NĂM 1970, nhà sinh vật học Lynn Margulis nộp đơn xin tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF). Ba năm trước đó, một tạp chí khoa học nhỏ xuất bản bài viết của Margulis, trong đó, bà vạch ra một lý thuyết đầy khiêu khích về sự tiến hóa của sự sống. Margulis đã hy vọng có thể tiếp tục công trình này nhờ tài trợ từ một trong những cơ quan liên bang hỗ trợ nghiên cứu khoa học và kỹ thuật hàng đầu.

Trong một cuộc phỏng vấn năm 1998, bà nhớ lại những gì cán bộ phụ trách quỹ tài trợ của NSF nói với mình: “Một số nhà sinh học phân tử có tên tuổi nghĩ rằng công trình của cô chẳng ra gì.” Theo Margulis, viên chức này cũng cho biết công trình của bà hấp dẫn “những bộ óc hạn hẹp” trong giới sinh học. Thông điệp của anh ta rất rõ ràng: Đơn của cô đã bị từ chối, và tốt nhất đừng nghĩ tới việc đăng ký lại.

Thoạt tiên, Margulis không biết nên tìm kiếm sự hỗ trợ từ đâu, nhưng rồi có một tổ chức khoa học lớn mới tinh đầy hứa hẹn: Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia, gọi tắt là NASA, được thành lập chỉ 12 năm trước đó, vài tháng sau khi Liên Xô phóng thành công Sputnik, vệ tinh nhân tạo đầu tiên trên thế giới. Hăm hở bắt tay vào nghiên cứu nguồn gốc sự sống, một nhà khoa học NASA đã tiếp cận Margulis vào năm 1971 và đồng ý cung cấp vốn hạt giống (seed funding) cho nghiên cứu của cô.

Trong một phỏng vấn năm 2020, Robert Hazen thuộc Viện Khoa học Carnegie cho biết: “Đây là thời khắc then chốt trong sinh học hiện đại.”
Vào lúc đó, nhiều nhà khoa học đã chấp nhận “Thuyết tân Darwin” (neo-Darwinism), một quan điểm về tiến hóa trong đó sự thay đổi diễn ra chậm rãi và được thúc đẩy bởi các đột biến gien nhỏ ngẫu nhiên có lợi cho cá thể sinh vật – dù là chim sẻ, rùa khổng lồ, phong lan, hay hà biển. Theo thời gian, những thay đổi này có thể dẫn đến việc hình thành các dạng sống mới. Đó là một quá trình có thể quan sát được từ hồ sơ hóa thạch. Ví dụ, chỉ hai năm sau khi Charles Darwin xuất bản cuốn sách kinh điển, “Nguồn gốc các loài,” hóa thạch nổi tiếng ngày nay của một sinh vật có răng, xương đuôi dài và cặp cánh đã được phát hiện. Được gọi là Archaeopteryx, nhiều nhà khoa học tin rằng sinh vật này đại diện cho một dạng chuyển tiếp giữa khủng long và chim.

Nhưng với sự hỗ trợ của NASA, theo James Strick (đồng tác giả cuốn The Living Universe – tạm dịch: Vũ trụ sống) và những người khác, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu sự sống từ một góc độ hoàn toàn khác. Thay vì chỉ sử dụng các hóa thạch ẩn trong các lớp đá để nghiên cứu sự tiến hóa, một số nhà khoa học đã chuyển sang nhiều loại vi khuẩn sống khác nhau. Trong vài thập kỷ tiếp theo, nghiên cứu của họ đem lại một góc nhìn mới ở cấp độ vi sinh về quá trình tiến hóa của sự sống – một góc nhìn mà ngày nay, theo Jan Sapp, giáo sư sinh học và lịch sử tại Đại học York ở Toronto, là nền tảng cho sinh học tiến hóa như những gì thường xuyên được dạy trong các lớp học trên khắp thế giới. Đó là công cuộc tìm tòi được nâng đỡ bởi sự xuất hiện của các công cụ giải trình tự gien tiên tiến cho phép các nhà sinh vật học tái cấu trúc, với độ chi tiết ngày càng tinh vi, những bước tiến vốn mất hàng thiên niên kỷ trong quá trình tiến hóa.

Và tất cả những điều đó khiến NASA – một cơ quan chủ yếu gắn liền với những kỳ tích công nghệ và kỹ thuật trên danh nghĩa cống hiến cho việc khám phá vũ trụ, được sinh ra từ một cuộc chạy đua không gian địa chính trị cam go và đậm chất quân phiệt – trở thành chất xúc tác ít ai ngờ cho một cuộc cách mạng về mọi thứ trong sinh học.

Chiều THỨ SÁU, ngày 4 tháng 10 năm 1957, một vệ tinh được phóng lên, và đến tối, tin tức tỏa đi khắp thế giới. “Sự thành công của Sputnik dường như báo trước một trận Trân Châu Cảng trong công nghệ,1” nhà báo đoạt giải Pulitzer David Halberstam viết, như vọng lại lời nhận xét của nhà vật lý Edward Teller. “Đột nhiên, dường như nước Mỹ đang trải qua một cuộc khủng hoảng niềm tin quốc gia,” Halberstam viết trong cuốn sách xuất bản năm 1993 mang tựa đề The Fifties (tạm dịch: Những năm năm mươi). Đó là Chiến tranh Lạnh, khi mà Nga và Mỹ đang cạnh tranh để dẫn dắt thế giới trong tương lai. Sputnik đột ngột tuyên bố rằng người Nga đã chiến thắng cuộc đua. Một cuốn sách có tựa Tại sao Johnny không thể đọc – và bạn có thể làm gì về điều này đột nhiên trở thành tác phẩm bán chạy nhất. Tạp chí Life đã in một bài báo với tiêu đề “Tranh luận về việc trở nên yếu bóng vía.” Và trong chính phủ, Nhà Trắng và Quốc hội đã đổi thái độ. Khoa học chợt trở nên phi thường quan trọng.

Trong vòng 11 tháng kể từ khi Sputnik ra mắt, Tổng thống Dwight D. Eisenhower đã thành lập vị trí cố vấn khoa học cho tổng thống, Quốc hội tăng quỹ giáo dục liên bang lên hơn một tỷ đô-la, và NASA được thành lập với ngân sách 100 triệu đô-la mỗi năm. NASA ra đời với sứ mệnh đưa các phi hành gia Mỹ vào không gian. Nhưng các nhà khoa học, dẫn đầu là nhà khoa học đạt giải Nobel Joshua Lederberg, đã nhìn thấy những cơ hội khác. Trong những tuần sau sự kiện Sputnik, Lederberg đã viết các bản ghi chú cho các nhà khoa học cấp cao trên khắp đất nước. Vài tháng sau, ông chính thức hóa những ghi chú đó thành một bài báo trên tạp chí Science.

Trong một cuộc phỏng vấn năm 1998, Margulis nhớ lại những gì một nhân viên tài trợ đã nói với cô: “Một số nhà sinh học phân tử có tên tuổi nghĩ rằng công trình của cô chẳng ra gì.”

Lederberg nhìn thấy Sputnik trên bầu trời trong một chuyến đi học thuật ở Úc. Ông vừa vui mừng vừa sợ hãi trước những gì Sputnik hứa hẹn mang tới cho sinh học. Không gian đã bị phá vỡ. Nó sẽ còn kéo theo nhiều thứ hơn nữa. Với một chút hiểu biết về lịch sử, ông nhận ra rằng con người gây ô nhiễm cho mọi nơi họ đến trên Trái Đất một cách vô ý thức. Giờ đây con người sẽ sớm du hành đến cả các mặt trăng và hành tinh. “Vì việc bắn tên lửa đâm vào bề mặt mặt trăng nằm trong tầm tay của kỹ thuật hiện nay, trong khi lấy mẫu thì không, nên chúng ta đang ở trong tình huống khó xử khi có thể làm hỏng bét vài khả năng nhất định của việc thăm dò khoa học trong một khoảng thời gian đáng kể trước khi có thể thực hiện nghiên cứu theo cách có tính xây dựng,” ông viết trên Science.

Như Lederberg và các nhà khoa học khác nhìn nhận, đây là cơ hội tìm kiếm sự sống đầu tiên của nhân loại, hoặc thậm chí là hóa học tiền sự sống, bên ngoài Trái Đất. Điều đó có nghĩa là, trước tiên, tàu vũ trụ phải được khử trùng để không lấy nhầm mẫu chất thải của chính nó. Và thứ hai là cố gắng tính toán xem cần tìm gì. Nước, cacbon, các hóa chất cơ bản khác? Sự sống lúc vừa mới bắt đầu thì trông ra sao? Nó sẽ có dạng gì ở nơi có ít tài nguyên?

NASA đã được thành lập với những tham vọng chính trị và quân sự rõ ràng. Nhưng các nhà khoa học như Lederberg đã làm việc chăm chỉ để đưa khoa học – đặc biệt là nghiên cứu nguồn gốc sự sống – vào sứ mệnh của cơ quan và biến nó thành kế hoạch mang tính dân sự. Cuối cùng, NASA đã bổ nhiệm nhà sinh vật học 40 tuổi, Richard S. Young, lãnh đạo một chương trình dành cho ngoại sinh học (exobiology), một thuật ngữ do Lederberg đặt ra để chỉ nghiên cứu khoa học về sự sống ngoài Trái Đất.

Young hiểu rõ rằng ngoại sinh học không nằm gọn trong khuôn khổ sinh học truyền thống tại các viện nghiên cứu của Quỹ Khoa học Quốc gia và Viện Y tế Quốc gia, và vì vậy Young đã tuyển dụng thế hệ các nhà ngoại sinh vật học đầu tiên từ những người có kinh nghiệm trong các lĩnh vực khác nhau, gồm Lederberg, Margulis, và giáo sư Carl Woese của Đại học Illinois.

KHI MARGULIS ĐẾN trường cao học, Đại học Wisconsin vừa chế tạo xong chiếc kính hiển vi điện tử khổng lồ, thuộc hàng mạnh nhất thế giới. Nhờ nó, bà có thể nhìn thấy những thứ mà trước đây không thể quan sát được. Đáng chú ý nhất, bà quan sát thấy những cấu trúc nhỏ bé được gọi là ti thể. Trung bình có hàng trăm ti thể bên trong mỗi tế bào của một sinh vật phức tạp, và chức năng của chúng là chuyển hóa thức ăn thành năng lượng.

Nhìn vào kính hiển vi, Margulis đã nhanh chóng tận dụng một ý tưởng từng được đưa ra nhiều lần trước đây nhưng chưa bao giờ phổ biến: rằng những ti thể này – được tìm thấy trong tế bào của các cơ thể phức tạp từ người, đến ngựa, đến ong mật – là những dấu vết sót lại của vi khuẩn từng sống tự do. Quan trọng hơn nữa, nguồn gốc tế bào nhân chuẩn – của tất cả các “sinh vật bậc cao” – ra đời từ sự hợp nhất tại thời điểm nào đó trong lịch sử tiến hóa của hai sinh vật đơn bào đơn giản hơn. Sự cộng sinh này đã trở thành một sinh vật mới, hoàn toàn phức tạp hơn. Margulis đã nhanh chóng tiếp tục chỉ ra sự hợp nhất đó quan trọng như thế nào, không chỉ đối với từng cá nhân, mà còn đối với sự tiến hóa nói chung. Rốt cuộc, trong kịch bản này, sự tiến hóa không diễn ra dần dần, mà là thông qua một sự thay đổi lớn, đột ngột.

Nhiều nhà sinh vật học nhận thấy khái niệm cộng sinh khó chấp nhận. Nhà văn David Quammen đã hỏi một nhà khoa học rằng liệu Margulis “hồi đó được cho là cấp tiến hay điên rồ?”

“Uh-huh,” nhà khoa học nói, “Tôi nghĩ là cô ấy đúng ngay từ đầu.”

Nhưng ý tưởng của bà đã được chứng minh là đúng bằng phương pháp của một người đàn ông kỳ quặc khác trong ngành khoa học, người cũng được NASA tài trợ: Carl Woese. Là một nhà lý sinh và vi sinh vật học, Woese cảm thấy mình là một kẻ ngoại đạo trong khoa học sinh học, không được đánh giá cao và đứng ngoài lề. Francis Crick, James Watson, và một số người khác là những ngôi sao trong lĩnh vực này. Woese viết: “Tôi khác với hầu hết bọn họ.” Trong khi những người khác bị ám ảnh bởi phân tử lớn mang thông tin của sự sống, DNA, thì Woese lại yêu cái sợi đơn mảnh mai ARN ribosom chuyên lấy thông tin phong phú được lưu trữ trong ADN và biến chúng thành các phân tử hoạt động – các protein của tế bào sống.

Phân tử này (rARN) được bảo toàn tốt nhất trong số tất cả các phân tử sinh học, có nghĩa là nó có thể được tìm thấy trong mọi sinh vật và có khả năng đã tồn tại trong suốt 4 tỷ năm từ khi sự sống xuất hiện trên Trái Đất. Nếu bạn định so sánh các sinh vật để xác định loài nào đến trước và sinh vật nào giống nhau nhất, đây là phần dùng để so sánh. Đối với các loài động vật lớn, việc so sánh cổ, tay chân và các đặc điểm khác sẽ khá hiệu quả, nhưng đối với những sinh vật sống còn lại – vốn có kích thước siêu nhỏ và về cơ bản chỉ có dạng tròn hoặc thuôn – thì cách tiếp cận đó là vô ích. Vì vậy, Woese và nhóm của ông bắt đầu chiết xuất ARN từ các cơ thể sống. Họ xâu ARN từ các đoạn ngắn trên một tấm nhựa ướt để cuối cùng có thể so sánh trình tự di truyền của vi khuẩn.

Như Lederberg và các nhà khoa học khác nhìn nhận, đây là cơ hội tìm kiếm sự sống đầu tiên của nhân loại, hoặc thậm chí là hóa học tiền sự sống, bên ngoài Trái Đất.

Do đó, Woese đã quyết tâm tạo loại “bản ghi hóa thạch” mới – một bản ghi đánh dấu những điểm tương đồng và khác biệt giữa một số phân tử then chốt nhất định. Khi đào sâu vào hồ sơ này, ông đã phát hiện ra một dạng sống hoàn toàn mới, gồm những sinh vật lớn hơn với trình tự di truyền không giống vi khuẩn cũng không giống sinh vật nhân chuẩn trong sinh học. Cuối cùng ông gọi những sinh vật vô danh này là Archaea (cổ khuẩn).

Margulis đã làm việc, không phải với các mảnh phân tử của sinh vật, như Woese đã làm, mà dồn hết tâm sức vào những sinh vật nhầy nhụa. Margulis và Woese gần như là hai thái cực đối lập. Margulis thì ấm áp và giỏi xã giao. Còn Woese có phần thích ẩn dật và nhút nhát; ông học y khoa trong hai năm, rồi nghỉ việc ngay khi được luân chuyển sang khoa nhi mới hai ngày. Ông có thể tiệc tùng với một vài người bạn cực thân, nhưng rất hiếm khi. Cả hai đều có chút coi thường chuyên môn của người kia. Margulis nghĩ sinh học phân tử khô khan và thoát ly khỏi sự sống thực sự. Woese cho rằng sinh vật học quá lộn xộn và khó hiểu, không phải trung tâm trí tuệ của mọi thứ.
Nhưng khi phải chứng minh giả thuyết của Margulis rằng ti thể ở người và tất cả các loài động vật và thực vật khác là vi khuẩn thì chính các phương pháp của Woese đã đem lại bằng chứng ban đầu.

W.FORD DOOLITTLE, một nhà sinh vật học được NASA tài trợ tại Đại học Dalhousie ở Halifax, đã bị công việc của Margulis hấp dẫn. “Với tôi, những ý tưởng của cô ấy dường như không điên rồ đến thế bởi trước đây đã có một số nghiên cứu khác, mặc dù chúng được thực hiện từ nhiều thập kỷ trước cả khi chúng tôi ra đời,” ông nói. Nhờ tiến bộ trong công nghệ giải trình tự gien, ông đã tìm ra cơ hội để trả lời câu hỏi mở về việc liệu ti thể có tiến hóa từ vi khuẩn sống tự do hay không. Tất cả những gì một nhà khoa học cần làm là xác định trình tự di truyền của ARN ti thể và sau đó so sánh nó với trình tự ARN vi khuẩn và ARN nhân. Kết quả giống cái nào hơn?

Vào đầu những năm 1970, một thành viên thuộc phòng thí nghiệm của Woese đã đến Halifax và gia nhập nhóm của Doolittle. Linda Bonen là một chuyên gia về các kỹ thuật giải trình tự mới và trong những năm tiếp đó, kỹ năng của bà, cùng sự giúp đỡ từ một nhà nghiên cứu khác, Michael Grey, đã giúp hiện thực hóa việc so sánh gien như trên. Nghiên cứu cho ra đời một số bài báo, gồm một bài được xuất bản năm 1977 cho thấy ARN trong ti thể lúa mì không giống với ARN bên trong nhân lúa mì. Thay vào đó, nó giống ARN vi khuẩn. Về cơ bản, nhiều năm nghi ngờ và tranh luận kết thúc ngay lập tức. Giả thuyết của Margulis đã được chứng minh là đúng. Năm 1983, bà trở thành thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, huy hiệu duy nhất của Mỹ thể hiện rằng người nhận là nhà khoa học hàng đầu. Sau đó, bà đã giành được vinh dự cao nhất trong giới khoa học Hoa Kỳ, Huy chương Khoa học Quốc gia.

Tất cả đều đến từ một chuỗi nghiên cứu của các nhà khoa học bên ngoài nhờ nguồn tiền mới của NASA do Sputnik tạo ra. Họ làm lại chủ đề trung tâm của sinh học.

Nhiều năm nghi ngờ và tranh luận kết thúc ngay lập tức. Giả thuyết của Margulis đã được chứng minh là đúng.

“Đó là ngành sinh học mới,” Doolittle trả lời trong một cuộc phỏng vấn qua điện thoại từ Nova Scotia. “Nó hướng đến vi sinh vật, thay vì chỉ riêng động vật và thực vật.” Khi còn là sinh viên, Doolittle đã học về động vật và thực vật. “Chúng tôi từng xem vi khuẩn như một lời bạt, giờ đây, rõ ràng thế giới là vi sinh vật,” ông nói, và sự thay đổi này là nhờ công trình tiên phong của các nhà khoa học như Margulis và Woese.

Tất cả những điều này đã mở ra nhiều cơ hội mới trước mắt cho sinh viên. Các sinh viên sinh học hiện nay đi khắp thế giới, rất nhiều người tìm đến các môi trường khắc nghiệt, để tìm kiếm vi khuẩn mới và tìm hiểu cách chúng sinh tồn. Một trong những dự án lớn nhất của sinh học, Đài quan sát Cacbon sâu, đã hoàn thành chặng 10 năm khám phá mối quan hệ giữa vi khuẩn và hành tinh đầu tiên, với hơn 1.200 nhà khoa học ở 55 quốc gia. Công chúng cũng đã bắt đầu để ý [đến lĩnh vực này – ND].

Margaret McFall-Ngai, nhà sinh lý học động vật và đồng thời là nhà hóa sinh tại Đại học Hawaii, minh họa điều đó như thế này: “Nếu lên máy bay và tôi lỡ nói mình làm việc về vi sinh vật học và sức khỏe con người,” cô nói, người ngồi bên cạnh chắc chắn sẽ hỏi cô về hệ vi sinh vật của con người. Lĩnh vực con này – dành cho các vi khuẩn sống bên trong chúng ta – là một trong nhiều lĩnh vực bắt nguồn từ sinh học mới. Và McFall-Ngai có thể đoán cuộc trò chuyện sẽ diễn ra như thế nào: “Tôi sẽ phải trả lời các câu hỏi suốt hai giờ bay.”