Nhưng thực chất thì hệ miễn dịch đang bảo vệ cái gì?
Rồi…rồi…ai cũng biết câu trả lời đó chính là cơ thể của chúng ta. Và xét về một khía cạnh nào đó, câu trả lời này có vẻ khá đơn giản – đó là toàn bộ phần nằm bên dưới và bao gồm cả lớp da của bạn. Khá là dễ hiểu, phải không?
Nhưng nếu chỉ dừng lại ở vẻ bề ngoài thôi thì chúng ta có vẻ sẽ trở thành người nông cạn nhất quả đất này.
Vì vậy, chúng ta cần phải thực hiện một hành trình bước vào một thế giới dù rất gần gũi nhưng lại vô cùng xa lạ – một thế giới mà không sinh vật nào bên trong nó nhận thức được sự tồn tại của chính mình; nơi những con quái vật xuất hiện là chuyện như cơm bữa nhưng chẳng ai bận tâm. Một thế giới đã tồn tại hàng tỷ năm nằm ngay bên trong bạn, trong mọi người và mọi vật, nơi mà ranh giới giữa sự sống và cái chết trở nên vô cùng mờ nhạt.
Hãy đến với những đơn vị cấu tạo cơ bản nhất của sự sống: các tế bào của bạn.
Tế bào là những thực thể cực kỳ nhỏ bé. Đối với một tế bào đơn lẻ, cơ thể của bạn giống như một hành tinh trôi dạt giữa vũ trụ đầy hiểm nguy, một cấu trúc khổng lồ với những đường ống rộng lớn tựa như những ngọn núi chứa đầy những đại dương chất lỏng chảy len lỏi qua các hệ thống hang động phức tạp tựa như lãnh thổ của cả một quốc gia.
Nếu bạn có kích thước tương đương một tế bào thì cơ thể của sẽ cao từ 15-20 ngọn núi Everest xếp chồng lên nhau. Đó sẽ là một khối thịt khổng lồ cao ít nhất 100km vươn tận vào không gian.
Và các tế bào trong hệ miễn dịch của bạn có nhiệm vụ bảo vệ toàn bộ khối thịt khổng lồ này, đặc biệt là những điểm yếu nơi kẻ xâm nhập có thể len lỏi vào – chủ yếu là các vùng biên giới bên ngoài cơ thể.
Khi nghĩ đến phần bên ngoài cơ thể, điều đầu tiên bạn nghĩ đến ắt hẳn là da. Tổng diện tích bề mặt da của bạn vào khoảng 2m2 và may mắn thay, nó không quá khó để bảo vệ vì phần lớn da được cấu tạo từ một lớp rào chắn dày, cứng cáp và được trang bị hệ thống phòng thủ riêng. Dù rất mềm mại nhưng lớp da này lại rất khó bị xuyên thủng nếu như vẫn còn nguyên vẹn.
Những “điểm nóng” thực sự rất dễ bị nhiễm trùng trên cơ thể bạn lại chính là các màng nhầy – lớp bề mặt lót bên trong khí quản và phổi, mí mắt, miệng, mũi, dạ dày, ruột, đường sinh dục và bàng quang. Rất khó để đưa ra con số chính xác về tổng diện tích của chúng vì số liệu thay đổi tùy theo từng người, nhưng trung bình một người trưởng thành khỏe mạnh có khoảng 200m2 màng nhầy, trong đó phần lớn nằm ở phổi và đường tiêu hóa.
Nếu nhìn nhận một cách thẳng thắn về cơ thể con người thì theo một nghĩa nào đó, bạn chẳng khác nào một cái ống dài rất phức tạp. Tất nhiên, đó là một cái ống có thể đóng kín cả hai đầu. Ngoài ra, nó còn ẩm ướt, nhầy nhụa và trông “ghê” hơn nhiều.
Cơ quan sinh dục, lỗ mũi và tai của bạn là những lỗ hổng khác – lối vào của các hệ thống đường hầm và hang động lớn chạy xuyên qua cơ thể bạn. Tất cả những vị trí này đều là các vùng biên giới, là điểm tiếp xúc với thế giới bên ngoài. Cơ thể bạn thực chất chỉ là lớp vỏ bao bọc lấy chúng mà thôi.
Nhìn chung thì tất cả những khu vực này chính là nơi mà hàng triệu kẻ xâm nhập cố gắng vượt qua để tấn công bạn mỗi ngày. Đó là một phạm vi vô cùng rộng lớn cần phải để mắt đến khi xét đến kích thước rất nhỏ bé của một tế bào.
Đối với các tế bào của bạn, diện tích bề mặt của lớp niêm mạc tương đương với quy mô của cả khu vực Trung Âu đối với bạn vậy. Việc dựng lên những bức tường sẽ chẳng có tác dụng gì cả bởi chúng không chỉ cần bảo vệ đường biên mà còn phải bảo vệ toàn bộ bề mặt! Kẻ xâm nhập đâu chỉ có cố gắng len lỏi vào từ các mép rìa; chúng có thể “nhảy dù” xuống bất cứ đâu. Vì thế, các tế bào của bạn buộc phải phòng thủ trên toàn bộ “lục địa” ấy.
Tuy nhiên, việc chặn đứng kẻ thù tại những “điểm nóng” này vẫn dễ dàng hơn nhiều so với những nơi khác. Chẳng hạn, nếu như chúng ta lấy toàn bộ mạch máu và mao mạch bên trong cơ thể bạn rồi trải chúng ra thành một đường thẳng, chúng sẽ có chiều dài là 16.000 km – gấp ba lần chu vi của Trái Đất – cùng với tổng diện tích bề mặt rơi vào khoảng 1.200 m2.
Vì vậy, tốt hơn hết là nên ngăn chặn kẻ thù tại các vùng biên địa có quy mô nhỏ hơn nhiều. Nhưng điều này không đồng nghĩa với hai chữ dễ dàng.
Cơ thể người trung bình được cấu tạo từ khoảng 40 nghìn tỷ tế bào – 40.000.000.000.000; một con số thực sự rất ấn tượng. Nếu như mỗi tế bào của bạn được đại diện bởi một người cụ thể thì chúng ta cần nhiều hơn tổng số người từng sinh sống trong suốt 250.000 năm lịch sử của nhân loại.
Và nếu có thể chạm tới được con số 40 nghìn tỷ thì bạn sẽ là một gã khổng lồ bằng xương bằng thịt vươn cao tới 100km lên bầu trời. Cơ thể của bạn bao gồm những khoang rỗng rộng lớn tựa như các quốc gia cùng những khối xương đồ sộ và đặc chắc như núi non, bên trong chằng chịt các loại hang động và đường hầm phức tạp. Các huyết quản của bạn chứa đầy những đại dương chất lỏng, nơi dòng người hối hả vận chuyển thực phẩm và bình oxy đến từng ngóc ngách xa xôi nhất.
Nếu là một tế bào hồng cầu, bạn sẽ phải di chuyển quãng đường tương đường từ Hà Nội vào thành phố Hồ Chí Minh chỉ trong vòng một phút, xuôi theo dòng chảy được bơm bởi một trái tim to lớn tựa như cả một thành phố.
Mọi chuyện lúc đấy hẳn sẽ là rất tuyệt vời: Ai ai cũng sẽ chung tay cùng nhau gìn giữ sự sống cho ngọn núi thịt khổng lồ này và nhờ đó, cũng là bảo toàn mạng sống cho chính bản thân họ.
Thế nhưng, nguồn tài nguyên dồi dào cùng không gian ấm áp lại có sức hút quá lớn. Đối với cư dân bên trong cũng như những kẻ xâm nhập không mời mà đến, thực thể khổng lồ này chẳng khác nào một lục địa rộng lớn. Hàng tỷ sinh vật đang tìm cách xâm nhập vào bên trong: Một số con to lớn tựa như voi hay cá voi xanh; chúng muốn đẻ ra những quả trứng khổng lồ để con non có thể thỏa sức ăn tươi nuốt sống những con người tội nghiệp vốn cấu thành nên các mô cơ thể. Những loài khác thì có kích thước cỡ gấu mèo hay chuột cống; chúng muốn đánh cắp thức ăn và biến cơ thể khổng lồ này thành nơi cư trú lâu dài để nuôi nấng nhiều thế hệ con cháu.
Dù có thể không cố ý làm hại những con người tạo nên cơ thể ấy nhưng hành động phóng uế bừa bãi của chúng vẫn khiến cuộc sống nơi đây trở nên khốn khổ. Nhưng loài sinh vật gây hại kinh tởm nhất mà cơ thể khổng lồ này phải đối mặt hàng ngày chính là hàng tỷ con nhện; chúng chỉ chực chờ chui vào bên trong để sinh sôi nảy nở ngay trong dạ dày nạn nhân.
Với một thực thể khổng lồ được tạo thành từ hàng nghìn tỷ con người, việc mất đi một vài cá nhân rải rác đây đó không thực sự nguy hiểm. Tuy nhiên, nếu để các sinh vật gây hại này tự do sinh sôi, đó có thể là dấu chấm hết cho tất cả.
Và đây chính là những gì các tế bào của bạn phải đối mặt suốt ngày và đêm, từ lúc lọt lòng cho đến khi nhắm mắt xuôi tay. Tuy nhiên, bạn không chỉ đơn thuần là một khối thịt khổng lồ chỉ chờ bị xâm chiếm. May mắn thay, trong cuộc chiến sinh tồn này, bạn đang có cho mình một đồng minh tuyệt vời – và đó chính là hệ miễn dịch của bạn.
Vậy chính xác thì tế bào là gì?
Như đã đề cập, tế bào là đơn vị nhỏ nhất của sự sống: những thực thể mà ta có thể xác định rõ ràng là đang sống. Dẫu vậy, bản thân định nghĩa về sự sống lại là một vấn đề rất phức tạp với 8 đặc điểm chính mà chúng ta đã đề cập ở đây.
Và tế bào là cơ quan thực hiện tất cả những điều này với cơ thể của bạn được tạo nên hoàn toàn từ chúng. Tuy nhiên, tế bào không có ý thức, không có ý chí, cảm xúc, mục tiêu hay khả năng đưa ra các quyết định chủ động. Tóm lại, các tế bào giống như những cỗ máy sinh học được vận hành hoàn toàn nhờ vào vô số các phản ứng sinh hóa được tạo ra bởi các thành phần cấu tạo nên chính chúng.
Các tế bào được làm nên từ những bộ phận nhỏ hơn được gọi là các bào quan, chẳng hạn như nhân tế bào – một cấu trúc có màng bao bọc xung quanh chứa DNA; các ty thể – những “nhà máy điện” chuyển hóa thức ăn và oxy thành năng lượng hóa học để duy trì hoạt động của tế bào; mạng lưới vận chuyển, trung tâm đóng gói, các bộ phận thực hiện chức năng tiêu hóa và tái chế…
Dù nhỏ bé là thế nhưng mỗi một tế bào đơn lẻ lại được làm nên từ hàng chục triệu các phân tử riêng biệt, một nửa trong số đó là các phân tử nước. Phần còn lại bên trong tế bào chủ yếu bao gồm hàng triệu phân tử protein. Có khoảng từ 1.000 đến 10.000 loại protein khác nhau tùy thuộc vào chức năng và nhiệm vụ cụ thể của tế bào.
Có lẽ bạn đã nghe nói rất nhiều về protein – có thể bạn đang áp dụng chế độ ăn giàu protein khi bạn đang tập gym và muốn tăng cơ. Điều này hoàn toàn là hợp lý bởi vì phần lớn cơ thể bạn chủ yếu được tạo từ protein (ngay cả xương cũng được tạo thành từ hỗn hợp protein và canxi). Tuy nhiên, protein không chỉ tốt cho cơ bắp: chúng là nguyên liệu nền tảng nhất giúp xây dựng nên mọi sinh vật trên hành tinh này. Chúng hữu dụng và đa dạng đến mức tế bào có thể sử dụng “công cụ” này cho hầu hết mọi việc, từ truyền tín hiệu, xây dựng các cấu trúc đơn giản cho đến tạo ra những cỗ máy vô cùng phức tạp.
Protein được tạo thành từ một chuỗi axit amin với hai mươi loại khác nhau. Chỉ cần kết nối chúng lại thành một chuỗi theo bất kỳ thứ tự nào mà bạn muốn, và thế là bạn đã có một loại protein. Và theo nguyên lý xác suất và thống kê, sự sống có thể tạo ra vô số những công trình đáng kinh ngạc chỉ bằng cách thay đổi thứ tự và số lượng của 20 loại axit amin này. Ví dụ, nếu muốn tạo ra một loại protein từ một chuỗi bao gồm 10 axit amin và bạn có thể chọn lựa trong số 20 loại axit amin khác nhau, bạn sẽ có tới 10.240.000.000.000 khả năng khác nhau.
Một loại protein điển hình thường được tạo thành từ 50 đến 2.000 axit amin – với loại dài nhất mà chúng ta từng biết đến có tới 30.000 axit amin. Điều này mang lại hàng tỷ tỷ các loại protein tiềm năng mà những tế bào của chúng ta có thể tạo ra.
Tất nhiên, phần lớn các loại protein “tiềm năng” này lại chẳng có tác dụng gì cả. Theo một số ước tính, chỉ một trong số hàng triệu đến hàng tỷ các tổ hợp axit amin này có thể tạo ra một loại protein hữu ích. Tuy nhiên, vì có vô số loại protein tiềm năng, nên một phần tỷ vẫn là một con số rất lớn!
Vậy thì làm thế nào các tế bào của bạn biết được thứ tự sắp xếp các axit amin để tạo ra những loại protein mà chúng cần?
Và đây chính là nhiệm vụ của DNA của bạn – một “văn tự” chứa các chỉ dẫn cần thiết để có thể tạo ra một sinh vật. Trong văn tự này, có khoảng 1% chứa các trình tự đóng vai trò là “bản thiết kế” giúp chế tạo protein. Những trình tự này được gọi là gen. Và phần còn lại của DNA sẽ đóng vai trò điều tiết quá trình tạo ra protein: loại protein nào được tạo ra, khi nào, bằng cách nào và với số lượng bao nhiêu.
Nhưng cơ chế này hoạt động như thế nào?
Về cơ bản thì các chỉ dẫn trên DNA sẽ được chuyển đổi thành protein thông qua một quy trình gồm có hai bước: Các loại protein chuyên biệt sẽ đọc thông tin trên chuỗi DNA trong quá trình phiên mã và chuyển đổi nó thành một phân tử truyền tin đặc biệt được gọi là mRNA.
Sau đó, phân tử mRNA sẽ được vận chuyển từ nhân tế bào đến một bào quan khác – nơi đóng vai trò giống như một bộ máy sản xuất protein – được gọi là ribosome. Tại đây, phân tử mRNA sẽ được đọc và dịch mã thành các axit amin; các axit amin này sau đó được liên kết lại với nhau theo đúng trình tự đã được quy định trên mRNA. Và thế là các tế bào của chúng ta đã tạo ra được một loại protein dựa trên các thông tin xuất hiện trên DNA của bạn.
Như vậy, về cơ bản, DNA là một tập hợp các đoạn mã với những phần gọi là gen đóng vai trò như “bản thiết kế” giúp chế tạo và điều tiết protein cho bộ máy tế bào của bạn. DNA không ra lệnh cho cơ thể bạn rằng “hãy tạo ra tóc xoăn!”, mà nó chỉ đạo các tế bào “hãy tạo ra những loại protein làm cho tóc xoăn”.
Một điều đặc biệt là nếu như bạn tháo xoắn và kéo thẳng DNA đến từ một tế bào duy nhất trong cơ thể bạn, nó sẽ dài khoảng 2 mét – nó còn dài hơn cả chiều cao của bạn. Nếu lấy toàn bộ DNA trong cơ thể của bạn và nối chúng lại thành một chuỗi duy nhất, nó sẽ trải dài từ Trái Đất đến Sao Diêm Vương rồi quay trở lại. Và tất cả cái mớ hổ lốn này chỉ được dùng để tạo ra những chuỗi axit amin dài dằng dặc!
Khi các chuỗi axit amin này đã được tạo ra, chúng sẽ được “gấp” lại thành một cấu trúc ba chiều – có nghĩa là chúng sẽ tự cuộn lại theo những cách thức vô cùng phức tạp mà chúng ta vẫn chưa thể hiểu rõ hoàn toàn.
Tùy thuộc vào loại axit amin và trình tự sắp xếp của chúng, chuỗi này sẽ cuộn lại thành những hình dạng rất đặc thù. Và trong thế giới của protein, hình dạng sẽ quyết định tới chức năng của chúng.
Tùy thuộc vào hình dạng, protein có thể đảm nhận rất nhiều các vai trò khác nhau. Các tế bào có thể sử dụng chúng để xây dựng nên hầu như là mọi thứ. Tuy nhiên, sự kỳ diệu của protein không chỉ dừng lại ở vai trò vật liệu xây dựng. Protein còn đóng vai trò là sứ giả truyền tin: Chúng có thể tiếp nhận hoặc phát đi các tín hiệu làm thay đổi hình dạng của chính mình, từ đó kích hoạt những chuỗi phản ứng vô cùng phức tạp.
Nhưng chúng làm được điều này bằng cách nào?
Bằng cách rung lắc và di chuyển cực nhanh. Protein nhỏ và nhẹ đến mức chúng có những hành vi rất kỳ lạ so với các vật thể to lớn ở quy mô hàng ngày của chúng ta. Trọng lực không phải là một biến số đáng kể ở quy mô này. Do đó, về mặt lý thuyết, ở nhiệt độ phòng, một protein có thể di chuyển với tốc độ khoảng 5 m/s. Nếu bạn có thể chạy nhanh như một phân tử protein, bạn sẽ đạt tới tốc độ ngang ngửa máy bay phản lực và sẽ chết ngay tại chỗ do đâm sầm vào một vật gì đó trên đường.
Trên thực tế thù protein không thể di chuyển nhanh đến vậy bên trong tế bào bởi vì có quá nhiều phân tử khác ngáng đường. Chúng liên tục va chạm và xô đẩy các phân tử nước cũng như những protein khác theo mọi hướng. Quá trình này được gọi là chuyển động Brown – mô tả sự di chuyển ngẫu nhiên của các phân tử trong chất khí hoặc chất lỏng. Và đây chính xác là lý do tại sao nước lại quan trọng đến thế đối với tế bào – vì nó tạo điều kiện cho các phân tử khác có thể di chuyển dễ dàng hơn.
Bất chấp, hoặc có lẽ chính là nhờ vào sự hỗn loạn của các chuyển động ngẫu nhiên kết hợp với tốc độ của các protein, các phản ứng bên trong tế bào vẫn được hoàn tất. Hãy tưởng tượng rằng nếu như bạn đang ở bên trong một tế bào và muốn làm một chiếc bánh mì kẹp trứng thì cách tốt nhất là bạn hãy tung bánh mì và trứng lên không trung rồi đợi vài giây. Do tốc độ di chuyển và va chạm cực nhanh, chúng sẽ tự động kết hợp lại với nhau và tạo thành một chiếc bánh mì hoàn chỉnh mà bạn chẳng cần phải động tay vào.
Trong thế giới vi mô kỳ quặc này, hình dạng của các protein trong tế bào sẽ quyết định cách chúng hút hay đẩy nhau, trong khi số lượng các loại protein lại quyết định tần suất xảy ra các tương tác này. Và chính những tương tác này đã tạo nên một nền tảng hóa sinh vô cùng cho mọi tế bào trên Trái Đất và được gọi là con đường sinh học (biological pathways) – một chuỗi các tương tác giữa những thành phần rất nhỏ và từ đó dẫn đến sự thay đổi rất lớn bên trong tế bào. Quá trình này có thể bao gồm việc lắp ráp các protein hoặc các phân tử mới – những thành phần có khả năng “bật” hoặc “tắt” các gen, từ đó làm thay đổi chức năng của tế bào. Hoặc nó có thể kích hoạt các tế bào và tạo ra những gì mà chúng ta gọi là “hành vi” – chẳng hạn như phản ứng lại các mối nguy hiểm bằng cách di chuyển ra xa.
Và trớ trêu thay, chính những tương tác phức tạp giữa các protein vốn vô tri và “không có sự sống” bỗng nhiên lại tạo nên một tế bào được xem là rất thông minh và vô cùng sống động.
Hãy nghĩ về loài kiến . Kiến có vài đặc điểm rất giống với tế bào. Và quan trọng nhất là chúng thực sự khá…ngốc nghếch. Nếu bạn tách riêng một con kiến ra, nó sẽ chỉ đi lại loanh quanh một cách vô định và chẳng làm được việc gì cả.
Nhưng nếu bạn tập hợp thật nhiều con kiến lại với nhau, chúng có thể trao đổi thông tin, tương tác với nhau và cùng phối hợp để thực hiện những điều phi thường. Chúng có thể xây dựng các cấu trúc phức tạp với những khu vực chuyên biệt như buồng ấp trứng, nơi tập kết rác thải hay hệ thống thông gió tinh vi giúp điều hòa luồng khí. Kiến tự động phân chia thành các nhóm và đảm nhận những vai trò khác nhau, từ kiếm ăn, phòng thủ cho đến chăm sóc ấu trùng. Sự phân chia này không hề ngẫu nhiên mà tuân theo tỷ lệ tối ưu nhất cho sự sinh tồn của cả tập thể. Nếu một nhóm nào đó bị suy giảm nghiêm trọng về số lượng – chẳng hạn do một con thú ăn kiến đói bụng đi ngang qua – một số con kiến còn lại sẽ chuyển đổi công việc để khôi phục lại tỷ lệ phân công hợp lý.
Nhìn chung thì hiện tượng này xuất hiện khắp nơi trong tự nhiên và được gọi là đột sinh (emergence) – đó là khi một thực thể sở hữu những đặc tính và khả năng độc đáo mà các thành phần cấu tạo nên nó không hề có.
Và cơ chế hoạt động của mọi bộ phận trong cơ thể bạn cũng tương tự như vậy. Các tế bào thực chất chỉ là những cỗ máy chứa protein vận hành theo các quy luật hóa học. Nhưng khi kết hợp lại, chúng tạo nên một cơ thể sống có khả năng thực hiện vô số các hoạt động tinh vi.
Dẫu vậy, các tế bào vẫn chỉ là những cỗ máy vô tri, thậm chí còn kém thông minh hơn cả loài kiến. Tuy nhiên, khi cùng nhau hoạt động, chúng có thể làm được những điều mà từng cá thể riêng lẻ không thể thực hiện – như hình thành nên các mô và hệ cơ quan chuyên biệt, từ cơ bắp giúp tim đập cho đến các tế bào não cho phép bạn suy nghĩ và đọc được những dòng chữ này.
Như vậy, mặc dù các tế bào của bạn thật phi thường, nhưng hãy nhớ rằng: Tế bào không hề mong muốn một điều gì cả. Chúng không có cảm xúc. Chúng chẳng bao giờ buồn hay vui. Chúng chỉ đơn thuần là đang tồn tại, ngay tại đây và ngay lúc này. Mức độ nhận thức của chúng cũng chỉ ngang bằng một hòn đá, một cái ghế hay một ngôi sao neutron.
Và các tế bào này đang được vận hành theo bộ mã đã tiến hóa và thay đổi suốt hàng tỷ năm qua – một bộ mã đã hoạt động cực kỳ hiệu quả với minh chứng là bạn đang ngồi và đọc những dòng này.
Nhưng nếu cơ thể của chúng ta là một vùng “lục địa” khổng lồ, là nơi cư ngụ của hàng tỷ những con robot – những thực thể rất thông minh khi ở trong một tập thể nhưng xét về mặt cá thể thì lại khá “ngốc nghếch” – thì làm thế nào chúng có thể bảo vệ được cơ thể của bạn?
