợp mà sau này rất có tác dụng trong việc phân tích kết quả các thí nghiệm lai tạo. Sau thi trượt lần thứ hai thì Mendel buộc phải quay lại Brünn mà không có chứng chỉ, và không được dạy có nghĩa là trong vòng một thập kỷ tới Mendel có thể dành phần nhiều thời gian cho nghiên cứu.
Người đi trước thời đại
Nguồn gốc các loài là một trong những vấn đề trung tâm lúc bấy giờ, và người ta cho rằng lai tạo có vai trò quan trọng. Một phần là do kết quả lai mang tính trạng mới đôi khi là thuần chủng, nhưng có khi người ta cũng thấy thực vật có thể chịu biến đổi rất lớn khi lai liên tiếp bằng phấn từ cây có các đặc điểm khác nhau. Mặc dù nổi tiếng nhờ công trình lai tạo không có phân li biến dị, nhưng thực tế Mendel cũng rất quan tâm đến lai bất biến mà ngày nay chúng ta biết là kết quả của một tiến trình bỏ qua giảm phân. Lai tạo vật nuôi và cây trồng có vai trò then chốt với kinh tế địa phương, đó chắc cũng là lý do thúc đẩy Mendel đi vào con đường nghiên cứu lai tạo. Như vậy, chọn tạo vật nuôi và cây trồng không chỉ giúp Darwin áp dụng vào khái niệm chọn lọc “tự nhiên”, mà còn giúp Mendel tìm ra cách thức các tính trạng được di truyền.
Tuy cả Mendel lẫn Darwin đều có chung mục tiêu tìm cách giải thích loài mới phát sinh ra sao, nhưng họ lại đi theo hai hướng tiếp cận rất khác nhau. Ý tưởng ban đầu đơn giản một cách tài tình của Darwin là loài mới hình thành qua quá trình “chọn lọc tự nhiên” của các tính trạng di truyền khác nhau rất nhỏ nhưng ảnh hưởng đến khả năng mỗi cá thể cạnh tranh giành các nguồn tài nguyên có hạn. Ý tưởng này chịu sự ảnh hưởng từ công trình của Thomas Malthus chứng minh rằng quần thể cứ tăng trưởng mãi sẽ đến lúc cạn kiệt nguồn thức ăn. Darwin sau đó đem ý tưởng này ra xem xét trong công trình tổng quan bách khoa toàn thư lỗi lạc về thế giới sống của ông (“Nguồn gốc các loài”, 1859).
Thí nghiệm của Mendel mở đầu cho một lĩnh vực phân tích định lượng hoàn toàn đặc trưng cho sinh học mà không vay mượn từ hóa học và vật lý – một phương pháp chìa khóa mở ra cánh cửa cất giấu bí ẩn cốt lõi của sự sống: sinh vật sinh sản như thế nào.
Quan điểm của Darwin và Wallace như cách được đưa ra ban đầu thì đương nhiên là đúng. Một khi ta chấp nhận rằng khả năng sinh sản khác nhau được di truyền, và có một cơ chế khiến cho sự khác biệt về khả năng sinh sản đó nảy sinh, thì đương nhiên chọn lọc tự nhiên là một kết luận logic. Theo nghĩa này thì nó giống với toán học hơn là khoa học thực nghiệm. Nhờ những tác phẩm vang danh của Darwin mà khái niệm chọn lọc tự nhiên nhanh chóng được phổ biến. Tuy không phải tất cả nhưng nhiều người chấp nhận khái niệm này, và nó có sức ảnh hưởng vô cùng lớn trong việc thay đổi cách con người nhìn nhận sự tồn tại của chính mình. Đây có lẽ phần nào là do khái niệm này phản ánh cũng như khuyến khích não trạng đế quốc đang thịnh hành bấy giờ. Tuy nhiên, lý thuyết của Darwin và Wallace không giải thích được sự di truyền tính trạng. Do đó, nó không thực sự dẫn đến một phương pháp hoàn toàn mới để giải đáp ẩn số cốt lõi của sự sống là sinh vật sinh sản như thế nào, chứ chưa nói tới vật liệu thô cho chọn lọc tự nhiên là tính trạng được di truyền ra sao. Về mặt khoa học, khái niệm của Darwin và Wallace bị mắc kẹt trong một ngõ cụt cho đến khi được di truyền học Mendel mở lối thoát, giúp cho nó có một nền tảng thực nghiệm.
Khác với Darwin và Wallace, lối tiếp cận của Mendel dẫn đến một phương pháp hoàn toàn mới trong đo đếm tập tính của sinh vật sống. Hệ quả của nó là cả một cuộc cách mạng trong sinh y học tuy có bị trễ nhiều thập kỷ. Công trình của Mendel không được phổ biến rộng rãi, lại quá khác biệt và trừu tượng khiến cho những người cùng thời với ông khó hiểu được. Darwin chưa bao giờ đọc được bài báo của Mendel. Nhưng Carl von Nägeli, một người được cho là chuyên gia và cũng là người sau này đặt ra thuật ngữ “chủng chất” (idioplasm) cho vật liệu di truyền, rõ ràng là có đọc công trình của Mendel. Mặc dù hai bên trao đổi rất nhiều, nhưng von Nägeli lại không hề đề cập gì đến công việc của Mendel trong công trình kinh điển của mình (“Lý thuyết sinh lý cơ học của tiến hóa hữu cơ”, 1898). Có thể von Nägeli không hiểu bài báo của Mendel chứ chưa nói tới đánh giá đúng tầm quan trọng của nó, hoặc cũng có thể von Nägeli không muốn hiểu.
Còn Darwin thì có khái niệm về thụ tinh rất khác với Mendel – ông cho rằng phải có nhiều tế bào phấn cùng tham gia. Do đó rất có thể là ngay cả khi Darwin có bài báo của Mendel trong tay, ông cũng không hiểu hết ý nghĩa của nó. Trên thực tế, Darwin cũng có phân tích các phép lai, ông khảo sát các màu hoa mõm sói (Antirrhinum) khác nhau, mô tả tính trạng trội và lặn, và cũng nhận thấy tính trạng lặn xuất hiện trở lại ở một phần tư số cây lai thế hệ kế tiếp. Tuy nhiên, Darwin không tiếp tục phân tích thêm. Có lẽ Darwin không có niềm say mê các con số như Mendel. Darwin cũng không có sự tập trung cao độ như Mendel và viễn kiến rằng việc tập trung tìm hiểu những phép lai này sẽ cho ta biết những quy luật về tự nhiên với mức độ phổ quát vốn thường chỉ các định luật vật lý mới có.
Mendel kiên trì tiếp tục với các thí nghiệm lai tạo để rồi tìm ra quy luật các cặp tính trạng khác nhau được di truyền độc lập. Những thí nghiệm này cần phải phân tích sản phẩm của hàng ngàn phép lai trong vòng ít nhất là 6 năm – một công trình công phu hơn hầu hết nếu không muốn nói là tất cả các bài báo sinh học hiện đại.
Một điểm quan trọng khiến công việc của Mendel bị bỏ qua là nhiễm sắc thể và vai trò của nó trong di truyền vẫn chưa được biết đến lúc đó; lỗ hổng này khiến người ta khó gán một cơ sở vật chất nào cho những ý tưởng của Mendel. Kết quả là công trình của Mendel không được đề cao trong suốt thời gian ông còn sống.
Cuộc đời Mendel thật là một ánh sáng soi rọi cho những bạn trẻ dấn thân trên con đường khoa học. Ta phải đi theo nhận thức đúng sai của mình, tin vào bản thân, còn hậu thế chứ không phải những người đương thời mới có thể nhận xét ta một cách đúng đắn. Như Mendel đã nói khi được hỏi vì sao sự nghiệp của ông chẳng có ai biết đến: “Thời của tôi rồi sẽ tới”. □
———
Phương pháp của Mendel nghiêng về thực nghiệm hơn, tức là đo đếm một cách rất chuẩn xác các loại cá thể lai khác nhau rồi vận dụng tư duy để giải thích, hay nói đúng hơn là lý thuyết hóa kết quả theo cách ít phải suy đoán nhất. Theo cách nhìn nhận này, lối tiếp cận của Mendel không có gì khác biệt so với khoa học hiện đại, trong khi phương pháp của Darwin thuộc về một thời đại khác. Do đó, hai ông đã đi đến những kết quả rất khác nhau.
(Còn tiếp)
Nguyễn Trịnh Đôn dịch
Nguồn: “The magic and meaning of Mendel’s miracle”, Nature 23:447 (2022), DOI: 10.1038/s41576-022-00497-2.
