Một Năm Của Sinh Học
The Year in Biology- John Rennie
(https://www.quantamagazine.org/quantas-year-in-biology-2020-20201223/)
Dịch: Đoàn Lê Uyên Kha
Nhìn lại một năm qua,ngoài sứ mệnh nghiên cứu virus SARS-CoV-2 được đặt lên hàng đầu, các nhà Sinh học cũng đã khám phá thêm về quá trình xử lý thông tin của não bộ, làm thế nào để định nghĩa được tính cá thể và tại sao thiếu ngủ lại gây chết người.
Nếu phải lựa chọn sự kiện nổi bật nhất năm trong lĩnh vực Khoa học Sự sống, danh hiệu này nghiễm nhiên được trao cho sự bùng nổ của đại dịch COVID-19. Với khoảng 78 triệu ca nhiễm trên toàn thế giới, chủng virus corona mới, SARS-CoV-2 đã trực tiếp gây ra hơn 1.7 triệu lượt tử vong, đè bẹp nền kinh tế toàn cầu, xóa sổ những buổi tụ tập công cộng và sự kiện xã hội, buộc con người phải thay đổi cách thức học tập và làm việc, và vô hình trung đã đưa việc đeo khẩu trang trở thành một đạo luật chính trị. Những thuật ngữ dịch tễ học như “miễn dịch cộng đồng” và “lan nhiễm khí dung” đã trở nên quen thuộc trong các cuộc hội thoại trò hằng ngày.
Cho dù năm 2020 đánh dấu bằng một loạt những sự kiện đen tối, nhân loại cũng được chứng kiến sự chống trả quyết liệt của khoa học, phần lớn là nghiên cứu về COVID-19 và những loại virus khác, hoặc phản ứng miễn dịch của cơ thể trước sự xâm nhập của những mầm bệnh đó. Hiểu biết về SARS-CoV-2 trong giai đoạn đầu của đại dịch còn rất hạn chế – đa phần những gì chúng ta tin đều dựa vào kinh nghiệm rút ra từ những chủng virus corona khác, thường là trên động vật, cũng giống như trường hợp với HIV và virus Ebola. Tuy nhiên, khối lượng nghiên cứu về SARS-CoV-2 đã tích lũy nhanh chóng, chủ yếu tập trung vào protein gai trên bề mặt virus như một mục tiêu tiềm năng để phát triển vaccine. Chiến dịch thần tốc phát triển loại vaccine mới chống lại coronavirus thành công phần lớn dựa vào lưu lượng dồi dào của những nghiên cứu này.
Tiến độ nghiên cứu cũng tiếp diễn trên những ‘mặt trận’ khoa học khác, nhiều đề tài trong đó đặc biệt hấp dẫn với người đọc. “Deep learning” – mạng neuron nhân tạo giúp con người hiểu được cách thức xử lý thông tin của não bộ (ngay cả khi phức hợp tính toán của bộ não có thể lớn hơn rất nhiều so với những gì khoa học đã nhận định). Những nhà sinh thái vi sinh vật học hết sức kinh ngạc khi biết được các tế bào trong lớp trầm tích bazan sâu dưới đáy đại dương đã tồn tại hơn 100 triệu năm trước. Hơn nữa, nếu bạn có trằn trọc mất ngủ vì những sự kiện gần đây trên bản tin, thì khoa học cũng đã tìm hiểu được tại sao điều đó lại khiến bạn cảm thấy tồi tệ đến vậy rồi.
- Ứng phó với đại dịch COVID-19
Trong lúc đại dịch COVID-19 càn quét toàn cầu, các chính trị gia, chuyên gia y tế công cộng và truyền thông luôn ‘sốt vó’ lên với những câu hỏi: mọi chuyện sẽ tệ đến mức nào? Toàn xã hội nói chung và từng cá nhân nói riêng nên làm gì để kìm hãm sự lây lan của virus? Trong giai đoạn đầu bùng phát dịch bệnh, một vài kết luận hết sức hứa hẹn đã được đưa ra về những quần thể nhất định có khả năng chống chịu với coronavirus, hoặc niềm tin vào miễn dịch cộng đồng có thể ngăn chặn sự lây lan của virus mà không cần đến vaccine. Nhưng cuối cùng, những phương thức không thể thay thế được lại là những biện pháp cách ly lỗi thời (bao gồm giãn cách xã hội) và nghiên cứu vaccine SARS-CoV-2. Thậm chí, vài nhà nghiên cứu còn suy đoán rằng vaccine dành cho động vật hoang dã có khả năng là niềm hy vọng cuối cùng để kìm hãm dịch bệnh trong tương lai. Và mặc dù không có cách nào xoa dịu những mất mát khủng khiếp mà dịch bệnh này giáng xuống, nghiên cứu tập trung vào COVID-19 đã mang lại một cái nhìn bao quát và thấu suốt về đặc tính vật liệu di truyền của virus – lý do chính khiến dịch bệnh trở nên nghiêm trọng và những lỗ hổng trong hệ miễn dịch của con người.
2. Thấu hiểu sức mạnh tính toán của não bộ
Não người thường được so sánh như một hệ thống máy tính ‘hữu cơ’, và nếu phân tích chi tiết theo nghĩa đen thì quả đúng là như vậy. Máy tính kỹ thuật số khai thác sức mạnh của hàng trăm triệu nếu không muốn nói là hàng tỷ linh kiện bán dẫn mà mỗi linh kiện bán dẫn về cơ bản là một công tắc bật-tắt đơn giản. Tương tự như vậy, những nghiên cứu gần đây cho thấy bên trong bộ não của con người cũng có trăm tỷ neuron thần kinh với tương tác cực kỳ phức tạp. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu cũng đã khám phá ra rằng ngay cả các sợi nhánh của neuron thần kinh cũng có khả năng xử lý thông tin, nghĩa là mỗi neuron có thể đóng vai trò như một máy tính thu nhỏ và sự tương quan này có thể mang lại những lợi ích nhất định. Khi những mạng neuron sâu đảm nhận nhiệm vụ nhận dạng, mạng lưới hoạt động hiệu quả nhất sẽ có mô hình tổ chức giống với não người một cách đáng kinh ngạc. Việc cả hai hệ thống này đều sử dụng chung một thuật toán đem đến hy vọng rằng những mạng neuron sâu có thể là một công cụ hữu ích trong công cuộc giải mã bí ẩn của não bộ.
3. Tại sao giấc ngủ lại quan trọng
“Giấc ngủ…thắt chặt mối nối trên ống tay áo đầy lo âu,” Macbeth đã từng nói, suy cho cùng cũng chỉ quanh quẩn vào vai trò quan trọng nhất của giấc ngủ: nếu không có nó, chúng ta hay bất cứ loài nào khác đều sẽ chết. Sau hơn trăm năm miệt mài nghiên cứu vai trò sống còn của giấc ngủ, câu trả lời cuối cùng đã được tìm ra trong năm nay. Hóa ra vấn đề không nằm ở bộ não như chúng ta vẫn thường dự đoán, mà lại nằm ở ruột. Kết quả thí nghiệm trên ruồi giấm chỉ ra rằng thiếu ngủ hình thành lên các gốc tự do trong nội tạng, cũng là nguyên nhân gây ra hàng loại các vấn đề cho sức khỏe. Thú vị ở điểm, chính các chất chống ô-xy hóa đã bảo vệ ruồi giấm khỏi các tổn thương do thiếu ngủ gây ra đồng thời giảm thiểu nhu cầu ngủ hằng ngày. Dù vậy, vẫn còn là quá sớm và quá nguy hiểm cho bất kỳ ai có ý định áp dụng lý thuyết này để điều trị chứng mất ngủ trên con người.
4. Khởi đầu và kết thúc của gen
Đột biến ngẫu nhiên và nhân đôi DNA tạo ra nhiều biến dị di truyền từ gen cũ, nhưng trong hàng thập kỷ qua, những gì mà sinh học biết được về cách thức tiến hóa của những gen mới cũng như làm cách nào chúng có được chức năng như hiện tại vẫn còn rất mù mịt. Thậm chí nhiều nhà khoa học nghi ngờ rằng gene đã và đang vẫn luôn tiến hóa do sự phức tạp về di truyền trong xã hội cấp cao. Tuy nhiên, những khám phá gần đây lại dẫn đến một lập luận cực kỳ chắc chắn rằng những gene mới phát triển thường xuyên trong các đoạn gen lại bị chế giễu là “DNA rác”. Dù vậy, xem chừng những gen mới này cũng khá cần thiết cho sự phát triển và tồn tại của sinh vật, một phần do xung đột và đe dọa liên tục giữa và trong cùng một loài với nhau khiến các đặc tính di truyền cũ trở nên lỗi thời. Kỳ lạ thay, các gen bổ sung không thật sự làm cho đặc tính di truyền của sinh vật trở nên phức tạp hơn: Trên thực tế, khoa học đã phát hiện ra rằng, nhiều loài và sinh vật đã phát triển phức tạp hơn khi được loại bỏ bớt gene.
5. Cá thể sinh học và cộng sinh
Tính cá thể là một định nghĩa bất định trong sinh học bởi có quá nhiều sinh vật luôn phải sống phụ thuộc vào nhau. Ví dụ, nên nhìn nhận một đàn kiến như một xã hội với những cá thể tách biệt hay như một tập thể với bản sắc riêng? Tuy nhiên, trong năm 2020 khoa học đã có một bước tiến lớn trong công cuộc khám phá về sự cân bằng giữa tính độc lập và tính cá thể trong sinh học. Các tiêu chí khách quan được dùng để xác định mức độ cá thể hóa ở sinh vật đã được tìm ra dựa trên lý thuyết thông tin. Sinh học tiến hóa đã đúc kết ra cách thức thiết yếu để mối quan quan hệ cộng sinh giữa kiến thợ và vi khuẩn sống trong ruột của chúng tồn tại suốt 51 triệu năm nay; nhưng trong một diễn biến khác, một số động vật lại có thể sống sót mà không có bất kỳ vi khuẩn thường trú nào trong ruột. Hơn nữa, các nhà khoa học nghiên cứu amip nấm nhầy cho thấy đôi lúc, “những kẻ cô đơn” dường như sống ngoài vòng xã hội lại phục vụ những mục đích bí mật cho cộng đồng.
Gene và ảnh hưởng từ bên ngoài (bản chất và tác động của môi trường) cũng góp phần hình thành nên những cá thể đặc biệt này. Những nhận thức của sinh học về các biến số ngẫu nhiên, hay biến gây nhiễu, như một yếu tố quan trọng ngày càng lớn dần. Đã đến lúc các chương trình phát triển được định hình lại để tận dụng biến gây nhiễu như một phần tử sinh tự nhiên của đa dạng nhờ vào sự tiến hóa.
6. Sự sống sâu thẳm nơi tận cùng
Vi sinh vật đã được phát hiện có khả năng sinh sôi phát triển mạnh mẽ sâu dưới lòng đất, từ suối nước nóng sôi sục đến lớp trầm tích trong lòng đại dương – đem lại tia hy vọng về viễn cảnh tồn tại sự sống trên mặt trăng hoặc một hành tinh khác trong hệ mặt trời. Năm nay, những tế bào sống lại được tìm thấy tại một trong những môi trường ít “hiếu khách” nhất quả đất, thể hiện rằng sự sống quả thực rất bền bỉ và ngoan cường. Trong những tầng đá bazan xa xôi bị cô lập với ánh sáng mặt trời và dinh dưỡng trong hàng triệu năm lại tồn tại những tế bào sống. Những tế bào này phát triển với nhịp độ chậm đến mức chúng chỉ nguyên phân 1 lần duy nhất trong 1000 năm. Những nghiên cứu sau đó chỉ ra rằng những tế bào này luôn ở trạng thái “siêu ngưng hoạt” đến mức chúng tiêu thụ năng lượng gần như ở mức tuyệt đối thấp nhất. Có lẽ đây chính là khám phá truyền cảm nhất của sinh học trong năm 2020: Kiên trì để sống sót.
————————————————————————————————————-
Về tác giả: John Rennie là một nhà báo chuyên viết về đề tài khoa học, người đã từng là một trong 7 biên tập chính của tạp chí Scientific American. Sau khi rời Scientific American năm 2009, ông bắt đầu viết cho Blog của Thư viện Khoa học Công cộng. Ngoài ra, Rennie còn tham dự một vài chương trình truyền hình và podcast cũng như nhiều dự án viết lách, bao gồm cả vị trí mới nhất của ông là phó tổng biên tập của tạp chí Quanta.
Về người dịch: Đoàn Lê Uyên Kha tốt nghiệp cử nhân Khoa học Môi trường, ĐHKHTN-ĐHQG Hà Nội. Hiện cô đang theo học thạc sĩ theo diện học bổng chính phủ Hàn Quốc (GKS).