Tác giả xuất phát từ chính những bi kịch gia đình với một số thành viên của nhiều thế hệ mắc phải những bệnh trạng tâm thần khó hiểu, và đưa ra những trăn trở về khả năng tiến xa đến đâu của loài người trong hành trình từ phòng thí nghiệm khoa học di truyền ra với thực tế. Cuốn sách mở đầu bằng trích dẫn Haruki Murakami, IQ84: "Con người, suy cho cùng, chẳng là gì khác hơn những túi da, những ngựa thồ chở gen di truyền. Chúng cưỡi lên ta đời này qua đời khác như cưỡi những con ngựa đua mệt lử. Gen chẳng màng biết tới cái gì là thiện ác. Chúng không quan tâm tới chuyện ta hạnh phúc hay bất hạnh. Ta chỉ là phương tiện cho mục đích của chúng. Điều duy nhất chúng nghĩ tới là cái gì hiệu quả nhất cho chúng mà thôi". Và cuốn sách dẫn dắt độc giả đi qua nhiều thế kỷ nghiên cứu thực nghiệm, từ Aristotle và Pythagoras, Mendel và Darwin, Boveri và Morgan, đến Crick, Watson và Franklin, cho tới những nhà phát minh đã vẽ Bản đồ Gen Người thế kỷ 21.
Siddhartha Mukherjee sinh năm 1970, là bác sĩ và nhà nghiên cứu ung thư, nhà sinh học tế bào gốc và nhà di truyền học ung thư; Phó giáo sư y khoa tại Đại học Columbia, học giả Rhodes tại Đại học Oxford, tốt nghiệp nhiều trường danh tiếng như Đại học Stanford, Đại học Oxford, và Trường Y khoa Harvard. Ông là tác giả của sách “Định luật y học” và “Lịch sử ung thư - Hoàng đế của bách bệnh” - hai tác phẩm đoạt giải Pulitzer cho thể loại biên khảo và giải Sách Hay Nhất của Guardian.
Một vài nhận xét: “Câu chuyện trọn vẹn và cuốn hút về những gì dường như là cơ bản nhất, gây tranh cãi nhất. Đọc cuốn sách và bạn được tôi rèn cho những gì sắp đến” - Sunday Times. “Lôi cuốn và đầy khám phá. Ở một bình diện, ‘Gen: Lịch sử và tương lai của nhân loại’ là một trích yếu toàn diện gồm những câu chuyện sinh động và lay động lòng người. Ở một tầng bậc sâu hơn, cuốn sách còn hơn cả một thiên lịch sử khoa học ở dạng giản đơn” - The Dallas Morning News. “Một tác phẩm điềm đạm, khiêm nhường, vô cùng phong phú từ một tác giả tài năng, thông tuệ nhìn thấu được cả chặng đường chúng ta đã đi - và cả một chặng đường dài bất tất còn phải đi để hiểu bản chất và vận số của loài người” - Kirkus Reviews.
Xin giới thiệu một số trích đoạn trong cuốn sách này của Siddhartha Mukherjee tới bạn đọc.
Giai đoạn thứ 4 của di truyền học
Ngày 15 và 16 tháng 2 năm 2001, liên minh Dự án Bản đồ Gien Người và Celera công bố các chuyên luận của họ trên các tập san tương ứng Nature và Science. Cả hai đều là những cuộc nghiên cứu khổng lồ, gần như chiếm hết đất của hai tập san (với 66.000 từ, Dự án Bản đồ Gen Người là cuộc nghiên cứu lớn nhất được công bố trong lịch sử Nature). Mọi chuyên luận khoa học vĩ đại là một cuộc đàm đạo với lịch sử của chính nó - và những đoạn mở đầu chuyên luận trên Nature đã được viết với nhận thức đầy đủ về thời khắc phán xét trang nghiêm của nó:
"Sự khám phá lại những quy luật di truyền của Mendel trong những tuần mở đầu của thế kỷ 20 đã khơi dậy nỗi háo hức truy cầu sự hiểu biết khoa học bản chất và nội dung của thông tin di truyền vốn thúc đẩy ngành sinh học trong một thế kỷ trước. Những tiến bộ khoa học đã đạt được từ thời điểm ấy cố nhiên rơi vào bốn giai đoạn chính, đại thể tương ứng với bốn phần của thế kỷ. Giai đoạn thứ nhất xác lập cơ sở tế bào của di truyền: Các nhiễm sắc thể. Giai đoạn thứ hai xác định cơ sở phân tử của di truyền: Chuỗi xoắn kép DNA. Giai đoạn thứ ba mở khóa cơ sở thông tin di truyền (tức là mật mã di truyền), với sự khám phá cơ chế sinh học theo đó các tế bào đọc thông tin chứa trong gen, và với sự phát minh các kỹ thuật nhân bản vô tính và giải trình tự DNA tái tổ hợp mà các nhà khoa học có thể áp dụng theo".
Chuỗi gen người, dự án quả quyết, đánh dấu xuất phát điểm"giai đoạn thứ tư" của di truyền học. Đây là kỷ nguyên của "hệ gen học" - thẩm định toàn bộ hệ gen của các sinh vật, kể cả con người. Có một nan đề hiểm hóc trong triết học vốn chất vấn rằng liệu một cỗ máy thông minh có bao giờ giải đoán được nội dung hướng dẫn sử dụng của chính nó hay không. Với con người, cuốn sách hướng dẫn ấy giờ đây đã hoàn thành. Việc giải đoán nó, đọc nó, hiểu nó lại là vấn đề hoàn toàn khác.
Cuốn sách loài người
Nó có 3.088.286.401 ký tự DNA (thêm hay bớt một vài ký tự; một ước tính gần đây hơn rơi vào khoảng 3,2 tỉ ký tự).
Nếu được in thành sách với phông chữ tiêu chuẩn, nó chỉ bao gồm có 4 ký tự... AGCTTGCAGGGG... v.v... trải dài trên 1,5 triệu trang, gấp 66 lần kích thước Bách khoa toàn thư Britannica.
Nó được chia thành 23 cặp nhiễm sắc thể - tổng cộng là 46 - trong hầu hết tế bào ở người. Tất cả những linh trưởng khác, bao gồm khỉ đột, tinh tinh và đười ươi, có 24 cặp. Ở một thời điểm nào đó trong quá trình tiến hóa cúa họ người, hai nhiễm sắc thể cỡ trung ở một loài khỉ hình người nào đó đã nối lại thành một. Hệ gen người chia tay thân ái với hệ gen vượn vài triệu năm trước, sở hữu những đột biến và biến dị mới qua thời gian. Chúng ta mất một nhiễm sắc thể, nhưng có được ngón tay cái.
Nó mã hóa tổng cộng khoảng 20.687 gen - chỉ nhiều hơn giun 1.796 gen, ít hơn ngũ cốc 12.000, ít hơn lúa gạo hoặc lúa mì 25.000. Sự khác nhau giữa người và ngũ cốc không phải ở vấn đề số gen, mà ở sự phức tạp của các mạng lưới gen. Nó không nằm ở chỗ chúng ta có gì; mà ở cách chúng ta sử dụng nó như thế nào.
Nó có tính sáng tạo mãnh liệt. Nó nặn ra sự phức tạp từ sự đơn giản. Nó điều phối sự hoạt động hay ức chế của những gen nhất định trong những tế bào nhất định và vào những thời điểm nhất định, tạo ra những bối cảnh và khuôn mẫu độc nhất vô nhị cho mỗi gen trong thời gian và không gian, và bằng cách ấy mang lại sự phong phú gần như vô tận về chức năng từ nguồn vốn hữu hạn của nó. Và nó hòa trộn và kết hợp các module gen - gọi là các exon - bên trong những cá thể gen để khai thác thêm sự phong phú về tổ hợp từ nguồn vốn gen của nó. Hai chiến lược này - điều hòa gen và ghép nối gen - có vẻ như được sử dụng rộng rãi trong hệ gen người hơn là hệ gen của hầu hết các sinh vật. Hơn cả quy mô về số lượng gen, sự đa dạng của các kiểu gen, và tính độc đáo mới mẻ của chức năng gen, chính sự khéo léo tài tình của hệ gen là bí mật cho sự phức tạp của chúng ta.
Nó năng động. Trong một vài tế bào, nó xào xáo lại trình tự để tạo ra những biến thể mới mẻ của chính nó. Các tế bào hệ miễn dịch tiết ra "các kháng thể" - những protein như tên lửa được thiết kế để gắn vào những mầm bệnh xâm nhập. Nhưng vì các mầm bệnh không ngừng tiến hóa, các kháng thể cũng phải có khả năng thay đổi; một mầm bệnh tiến hóa đòi hỏi một vật chủ tiến hóa. Hệ gen thực hiện cuộc tiến hóa đối phó này bằng cách xáo trộn lại các thành tố di truyền của nó - nhờ vậy có được sự phong phú đáng kinh ngạc. Những gen được xáo trộn lại làm nên sự đa dạng của các kháng thể. Trong các tế bào này, mỗi hệ gen có khả năng làm xuất hiện một hệ gen hoàn toàn khác.
Có những phần của nó đẹp một cách đáng kinh ngạc. Trên nhiễm sắc thể số 11, chẳng hạn, có một đoạn dài dành hoàn toàn cho khứu giác. Ở đây, một đám 155 gen có liên quan chặt chẽ với nhau mã hóa hàng loạt những thụ thể protein vốn là những cảm biến mùi chuyên nghiệp. Mỗi thụ thể gắn với một cấu trúc hóa học duy nhất, giống như một chìa khóa với một ổ khóa, và tạo ra một tín hiệu mùi đặc trưng trong não bộ - bạc hà lục, chanh, hoa nhài, vani, gừng, tiêu. Một hình thái tinh vi của sự điều hòa gen đảm bảo rằng chỉ duy nhất một gen thụ thể mùi được chọn từ đám này và được biểu hiện trong một neuron cảm nhận mùi duy nhất trong mũi, cho phép chúng ta phân biệt hàng ngàn mùi vị.
Các gen, lạ thay chỉ chiếm một phần nhỏ xíu của nó. Một tỉ lệ khổng lồ, tới 98% đầy hoang mang - không được dành cho bản thân các gen, mà cho những đoạn dài DNA nằm rải rác giữa các gen (vùng DNA giữa hai gen) hoặc bên trong các gen (những intron). Những đoạn dài này không mã hóa RNA và protein: Chúng tồn tại trong hệ gen hoặc vì chúng điều hòa biểu hiện gen, hoặc vì những lý do mà chúng ta vẫn chưa hiểu, hoặc chẳng vì lý do nào cả (tức chúng là DNA "rác"). Nếu hệ gen là một lộ trình vượt qua Đại Tây Dương nối liền Bắc Mỹ và Âu Châu, các gen sẽ là các giải đất bé xíu thỉnh thoảng nhô lên giữa một dải trùng khơi mênh mang, tối thẫm. Đặt liền lại với nhau, những dải đất này không dài hơn hòn đảo lớn nhất của quần thể đảo Galápagos hay một tuyến đường sắt xuyên qua thành phố Tokyo.
Nó được khảm bằng lịch sử. Lắng đọng bên trong nó là những mảnh DNA kỳ lạ - một số có nguồn gốc từ những virus cổ xưa - vốn đã được chèn vào hệ gen trong quá khứ xa xôi và đã được truyền một cách thụ động hàng thiên niên kỷ kể từ khi đó. Một số mảnh trong đó đã từng có khả năng "nhảy cóc" hăng hái giữa các gen và sinh vật, nhưng giờ đây chúng chủ yếu nằm ù lì và câm lặng. Giống như những người bán hàng lưu động đã giải nghệ, những mảnh này vĩnh viễn bị trói buộc vào hệ gen của chúng ta mà không thể nhúc nhích đi đâu. Những mảnh này phổ biến hơn gen bội phần, đưa đến một đặc tính quan trọng khác của hệ gen chúng ta: Phần lớn hệ gen người không mang đặc thù con người.
Nó có những thành tố lặp đi lặp lại xuất hiện thường xuyên. Một đoạn AND phiền hà, bí ẩn dài 300 cặp base tên là Alu xuất hiện đi xuất hiện lại hàng triệu lần, mặc dù nguồn gốc, chức năng, hay ý nghĩa của nó hãy còn chưa biết.
Nó có "những họ gen" khổng lồ - những gen giống nhau và thực hiện các chức năng tương tự nhau - vốn thường túm tụm một chỗ với nhau. Hàng trăm gen có họ hàng gần, tụ họp thành những tiểu đảo trên những nhiễm sắc thể nhất định, mã hóa các thành viên của họ "Hox", nhiều trong số đó đóng vai trò quyết định trong việc quyết định số mệnh, diện mạo, và cấu trúc của phôi, những phân đoạn và cơ quan của nó.
Nó chứa hàng ngàn "gen giả hiệu" - những gen từng có ích nhưng đã trở nên vô hiệu, tức là, chúng không tạo ra protein hay RNA. Những xác gen này nằm rải rác im lìm suốt chiều dài của nó, như những hóa thạch đang mục nát trên bờ biển.
Nó chứa được đủ biến dị để làm cho mỗi chúng ta khác biệt với nhau, song đủ tính nhất quán để phân biệt mỗi thành viên trong chủng loài chúng ta với tinh tinh và vượn Bonobo, với hệ gen tương đồng với chúng ta đến 96%.
Gen đầu tiên của nó, trên nhiễm sắc thể số 1, mã hóa một protein cảm nhận mùi ở mũi (một lần nữa: những gen khứu giác này chỗ nào cũng thấy có!). Gen cuối cùng của nó, trên nhiễm sắc thể X, mã hóa một protein điều chỉnh sự tương tác giữa các tế bào hệ miễn dịch. (Những nhiễm sắc thể "đầu tiên" và "cuối cùng" được gán một cách tùy tiện. Nhiễm sắc thể đầu tiên được gọi là đầu tiên vì nó dài nhất).
Những đầu mút của nhiễm sắc thể được đánh dấu bởi những "telomere". Giống như những mảnh nhựa dẻo ở hai đầu dây giày, những đoạn chuỗi DNA này được thiết kế để bảo vệ nhiễm sắc thể khỏi bị sờn và thoái hóa.
Mặc dù chúng ta hiểu đầy đủ về mật mã di truyền - tức là cách thức thông tin trong một cá thể gen được sử dụng để xây dựng một protein - chúng ta hầu như không biết gì về mật mã hệ gen - tức cách mà nhiều gen trong hệ gen người điều phối sự biểu hiện gen trong không gian và thời gian để xây dựng, duy trì và sửa chữa cơ thể người. Mật mã di truyền thì đơn giản: DNA được sử dụng để xây dựng RNA, và RNA được sử dụng để xây dựng một protein. Một bộ ba base trong DNA xác định một axit amin trong protein. Mật mã hệ gen thì phức tạp: Gắn vào mỗi gen là những chuỗi DNA mang thông tin về thời điểm và và vị trí biểu hiện gen. Chúng ta không biết vì sao những gen nhất định nằm ở những vị trí nhất định trong hệ gen, và những dải DNA nằm giữa các gen điều hòa và phối hợp chức năng sinh lý của gen như thế nào. Có những mật mã trong mật mã, cũng như núi cao còn có núi cao hơn vậy.
Nó ghi khắc và xóa bỏ những dấu vết hóa học trên chính nó để phản ứng với những thay đổi trong môi trường - bằng cách đó mã hóa một hình thái "ký ức" tế bào.
Nó bí hiểm khôn dò, dễ tổn thương, mau bình phục, chóng thích nghi, lặp đi lặp lại, và độc nhất vô nhị.
Nó ở tư thế tất nhiên tiến triển. Nó giẫm lên bao nhiêu mảnh vụn của quá khứ của nó.
Nó được thiết kế để sinh tồn.
Nó giống chúng ta.
Vậy, chúng ta đều giống nhau cả!
Để hiểu những gì mà gen nói về con người, chúng ta có thể phải bắt đầu bằng việc giải đoán những gì chúng ta biết về nguồn gốc con người. Vào giữa thế kỷ 19, trước khi di truyền học người ra đời, các nhà nhân học, sinh học và ngôn ngữ học đã tranh cãi gay gắt về nguồn gốc con người. Năm 1854, một nhà sử học tự nhiên gốc Thụy Sĩ tên là Louis Agassiz đã trở thành người đề xướng hăng hái nhất cho lý thuyết được gọi là "đa tổ luận", vốn cho rằng ba dòng giống chính của loài người - người Da trắng, người châu Á và người Negro như lối phân loại ưa thích của ông - đã phát sinh độc lập từ các dòng họ tổ tiên riêng biệt cách đây vài triệu năm.
Agassiz được cho là người phân biệt chủng tộc đáng chú ý nhất trong lịch sử khoa học - "người phân biệt chủng tộc" theo nghĩa gốc của từ đó là người tin vào những khác biệt cố hữu giữa các chủng tộc, và theo nghĩa thực tế là người tin rằng một số chủng tộc về cơ bản là ưu việt hơn so với chủng tộc khác. Trước nỗi sợ có thể mang chung nguồn gốc tổ tiên với người Châu Phi, Agassiz nhất mực cho rằng mỗi chủng tộc có một tổ tiên riêng và phát triển độc lập qua không gian và thời gian. Cái tên "Adam", ông cho rằng, phát sinh từ tiếng Hebrew có nghĩa là "người đỏ mặt", và chỉ người da trắng mới đỏ mặt một cách dễ thấy nhất. Vào năm 1859, lý thuyết đa nguồn gốc của Agassiz bị thách thức bởi cuốn sách "Nguồn gốc các loài" của Darwin, và dần dần sụp đổ. Agassiz, một giáo sư có bộ râu đạo mạo của Đại học Harvard, một trong những nhà sử học tự nhiên lỗi lạc nhất thế giới thời bấy giờ, đã thất bại trước Darwin, nhà tự nhiên học từ Đại học Cambridge, đầy ắp lưỡng lự, tự học và xuất thân là một mục sư, hầu như vẫn còn vô danh bên ngoài nước Anh.
Con người sống đến nay đã được bao lâu, và chúng ta từ đâu đến? Vào những năm 1980, một nhà hóa sinh tại Đại học California, Berkeley, tên là Allan Wilson bắt đầu sử dụng những công cụ di truyền để trả lời những câu hỏi này. Ông nhận ra rằng, con người được phú cho lịch sử tiến hóa về giống loài trong hệ gen của chúng ta. Như thể chúng ta vĩnh viễn mang theo một bức hình của tổ tiên trong chiếc ví của mình vậy. Người hiện đại về cơ bản là trẻ hơn và đồng nhất hơn so với loài tinh tinh (dưới con mắt của con người, mỗi con tinh tinh có thể trông giống mỗi con tinh tinh khác nhưng dưới con mắt của một con tinh tinh sắc sảo, chính con người mới giống nhau nhiều hơn). Nếu tính ngược về thời gian, niên đại của con người ước tính khoảng 200.000 năm - một điểm lóe sáng nhỏ, một cái tích tắc của chiếc kim đồng hồ trong nấc thang tiến hóa.
Vào tháng 11.2008, một cuộc nghiên cứu sâu được tiến hành bởi Luigi Cavalli-Sforza, Marcus Feldman và Richard Myers thuộc Đại học Stanford đã mô tả 642.690 biến thể gen trong 938 cá thể được lấy từ 51 tiểu quần thể dân cư trên khắp thế giới. Kết quả đáng kinh ngạc xuất hiện: Con người hiện đại dường như xuất hiện một cách riêng biệt từ một vùng đất khá hẹp, một nơi nào đó ở Châu Phi hạ Sahara, cách đây khoảng 100.000 đến 200.000 năm, và rồi di cư về hướng bắc, hướng đông để cư trú ở Trung Đông, Châu Âu, Châu Á và châu Mỹ. "Càng đi xa khỏi Châu Phi, biến thể càng ít dần", Feldman viết, "một kiểu mẫu như thế phù hợp với lý thuyết cho rằng những người hiện đại đầu tiên định cư trên thế giới theo kiểu bàn đạp khi rời khỏi Châu Phi cách đây chưa tới 100.000 năm. Khi mỗi nhóm người nhỏ bỏ đi để tìm đến một vùng đất mới, họ chỉ mang theo một mẫu đa dạng di truyền của quần thể bố mẹ".
Những quần thể người già nhất - hệ gen của họ được trộn lẫn với những biến thể đa dạng và cổ xưa - là những bộ tộc San của Nam Phi, Namibia, Botswana, và người Mbuti Pygmies, những người sống sâu hút trong rừng Ituri ở Congo. Ngược lại, những người "trẻ" nhất là người Bắc Mỹ bản địa, những người rời Châu Âu và đi vào bán đảo Seward ở Alaska xuyên qua khe nứt băng giá của eo biển Bering cách đây khoảng 15.000 đến 30.000 năm. Lý thuyết về nguồn gốc và di trú của con người này, được chứng thực bởi những mẫu vật hóa thạch, dữ liệu địa chất, những dụng cụ từ việc khai quật khảo cổ học và những mô hình ngôn ngữ, đã được chấp nhận bởi hầu hết những nhà di truyền học người. Nó được gọi là lý thuyết Rời Khỏi Châu Phi, hoặc mô hình Rời Khỏi Châu Phi Gần Đây (từ "gần đây" phản ánh sự tiến hóa đáng kinh ngạc của người hiện đại, và từ viết tắt của nó là ROAM, một gợi nhớ về sự thôi thúc di cư ở thời cổ đại mà dường như nảy sinh trực tiếp từ những hệ gen của chúng ta).
Mỗi chúng ta có thể truy ra tung tích dòng dõi ty thể của chúng ta về một người phụ nữ duy nhất sống ở Châu Phi cách đây khoảng 200.000 năm. Bà là người mẹ chung của giống loài chúng ta. Chúng ta không biết bà trông như thế nào mặc dù những người bà con hiện đại gần gũi nhất của bà là những người phụ nữ thuộc bộ tộc San từ Botswana hay Namibia. Tôi nhận thấy ý tưởng về người mẹ cả đó vô cùng lôi cuốn. Trong di truyền học người, bà được biết đến với cái tên quyến rũ - Eva ty thể. Theo nghĩa di truyền học, hầu như tất cả chúng ta, những người xuất hiện từ Châu Phi vốn khao khát đất đai và không khí, thậm chí còn gắn kết chặt chẽ hơn chúng ta tưởng tượng trước đây. Chúng ta cùng trên một con thuyền, anh em à. Hoặc, như Aibee, một thiếu nữ người Mỹ gốc Phi, nói với Mae Mobley một cách thẳng thắn trong phim The Help (Người giúp việc) rằng: "Vậy, chúng ta đều giống nhau cả. Chỉ khác màu da".
