Vật lý và sinh học

Vật lý và sinh học

Vật lý và sinh học
*******************
Phân tử quan trọng nhất
(o.".Ф?анк-sамене?кий)

Những thành tựu trong sinh học đang gây ra những chấn động.
Tôi có cảm tưởng như là, Jim Yotson đã có những khám phá
có thể sánh với những khám phá của Rutherfor năm 1911 .
Max Delbriu
(Trong thư gửi Neil Bohr 14 tháng 4 năm 1953)

Trong những điều bí ẩn quanh chúng ta thì sự sống có lẽ là bí ẩn nhất. Chúng ta đã quá quen thuộc tới nỗi mất đi khả năng ngạc nhiên trước sự sống. Hãy thử đi vào rừng ngắm nhìn cây cỏ, hoa lá, chim muông, ... và có thể có những sinh vật bạn lần đầu tiên nhìn thấy, khi đó bạn sẽ bị bao lấy bởi cảm giác bất lực trước sự vĩ đại và bí ẩn của sự sống. Chẳng lẽ, trong tất cả những sinh vật này không có một cái gì đó chung, một mối liên hệ nào đó, cho dù đó là con người hoặc những vi sinh vật không thể nhìn thấy bằng mắt thường được? Bằng cách nào sinh vật có khả năng tiếp diễn sự sống, sinh sôi nảy nở từ đời này qua đời khác? Những câu hỏi này đã xưa như trái đất, nhưng chỉ chúng ta những người sống ở nửa sau của thế kỷ 20 mới có may mắn được biết câu trả lời.

Những thành tựu mang tính cách mạng trong vật lý vào những năm đầu của thế kỷ 20 đã có những ảnh hưởng sâu rộng tới những ngành khoa học khác, đầu tiên phải kể tới đó là hóa học và sinh học. Một trong những mốc khám phá quan trọng nhất đó là năm 1911- thời điểm Rutherfor phát hiện ra hạt nhân nguyên tử. Sự tồn tại của ?onguyên tử Rụtherfor ? này được tìm ra trong sự mâu thuẫn, khủng hoảng của lý thuyết cổ điển. Đây cũng là thời điểm người ta bắt tay vào xây dựng vật lý mới - cơ học lượng tử. Plank, Einstein và Borh là những người đầu tiên gieo mầm cho lý thuyết mới này. Để rồi nó được phát biểu một cách rõ ràng trong phương trình Schrodinger. Phương trình này không những cho phép các nhà vật lý giải đáp được tất cả các câu hỏi hóc búa trong lĩnh vực phổ nguyên tử, mà sau khi xuất hiện thêm nguyên lý Pauli nó đã trở thành nền tảng lý thuyết bền vững cho hóa học.Ý nghĩa của số nguyên tử trong bảng tuần hoàn, bản chất của hóa trị, và bản chất của liên kết hóa học không còn là những điều bí ẩn đối với chúng ta nữa.

Được tiếp thêm nguồn năng lượng mới, mọi vấn khi đó dưới con mắt các nhà vật lý dường như thật là đơn giản . Họ hướng mũi nhọn sang vấn đề ?othần thánh thiêng liêng?- hướng tới chính sự sống. Liệu vật lý mới có giải đáp được các bí mật của sự sống ? Hoặc là chỉ ra được rằng sự sống hoàn toàn không tuân theo các quy luật của cơ học lượng tử? Khi đó nhiệm vụ là tìm ra các quy luật mới. Điều này có sức cuốn đặc biêt.

?Tháng 8 năm 1932 tại Copenhagen đã diễn ra buổi tọa đàm quốc tế ngành quang học. Trong một phiên họp Niel Bohr đã xuất hiện với bài giảng về ?oánh sáng và sự sống?. Trong bài giảng Bohr đã trình bày các ý tưởng về sự sống của mình dựa trên những thành tựu mới nhất của cơ học lượng tử. Nghe giảng có một nhà vật lý lý thuyết trẻ tuổi người Đức: Max Delbriuk. Khi đó ông đang làm thực tập sinh viện nghiên cứu của Bohr tại Copenhagen. Trước đấy ông không hề có chút hứng thú nào với sinh học. Ông nghiên cứu hóa học lượng tử sau đó chuyển sang vật lý hạt nhân nhưng không thể tìm ra sở trường của mình. Bài giảng của Bohr đã hoàn toàn quyết định số phận ông. Ông ?" nhà sinh học tương lai..

Quay trở lại Berlin, Delbriuk cố gắng liên hệ với các nhà sinh học. Ông đã gặp may. Trong thời gian này, nhà gen học nổi tiếng Nhikolai Vladimirovich Timophey Recovckii đang làm việc tại Berlin. Tình bạn và sự cộng tác của hai nhà khoa học là bước khởi đầu cho khám phá thành công 20 năm sau đó về bí mật của di truyền.

Delbriuk tập hợp được một nhóm các nhà vật lý và mời Timophey-Recovskii tới giảng dạy tại nhà riêng của mình. Trong các buổi học kéo dài hàng giờ đồng hồ, vị giáo sư đáng kính đã dồn hết tâm sức truyền đạt lại cho họ những tinh hoa ngành học của mình ?" gen học. Khi giảng bài, theo thói quen Timophey-Recovskii thường đi đi lại lại từ góc phòng này sang góc phòng kia như mãnh hổ đã bị nhốt lâu ngày. Ông chỉ ra cho họ sự chặt chẽ về mặt toán học của các đinh luật di truyền Mendel, kể cho họ biết các gen, các công trình nổi tiếng của Morgan về quy luật phân bố của gen trong nhiễm sắc thể, về sự chọn lọc giống cây ăn quả và cả về những đột biến gây ra do chiếu xạ tia rơnghen (vấn đề này ông nghiên cứu cùng với nhà vật lý thực nghiệm Tsimer).

Delbriuk nhanh chóng bị các công trình đó cuốn hút. Ông thấy được sự đồng điệu, hài hòa giữa gen học và cơ học lượng tử! Chính cơ học lượng tử đã mang tới cho vật lý dáng vẻ ?orời rạc?, đồng thời khái niệm ?ongẫu nhiên?. Và các nhà sinh học cũng quan sát được tính rời rạc của các phần tử di truyền cơ bản ?" các gen, và sự thay đổi một cách ngẫu nhiên của chúng từ loại này sang loại khác (hay còn gọi là đột biến).

Vậy thì gen là gì? Nó có cấu tạo thế nào? Những câu hỏi này thường ám ảnh Delbriuk. Còn Timophey Recovckii thì cho rằng những câu hỏi loại này không lôi cuốn được các nhà gen học. Gen đối với họ cũng như electron đối với các nhà vật lý. Gen là phần tử cơ bản của sự di truyền.

Timophey Recovckii đã chọc cười cả nhóm của Delbriuk bằng câu hỏi : bạn sẽ trả lời thế nào nếu tôi hỏi các bạn rằng ?oelectron có cấu tạo thế nào ??

Vâng các nhà gen học cũng sẽ cười như vậy khi ai đó hỏi họ : ?othế gen có cấu tạo thế nào??. Câu hỏi về cấu trúc của gen nằm ngoài tầm ngắm của các nhà gen học- Timophey Recovckii thêm vào. Các bạn - những nhà vật lý có nhiệm vụ tìm ra câu trả lời.

Delbriuk ngạc nhiên và hỏi lại : ?ochẳng lẽ không có một giả thuyết nào dù chỉ là trừu tượng ??

Có ?" sau một thoáng suy nghĩ Timophey Recovckii trả lời. Thầy giáo của tôi Nhicolai Konctantin Koltso đã có lần nói: ?ogen là phân tử polimer, hay nói ngắn gọn hơn là một phân tử protit.?

Delbriuk với thân hình mảnh khảnh quay về phía lực sĩ to con Timophey Recovkii hỏi dồn dập.Thế ông ấy giải thích điều đó thế nào? Từ việc đặt giả thiết gen là các protit chúng ta có thể giải thích sự nhân bội của các gen? ?" then chốt của vấn đề! Chẳng phải ông đã kể cho chúng tôi rằng hình dạng môi của gia đình Gabcburg được truyền từ đời này sang đời khác? Cơ chế nào cho phép gen sao chép một cách chính xác như vậy sau biết bao thế kỷ? Liệu hóa học có cho chúng ta ví dụ tương tự? Tôi chưa từng nghe thấy những điều tương tự như vậy bao giờ cả. Không, chúng ta cần phải có một ý tưởng khác. Ở đó hẳn phải ẩn chứa điều gì đó hết sức bí ẩn. Cũng có thể là một quy luật mới nào đó của tự nhiện. Và điều quan trọng hiện này là làm cách nào có được các thí nghiệm kiểm chứng.

Điều bí ẩn với cái tên GEN đã không để cho Delbriuk được yên. Cái gì đã giúp cho các gen được nhân bội khi xảy ra quá trình phân bào? Bị ấn tượng mạnh bởi sự tồn tại của phage ăn vi khuẩn (Một thực thể không thể gọi là thực thể sống, bên ngoài tế bào chúng chỉ là những đại phân tử, thậm chí có khả năng tạo tinh thể. Tuy nhiên nếu chúng thâm nhập được vào trong tế bào thì chỉ 20 phút sau tế bào sẽ bị vỡ tung, và xuất hiện hàng trăm bản copy nguyên mẫu) Delbriuk thốt lên ?ochìa khóa bí mật đây rồi?. Vấn đề thật là đơn giản, đơn giản hơn nhiều so với việc phân chia nguyên cả tế bào.Bản chất của vấn đề như được bày ra trước mắt. Thực tế là chúng ta cần phải quan sát xem các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng tới sự phát triển của virus thế nào, cần phải tiến hành các thí nghiệm ở các nhiệt độ khác nhau, trong các môi truờng khác nhau, và với các vius khác nhau.

Nhà vật lý lý thuyết của chúng ta đã biến thành nhà sinh học thực nghiệm. Nhưng cách đặt vấn đề của ông vẫn là của một nhà vật lý. Quả thật như vậy, trên thế giới, có lẽ không còn ai khác nghiên cứu virus với một mục đích duy nhất là tìm hiểu cấu tạo của gen.

Năm 1937 Delbriuk được mời tới làm việc tại Mỹ, nơi ông có thể làm sáng tỏ cách tái nhân bội của các phage vi khuẩn. Ông đã chấp nhận lời đề nghị bởi vì khi đó cuộc sống ở nước Đức quốc xã đang bị bóp nghẹt.

Tại Mỹ ông đã xây dựng được một nhóm đầy nhiệt huyết, họ đã truyền cho ông những ý tưởng để nghiên cứu bản chất của di truyền học dựa trên các nghiên cứu phage ăn vi khuẩn. Nhóm nghiên cứu Phage ra đời. Qua nhiều năm nghiên cứu các thành viên của nhóm đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm, họ đã biết được cách các phage truyền nhiễm thế nào, biết được điều kiện bên ngoài ảnh hưởng lên thế hệ sau của phage vi khuẩn thế nào?Họ đã có được nhiều nghiên cứu ấn tượng và đặc biệt là trong vấn đề đột biến của vi khuẩn và các phage ăn khuẩn. Tuy nhiên tất cả những điều này có vẻ như không thể giúp họ tiếp cận được cốt lõi của vấn đề.

Đó cũng là điều thường thấy trong giới khoa học. Những thành viên trong một dự án lớn, sau khi giải quyết thành công các vấn đề cụ thể của từng người, có tiếng tăm, họ sẽ quên mất nhiệm vụ chính của mình. Từ xa thì có thể thấy được đỉnh tháp lấp lánh ánh hào quang trên núi nhưng khi tới chân núi, bị bao bọc bởi rừng rậm, không ai còn thấy được đỉnh tháp nữa. Mò mẫm quá lâu trong rừng, chúng ta có thể sẽ gặp ảo giác. Một đám mây có thể biến thành một đỉnh núi tuyết trắng bao phủ quanh năm. Và thậm chí nếu đó có là đỉnh tháp thật thì việc gì mà phải vội vã khi mà khu rừng xung quanh thật là ưu đãi ?" đầy nấm và quả ngọt. Để cho mọi người tiếp tục quay về với mục tiêu ban đầu cần một người chỉ huy tài tình. Người đó đã xuất hiện. Đó chính là một trong những cha đẻ của cơ học lượng tử, nhà vật lý lý thuyết Schrodinger.

Năm 1944 một cuốn sách của Schrodinger với tựa đề ?o Sự sống dưới con mắt các nhà vật lý? (nhiều người xem là sách gối đầu giường) được xuất bản . Thời gian đó sách không thu hút được sự chú ý. Chiến tranh nổ ra, rất nhiều bộ óc lớn chuyển sang nghiên cứu các vấn đề phục vụ cho cuộc đấu tranh chống phát xít Đức.Khi chiến tranh kết thúc rất nhiều người muốn tìm lại vị trí của mình trong giới khoa học, và cuốn sách của Schrodinger lên ngôi.

Schodinger đã trình bày cuốn sách của mình hết sức rõ ràng và súc tích về gen học. Đối với các nhà vật lý đây quả là cơ hội tốt để có thể nắm được những ý tưởng của người đồng nghiệp tài ba và bản chất kỳ bí của môn khoa học này. Schrodinger cũng đề cập ít nhiều tới ý tưởng của Delbriuk về mối liên hệ giữa gen học và cơ học lượng tử. Khi những ý tưởng này được đề xuất bởi những người không có tiếng tăm trong giới vật lý thì chúng không được đoái hoài. Nhưng khi chính vấn đề này được Schodinger trình bày thì?.Đối với những người đi tiên phong trong ngành gen học cuốn sách của Schodinger là một cú huých mạnh. Schodinger đã trở thành người đầu tiên nhìn thấy, người đầu tiên kêu lên: ?oKia rồi, đỉnh tháp đang lấp lánh đấy, rất gần thôi. Còn chần chừ gì nữa??

Trong số những người hưởng ứng lời kêu gọi của Schrodinger, có hai người đã gặp may. Họ đã nhìn được từ xa đỉnh tháp không một chút mây mù bao phủ. Đó là những nhà nghiên cứu trẻ tuổi Jeam Iutson ở nhóm Phage và đồng nghiệp của mình: Freinsis Krik ở phòng thí nghiệm ****ndis nổi tiếng. Ta sẽ không tìm hiểu chi tiết con đường tới đỉnh vinh quang của họ. Iutson đã kể lại chính điều này trong cuốn sách ?o vòng xoắn kép? của mình. Thay vào đó chúng ta sẽ cùng thử bằng con đường ngắn nhất ?obay? tới đỉnh cao vĩ đại này, và hãy cùng hưởng những cảm xúc của những người đầu tiên đặt chân lên đỉnh, của những người luôn sát cánh trong cuộc chinh phục đỉnh cao này.

Nhận thấy rằng nhóm Phage không cùng sát cánh với mình, năm 1951 Iutson đã sang châu âu cùng với ước mơ tìm hiểu về cấu trúc của gen. Ông đã nhanh chóng ?orơi? vào phòng thí nghiêm ****ndis. Tại đây ông đã gặp Krik- người cùng chung chiến hào với ông. Thời gian đó Iutson có niềm tin mãnh liệt rằng: chìa khóa tới thành công nằm ở việc phân tích cấu trúc của ADN.

Cùng với cuốn sách của Schrodinger trong năm 1944 xuất hiện bài báo của ba nhà vi khuẩn học người Mỹ (đứng đầu là Everi lúc đó đã 60 tuổi). Bài báo lúc đó được các nhà vật lý, hóa học, sinh học, gen học quan tâm nhiều hơn là các thầy thuốc. Công trình này đã chỉ ra được rằng, khi một xác bào chuyển một vài mã gen cho vi khuẩn sống khác (hiện tượng này đã được quan sát thấy trước đó và được đặt tên là hiện tượng biến hình) thì chỉ chuyển phân tử ADN. Không phải protit cũng chẳng phải phần nào khác của bào xác tham gia vào biến hình. Công trình của Everi được xem là bằng chứng đầu tiên chỉ ra rằng gen chính là các phân tử ADN. Vậy thì Everi và hai cộng sự của mình là những người đầu tiên đặt chân lên đỉnh cao này?!

























Được muop sửa chữa / chuyển vào 20:48 ngày 15/08/2004

Không cần phải bàn cãi nhiều, Everi đã mở ra được một hướng đi đúng đắn và đã đạt được những bước tiến quan trọng đầu tiên nhưng tới đỉnh cao vẫn còn một khoảng nữa. Einstein đã thâm thúy nói rằng ?oChính lý thuyết quyết định chúng ta phải quan sát những gì? Everi chỉ đơn thuần miêu tả lại được những quan sát thực tế mà chưa đưa ra được lý thuyết nào cả. Các nhà gen học đứng trước sự lựa chọn : công nhận những gì Everi quan sát thấy hoặc tìm hiểu bản chất di truyền của ADN (thay vì protit như họ vẫn quan niệm trước đấy). Không tin Everi cũng khó. Không gì có thể bắt bẻ công trình của ông được. Còn các nhà gen học thì khăng khăng không chịu thay đổi ý nghĩ về bản chất protit của gen. Bằng thực nghiệm Everi đã đưa ra được lời giải đáp: ?otất nhiên rằng ADN không chứa gen nào, chúng cũng không thể chứa được. Tuy nhiên nó có thể gây ra đột biến gen tức là làm thay đổi các gen. Còn các gen này thì được tạo lên từ protit?. Điều này hoàn toàn phù hợp với các giả thiết trước đó. Những tác động bí ẩn gây thay đổi gen của ADN liên tiếp được kiểm chứng từ thí nghiệm này tới thí nghiệm khác.Và điều này không thể thoát được khỏi tầm ngắm của các nhà gen học, những người đã đổ rất nhiều công sức để tìm kiếm khả năng thay đổi có định hướng của sự di truyền. Vậy thì cái gì trên ADN cần được các nhà gen học, những nhà nghiên cứu bản chất vật lý, hóa học của quá trình di truyền quan tâm nhiều nhất?
Tuy là Misher đã tìm ra ADN từ năm 1869, phân tử này vẫn được coi như là ?ođứa con riêng? của các nhà hóa sinh chưa nói gì tới các nhà gen học hoặc các nhà vật lý đá bóng lấn sân. Khi đó họ cho rằng: ADN là một polimer chuẩn được tạo nên từ sự lặp đi lặp lại một cách có trật tự của 4 monomer (adenin, guanin, timin, và sitozin). Phân tử này đảm đương chức năng nào đó trong nhiễm sắc thể, tuy nhiên không có liên hệ nào tới việc lưu trữ hay truyền thông tin về các gen. Nghiên cứu của Everi buộc chúng ta phải đặt câu hỏi cho cách nhìn nhận này.
Lý thuyết mà phần thực nghiệm của nó đã được Everi và cộng sự quan sát chính là mô hình cấu trúc của ADN được Iutson và Krik đề suất vào năm 1953.
Nếu không đi vào từng chi tiết cụ thể thì bản chất mô hình của Iutson và Krik khá là đơn giản. ADN được tạo thành từ 2 mạch polimer. Mỗi một mạch là một dãy các monomer của 1 trong 4 loại A (adenin), G (guazin) ,T(timin), S (sitozin). Thứ tự của các monomer của một trong hai mạch là hoàn toàn tự do, thứ tự trong mạch còn lại là được xác định một cách duy nhất dựa trên mạch thứ nhất (tính chất bổ sung lẫn nhau).
A bổ sung T
T bổ sung A
G bổ sung S
S bổ sung G
Nguyên lý bổ sung được ra đời dựa trên hiểu biết về cấu tạo của ADN (ADN được cấu tạo từ các monomer).Trong nguyên lý này Iutson và Krik đã sử dụng phương pháp xây dựng mô hình phân tử của Linus Poling. Nếu như phía trong các mạch có tính chất bổ sung, các nguyên tử có liên kết hóa trị rất bền vững thì các liên kết giữa các mạch polimer lại tương đối yếu. Những liên kết này giống như những liên kết giữa các phân tử lân cận trong tinh thể.
Khả năng kỳ diệu của mô hình Iutson Krik là nó có thể giải quyết được vấn đề mấu chốt của sự nhân bội gen. Chỉ việc đem tách ADN thành 2 sợi rồi từ mỗi sợi ta đem phát triển theo quy luật bổ sung thì từ một phân ADN ban đầu chúng ta thu được 2 phân tử mới tương tự phân tử ban đầu.
Bạn có thể tưởng ra được Delbriuk sẽ mừng rỡ thế nào không, khi mà ông ta nhận được thư cua Iutson thông báo về kết quả thu được. Không một mảy may nghi ngờ ông đã tin ngay vào mô hình Iutson Krik. Quá xúc động ông đã viết luôn lên bức thư đó cảm tưởng của mình. Tất nhiên rằng ông đã thầm cảm ơn Bohr, người đã truyền cho ông cảm hứng nghiên cứu sinh học. Tuy trong sinh học vẫn chưa quan sát được những định luật mới của vật lý. Nhưng cốt lõi sự nhân bội gen đã được giải quyết thành công.
Phân tử AND không chỉ đơn thuần là một chiếc ?othang dây? như trong hình vẽ. Từ kết quả phân tích bằng tia X của Morison Uikils và Rozalinda Franklin, Iutson và Krik còn đi tới kết luận rằng phân tử ADN có dạng xoắn kép ?" chính xác hơn: có dạng xoắn ốc. Phân tử ADN có dạng xoắn phải (giống như các đường xoắn ốc trên các đinh vít) và độ dài 1 chu kỳ xoắn là 10 ?omắt xích?. Tất cả những sự tương đồng này là hết sức quan trọng vì nó cho phép so sánh mô hình với thực nghiệm được vât lý kiểm chứng.
Không chỉ riêng Delriuk, mà còn rất nhiều người khác nữa cũng bị vẻ đẹp của mô hình này hạ gục một cách nhanh chóng. Một số ít nhà sinh học vẫn đang cố gắng bảo vệ thuyết PROTI`T, và với luận điểm là : không lẽ thế giới muôn màu muôn vẻ kia lại được tạo thành từ những phần tử đơn giản tới vậy. Không cần suy nghĩ nhiều chúng ta cũng có thể nói ngay với họ rằng luận điểm của họ chẳng có gì là thuyết phục cả.
Cuối cùng thì phân tử ADN cũng được công nhận là phân tử quan trọng nhất của thế giới sinh vật. Sau nhiều năm , chúng ta đã có thể xác định được vai trò của khám phá ra ADN trong sự phát triển của ngành sinh học. Vai trò đó cũng như vai trò của khám phá ra hạt nhân nguyên tử trong sự phát triển của ngành vật lý. Nếu như cùng với sự khám phá ra hạt nhân nguyên tử, vật lý mới ?" vật lý lượng tử ra đời, thì sự khám phá ra ADN đã mở ra ngành sinh học mới ?" sinh học phân tử.
Rất khó có thể kể hết được những ví dụ tương tự như vậy. Những nghiên cứu lý thuyết về nguyên tử được ứng dụng để phát triển những nguồn năng lượng vô tận. Các nhà sinh học cũng đã đạt được những thành tựu đáng kể. Họ có thể tác động tới từng tính chất tinh tế nhất của tế bào, thay đổi tính trạng di truyền của chúng như mong muốn. Chắc chắn trong tương lai, không thua kém gì những ảnh hưởng của năng lượng hạt nhân nguyên tử, ngành sinh học cũng sẽ tạo ra những biến đổi mang tính cách mạng tới cuộc sống con người.