CHƯƠNG VI CÁC THIẾT KẾ (CƠ THỂ) ĐƯỢC SẮP ĐẶT TỐT NHẤT

Chúng ta có một tập hợp gồm 2 nghìn tỉ tế bào được lắp ráp theo một cách rất chính xác. Cơ thể chúng ta tồn tại theo ba chiều với tế bào và cơ quan nằm ở các vị trí thích hợp. Đầu ở trên cùng. Dây sống nằm về phía sau lưng. Nội tạng nằm ở phía bụng. Đây là kiến trúc cơ thể phân biệt chúng ta với những sinh vật nguyên thủy có cấu tạo như các khối hoặc đĩa tế bào.

Thiết kế tương tự cũng là một phần quan trọng của các loại cơ thể ở các sinh vật khác. Giống như chúng ta, cá, thằn lằn và bò đều có cơ thể đối xứng trước/ sau, trên/ dưới và trái/ phải. Phần tận cùng phía trước của chúng (tương ứng với phần trên cùng của một người đứng thẳng) là đầu có cơ quan cảm giác và não bộ bên trong. Chúng có một dây sống chạy dọc chiều dài cơ thể ở mặt lưng. Cũng giống như chúng ta, chúng có một hậu môn nằm ở tận cùng của cơ thể so với miệng. Đầu hướng về phía trước theo hướng chúng thường bơi hoặc đi. Như bạn có thể hình dung, “hậu môn hướng về phía trước” sẽ không hoạt động hiệu quả trong hầu hết các điều kiện, đặc biệt ở môi trường nước. Các tình huống sinh hoạt xã hội cũng sẽ gặp trở ngại.

Khó có thể tìm thấy thiết kế cơ bản của chúng ta ở các động vật thực sự nguyên thủy, ví dụ như ở sứa. Sứa có một kiểu sơ đồ cơ thể khác biệt: các tế bào của chúng được tổ chức dưới dạng hình đĩa có phần trên và phần dưới. Thiếu phần phía trước và phía sau, đầu và đuôi, phải và trái, tổ chức cơ thể của sứa tỏ ra rất khác biệt với chúng ta. Đừng cố gắng so sánh sơ đồ cơ thể của bạn với bọt biển. Bạn có thể thử, nhưng điều mà bạn đang thử thực chất có liên quan đến tâm thần học hơn là giải phẫu học.

Để so sánh một cách chính xác bản thân chúng ta với những động vật nguyên thủy này, chúng ta cần có một số công cụ. Giống như với đầu và chi, lịch sử phát triển của chúng ta được ghi dấu trong quá trình phát triển từ trứng tới cơ thể trưởng thành. Phôi nắm giữ các đầu mối để giải đáp một số bí mật sâu xa của sự sống. Chúng cũng có khả năng làm lệch lạc những kế hoạch của tôi.

SƠ ĐỒ CHUNG: SO SÁNH PHÔI

Tôi đã bắt đầu chương trình sau đại học để nghiên cứu các loài thú hóa thạch và sau đó ba năm lại nghiên cứu cá và lưỡng cư cho luận văn tiến sĩ của minh. Thói xấu của tôi, nếu bạn muốn gọi như thế, xảy ra khi tôi bắt đầu quan sát phôi. Chúng tôi có rất nhiều phôi trong phòng thí nghiệm: ấu trùng cá cóc, phôi cá, thậm chí cả trứng gà đã thụ tinh. Tôi thường đặt chúng dưới kính hiển vi để xem xét điều gì dang diễn ra. Phôi của tất cả các loài trông như những mẻ tế bào nhỏ màu trắng, không dài hơn 3,2mm. Quan sát quá trình phát triển của phôi thật là thú vị; khi phôi lớn lên, lòng đỏ, nguồn cung cấp thức ăn của nó, ngày càng nhỏ đi. Vào lúc lòng đỏ biến mất, phôi thường đủ lớn để nở.

Theo dõi quá trình phát triển khiến tôi có sự thay đổi lớn về cách suy nghĩ. Từ những thời kỳ đầu phôi đơn giản như vậy – chỉ là một khối tế bào nhỏ – trở thành những cơ thể chim, ếch và cá hồi cực kỳ phức tạp bao gồm hàng nghìn tỉ tế bào được sắp xếp theo đúng cách. Nhưng còn hơn thế nữa. Phôi cá, lưỡng cư và gà không giống bất cứ những gì tôi từng thấy trước đó trong sinh học. Tất cả chúng trông khá giống nhau. Tất cả có một cái đầu với các cung mang. Tất cả có một bộ não nhỏ bắt đầu quá trình phát triển với ba chỗ lồi. Tất cả có những mầm chi nhỏ. Trên thực tế, chi là đề tài luận văn mà tôi tập trung nghiên cứu trong 3 năm tiếp theo. Ở đây, bằng cách so sánh cách bộ xương phát triển ở chim, cá cóc, ếch và rùa, tôi nhận thấy rằng các chi khác nhau như cánh chim và đùi ếch lại trông rất giống nhau trong quá trình phát triển. Các loài này cuối cùng trông khác nhau, nhưng chúng đều bắt nguồn từ một nơi nhìn chung là giống nhau. Khi quan sát phôi, gần như những khác biệt giữa thú, chim, lưỡng cư và cá chỉ đơn thuần là mờ nhạt so với những tương đồng cơ bản của chúng. Sau đó, tôi đã nghiên cứu công trình của Karl Ernst von Baer.

Vào những nàm 1800, một số nhà triết học tự nhiên đã dựa vào phôi để cố tìm ra sơ đồ chung cho sự sống trên trái đất. Người nổi bật nhất trong số này là Karl Ernst von Baer. Sinh ra trong một gia đình quý tộc, ban đầu ông được đào tạo để trở thành thầy thuốc. Giáo viên hướng dẫn của ông gợi ý rằng ông nên nghiên cứu sự phát triển của gà và cố tìm hiểu các cơ quan của gà phát triển ra sao.

Không may, von Baer không thể đủ tiền mua máy ấp để nghiên cứu gà cũng như để mua đủ trứng cho nghiên cứu. Điều này không có gì hứa hẹn. May cho ông là một người bạn giàu có, Christian Pander, có khả năng chi trả cho các thí nghiệm này. Khi họ quan sát phôi gà, họ đã tìm ra một điều cơ bản: tất cả các cơ quan của gà đểu bắt nguồn từ một trong ba lớp mô trong quá trình phát triển của phôi. Ba lớp mô này bắt đầu được biết đến như những lớp mầm. Họ đã được tôn vinh như các huyền thoại, thậm chí cho tới tận ngày nay.

Ba lớp mầm của Pander đã cung cấp cho von Baer phương tiện để đặt ra các câu hỏi quan trọng. Có phải tất cả các loài động vật đều có kiểu cấu tạo này? Có phải tim, phổi và cơ của tất cả động vật đều bắt nguồn từ những lớp mầm này? Và quan trọng là có phải cùng một lớp mầm sẽ phát triển thành cơ quan giống nhau ở các loài khác nhau?

Von Baer đã so sánh ba lớp mầm ở phôi gà của Pander với mọi thứ mà ông có thể có được: cá xương, bò sát và thú. Quả thực, mọi cơ quan của động vật bắt nguồn từ một trong ba lớp mầm này. Đáng chú ý là ba lớp mầm hình thành nên các cấu trúc giống nhau ở tất cả các loài. Tim của tất cả các loài đều được hình thành từ cùng một lớp mầm. Một lớp mầm khác phát triển thành não bộ của tất cả các loài động vật. Và cứ tiếp tục như thế. Bất kể các loài khác biệt ra sao khi trưởng thành, ở giai đoạn phôi nhỏ xíu chúng đều trải qua các giai đoạn phát triển giống nhau.

Để hiểu một cách đầy đủ tầm quan trọng của chi tiết này, chúng ta cần xem lại thời điểm ba tuần đầu tiên sau khi thụ thai, ở thời điểm thụ tinh, những thay đổi cơ bản diễn ra bên trong trứng – vật chất di truyền của tinh trùng và trứng gắn kết lại và trứng bắt đầu phân chia. Cuối cùng, các tế bào hình thành một quả bóng. Ở người, sau khoảng năm ngày, cơ thể đơn bào phân chia bốn lần để tạo ra một quả cầu 16 tế bào. Quả cầu tế bào này, còn gọi là phôi nang (blastocyst), trông giống như một quả bóng bay chứa đầy dịch. Một vách mỏng hình cầu tạo thành từ các tế bào bao bọc dịch ở giữa. Ở giai đoạn “phôi nang” này, dường như vẫn chưa có bất cứ sơ đồ cơ thể nào – không có phía trước và phía sau và tất nhiên là cũng chưa có một cơ quan hoặc mô khác biệt nào. Vào khoảng ngày thứ sáu sau khi thụ thai, quả cầu tế bào dính vào thành tử cung của mẹ và bắt đầu quá trình kết nối để mẹ và phôi có thể chia sẻ dòng máu. Cũng vẫn chưa có dấu hiệu nào của sơ đồ cơ thể. Vẫn còn quá sớm để nói rằng quả cầu tế bào này có bất kỳ đặc điểm nào của thú, bò sát hoặc cá và càng không có gì giống người.

Nếu chúng ta may mắn, quả cầu tế bào này được làm tổ ở thành tử cung người mẹ. Khi một phôi nang làm tổ sai vị trí – khi đó gọi là sự “bám phôi lệch” (ectopic implantation) – kết cục có thể nguy hiểm. Khoảng 96 phần trăm hiện tượng bám phôi lệch vị trí diễn ra trong ống tử cung (vòi trứng) gần nơi diễn ra sự thụ thai. Đôi khi, màng nhầy chắn đường đi của phôi nang tới tử cung gây ra sự làm tổ bất bình thường bên trong ống. Chửa ngoài dạ con có thể gây vỡ mô ở nhiều nơi nếu không ngăn chặn kịp thời. Trong rất ít trường hợp, phôi nang bị tống vào khoang cơ thể của mẹ, khoảng trống giữa ruột và thành cơ thể. Ở những trường hợp hiếm gặp hơn nữa, những phôi nang này làm tổ ở mặt ngoài trực tràng hoặc tử cung của người mẹ và bào thai phát triển đầy đủ! Mặc dù những bào thai này đôi khi có thể sinh ra bằng cách mổ ở vùng bụng nhưng kiểu làm tổ như vậy nhìn chung rất nguy hiểm vì nó gia tăng nguy cơ tử vong của mẹ do mất máu lên 90 lần so với làm tổ bình thường bên trong tử cung.

Dù sao, ở giai đoạn phát triển này, chúng ta là những sinh vật trông cực kỳ giản đơn. Khoảng đầu tuần thứ hai sau khi thụ thai, phôi nang làm tổ với một phần bám vào thành tử cung và phần còn lại tự do. Hãy tưởng tượng tới một quả bóng bị ấn vào tường: những đĩa phẳng này trở thành phôi người. Toàn bộ cơ thể của chúng ta được hình thành chỉ từ phần đỉnh của quả cầu này, phần nằm ngập trong thành tử cung. Phần phôi nang phía dưới đĩa phôi chứa noãn hoàng. Ở giai đoạn phát triển này, chúng ta trông giống như một đĩa lõm Frisbee tức là một cái đĩa hai lớp đơn giản.

Đĩa Frisbee hình ovan này hình thành ba lớp mầm của von Baer như thế nào và tiếp tục phát triển ra sao để trông giống cơ thể người? Đầu tiên, các tế bào phân chia và di chuyển, làm cho các mô gấp nếp vào với nhau. Sau đó, khi mô di chuyển và gấp nếp, chúng ta trở thành một ống có phần phình gấp nếp ở phía đầu và phần phình khác ở phía đuôi. Nếu chúng ta tự cắt mình thành hai nửa ngay vào thời điểm này, chúng ta sẽ tìm thấy một ống khác nằm trong ống này. Ống bên ngoài trở nên thành cơ thể của chúng ta, ống bên trong là ống tiêu hóa. Khoảng trống, khoang cơ thể tương lai, nằm giữa hai ống. Cấu trúc ống trong, ống ngoài này đi theo chúng ta suốt cuộc đời. Ống ruột phát triển phức tạp hơn với một túi lớn tạo thành dạ dày cùng các vòng và cuộn xoắn dài của ruột. Ống bên ngoài có thêm các bộ phận phức tạp như lông, da, xương sườn, và chi được đẩy ra phía ngoài. Nhưng sơ đồ cơ bản được giữ nguyên. Chúng ta có thể phức tạp hơn nhiều so với thời điểm 21 ngày tuổi nhưng chúng ta vẫn có dạng ống trong, ống ngoài và tất cả cơ quan của chúng ta đều bắt nguồn từ một trong ba lớp mầm xuất hiện vào tuần thứ hai sau khi thụ thai.

Những ngày tuổi đầu tiên của chúng ta, ba tuần đầu sau khi thụ thai. Chúng ta phát triển từ một tế bào đơn thành một quả cầu tế bào và cuối cùng thành một ống phôi.

Tên của ba lớp mầm vô cùng quan trọng này bắt nguồn từ vị trí của chúng: Lớp ngoài cùng gọi là ngoại bì, lớp trong cùng gọi là nội bì còn lớp ở giữa gọi là trung bì. Ngoại bì sẽ hình thành phần lớn bộ phận bên ngoài cơ thể (da) và hệ thần kinh.

Nội bì, lớp trong cùng, tạo nên nhiều cấu trúc bên trong cơ thể trong đó có ống tiêu hóa và nhiều tuyến liên quan tới ống tiêu hóa. Trung bì, lớp ở giữa, tạo ra mô cơ thể nằm giữa ruột và da, trong đó hầu hết là xương và cơ. Dù cơ thể là của cá hồi, gà, ếch hay chuột, tất cả các cơ quan của nó đều được tạo thành từ nội bì, ngoại bì và trung bì.

Von Baer đã nhận ra phôi có thể tiết lộ quy luật cơ bản của sự sống như thế nào. Ông đã nhấn mạnh hai loại đặc điểm trong phát triển phôi: các đặc điểm có ở tất cả các loài và các đặc điểm biến đổi từ loài này sang loài khác. Đặc điểm sắp xếp ống trong, ống ngoài có ở tất cả cá động vật có xương sống như: cá, lưỡng cư, bò sát, chim và thú. Các đặc điểm chung này xuất hiện khá sớm trong quá trình phát triển. Các đặc điểm phân biệt những nhóm động vật này – bộ não to hơn ở người, mai ở rùa, lông vũ ở chim – xuất hiện khá muộn.

Cách tiếp cận của Von Baer rất khác với ý tưởng “phát sinh của cá thể lặp lại phát sinh chủng loại” mà bạn có thể đã học trong trường. Von Baer chỉ so sánh phôi và lưu ý rằng phôi của những loài khác nhau trông giống nhau hơn là cơ thể trưởng thành của những loài đó. Cách tiếp cận “phát sinh của cá thể lặp lại phát sinh chủng loại” được Ernst Haeckel dẫn dắt nhiều thập kỷ sau đó cho rằng mỗi loài vạch ra lịch sử tiến hóa của mình trong quá trình phát triển. Theo đó, phôi của người trải qua giai đoạn cá, bò sát, và thú. Haeckel so sánh phôi người với cơ thể cá hoặc thằn lằn trưởng thành.

Ý tưởng của Von Baer và Haeckel có vẻ ít có khác biệt nhưng không phải như vậy. Trong suốt 100 năm qua, thời gian và những bằng chứng khoa học mới đã ủng hộ von Baer. Khi so sánh phôi của một loài với cá thể trưởng thành của một loài khác, Haekel so sánh quả táo với cam. Khi chúng ta thực sự có thể khám phá các cơ chế thúc đẩy sự tiến hóa thì việc so sánh mới mang nhiều ý nghĩa. Để làm được như vậy, chúng ta so sánh phôi của một loài với phôi của loài khác. Phôi của các loài khác nhau không hoàn toàn đồng nhất, nhưng những đặc điểm tương đồng của chúng rất sâu sắc. Tất cả phôi đều có các cung mang, dây sống, và trông giống dạng ống trong, ống ngoài tại giai đoạn phát triển nhất định. Quan trọng là dù khác biệt như phôi cá và phôi người, chúng đều có ba lớp mầm của Pander và von Baer.

Ở tuần thứ tư sau thụ thai, chúng ta có dạng ống trong, ống ngoài và có ba lớp mầm để tạo ra tất cả các cơ quan trong cơ thể.

Toàn bộ những so sánh này đưa chúng ta tới vấn đề thực tế cần giải quyết. Làm thế nào mà phôi “biết” phát triển một cái đầu ở phía trước còn hậu môn ở phía sau? Những cơ chế nào thúc đấy sự phát triển và khiến tế bào và mô có thể tạo nên cơ thể?

Để trả lời những câu hỏi này cần có một cách tiếp cận tổng thể mới. Không chỉ so sánh phôi như thời kỳ của von Baer, chúng ta phải tìm ra một cách mới để phân tích chúng. Phần cuối thế kỉ 19 đã mở ra một thời kỳ mà chúng ta đã đề cập đầu tiên ở Chương 3. Khi đó, phôi được cắt, ghép, tách và xử lý với gần như đủ mọi loại hóa chất có thể tìm được. Tất cả đều nhân danh nghiên cứu khoa học.