Làm sao một tế bào biết xây mắt ở đâu
Trứng thụ tinh không có mắt, không có tim và không có trái hay phải. Vậy mà trong vài tuần, nó tạo ra một cơ thể trong đó mọi cơ quan nằm đúng chỗ. Làm sao một tế bào chưa từng thấy cơ thể biết mắt thuộc về đâu? Câu hỏi đó, được phổ biến trên nền tảng hỏi đáp Trung Quốc Zhihu, đã khiến các nhà sinh học phát triển bận rộn hơn một thế kỷ.
Manh mối đầu tiên đến từ một quan sát tưởng chừng đơn giản về màu sắc. Hầu hết động vật có lông hoặc da hai màu đều sẫm ở lưng và nhạt ở bụng. Kiểu mẫu này phổ biến đến mức — chuột, hươu, cá, chim — nó hẳn phải được ghi vào các quy tắc phát triển chứ không phải học được. Lý do là hóa học. Các tế bào ở lưng và tế bào ở bụng nằm trong môi trường khác nhau, và mỗi loại giải phóng các phân tử tín hiệu khác nhau. Những phân tử đó lan ra và tạo thành gradient, và một tế bào đọc nồng độ cục bộ để quyết định nó sẽ trở thành gì. Màu sắc chỉ đơn giản là gradient dễ thấy nhất.
Ý tưởng này có một câu chuyện nguồn gốc nổi tiếng. Vào những năm 1920, nhà phôi học người Đức Hans Spemann và học trò Hilde Mangold cấy một mẩu mô nhỏ từ phôi lưỡng cư này sang phôi khác. Mô được cấy không chỉ sống sót. Nó chỉ dẫn các tế bào xung quanh xây dựng cả một trục cơ thể thứ hai, tạo ra nòng nọc hai đầu. Mẩu mô đó được gọi là organizer, và thí nghiệm đã giành giải Nobel. Nó chứng minh rằng phôi thai không được xây từ một bản thiết kế cố định mà từ những cuộc trò chuyện giữa các tế bào.
Di truyền học hiện đại lấp đầy vốn từ. Một nhóm nhỏ gen — được đặt tên như Hox, Pax6 và Sonic hedgehog — hoạt động như tọa độ dọc theo cơ thể. Chẳng hạn, Pax6 giúp bật quá trình hình thành mắt. Đáng kinh ngạc là cùng gen đó làm việc này ở ruồi giấm, chuột và người. Bật nó ở sai chỗ trên ruồi giấm và một con mắt mọc trên chân. Tiến hóa tái sử dụng cùng một bộ công cụ hết lần này đến lần khác, chỉ thay đổi thời điểm và vị trí mỗi gen hoạt động.
Gradient giải thích nhiều hơn màu sắc. Một chi đang phát triển cần biết đầu nào là vai và đầu nào là đầu ngón tay. Ống thần kinh cần biết bên nào trở thành não và bên nào thành tủy sống. Trong mỗi trường hợp, một nhóm nhỏ tế bào giải phóng tín hiệu, tín hiệu khuếch tán, và các tế bào lân cận phản ứng tùy theo lượng tín hiệu đến được với chúng. Nó ít giống một bản thiết kế mà giống thời tiết hơn — các mẫu hình nổi lên từ những quy tắc cục bộ.
Các nhà khoa học ở Trung Quốc và nơi khác hiện lập bản đồ những tín hiệu này từng tế bào một, dùng dấu huỳnh quang và giải trình tự đơn bào để quan sát phôi phát triển theo thời gian thực. Công trình này có trọng lượng thực tiễn. Hiểu cách các cơ quan được định vị giúp các nhà nghiên cứu nuôi mô thay thế từ tế bào gốc, và giúp giải thích tại sao một số dị tật bẩm sinh xảy ra khi gradient quá yếu, quá mạnh hoặc bị dịch chuyển.
Câu hỏi cũ — làm sao tế bào biết mắt đi đâu — nay đã có câu trả lời một phần. Nó không biết chính xác. Nó cảm nhận các tế bào lân cận, đọc hóa học quanh nó, và tuân theo những quy tắc mà tiến hóa đã tinh chỉnh suốt hàng trăm triệu năm. Cơ thể không phải là một kế hoạch. Nó là một thỏa thuận.