Chúng ta bắt đầu từ một tế bào duy nhất. Tế bào đầu tiên này tách ra thành hai, hai thành bốn, và vân vân. Sau bốn mươi bảy lần phân bào, bạn có được mười nghìn nghìn tỷ (10.000.000.000.000.000) tế bào trong cơ thể bạn và bạn đã sẵn sàng vận động trong vai trò là một con người độc lập. [1] Và mỗi tế bào đều biết rõ chức năng và nhiệm vụ của nó trong quá trình nuôi dưỡng bạn ngay từ lúc thụ thai cho đến hơi thở cuối cùng.
Bạn chẳng có được bí mật gì từ các tế bào. Chúng biết về bạn nhiều hơn xa so với những gì bạn biết về chúng. Mỗi người mang theo bên mình một mã di truyền trọn vẹn – tài liệu mô tả cấu trúc cơ thể bạn – mà di truyền này không những hiểu rõ công việc của nó mà còn hiểu rõ mọi việc diễn ra trong cơ thể bạn. Suốt cuộc đời mình bạn chẳng bao giờ cần phải nhắc nhở bất kỳ một tế bào nào hãy chú ý đến công việc của nó. Nó luôn ở đó và làm việc cho bạn.
Về cơ bản, mọi tế bào là một kỳ công. Ngay cả tế bào đơn giản nhất cũng vượt xa mọi sự khéo léo của con người. Để tạo ra một tế bào men cơ bản nhất, ví dụ, bạn cần phải thu nhỏ các thành phần cần thiết (số thành phần cần thiết này có thể sánh với số chi tiết để cấu thành một chiếc phi cơ Boeing 777) và lắp đặt chúng lại với nhau trong một quả cầu có đường kính chỉ năm micromet; sau đó bạn phải tìm cách kích hoạt quả cầu này.
Nhưng các tế bào men không thể đem so sánh với các tế bào trong cơ thể con người, tế bào trong cơ thể con người đa dạng và phức tạp hơn xa, nhưng điều phi thường nhất chính là mối quan hệ tương tác giữa các tế bào này.
Tế bào của bạn là quốc gia có mười nghìn nghìn tỷ công dân, mỗi công dân đều góp phần cấu thành sự sống của bạn. Không một hoạt động nào chúng không làm cho bạn. Chúng giúp bạn cảm thấy hài lòng và hình thành suy nghĩ. Chúng giúp bạn đứng thẳng, vươn vai, và nhảy lò cò. Khi bạn ăn, chúng gạn lọc các chất dinh dưỡng, phân phối năng lượng, và vất bỏ chất thải – tất cả các chức năng bạn học được từ môn sinh học thời phổ thông – nhưng chúng cũng giúp bạn cảm thấy đói và nhắc nhở bạn ăn uống. Chúng giúp tóc bạn liên tục phát triển, tai bạn luôn được bôi sáp, não bộ hoạt động ổn định. Chúng kiểm soát mọi ngóc ngách trên cơ thế bạn. Chúng sẵn sàng chết vì bạn – hàng tỷ tế bào vẫn chết đi mỗi ngày.
Chúng ta hiểu biết đôi chút về sự vận hành của tế bào – chúng tích lũy chất béo hoặc sản xuất insulin như thế nào – nhưng chỉ là đôi chút. Bạn có ít nhất 200.000 loại protein khác nhau ngự trị trong cơ thể, và cho đến nay chúng ta chỉ hiểu được chưa đến hai phần trăm trong số này (một số người cho rằng chúng ta hiểu được hơn 50 phần trăm trong số này; điều này tùy thuộc vào việc bạn định nghĩa từ “hiểu” như thế nào).
Về cơ bản, oxit nitric là một loại độc tố mạnh và là một nhân tố phổ biến tạo ra sự ô nhiễm không khí. Thế nên các nhà khoa học thường tỏ ra ngạc nhiên khi, vào giữa thập niên 1980, họ xác định rằng bằng cách nào đó chất này được tạo ra trong các tế bào của con người. Thoạt tiên chức năng của nó là điều bí ẩn đối với các nhà khoa học, nhưng về sau người ta xác định được rằng chức năng của nó là kiểm soát lưu lượng máu và sinh khí của các tế bào, tấn công các tế bào ung thư và các mầm bệnh khác, điều tiết khứu giác, và thậm chí còn hỗ trợ sự cương cứng của dương vật. Nó cũng giải thích tại sao nitroglyxerin, một loại thuốc nổ nổi tiếng, lại có thể giảm triệu chứng đau tim hay còn được gọi là chứng đau thắt ngực. (Nó được chuyển hóa thành oxit nitric trong dòng máu, làm dịu sự căng cơ, giúp máu lưu thông tốt). Chỉ trong một thập niên, độc tố này được xem như một loại thuốc tiên phổ biến.
Bạn sở hữu khoảng “vài trăm” loại tế bào khác nhau, theo lời nhà hóa sinh người Bỉ, Christian de Duve, và chúng cũng xuất hiện đa dạng về kích cỡ và hình dáng, từ tế bào thần kinh cho đến tế bào máu. Bình quân, tế bào của con người có đường kính khoảng chừng hai mươi micromet – hai phần trăm của một milimet – quá nhỏ nên không thể trông thấy bằng mắt thường nhưng cũng đủ lớn để chứa hàng triệu phân tử. Sự sống động của tế bào cũng xuất hiện đa dạng. Mọi tế bào da của bạn đều là tế bào chết. Nếu bạn là một người lớn trung bình thì bạn mang trên mình khoảng nửa pound (1 pound = 0,454kg) tế bào da chết, vài tỷ tế bào da chết bị bong ra khỏi cơ thể bạn mỗi ngày. Bạn hãy dùng ngón tay quệt mạnh lên một chiếc kệ phủ đầy bụi, một tỷ lệ lớn bụi này là tế bào da chết của con người.
Hầu hết các tế bào sống đều tồn tại không quá một tháng, nhưng có một số tê bào tồn tại rất lâu. Tế bào gan có thể tồn tại suốt nhiều năm, dù rằng các thành phần của chúng có thể được đổi mới sau mỗi vài ngày. Tế bào não tồn tại lâu bằng tuổi thọ của bạn. Khi chào đời bạn có khoảng một trăm tỷ tế bào não, và con số này gần như không thay đổi cho đến khi bạn qua đời. Người ta ước đoán rằng sau mỗi giờ đồng hồ bạn mất đi năm trăm tế bào não. Các thành phần cấu tạo tế bào não liên tục đổi mới, cũng giống như các tế bào gan, nhờ đó không thành phần nào của chúng có thể già hơn một tháng. Thật thế, người ta cho rằng không một phần tử nào trong chúng ta có thể có tuổi thọ hơn chín năm. Có thể chúng ta không cảm thấy thế, nhưng ở góc độ tế bào thì tất cả chúng ta đều là những đứa trẻ.
Người đầu tiên mô tả tế bào là Robert Hooke, người đã tranh cãi cùng Isaac Newton về quyền tác giả của luật nghịch đảo vuông. Hooke gặt hái nhiều thành tựu trong suốt sáu mươi tám năm làm việc, nhưng người ta biết đến ông nhiều nhất qua cuốn sách nổi tiếng Microphagia: or Some Physiological Descriptions of Miniature Bodies Made by Magnifying Glassess, xuất bản năm 1665. Cuốn sách này làm say mê công chúng qua những hiểu biết phi thường về tế bào ngoài sức tưởng tượng của bất cứ ai.
Hooke xác định rằng một inch vuông nút bần (cork) chứa 1.259.712.000 tế bào – đây là con số rất lớn lần đầu tiên xuất hiện trong khoa học. Kính hiển vi của Hooke có thể phóng đại hình ảnh lên ba mươi lần, đây là loại kính hiển vi tốt nhất trong suốt thế kỷ mười bảy.
Một thập niên sau Hooke và các thành viên khác của Hội Hoàng gia London nhận được các bức vẽ và bản báo cáo từ một người bán vải vô danh tại Hà Lan, nội dung mô tả một loại kính hiển vi có thể phóng đại hình ảnh lên đến 275 lần. Tên của người bán vải này là Antoni van Leeuwenhoek. Dù không phải là người học cao và không được đào tạo chính quy nhưng ông đã trở thành một chuyên gia quan sát tài năng vượt bậc.
Leeuwenhoek chế biến công cụ cho mọi thử nghiệm của mình và giấu nhẹm các kỹ thuật này, dù rằng đôi khi ông cũng đề cập sơ sài với người Anh về việc họ có thể cải thiện các giải pháp của mình như thế nào.
Suốt năm mươi năm sau, ông viết hai trăm bản báo cáo gửi đến Hội Hoàng gia. Leeuwenhoek không giải thích điều gì mà chỉ trình bày những gì mình khám phá được, cùng với các hình vẽ khéo léo. Ông gửi đến những báo cáo về mọi đề tài hữu ích – mốc trên bánh mì, vết đốt của ong, tế bào máu, răng, tóc, nước bọt của chính ông, phân, tinh dịch – hầu hết những thứ này trước đó chưa bao giờ được quan sát qua kính hiển vi.
Leeuwenhoek khám phá được các động vật nguyên sinh. Ông tính toán rằng có khoảng 8.280.000 động vật nguyên sinh tồn tại chỉ trong một giọt nước – nhiều hơn dân số Hà Lan. Thế giới này tràn ngập sự sống với số lượng mà không ai có thể hình dung được.
Lấy cảm hứng từ những khám phá phi thường của Leeuwenhoek, các nhà khoa học khác bắt đầu quan sát mọi đối tượng qua kính hiển vi. Một trong những chuyên gia quan sát nổi tiếng người Hà Lan, Nicolaus Hartsoecker, tin chắc rằng mình đã nhìn thấy “những con người cực nhỏ” trong các tế bào tinh dịch. Ông gọi đây là “người tí hon” và suốt một khoảng thời gian dài người ta tin rằng mọi người
– thực ra là mọi sinh vật – đều mang trong mình những “người tí hon” này. Chính Leeuwenhoek thỉnh thoảng cũng suýt mất mạng vì những thử nghiệm của mình. Trong một lần thử nghiệm ông cố gắng nghiên cứu khả năng phát nổ của thuốc súng bằng cách quan sát một mẩu thuốc súng ở cự ly gần; trong thử nghiệm này ông suýt tự làm mù mắt chính mình.
Năm 1683 Leeuwenhoek khám phá vi khuẩn. Trước năm 1831 vẫn chưa ai trông thấy được nhân của tế bào – nó được khám phá bởi nhà thực vật học người Scotland, Robert Brown. Brown (1773 – 1858) gọi nó là nucleus từ tiếng La Tinh nucula, có nghĩa là phần cốt lõi. Tuy nhiên, mãi đến năm 1839 người ta mới biết được rằng mọi sinh vật đều được cấu thành bởi tế bào. Chính Theodor Schwann, một nhà khoa học Đức, đã khám phá điều này. Mãi đến những năm 1860 Louis Pasteur tại Pháp mới khẳng định được rằng sự sống không thể xuất hiện ngẫu nhiên nhưng nó phải xuất nguồn từ các tế bào tồn tại trước đó. Kiến thức này được gọi là “thuyết tế bào”, và nó trở thành nền tảng cho bộ môn sinh học hiện đại.
Tế bào được so sánh với nhiều thứ, từ “nhà máy lọc hóa tinh vi” (bởi nhà vật lý học James Trefil) cho đến “vương quốc rộng lớn” (bởi nhà hóa sinh Guy Brown). Dù có kích cỡ hay hình dạng như thế nào, về cơ bản gần như mọi tế bào của bạn đều được xây dựng theo cùng một sơ đồ: chúng có một lớp màng bên ngoài, một hạt nhân trong đó chứa các thông tin về gen di truyền, và một khoảng không gian giữa hai bộ phận này được gọi là “tế bào chất”. Lớp màng này không phải là một lớp vỏ cao su bền bỉ như chúng ta thường nghĩ, thay vì thế nó được cấu thành bởi một loại chất béo được gọi là lipit.
Nếu bạn đến thăm một tế bào, có thể bạn sẽ chẳng thấy thích thú chút nào. Khi một tế bào được phóng đại đến mức một nguyên tử cấu thành nó có kích cỡ bằng một hạt đậu, tế bào đó sẽ có kích cỡ bằng một quả cầu có đường kính xấp xỉ nửa dặm, được nâng đỡ bởi cái được gọi là khung tế bào. Trong đó, hàng triệu triệu vật thể – một số có kích cỡ bằng quả bóng rổ, một số có kích cỡ bằng xe ô tô – sẽ di chuyển hỗn độn với tốc độ cực nhanh giống như các đầu đạn. Sẽ không có nơi nào để bạn có thể đứng mà không bị oanh tạc hàng nghìn lần/giây từ mọi hướng. Ngay cả đối với các vật thể tồn tại liên tục trong tế bào thì đây cũng là một nơi nguy hiểm. Mỗi chuỗi DNA bình quân bị oanh tạc một lần mỗi 8,4 giây – mười nghìn lần/ngày – bởi các hóa chất và các tác nhân khác, và mỗi vết thương này cần phải được chữa lành nếu tế bào không muốn bị diệt vong.
Protein là thứ cực kỳ sống động, nó xoay tròn, giãn nở nhịp nhàng, và va chạm vào nhau một tỷ lần/giây. Các enzim, thực ra chúng cũng là một loại protein, va chạm khắp nơi, thực hiện hàng nghìn chức năng/giây. Giống như loài kiến chăm chỉ, chúng luôn bận rộn xây dựng và tái lập các phân tử, vận chuyển từ nơi này đến nơi khác. Một vài loại protein chỉ tồn tại chưa đến ba mươi phút; các protein còn lại tồn tại nhiều tuần lễ. Nhưng tất cả đều tồn tại trong trạng thái quay cuồng. Theo lời de Duve thì, “Thế giới phân tử ắt hẳn hoàn toàn vượt mọi khả năng tưởng tượng của con người vì quá trình vận hành cực nhanh của chúng”.
Nhưng khi chúng ta làm chậm lại quá trình hoạt động của chúng, đến một tốc độ mà chúng ta có thể quan sát được các tương tác của chúng, mọi việc dường như không quá hỗn độn như chúng ta nghĩ. Bạn có thể nhận thấy rằng một tế bào là một tập hợp hàng triệu vật thể – lizozim, nội bào, phối tử, protein đủ cỡ đủ loại – va chạm với hàng triệu vật thể khác và thực hiện nhiều chức năng: chiết năng lượng từ chất dinh dưỡng, lắp ráp kết cấu, vất bỏ chất thải, né tránh những kẻ xâm nhập, gửi và nhận thông tin, sửa chữa kết cấu. Về cơ bản, một tế bào chứa khoảng 20.000 loại protein, mỗi loại được được đại diện bởi ít nhất 50.000 phân tử. “Điều này có nghĩa là”, Nuland nói, “nếu chúng ta đếm các phân tử thì con số này có thể lên đến ít nhất 100 triệu phân tử protein trong mỗi tế bào. Con số này cho thấy hoạt động hóa sinh diễn ra với cường độ mạnh trong mỗi người”.
Đây là một quá trình vận động đòi hỏi sự khắt khe. Tim bạn phải bơm 75 galông (1 galông = 4,54 lít) máu/giờ, 1.800 galông/ngày, 657.000 galông/năm – đủ để đổ đầy một chiếc hồ bơi cỡ lớn – để giúp các tế bào có đủ lượng oxy cần thiết. (Và đó là trong lúc cơ thể nghỉ ngơi. Trong khi bạn tham gia tập thể dục thì tỷ lệ này có thể gia tăng gấp sáu lần). Oxy được sọ mụn (mytochondria) thẩm thấu. Đây là nhà máy chế biến năng lượng của các tế bào, và bình quân có khoảng một nghìn sọ mụn trong mỗi tế bào. Hầu như mọi thức ăn và oxy đưa vào cơ thể bạn đều được chuyển hóa và đưa đến sọ mụn, tại đây chúng được chuyển hóa thành một phân tử được gọi là adenosine triphosphate, hay còn gọi là ATP.
Có thể bạn chưa từng nghe nói đến ATP, nhưng chính nó giúp bạn tồn tại. Các phân tử ATP thực ra là các ắc quy nhỏ di chuyển quanh tế bào để cung cấp năng lượng cho mọi quá trình hoạt động của tế bào. Tại bất kỳ thời điểm nào, một tế bào điển hình trong cơ thể bạn luôn có khoảng một tỷ phân tử ATP, và sau mỗi hai phút thì chúng được thay thế bởi hàng tỷ phân tử ATP khác. Mỗi ngày bạn tạo ra và sử dụng một lượng ATP tương đương một nửa trọng lượng cơ thể. Khi bạn cảm thấy da mình ấm áp, đó là lúc ATP đang hoạt động.
Mỗi ngày có hàng tỷ tế bào trong cơ thể bạn chết đi vì ích lợi của bạn và hàng tỷ tế bào mới sẽ xuất hiện. Tế bào có thể chết trong đau đớn – ví dụ, khi bị nhiễm trùng – nhưng thường thì chúng chết đi vì đó là vận mệnh của chúng theo đúng tự nhiên. Đôi khi, khi một tế bào không tự chết đi mà lại bắt đầu phân bào và sinh sản ở tốc độ không thể kiểm soát, chúng ta gọi đây là chứng ung thư. Các tế bào ung thư thực ra chỉ là các tế bào rối loạn. Tế bào cũng thường rối loạn như thế này, nhưng cơ thể có cơ chế đặc biệt để xử lý sự cố này. Rất hiếm khi cơ thể không kiểm soát được sự cố này. Bình quân một khối u ác tính xuất hiện sau mỗi 100 triệu tỷ lần phân bào. Họa hoằn lắm chứng ung thư mới xuất hiện.
Điều kỳ diệu ở đây không phải là xác suất rủi ro cực nhỏ này, mà là tế bào có thể kiểm soát được mọi thứ suốt nhiều chục năm. Chúng kiểm soát được mọi thông tin trong cơ thể: hướng dẫn, thắc mắc, sửa chữa, yêu cầu trợ giúp, đổi mới, vân vân. Hầu hết các tin tức này được chuyển đi qua những người đưa tin được gọi là các hoóc môn (kích thích tố), các hóa chất chẳng hạn insulin, adrenaline, estrogen, và testosterone. Chúng chuyển thông tin từ tuyến giáp và các tuyến nội tiết. Ngoài ra các thông tin còn đến từ não bộ hoặc từ các trung tâm cục bộ. Cuối cùng, các tế bào liên lạc trực tiếp với nhau để đảm bảo hoạt động của chúng được nhịp nhàng.
Có lẽ điều đáng chú ý nhất là: tất cả đều là một hoạt động ngẫu nhiên, một chuỗi bất tận các hoạt động không ngừng chịu sự chi phối của lực đẩy và lực hút. Rõ ràng chẳng có suy nghĩ nào ẩn phía sau mọi hoạt động của các tế bào. Nó diễn ra nhịp nhàng, liên tục, và đáng tin cậy đến mức hiếm khi nào chúng ta ý thức được nó. Đừng bao giờ quên rằng mọi vật sống đều là một kỳ quan của kết cấu nguyên tử.
____________
[1] Thực ra nhiều tế bào mất đi trong suốt quá trình phát triển, thế nên đây chỉ là số lượng tế bào tương đối. Con số này có thể thay đổi tùy vào nguồn tài liệu bạn tham khảo. Con số mười nghìn nghìn tỷ này được trích từ tài liệu Margulis and Sagan, 1986.