Vì sao các tế bào không nhầm lẫn chức năng?

(Tamnhin.net) - Để vô số các tế bào trong cơ thể hiểu và làm đúng chức năng của mình thì chắc phải có một trung tâm chỉ đạo chung. Nếu không hẳn đã xảy ra tình trạng bát nháo, mạnh ai nấy làm. Vậy trung tâm đó nằm ở đâu?


Thật đáng ngạc nhiên là chẳng có một trung tâm thống nhất nào cả. Một lượng đông đúc các tế bào tự phân chia hoàn toàn có thể hành động một cách “có ý thức” và tạo ra những cấu trúc phức tạp mà không cần cơ quan chỉ đạo chung. Quá trình này được gọi là “sự tự tổ chức”.

Phôi hình thành trong tế bào trứng nhờ những lần phân chia đầu tiên. Các tế bào của phôi đều có bộ gen như nhau. Bộ gen xác định toàn bộ các đặc tính của tế bào, đó là “chương trình hành động” của nó. Chương trình của tất cả các tế bào phôi đều giống nhau. Tuy nhiên ngay sau đó các tế bào bắt đầu “hành xử” khác nhau – một số chuyển thành các tế bào da, số khác thành các tế bào ruột, v.v.

Điều này xảy ra là nhờ sự trao đổi thông tin của các tế bào – chúng gửi tín hiệu hóa học cho nhau và thay đổi hành vi tùy thuộc vào tín hiệu nhận được từ “hàng xóm”. Tín hiệu cũng có thể mang tính chất cơ học: các tế bào cảm nhận được vị láng giềng của mình khi chúng xô đẩy nhau. Ngoài ra, các yếu tố bên ngoài cũng có thể gửi đến những tín hiệu nào đó. Chẳng hạn, các tế bào phôi ở thực vật cảm nhận được lực hấp dẫn của Trái đất và có tính đến điều này khi phải đưa ra quyết định. Những tế bào có hàng xóm choán hết phần trên sẽ biến thành rễ, còn các tế bào có hàng xóm án ngữ phía dưới sẽ biến thành thân. Rồi tế bào trứng ngay từ đầu cũng có thể “đánh dấu” tế bào phôi theo cách rất đơn giản: cực này của nó khác cực kia về nồng độ những vật chất nào đó.

Chương trình hành động của tất cả các tế bào ban đầu như nhau nhưng nó cũng khá phức tạp và gồm một số bộ quy tắc riêng biệt. Một tế bào cụ thể phải thực hiện bộ quy tắc nào là phụ thuộc vào tín hiệu mà nó nhận được. Hành động chủ yếu của các tế bào là mở hay đóng các gen nhất định. Việc đóng hay mở một gen nào đó làm thay đổi tính chất của tế bào và nó bắt đầu có cách ứng xử khác, phản ứng với các tín hiệu theo cách khác.
Thế thì vì sao các tế bào có chung chương trình hành động và nằm trong điều kiện có vẻ giống nhau mà lại hành xử khác nhau? Vấn đề là về thực chất các tế bào phôi ở trong những điều kiện không giống nhau – chuyện này diễn ra trong quá trình phân chia tế bào.

Tế bào này nằm ở phía ngoài, tế bào kia nằm ở phía trong, cái ở trên, cái ở dưới, nồng độ các chất cũng không giống nhau. Lại nữa, có thể các tế bào được trang bị một chiếc đồng hồ để đếm tế bào trứng đã phân chia bao nhiêu lần rồi. Chiếc “đồng hồ” này cũng mang tính hóa học: trong tế bào trứng ban đầu có những chất nhất định mà mùi của chúng trong suốt quá trình phát triển phôi không được bổ sung. Và dựa vào nồng độ còn lại của các chất đó trong tế bào mà có thể biết đã xảy ra bao nhiêu lần phân chia.

Chương trình hành động của tế bào có thể chứa những mệnh lệnh như sau: “Nếu anh ở phía ngoài và nếu nồng độ chất A còn ở một mức nào đó, rồi nếu nồng độ chất B quanh anh bằng không và nếu tính từ thời điểm bắt đầu phát triển đã có 10 lần phân chia thì hãy tiết ra chất B”.

Việc thực hiện mệnh lệnh này sẽ dẫn đến đâu? Nó dẫn đến tình trạng ở phía ngoài của phôi trong thời điểm cụ thể (sau lần phân chia thứ 10) sẽ xuất hiện một tế bào duy nhất tiết ra chất B. Tế bào này nằm ở khoảng cách được xác định rất nghiêm ngặt so với một cực của phôi bởi chất A trong trường hợp này là một dạng đánh dấu ban đầu của tế bào trứng. Có nghĩa là dựa vào nồng độ của chất A mà tế bào có thể nhận ra mình đang ở cách các cực của phôi bao xa. Tại sao tế bào tiết ra chất B chỉ có một mà thôi? Bởi mệnh lệnh ghi rõ: “Nếu nồng độ chất B xung quanh anh bằng không”. Ngay khi tế bào đầu tiên thực hiện mệnh lệnh nói trên, tức tiết ra chất B, thì có nghĩa là nồng độ chất này thôi bằng không, bởi vậy các tế bào khác sẽ không tiết ra chất B. Còn nếu chúng ta xóa mệnh đề “Nếu nồng độ chất B xung quanh anh bằng không” trong mệnh lệnh thì sao? Lúc đó thì không chỉ một tế bào duy nhất tiết ra chất B mà nhiều tế bào cũng làm như vậy.

Trong tiến trình phát triển phôi quả thực ở chỗ này, chỗ kia xuất hiện “những trung tâm chỉ đạo” đặc biệt, đó là những nhóm tế bào tiết ra chất A, chất B làm tín hiệu đối với các tế bào khác và tác động lên hành vi của chúng. Nhưng đồng thời tất cả các tế bào vẫn cứ hành động nghiêm ngặt theo đúng chương trình gen ban đầu của chúng, một chương trình giống nhau cho mọi tế bào. Các trung tâm chỉ đạo xuất hiện tự thân, bằng con đường tự tổ chức, không ai cố tình ấn chúng vào đó cả. Không cần thiết phải dùng đến sự điều hành tập trung thống nhất”, lại càng không cần sự điều hành có nhận thức, lý trí.

Các tín hiệu vật chất điều khiển hành vi của các tế bào phôi rất có uy lực. Chẳng hạn, nếu cắt đuôi của một con nòng nọc và trám vào vết thương các tế bào chân thì thay cho một cái đuôi mới là một… búi chân. Vào đầu thế kỷ 20 người ta đã từng thực hiện những thí nghiệm tàn nhẫn như thế.

Trần Quang Vinh (theo tờ Elementy)