a
§ Tác giả: Ferris Jabr | Nguồn: Hakai Magazine
Biên dịch: Aceae | Hiệu đính:  Nguyên
06/07/2016
Chiếu sáng bản đồ thời chiến tranh, dẫn máy bay đến an toàn, khiến gen và protein trở nên hữu hình - cách sinh vật phát sáng đã giúp đỡ loài người.

Cuối những năm 1990, nhà sinh học hải dương Steven Haddock đến thăm đồng nghiệp của mình, Osamu Shimomura tại phòng thí nghiệm của Shimomura ở Woods Hole, Massachusetts. Hai nhà nghiên cứu này có chung một đam mê với hiện tượng phát quang sinh học (bioluminescence): ánh sáng tạo ra từ các phản ứng hóa học trong cơ thể của sinh vật sống – nổi tiếng nhất là ở đom đóm, nhưng cũng có cả ở loài nấm và rất nhiều sinh vật biển. Trong cuộc gặp đó, Haddock nhớ lại, Shimomura lấy một cái lọ và đổ vào tay mình một nắm gì đó trông như hạt vừng, rót thêm ít nước, rồi bóp chúng thành bột. Rồi ông tắt điện đi. Lòng bàn tay ông sáng lên một màu xanh mê hoặc, như là ông đang nâng trên tay một nàng tiên vậy.

Chỗ hạt vừng đó thực ra là xác khô của một loài động vật giáp xác có tên là ostracods. Shimomura giải thích rằng thời Thế Chiến Hai, quân đội Nhật thu hoạch một lượng lớn loài vật này từ biển sâu. Thứ ánh sáng xanh lạnh phát ra bởi umihotaru (đom đóm biển) đủ sáng để quân lính có thể đọc bản đồ và thư từ, nhưng lại quá mờ nhạt nên không làm lộ vị trí của họ cho quân địch gần đó. “Một nguồn sáng dễ dàng, đơn giản,” Shimomura, 87 tuổi, nói. “Chỉ cần thêm nước. Vô cùng tiện lợi. Không cần pin gì hết.” Vào thời điểm Haddock đến thăm Shimomura, loài giáp xác sấy khô này đã ở trong lọ vài thập kỷ, vậy mà chúng vẫn giữ nguyên khả năng phát sáng của mình.

Haddock, vì quá thích thú với câu chuyện này, đã xin Shimomura mang một ít ostracods khô về phòng thí nghiệm của mình tại Trung tâm Nghiên cứu Monterey Bay Aquarium ở California. Ông giữ chúng trong một cái lọ không to hơn hũ gia vị là bao, và rất ít khi mở nó ra. “Tôi mới mang chúng ra thử năm hay sáu lần,” ông nói. Nhưng nếu số bạn may, và ông nổi hứng, nhỡ đâu ông lại với lấy cây đèn thần tí hon của mình trên kệ và úm ba la ra thứ ánh sáng thanh khiết đó.

Loài mực tí hon Euprymna scolopes, sở hữu khả năng phát sáng nhờ quan hệ cộng sinh với loài vi khuẩn Vibrio fischeri. Vi khuẩn sống trong một cơ quan đặc biệt của mực và tiết ra luciferase. Nguồn: Wikimedia.

Hiện tượng phát quang sinh học có gì mà lại quyến rũ chúng ta như vậy? Ánh sáng dù sao đi nữa vẫn luôn dồi dào. Mỗi buổi sáng, một cái chén chứa ánh sáng khổng lồ trồi lên trên những tán cây và mái nhà, cao hơn cánh chim và đỉnh núi, rồi đổ tràn năng lượng của nó xuống Trái Đất. Ánh sáng mặt trời gột rửa những lục địa và những đại dương, nhỏ giọt qua các vòm cây rừng và trũng lại trong những thung lũng và sa mạc; im lặng nó bập bềnh qua những nông trại và đô thị; nó lách vào bên trong giấc ngủ của ta, thấm qua làn da ta, và xuyên qua mi mắt ta để chiếu sáng sân khấu của tâm trí. Vậy mà có vẻ như, ta không bao giờ thấy mình có đủ ánh sáng, và ta cũng không thể với tới nó đủ gần. Xuyên suốt lịch sử, nhiều nền văn hóa khác nhau đã kể những câu chuyện về những con người và những thực thể, hoặc đội một vầng hào quang, hoặc nhuộm lấy một thứ ánh sáng chói lòa: các vị thiên thần, thánh thần, và tiên sa. Tỏa ra ánh sáng có nghĩa bạn là bậc thánh thần hoặc có sức mạnh siêu nhiên, chính xác là bởi vì đó là điều bất khả thi đối với con người chúng ta.

Vốn không thể triệu hồi ánh sáng từ bên trong, ta tìm thấy những cách khác để sản xuất và điều khiển nó, để giữ nó kề bên kể cả khi không có Mặt trời: chúng ta chế ngự lửa và thuần hóa điện; chúng ta học được cách ném những trái pháo màu sắc vào bức màn đêm và trang trí nhà cửa bằng những giọt cầu vồng; ta phát minh ra những ngọn hải đăng mạnh mẽ mà ta có thể triệu hồi chỉ bằng cách nhấn một cái nút và dựng lên những cột trụ ánh sáng trên mọi nẻo đường. Ngày nay, một số người thậm chí còn sẵn sàng khâu đèn LED dưới da họ để thắp sáng hình xăm, hoặc đơn giản để trông hay hay. Nhưng tất cả chỉ là hóa trang. Mặc cho công nghệ của chúng ta có bóng bẩy thế nào, ta chưa bao giờ có thể sánh với loài ostracod hay con đom đóm. Ta không thể đọ lại bản năng làm chủ ánh sáng của chúng. Ánh sáng được thêu dệt vào cơ thể chúng theo một cách ta chưa bao giờ biết tới. “Một loài vật mà có thể tạo ra ánh sáng, nhất là một màn biểu diễn ánh sáng hoành tráng, đối với ta như một năng lực siêu phàm vậy,” Haddock nói.

Tỏa ra ánh sáng có nghĩa bạn là bậc thánh thần hoặc có sức mạnh siêu nhiên, chính xác là bởi vì đó là điều bất khả thi đối với con người chúng ta.

Chúng ta không thể cưỡng lại việc lợi dụng năng lực này. Từ nhiều thiên niên kỷ nay, con người đã nghĩ ra nhiều ứng dụng khéo léo cho hiện tượng này, mà ngày nay ta ít biết tới. Nhà tự nhiên học và triết gia La Mã Pliny the Elder (Già Pliny) viết rằng ta có thể chà chất dịch tiết ra bởi một loài sứa phát sáng, có thể là Pelagia noctiluca, lên một cái gậy, biến nó thành một cái đuốc. Cuối thế kỷ 17, bác sỹ Georg Eberhard Rumphius miêu tả những người dân bản địa Indonesia sử dụng nấm phát sáng làm đèn pin trong rừng thẳm. Và trước thế kỷ 19, thợ mỏ than cho đầy đom đóm vào các lọ, hay là da cá khô đầy vi khuẩn phát sáng, để làm đèn; vào lúc đó người ta vẫn chưa phát minh ra chiếc đèn an toàn, và mang theo một ngọn lửa vào hang động sẽ gây nguy cơ khiến khí nổ bắt cháy.

Phải mất nhiều thời gian hơn thì người ta mới nghĩ ra cách sử dụng ostracods và các sinh vật biển phát sáng tí hon khác, vì, trong hầu hết lịch sử loài người không ai biết chúng có tồn tại. Những nhà thám hiểm thời đầu lúng túng trước những dải và những đốm sáng xung quanh thuyền và mái chèo, hay là những con sóng rực rỡ và những vùng nước phát quang thi thoảng được gọi là “biển sữa.” Những nỗ lực đầu tiên nhằm giải thích cho các hiện tượng này thì gần với thơ ca hơn là khoa học. Đối với nhiều người, ánh sáng tương đồng với lửa, kể cả nếu nó có ở trong nước. Thập Hải Đảo Ký 1, một văn bản Trung Quốc từ thế kỷ thứ 4 hoặc 5 trước Công nguyên, nói rằng, “có thể thấy các tia lửa khi khuấy nước.” Tương tự, vào thế kỷ 17, triết gia người Pháp René Descartes so sánh ánh sáng quan sát được trong nước khuấy với các tia sáng phát ra khi ta cọ đá lửa. Trong một chuyến đi đến Siam vào năm 1688, nhà truyền đạo và nhà toán học Guy Tachard viết rằng Mặt trời có vẻ đã “ngâm tẩm và lấp đầy đại dương giữa ban ngày với vô số những linh hồn rực lửa và phát sáng.”

Năm 1753, Benjamin Franklin phỏng đoán rằng một loại “vi sinh vật vô cùng nhỏ bé” nào đó trong nước có thể “phát ra ánh sáng nhìn thấy được.” Cũng vào khoảng thời gian đó, các nhà tự nhiên học như Godeheu de Riville, với những chiếc kính hiển vi thời kỳ đầu, đã khẳng định rằng linh cảm của Franklin là chính xác: những tia lửa và óng ánh của đại dương xuất phát từ sinh vật sống, từ những “côn trùng biển” tí hon mà giờ ta gọi là loài phiêu sinh (plankton). Đến đầu thế kỷ 20 thì phiêu sinh phát quang không còn vô danh – chúng được xem xét kỹ lưỡng bởi một vài trong số những thế lực vũ trang hùng mạnh nhất thế giới, chúng đứng giữa làn súng chiến tranh theo nghĩa đen.

Phát quang sinh học là một trong những thứ ngôn ngữ cổ xưa nhất và phổ biến nhất trên Trái đất – và một ngôn ngữ vô cùng xa lạ đối với chúng ta.

Khi thuyền và các phương tiện khác đi qua các phiêu sinh phát sáng tụ tập thành mảng lớn, các gợn sóng và dải sáng xanh dương xanh lá thường xuất hiện ở hai bên thuyền và đi theo sau chúng nữa. Ánh đèn sân khấu không mời mà tới này trở thành một vấn đề đối với lực lượng hải quân, nhất là khi cần phải lén lút. Năm 1918, giữa Thế Chiến thứ Nhất, một tàu Anh đã đánh chìm một tàu U-boat của Đức gần bờ biển Tây Ban Nha sau khi phát hiện ra hào quang của nó. Đến Thế Chiến Hai và Chiến tranh Lạnh, các lực lượng hải quân tiến công tìm hiểu cách để theo dõi tàu ngầm và ngư lôi bằng hiện tượng phát quang sinh học. Hải quân Hoa Kỳ tiếp tục nghiên cứu này cho đến ngày nay, với nỗ lực phát triển một robot hoạt động trong nước và có thể đo độ phát quang để vừa nhận dạng địch vừa đề phòng việc bị lộ.

Một vùng nước đầy loài phiêu sinh Noctiluca scintillans rực sáng khi bị khuấy động. Nguồn: Flickr.

Vào năm 1954, hiện tượng phát quang sinh học trong đại dương đã cứu sống một quân nhân. Vào thời điểm đó, James Lovell, phi hành gia Apollo 13 tương lai, đang là một phi công tham chiến. Ông đang tham gia một nhiệm vụ đào tạo gần lãnh hải của Nhật Bản thì bảng điều khiển trong buồng lái đột nhiên đoản mạch. Đèn và nút điều khiển tắt phụt. Ông không thể dựa vào công nghệ để quay về tàu sân bay được nữa. Nhìn vào màn đêm, ông nhận thấy một dải ánh sáng xanh và nhận ra đó chính là manh mối để trở về tàu. Sử dụng dấu vết ánh sáng sống để lại này, Lovell hạ cánh an toàn.

Năm sau đó, Shimomura bắt đầu cuộc phiêu lưu của mình với hiện tượng phát quang sinh học – một câu chuyện cuối cùng sẽ gây ra một cuộc cách mạng trong sinh học. Năm 1955, Shimomura gia nhập nhóm nghiên cứu của Yoshimasa Hirata ở Đại học Nagoya, nơi ông được giao nhiệm vụ chiết xuất một chất hữu cơ tên luciferin2 từ những con ostracod và tìm ra cấu trúc phân tử chính xác của nó. Ngày nay, dân khoa học biết là trong nhiều sinh vật phát quang, một enzyme tên là luciferase xúc tác cho một phản ứng hóa học giữa luciferin và oxy, tạo ra ánh sáng. Nhưng hồi đó thì, “chúng ta chưa hiểu cách điều này xảy ra,” Shimomura nói. “Nó là một bí ẩn.” Sau 10 tháng lao động trong phòng thí nghiệm, Shimomura trở thành người đầu tiên kết tinh được luciferin thành tinh thể, một bước quan trọng để có thể biết được cấu trúc của nó.

Trong thập niên 60, ông tiếp tục nghiên cứu của mình ở Đại học Princeton, nơi ông bắt đầu điều tra cả loài sứa phát sáng Aequorea victoria. Shimomura và đồng nghiệp thu thập nhiều mẫu vật A. victoria và dầm chúng như dầm táo làm rượu, để có được một lượng nhỏ “squeezate” 3 phát sáng tinh khiết. Bên trong chất lỏng phát quang đó, họ phát hiện một protein đặt tên là aequorin, chất này giải phóng ánh sáng xanh khi phản ứng với can-xi, kể cả khi oxy vắng mặt. Một protein khác trong cơ thể con sứa, protein huỳnh quang xanh lá (green fluorescent protein hay GFP) thi thoảng hấp thụ ánh sáng xanh dương đó và giải phóng ánh sáng màu xanh lá.

Aequorea victoria
Loài sứa phát sáng A. victoria, đối tượng nghiên cứu của Shimomura. Nguồn: Flickr.

Đến năm 1978, sau khi thu thập gần một triệu tiêu bản sứa, Shimomura đã hoàn toàn làm rõ được cấu trúc của aequorin và bản chất của các phản ứng hóa học phát quang đặc biệt ở A. victoria. Cả aequorin và GFP – và gen quy định GFP – trở thành các công cụ không thể thiếu trong sinh học và y tế. Các nhà khoa học giờ có thể đánh dấu và quan sát những điệu nhảy tinh vi của các gen và protein trong tế bào sống mà trước giờ vẫn vô hình với chúng ta. Năm 2008, cùng với Martin Chalfie ở Đại học Columbia và Roger Tsien của Đại học California, San Diego, Shimomura nhận giải Nobel Hóa học cho công trình nghiên cứu trên GFP của ông.

Gần đây hơn thì hiện tượng phát quang sinh học đã tiến hóa, từ công cụ trong phòng thí nghiệm trở thành đồ chơi thương mại. Dự án Glowing Plant (tạm dịch: Cây phát sáng), gây vốn trên Kickstarter và đặt trụ sở tại San Francisco, cung cấp các bộ DIY để khách hàng có thể trồng cây Arabidopsis phát quang tại nhà. Công ty BioPop, có trụ sở tại Carlsbad, California, đã cho ra đời một phiên bản phát quang của loại thú nuôi lạ mắt cho trẻ con, Sea-Monkeys (Khỉ-Biển, thực ra không phải là một loài linh trưởng tí hon sống dưới nước nào cả, mà là tôm nước mặn). Họ gọi nó là Dino Pet: một cái bể nhỏ, lờ mờ mang hình dáng loài khủng long Apatosaurus, chứa đầy loài phiêu sinh phát quang được gọi là dinoflagellates. Ban ngày thì chúng quang hợp; đến đêm, nếu bạn tắt điện và lắc cái bể, lũ dinoflagellates phát lên ánh sáng màu xanh ngọc, cũng giống như “tia lửa” mà dân đi biển Trung Quốc đã quan sát thấy trong nước biển từ rất lâu. Nhưng mỗi đêm, bạn chỉ có thể lắc cái bể ba lần, và nếu mạnh tay quá thì bạn có thể làm tổn thương hoặc thậm chí giết chết loài phiêu sinh trong đó.

Thật dễ để ta thương hại những ngôi sao trong làn nước ấy, bị cầm tù trong một cái bóng nhựa. Mỗi khi màn đêm buông xuống, một bàn tay khổng lồ lại nuốt lấy cả đại dương của chúng  và vần vò chúng trong dòng nước xoáy, tất cả chỉ vì vài khoảnh khắc vui sướng ích kỷ. Rồi con quỷ này lại cất đi toàn bộ thế giới của chúng, dễ dàng như là đóng nắp chiếc hộp nhạc vậy. Chúng được nuôi sống chỉ đơn giản vì một trò ảo thuật bên giường ngủ.

Loài đom đóm Photinus pyralis. Nguồn: Wikipedia.

Mặc dù vậy, có lẽ chúng ta mới là kẻ đáng thương hơn trong mối quan hệ này – những người khổng lồ bị kẻ tí hon phù phép. Sinh vật phát quang đóng trong chai đem lại cho ta cảm giác sở hữu một hiện tượng hiếm có và khác lạ; bản chất của tình huống này thì lại khác. Hiện tượng phát quang sinh học rất phổ biến trên hành tinh của chúng ta – nhất là trong các đại dương – đến mức các nhà khoa học ước tính rằng số lượng hàng ngàn các loài sinh vật phát sáng họ đã thống kê được cũng chỉ là một phần trong tổng số. Rất có thể là các sinh vật sống dưới biển sâu, nằm ngoài tầm với của ánh sáng Mặt trời, phần lớn là tự sản xuất ra ánh sáng của mình (thi thoảng với sự trợ giúp của vi sinh vật). Chúng sử dụng ánh sáng thiên bẩm này chủ yếu để truyền đạt thông tin: để cảnh báo và khiến đối thủ sợ hãi, để trốn lủi và để săn mồi, để nhử mồi và lường gạt. Phát quang sinh học là một trong những thứ ngôn ngữ cổ xưa nhất và phổ biến nhất trên Trái đất – và một ngôn ngữ vô cùng xa lạ đối với chúng ta. Mặc cho những mộng tưởng và truyền thuyết của loài người, sự thật là chẳng có gì siêu nhiên ở ánh sáng sống cả; nó đã là một phần của thiên nhiên từ rất lâu rồi. Đơn giản là chúng ta không được trời phú cho món quà này.

Vậy nên, có lẽ là với quá ít lòng biết ơn, chúng ta đã sử dụng tài năng không gì sánh được của những loài sinh vật phát sáng cho những mục đích của riêng ta. Ta vay mượn ánh sáng của chúng, và nó đã hé lộ nhiều điều về bản chất sinh học của ta, mà có lẽ ngoài cách đó chúng ta sẽ không bao giờ phát hiện ra. Nhưng đó là tất cả những gì chúng ta có thể làm – vay mượn. Ta không thể trở thành chúng, vì vậy ta đi tìm chúng và kéo chúng lại gần – vẫn bị mê hoặc như thể lúc ta còn nghĩ Mặt trời đã tiêm nhiễm ánh sáng vào đại dương. Đến tận ngày hôm nay, ta vẫn ôm lấy chúng trong lòng bàn tay, cho chúng vào lọ, và đặt chúng bên giường ngủ, mãi mãi cố gắng làm thỏa mãn cơn đói của Prometheus 4.


  1. Tên tạm dịch từ phiên âm tiếng Anh là Hai Nei Shih Chou Chi, có nghĩa là Record of the Ten Sea Islands.

  2. Gốc của từ này là lucifer, có nghĩa là “lightbringer” hay kẻ mang ánh sáng.

  3. Cách chơi chữ, ghép “squeeze” có nghĩa là bóp, với “-ate” là một hậu tố thường thấy trong tên các chất hóa học

  4. Người khổng lồ trong thần thoại Hy Lạp đã ăn cắp lửa từ các vị thần cho nhân loại và bị trừng phạt vì tội ác tày đình này

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

đọc thêm
Cách ra đi tuyệt vời nhất
Nếu được toàn quyền lựa chọn cách để kết thúc cuộc đời từ một chiếc máy bán vô hạn cách để ra đi, bạn sẽ chọn cách nào? Bạn có nên có quyền lựa chọn không?
Mới nhất