Animations of unseeable biology

Thứ tôi sắp sửa cho các bạn xem

là những cỗ máy phân tử kỳ diệu

đã tạo ra toàn bộ cơ cấu sự sống của cơ thể các bạn.

Những phân tử này thực sự, thực sự nhỏ xíu.

Và khi tôi nói là nhỏ xíu,

thì chúng thực sự như vậy.

Chúng còn nhỏ hơn một bước sóng ánh sáng,

vì vậy chúng ta không thể quan sát chúng trực tiếp.

Nhưng qua khoa học, chúng ta vẫn có thể biết được tương đối tốt

chuyện gì đang xảy ra ở mức độ phân tử.

Vì thế những gì chúng tôi có thể làm là kể với các bạn về những phân tử này,

nhưng chúng tôi lại không có cách nào giúp bạn nhìn trực tiếp những phân tử đó.

Có một cách khác để làm việc này là vẽ.

Và ý tưởng này thực sự không mới.

Các nhà khoa học vẫn luôn tạo ra những bức vẽ

như là một phần của quá trình suy nghĩ và khám phá của họ.

Họ vẽ ra những thứ họ đang quan sát dưới con mắt của họ,

thông qua những thiết bị như kính thiên văn và kính hiển vi,

cũng như những gì họ đang nghĩ trong đầu.

Tôi xin lấy hai ví dụ nổi tiếng,

chúng rất nổi tiếng về sự biểu đạt khoa học thông qua nghệ thuật.

Đầu tiên là Galileo

người đã sử dụng kính thiên văn đầu tiên trên thế giới

để quan sát Mặt Trăng.

Và ông đã thay đổi nhận thức của chúng ta về Mặt Trăng.

Theo quan niệm ở thế kỷ 17 thì

Mặt Trăng là một trái cầu hoàn hảo.

Nhưng cái mà Galileo nhìn thấy lại là một vùng đất cằn cỗi và nhiều đá,

như ông đã diễn tả qua những bức tranh mầu nước của mình.

Một nhà khoa học với những ý tưởng rất lớn khác,

một siêu sao của ngành sinh học, là Charles Darwin.

Ở mục ghi chép nổi tiếng trong cuốn sổ của ông,

ông bắt đầu ở góc trái với, "Tôi nghĩ là",

rồi phác họa ra cây sự sống đầu tiên,

mà đồng thời cũng là quan điểm của ông

về mối liên hệ giữa các loài, các sinh vật trên Trái đất,

thông qua lịch sử tiến hóa --

nguồn gốc của muôn loài qua chọn lọc tự nhiên

và sự phân nhánh từ một quần thể tổ tiên ban đầu.

Mặc dù cũng là một nhà khoa học,

nhưng khi nghe bài giảng của các nhà sinh học phân tử

tôi đã hoàn toàn không hiểu gì,

với tất cả những ngôn ngữ kỹ thuật mầu mè và các biệt ngữ

mà họ sử dụng để nói về công việc của họ,

cho đến khi tôi thấy những bức ảnh minh họa của David Goodsell,

một nhà sinh học phân tử ở viện Scripps.

Và các bức hình của ông,

tất cả đều chính xác và đúng tỷ lệ.

Những bức vẻ của ông đã giúp tôi thấy rõ

thế giới phân tử bên trong chúng ta như thế nào.

Đây là một lát cắt ngang qua mạch máu.

Ở góc trái trên cùng, bạn nhìn thấy khu vực màu xanh vàng này.

Đó là huyết tương, với nước là chủ yếu,

nhưng cũng có cả kháng thể, đường,

hoóc môn, những thứ đại loại vậy.

Và vùng màu đỏ là một lát cắt của một tế bào hồng cầu.

Những phân tử màu đỏ là hemoglobin.

Chúng có màu đỏ; và vì vậy tạo nên màu đỏ của máu.

Và hemoglobin hoạt động như một miếng xốp phân tử

hấp thu khí oxi từ phổi của bạn

rồi vận chuyển nó tới những bộ phận khác của cơ thể.

Bức ảnh này đã gây cảm hứng mạnh mẽ cho tôi từ nhiều năm trước,

và tôi tự hỏi liệu chúng ta có thể sử dụng đồ họa máy tính

để miêu tả thế giới phân tử.

Nó sẽ trông như thế nào?

Và đó là khi tôi bắt đầu ý tưởng. Vậy ta hãy bắt đầu.

Đây là ADN ở dạng chuỗi xoắn kép.

Và nó được xác định bởi tinh thể học tia X,

cho nên mô hình này khá là chuẩn.

Giờ nếu chúng ta tháo chuỗi xoắn kép và mở tách hai chuỗi ra,

chúng ta sẽ nhìn thấy chúng giống như hàm răng.

Đó là những ký tự của mã di truyền,

là 25,000 gen được viết vào phân tử ADN của bạn.

Đây là cái mà chúng ta vẫn luôn nói về --

mã di truyền -- đây là cái chúng ta đang thảo luận.

Nhưng tôi muốn nói về một khía cạnh khác của khoa học ADN,

và đó là bản chất vật lý của ADN.

Đó là 2 chuỗi này chạy theo 2 hướng ngược nhau

vì những lý do mà tôi không đi vào chi tiết lúc này.

Nhưng chúng chạy theo hai hướng ngược chiều nhau,

dẫn tới rất nhiều sự phức tạp trong tế bào cơ thể,

mà các bạn sắp sửa thấy đây,

cụ thể nhất là khi ADN bắt đầu được sao chép.

Và bởi vậy cái mà tôi sẽ cho bạn xem

là một sự miêu tả chính xác

về hoạt động thật sự của bộ máy sao chép DNA đang xảy ra bên trong bạn,

ít nhất là vẫn còn đúng vào năm 2002.

Và đây là ADN đang đi vào phạm vi sản xuất từ phía bên trái,

và đâm vào khu vực tập hợp những bộ máy hóa sinh nhỏ,

mà đang kéo tách một phần chuỗi ADN và tạo ra một bản copy chính xác.

Vậy là ADN đi vào

và chạm vào kết cấu mầu xanh hình bánh rán

rồi bị xé thành hai chuỗi.

Một chuỗi có thể được sao chép một cách trực tiếp,

và bạn có thể nhìn thấy chúng đang được cuộn vào cho tới tận cùng đây.

Nhưng mọi sự không hề đơn giản cho chuỗi còn lại

bởi vì nó phải được sao chép theo hướng ngược lại.

Vậy là nó bị quẳng ra ngoài một cách lặp đi lặp lại qua những vòng này

và mỗi lần như vậy lại được sao chép một phần,

để tạo ra hai phân tử ADN mới.

Giờ bạn có hàng tỷ những cỗ máy này

đang làm việc ngay lúc này bên trong bạn,

sao chép ADN của bạn với độ tin cậy cao.

Đây là một sự miêu tả chính xác,

và rất gần với tốc độ chính xác những gì đang xảy ra bên trong bạn.

Dù tôi đã bỏ sót quá trình sửa lỗi và nhiều thứ khác.

Đây là công trình từ nhiều năm về trước.

Cảm ơn.

Công trình này đã cũ rồi,

nhưng thứ tôi sẽ cho các bạn xem sau đây là công nghệ khoa học đã được cập nhật.

Nào hãy bắt đầu lại với ADN.

Và nó đang lắc lư và xóc xóc nhẹ bởi vì xung quanh nó là rất nhiều phân tử khác,

mà giờ tôi sẽ dẹp đi để bạn có thể nhìn thấy thứ gì đó.

ADN chỉ rộng cỡ khoảng 2 nm

nó rất nhỏ.

Nhưng bên trong mỗi tế bào của bạn,

mỗi chuỗi ADN dài khoảng 30 - 40 triệu nm.

Bởi vậy để giữ cho ADN ở trạng thái có tổ chức và để điều khiển việc tiếp cận mã di truyền,

nó được cuốn quanh những phân tử protein mầu tím này --

tôi đã đánh dấu mầu tím ở đây.

Nó được gói ghém và bó lại.

Và cái chúng ta đang nhìn là một chuỗi đơn ADN.

Gói ADN lớn này được gọi là nhiễm sắc thể.

Chúng ta sẽ nói về nhiễm sắc thể sau một phút.

Giờ chúng ta đang gỡ ra, thu nhỏ lại,

nhìn qua một lỗ hổng của nhân,

mà chính là cổng để tới nơi đang giữ tất cả ADN

và ta gọi nơi đó là nhân tế bào.

Tất cả những gì chúng ta nhìn thấy

có giá trị ngang với một học kỳ của môn sinh học, và tôi chỉ gói trong 7 phút.

Chẳng lẽ ngày nay chúng ta sẽ không thể làm được điều này?

Và tôi được trả lời là "Không thể."

Đây là tế bào sống được nhìn qua một chiếc kính hiển vi.

Và nó đã được quay thành phim, bởi vậy mà bạn nhìn thấy nó đang chuyển động.

Vỏ nhân bị phá hủy.

Và những thứ có hình xúc xích này là nhiễm sắc thể, và chúng ta sẽ chú ý tới chúng.

Chúng trải qua một sự chuyển động cực kỳ ấn tượng

mà được tập trung ở những chấm đỏ này.

Khi tế bào cảm thấy nó đã sẵn sàng,

nó sẽ xé nhiễm sắc thể làm đôi.

Một bộ ADN sẽ tới một phía,

và bộ ADN còn lại sẽ tới phía kia --

đó là hai bản giống nhau của ADN.

Và sau đó tế bào chia cắt ở giữa.

Và tiếp tục, chúng ta có hàng tỷ tế bào

đang thực hiện quá trình này ngay bên trong bạn.

Giờ chúng ta tua lại đoạn phim và chỉ tập trung vào nhiễm sắc thể,

quan sát cấu trúc và miêu tả nó.

Nào bây giờ chúng ta đang ở mặt phẳng xích đạo.

Các nhiễm sắc thể xếp thành hàng dọc.

Và nếu chúng ta tách một nhiễm sắc thể,

chúng ta sẽ kéo nó ra và nhìn vào cấu trúc của nó.

Đây là một trong những cấu trúc phân tử lớn nhất trong cơ thể bạn,

ít nhất là với những gì chúng ta hiện giờ biết được.

Và đây là một nhiễm sắc thể đơn.

Và bạn có hai chuỗi ADN trong mỗi nhiễm sắc thể.

Một chuỗi bó lại thành một chiếc xúc xích.

Chuỗi kia bó lại thành một chiếc xúc xích khác.

Còn những thứ mà trông giống như lông mèo mà đang vắt qua từ hai phía tế bào

là những giàn giáo linh động nâng đỡ tế bào.

Chúng được gọi là vi ống. Tên không quan trọng lắm.

Cái mà chúng ta cần chú ý là khu vực đỏ này -- Tôi dán nhãn đỏ ở đây --

và đó là mặt phân giới

giữa hệ vi ống và nhiễm sắc thể.

Nó hiển nhiên là trung tâm cho sự chuyển động của nhiễm sắc thể.

Và chúng ta không biết thực sự nó đạt được sự chuyển động này bằng cách nào.

Chúng ta đã tập trung nghiên cứu rất sâu

cái gọi là vùng gắn thoi (kinetochore) hơn 100 năm nay rồi,

và chúng ta vẫn mới chỉ bắt đầu khám phá nó thực sự là cái gì.

Đó là một tập hợp của hơn 200 loại protein khác nhau,

tổng cộng là hàng ngàn protein.

Nó là một hệ thống truyền tín hiệu.

Nó truyền tin thông qua những tín hiệu hóa học

để nói với phần còn lại của tế bào khi nào nó sẵn sàng,

khi nào nó cảm thấy mọi thứ đã được sắp xếp và sẵn sàng để bắt đầu

quá trình phân chia nhiễm sắc thể.

Nó có thể nối các sợi vi ống đang trải rộng và co ngắn với nhau.

Nó cũng tham gia vào quá trình phát triển các vi ống,

và có thể nhất thời gắn vào vi ống.

Nó cũng là một hệ thống cảm biến.

Nó có thể cảm giác được khi nào thì tế bào đã sẵn sàng,

khi nào nhiễm sắc thể đã xếp hàng ở đúng vị trí.

Nó đang chuyển sang màu xanh ở đây

vì nó cảm thấy tất cả mọi thứ đã chín muồi.

Và bạn sẽ thấy, vẫn còn một chút xíu ở đây

vẫn còn nguyên màu đỏ.

Và nó được đưa dọc xuống vi ống.

Đó là hệ thống truyền tín hiệu đang phát đi tín hiệu ngừng.

Và nó đã được đưa đi. Ý tôi là, nó khá máy móc.

Nó giống một chiếc đồng hồ phân tử.

Và đây là những gì đang hoạt động ở cấp độ phân tử.

Và để cho vào một chút khiếu thẩm mỹ,

chúng ta có kinesin, những thứ có mầu da cam.

Chúng là những phân tử chuyển phát nhanh chỉ đi theo một chiều.

Và đây là dynein. Chúng vận chuyển hệ thống truyền tin đó.

Và chúng có những đôi chân dài để có thể bước qua những chướng ngại vật.

Và một lần nữa, tất cả đều đã được tạo ra một cách chính xác

từ khoa học.

Vấn đề là chúng tôi không thể giúp bạn nhìn thấy bằng bất cứ cách nào khác.

Khám phá tại giới hạn của khoa học,

ở ngưỡng cửa của sự hiểu biết của con người

là một thử thách hấp dẫn.

Việc khám phá ra công cụ này

chắc chắn sẽ là một động lực thú vị cho nghiên cứu khoa học.

Nhưng với hầu hết những nhà nghiên cứu y khoa --

việc khám phá ra công cụ này

đơn giản chỉ là những bước trên con đường tới những mục tiêu lớn

để quét sạch bệnh tật,

loại bỏ những đau đớn và khốn khổ mà bệnh tật gây ra

và đưa con người thoát khỏi đói nghèo.

Xin cảm ơn.

(Tiếng vỗ tay)