Trong khi tôi và các đồng nghiệp của mình khai quật hóa thạch Tiktaalik đầu tiên ở Bắc cực tháng 7 năm 2004 thì Randy Dahn, một nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của tôi, làm việc cật lực ở vùng South Side, Chicago để thực hiện các thí nghiệm về di truyền trên phôi của cá mập và cá đuối, những họ hàng của cá đuối gai. Bạn có lẽ đã từng thấy những vỏ trứng nhỏ màu đen trên bãi biển, thường được gọi là ví của nàng tiên cá. Bên trong chiếc ví này từng có trứng và noãn hoàng, về sau phát triển thành phôi thai của cá đuối hoặc cá đuối gai. Qua nhiều năm, Randy đã bỏ ra hàng trăm giờ để thí nghiệm với các phôi bên trong những vỏ trứng này, và thường phải làm việc tới quá nửa đêm. Vào mùa hè định mệnh năm 2004, Randy lấy các vỏ trứng này và tiêm một phiên bản phân tử của vitamin A vào bên trong trứng. Sau đó, anh để chúng phát triển vài tháng cho tới khi nở.

Thí nghiệm của anh có vẻ là cách tiêu tốn thời gian khác thường, đặc biệt là đối với một nhà khoa học trẻ có sự nghiệp khoa học đầy hứa hẹn. Tại sao là cá mập? Tại sao lại thí nghiệm bằng một dạng vitamin A?

Để hiểu được các thí nghiệm này, chúng ta cần lùi lại để xem điều chúng ta hy vọng sẽ được giải thích nhờ chúng. Những điều đề cập tới trong chương này là công thức viết trong DNA để xây dựng cơ thể chúng ta từ một tế bào trứng đơn lẻ. Ví dụ như, khi tinh trùng thâm nhập trứng, trứng được thụ tinh đó không chứa một bàn tay nhỏ bé nào. Bàn tay được tạo thành từ các thông tin chứa trong tế bào đơn lẻ đó. Điều này dẫn chúng ta tới một khó khăn cần suy nghĩ nhiều. So sánh giữa xương tay của chúng ta với các xương ở vây cá là một chuyện. Điều gì sẽ xảy ra khi bạn so sánh công thức di truyền tạo thành bàn tay của mình với công thức đó ở cá? Để tìm ra lời giải đáp cho câu hỏi này, giống như Randy, chúng ta sẽ lần theo một quá trình khám phá đi từ bàn tay của chúng ta tới vây cá mập, và thậm chí là cánh của con ruồi.

Như chúng ta đã biết, khi chúng ta phát hiện những sinh vật cho thấy các phiên bản khác biệt và thường là đơn giản hơn của cơ thể chúng ta bên trong cơ thể của chúng, một cửa sổ trực tiếp tuyệt vời sẽ mở ra giúp chúng ta nhìn về quá khứ xa xôi. Nhưng có một giới hạn lớn khi làm việc với các hóa thạch. Chúng ta không thể làm thí nghiệm với các động vật đã chết từ lâu. Thí nghiệm rất hữu ích, vì chúng ta có thể thực sự điều khiển được một số thứ để tìm thấy kết quả. Vì lý do này, phòng thí nghiệm của tôi được chia ra thành hai phần rõ ràng: một nữa chuyên tâm cho hóa thạch, nửa còn lại nghiên cứu phôi và DNA. Những gì diễn ra trong phòng thí nghiệm của tôi có thể khá kỳ lạ. Chiếc tủ bị khóa chứa hóa thạch Tiktaalik nằm ngay bên cạnh tủ đá chứa các mẫu DNA quý giá của chúng tôi.

Các thí nghiệm với DNA rất có thể sẽ giúp khám phá thông tin bên trong con cá. Bạn thấy thế nào khi bạn có thể thực hiện một thí nghiệm xử lý phôi của một con cá với các loại hóa chất khác nhau và thay đổi thực sự cơ thể nó, làm cho một phần vây của nó trông giống như một bàn tay? Bạn thấy thế nào khi bạn có thể chứng minh các gene tạo thành một vây cá cũng gần như giống hệt các gene tạo ra bàn tay của chúng ta?

Chúng ta bắt đầu với một câu hỏi dễ thấy. Cơ thể của chúng ta được tạo thành từ hàng trăm loại tế bào. Sự đa dạng tế bào này khiến các mô và cơ quan có các hình dạng và chức năng chuyên biệt. Các tế bào tạo xương, thần kinh, ruột… có hình dạng và hoạt động hoàn toàn khác nhau. Bất chấp những khác biệt này, có một sự tương đồng sâu sắc giữa các tế bào trong cơ thể chúng ta: tất cả chúng đều chứa DNA hoàn toàn giống hệt nhau. Nếu DNA chứa các thông tin xây dựng nên cơ thể, các mô, và các cơ quan thì làm thế nào các tế bào khác nhau ở cơ, thần kinh, và xương lại chứa DNA giống hệt nhau?

Câu trả lời nằm ở việc tìm hiểu các đoạn DNA (các gene) thực sự được kích hoạt ở mỗi tế bào. Một tế bào da khác với một tế bào neuron thần kinh vì trong từng cái có các gene khác nhau hoạt động. Khi một gene được kích hoạt, nó sẽ tạo ra một protein có thể ảnh hưởng đến việc tế bào trông sẽ ra sao và hoạt động như thế nào. Vì vậy, để hiểu ra điều gì đã làm một tế bào ở mắt khác với một tế bào ở xương tay, chúng ta cần biết về các “công tắc” di truyền vốn điều khiển hoạt động của các gene ở mỗi tế bào và mô.

Đây là một luận điểm quan trọng: những “công tắc” di truyền này sẽ giúp hình thành cơ thể của chúng ta. Ở thời điểm thụ thai, chúng ta bắt đầu được tạo ra dưới dạng một tế bào đơn lẻ chứa toàn bộ thông tin DNA cần thiết để xây dựng nên cơ thể. Sơ đồ cho toàn bộ cơ thể được mở ra qua các chỉ dẫn chứa trong tế bào có kích thước hiển vi này. Để đi từ tế bào trứng tới một con người hoàn chỉnh, với hàng tỉ tỉ tế bào chuyên hóa được tổ chức một cách đúng đắn thì bộ gene cần được bật và tắt đúng giai đoạn của sự phát triển. Giống như một bản concerto được tạo thành từ các nốt nhạc riêng lẻ chơi bằng nhiều loại nhạc cụ, cơ thể của chúng ta là một tập hợp các gene riêng rẽ đuợc bật và tắt bên trong mỗi tế bào trong suốt quá trình phát triển của chúng ta.

Thông tin này rất có lợi đối những người muốn nghiên cứu kỹ cơ thể, vì giờ đây chúng ta có thể so sánh hoạt động của các gene khác nhau để đánh giá loại thay đổi nào có liên quan tới nguồn gốc của các cơ quan mới. Lấy ví dụ chi động vật bốn chân. Khi chúng ta so sánh tập hợp gene kích hoạt trong quá trình phát triển của vây cá với các gene kích hoạt trong quá trình phát triển của bàn tay người, chúng ta có thể lập danh mục các khác biệt về mặt di truyền giữa vây cá và chi. Kiểu so sánh này giúp chúng ta nhận biết một số thủ phạm tạo ra sự khác biệt, hay các “công tắc” di truyền có thể đã thay đổi trong nguồn gốc của các chi. Sau đó chúng ta có thể nghiên cứu những gene này làm gì trong phôi và chúng đã thay đổi như thế nào. Thậm chí, chúng ta có thể tiến hành các thí nghiệm trong đó ta điều khiển các gene để thấy cơ thể thực sự thay đổi như thế nào trước các điều kiện và sự kích thích khác nhau.

Để tìm ra các gene tạo nên bàn tay và bàn chân của chúng ta, chúng ta cần học theo một trang trong kịch bản của loạt phim truyền hình CSI: Cảnh sát điều tra hiện trường – hãy bắt đầu từ thi thể để lần ra manh mối. Chúng ta sẽ bắt đầu bằng cách xem xét cấu trúc chi của con người, rồi mở rộng đến mỏ, tế bào và các gene hình thành nên cấu trúc này.

TẠO RA BÀN TAY

Chi của chúng ta tồn tại dưới dạng ba chiều: chúng có mặt trên và mặt dưới, bên ngón út và bên ngón cái, gốc và ngọn. Các xương ở phần ngọn trong các ngón tay của chúng ta khác với xương ở vai. Tương tự như vậy, bàn tay của chúng ta khác nhau từ bên này sang bên kia. Các ngón út của chúng ta có hình dạng khác với ngón cái. Mục tiêu cao nhất của các nghiên cứu phát triển của chúng ta là tìm hiểu những gene nào biệt hóa thành các xương của chi và gene nào kiểm soát sự phát triển theo ba chiều. DNA nào thực sự khiến ngón út khác với ngón cái? Gene nào khiến các ngón tay của chúng ta khác biệt với các xương cánh tay? Nếu chúng ta có thể hiểu các gene điều khiển những hình mẫu đó, chúng ta sẽ hiểu được công thức tạo nên chúng ta.

Tất cả các “công tắc” di truyền tạo nên ngón tay, xương cánh tay và ngón chân hoạt động trong thời kỳ từ ba đến tám tuần sau khi thụ thai. Các chi bắt đầu sự phát triển dưới dạng các chồi nhỏ kéo dài ra từ thân của phôi. Các chồi phát triển trong vòng hai tuần, tới khi phần ngọn hình thành một bàn tay nhỏ. Trong mỗi bàn tay là hàng triệu tế bào sau đó sẽ sinh ra các xương, dây thần kinh và cơ mà mỗi chúng ta sẽ mang theo suốt cuộc đời.

Để tìm hiểu xem hình mẫu phát triển này được hình thành như thế nào, chúng ta cần nghiên cứu phôi, và đôi khi tác động tới sự phát triển của chúng để đánh giá điều gì có thể xảy ra khi mọi thứ diễn ra không đúng theo quy trình. Ngoài ra, chúng ta cần xem xét các thể đột biến và các cấu trúc cũng như gene nằm bên trong của chúng, thường là bằng cách tạo ra toàn bộ quần thể đột biến thông qua việc nhân giống cẩn thận. Rõ ràng là chúng ta không thể nghiên cứu con người theo những cách này. Thách thức đối với những nhà nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực này là tìm ra những loài động vật có thể giúp tìm hiểu sự phát triển của chúng ta. Những nhà nghiên cứu thực nghiệm trên phôi đầu tiên quan tâm đến cơ chế phát triển của các chi vào những năm 1930 và 1940 đã phải đối mặt với một số vấn đề. Họ cần một sinh vật có chi có thể tiếp cận được để quan sát và làm thí nghiệm. Phôi phải tương đối lớn để họ có thể thực hiện các thao tác giải phẫu trên đó. Quan trọng là phôi phải phát triển trong một nơi được bảo vệ, trong một hộp chứa giúp nó tránh những va chạm và nhiễu loạn của môi trường. Ngoài ra, quan trọng là phôi phải dễ kiếm và sẵn có quanh năm. Giải pháp đơn giản cho nhu cầu nghiên cứu này là ở những cửa hàng tạp hóa địa phương: các quả trứng gà.

Sự phát triển của một chi, trong trường hợp này là cánh ở gà. Tất cá các giai đoạn chủ chốt trong quá trình phát triển của xương cánh diễn ra trong trứng.

Trong những năm 1950 và 1960, một số nhà sinh học trong đó có Edgar Zwilling và John Saunders đã thực hiện những thí nghiệm cực kỳ sáng tạo trên trứng gà để tìm hiểu xem bộ xương được hình thành như thế nào. Đây là thời kỳ cắt và xẻ. Các phôi được cắt nhỏ và các mô khác nhau được chuyển từ nơi này sang nơi khác để xem chúng có tác động gì tới sự phát triển. Hướng tiếp cận này đòi hỏi vi phẫu thật cẩn thận và kiểm soát các khối mô dày không quá 1mm. Bằng cách này, thông qua việc chuyển mô trong chi đang phát triển, Saunders và Zwilling làm sáng tỏ một số cơ chế chủ chốt hình thành nền các chi của những loài động vật rất khác nhau như cánh chim, tay bơi chèo của cá voi và tay người.

Họ đã khám phá ra hai mảng mô nhỏ cơ bản kiểm soát sự phát triển của kiểu xương ở bên trong các chi. Một dải mô nằm ở cực cuối của mầm chi là thiết yếu cho mọi sự phát triển của chi. Khi loại bỏ mảng mô này thì sự phát triển của chi bị ngừng lại. Nếu mô này bị loại sớm, chúng ta chỉ còn xương cánh tay, hoặc một mẩu xương tay. Loại bỏ muộn một chút thì chúng ta có xương cánh tay và xương cẳng tay. Loại bỏ mô này muộn hơn chút nữa thì cánh tay hầu như phát triển hoàn chỉnh chỉ trừ các ngón tay bị ngắn đi và biến dạng.

Một thí nghiệm khác (do Mary Gassengling thực hiện đầu tiên trong phòng thí nghiệm của John Saunders) đã dẫn đến một hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng. Lấy một mảng mô nhỏ từ phần sẽ phát triển thành bên ngón út ở mầm chi trong giai đoạn đầu phát triển của phôi và cấy nó vào phía đối diện, ngay dưới chỗ ngón tay thứ nhất được tạo thành. Để cho con gà con phát triển và hình thành cánh. Kết quả đã làm ngạc nhiên tất cả mọi người. Cánh phát triển bình thường ngoại trừ nó có thêm một bộ xương ngón được sao chép hoàn chỉnh. Đáng chú ý hơn là kiểu xương: các ngón mới là hình ảnh đối xứng gương của một bộ xương ngón hình thường. Rõ ràng một yếu tố nào đó, một số phân tử hoặc gene trong mảng mô này có thể định hướng sự phát triển của kiểu ngón tay. Kết quả này dẫn đến một loạt các thí nghiệm mới và chúng tôi đã hiểu ra rằng hiệu ứng này có thể được lặp lại bằng nhiều cách khác nhau. Ví dụ, lấy một phôi gà và chấm một ít vitamin A lên trên mầm chi của nó, hoặc đơn giản chỉ tiêm vitamin A vào trứng và để cho phôi phát triển. Nếu bạn cho vitamin A đúng nồng độ và đúng giai đoạn phát triển, bạn sẽ có bản sao dạng đối xứng gương mà Gasseling, Saunders và Zwilling đã tạo ra từ các thí nghiệm ghép phôi. Mảng mô này được đặt tên là vùng hoạt động phân cực (zone of polarizing area – ZPA). Về bản chất, ZPA là mảng mô khiến phía ngón út khác với phía ngón cái. Đương nhiên, gà con không có ngón út và ngón cái. Thuật ngữ mà chúng tôi sử dụng là để đánh số ngón, ngón út của chúng ta tương ứng với ngón số năm ở các động vật khác và ngón cái của chúng ta tương ứng với ngón số một.

ZPA gây chú ý vì nó có thể, về một mặt nào đó, kiểm soát sự hình thành ngón tay và ngón chân. Nhưng bằng cách nào? Một số người tin rằng các tế bào ở ZPA tạo ra một phân tử mà sau đó được phát tán ra khắp chi để chỉ đạo các tế bào tạo nên các ngón khác nhau. Đề xuất đáng lưu ý là nồng độ của phân tử không tên này đóng một vai trò quan trọng. Ở vùng gần với ZPA, nơi phân tử này có nồng độ cao, các tế bào đáp ứng lại bằng cách tạo ra một ngón út. Ở vị trí đối diện của bàn tay đang phát triển, xa vùng ZPA nơi phân tử không tên loãng hơn, các tế bào sẽ đáp ứng lại bằng cách tạo ra ngón cái. Các tế bào ở giữa phản ứng với nồng độ tương ứng của phân tử này để hình thành ngón thứ hai, thứ ba và thứ tư.

Ý tưởng về sự phát triển ngón phụ thuộc nồng độ có thể kiếm chứng. Năm 1979, Denis Summerbell đã đặt một chiếc lá thiếc cực nhỏ giữa ZPA và phần còn lại của chi. Ý tưởng là dùng hàng rào này ngăn bất kỳ loại phân tử nào khuếch tán từ ZPA tới các phía khác. Summerbell đã tìm hiểu xem điều gì sẽ xảy ra với các tế bào ở hai phía của hàng rào. Các tế bào phía ZPA tạo thành các ngón. Các tế bào phía đối diện thường không hình thành nên ngón; nếu có thì các ngón bị dị hình trầm trọng. Kết luận đã rõ ràng. Một chất nào đó được tạo ra từ ZPA kiểm soát việc hình thành và hình dạng của các ngón. Để xác định chất đó, các nhà nghiên cứu cần xem xét đến DNA.

CÔNG THỨC DNA

Dự án đó được dành cho một thế hệ mới các nhà khoa học. Phải tới những năm 1990, khi các kỹ thuật sinh học phân tử mới đã sẵn sàng, cơ chế kiểm soát di truyền của ZPA mới được sáng tỏ.

Một bước đột phá cơ bản diễn ra vào năm 1993 khi phòng thí nghiệm của Cliff Tabin ở Harvard bắt đầu tìm kiếm các gene kiểm soát ZPA. Đối tượng của họ là các cơ chế phân tử cho phép ZPA có thể làm cho ngón út khác với ngón cái. Vào thời điểm nhóm của ông bắt đầu làm việc vào đầu năm 1990, một số thí nghiệm như tôi đã mô tả đã khiến chúng tôi đi đến chỗ tin rằng một loại phân tử nào đó đã gây ra toàn bộ quá trình. Đây là một lý thuyết lớn, nhưng không ai biết được phân tử này là gì. Người ta đưa ra hết phân tử này tới phân tử khác chỉ để nhận thấy rằng chẳng có phân tử nào đáp ứng được tất cả yêu cầu. Cuối cùng, phòng thí nghiệm của Tabin đã đi đến một số quan niệm mới liên quan mới liên quan mật thiết tới chủ đề của cuốn sách này. Hãy xem xét ruồi giấm để tìm câu trả lời.

Các thí nghiệm di truyền nhưng năm 1980 đã làm sáng tỏ quy luật hoạt động tuyệt vời của gene để hình thành nên cơ thể của một con ruồi từ một quả trứng đơn lẻ. Cơ thể của một con ruồi giấm được tổ chức từ trước ra sau với cái đầu ở phần trước và cánh ở lưng. Hàng loạt gene được bật lên và tắt đi trong quá trình phát triển của ruồi giấm, quy luật hoạt động này của gene giúp phân định các vùng phát triển khác nhau ở ruồi.

Lúc đó, Tabin không biết điều này, nhưng hai phòng thí nghiệm khác của Andy MacMahon và Phil Ingham đã có ý tưởng giống hệt ông mặc dù họ nghiên cứu độc lập. Điều đáng chú ý là sự hợp tác thành công giữa ba phòng thí nghiệm. Một trong số các gene của ruồi giấm gây được sự chú ý của Tabin, McMahon và Ingham. Họ đã nhận rằng gene này tạo ra phần cuối của một đoạn cơ thể trông khác với những đoạn khác. Các nhà di truyền nghiên cứu ruồi giấm đặt tên nó là gene hedgehog. Vật gene hedgehog hẳn có chức năng gì đó trong cơ thể ruồi – để biến một vùng này khác với vùng khác – xem chừng giống với cách ZPA tạo ra ngón út khác với ngón cái? Sự tương tự đó không bị ba phòng thí nghiệm này bỏ qua. Thế là họ tiếp tục tìm kiếm một gene hedgehog trong các sinh vật như gà, chuột và cá.

Bởi vì các nhóm thí nghiệm đã biết cấu trúc của gene hedgehog của ruồi giấm nên họ có một hình ảnh nghiên cứu để hỗ trợ tìm kiếm gene đó ở gà. Mỗi gene có một trình tự riêng biệt; sử dụng một số công cụ phân tử, các nhà nghiên cứu có thể dò DNA của gà để tìm trình tự gene hedgehog. Sau nhiều lần thử và thất bại, họ đã tìm thấy một gene hedgehog trên gà.

Tương tự như các nhà cổ sinh vật đặt tên cho loài mới, các nhà di truyền học cũng đặt tên cho các gene mới. Các nhà di truyền nghiên cứu ruồi giấm đã khám phá ra gene và đặt tên nó là hedgehog vì ruồi giấm với một đột biến trong gene này có lông ngắn và cứng giống một chú nhím Âu (hedgehog). Tabin, McMahon và Ingham đã đặt tên cho phiên bản gene ở gà là Sonic hedgehog theo tên của trò chơi điện tử Sega Genesis.

Bây giờ chúng ta hãy đến với câu đố vui: Gene Sonic hedgehog thực sự có vai trò gì trong việc tạo chi? Nhóm của Tabin gắn màu nhuộm vào một phân tử bám vào gene cho phép họ nhận biết nơi gene hoạt động trong chi. Họ rất ngạc nhiên khi thấy rằng chỉ các tế bào ở một mảng mô nhỏ xíu có hoạt động của gene này: vùng ZPA.

Như vậy các bưóc tiếp theo đã rõ ràng. Kiểu hoạt động của của Sonic hedgehog chắc là giống với kiểu hoạt động của mô ZPA. Nên nhớ rằng khi bạn xử lý chi bằng axit retinoic, một dạng của vitamin A, bạn sẽ hoạt hóa ZPA bên phía đối diện. Hãy hình dung điều sẽ xảy ra khi bạn xử lý một chi bằng axit retinoic, sau đó đánh dấu lại nơi gene Sonic hedgehog hoạt động? Gene Sonic hedgehog sẽ hoạt động ở cả hai bên (ngón út và ngón cái) giống như ZPA khi được xử lý bằng axit retinoic.

Việc biết được cấu trúc của gene Sonic hedgehog ở gà đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu những công cụ để tìm kiếm nó ở mọi loài có ngón tay, từ ếch cho tới người. Tất cả các loài động vật có chi đều có gene Sonic hedgehog. Và ở mỗi loài riêng biệt chúng tôi đã nghiên cứu, gene Sonic hedgehog đều hoạt động ở mô ZPA. Nếu gene Sonic hedgehog không hoạt động đúng quy luật trong tuần thứ tám của quá trình phát triển của bạn thì hoặc bạn sẽ có thừa ngón tay, hoặc ngón út trông giống hệt như ngón cái. Thi thoảng, khi có sự phát triển sai lệch của gene Sonic hedgehog, bàn tay sẽ trở nên giống như một bơi chèo rộng với 12 ngón tay trông giống hệt nhau.

Giờ chúng ta đã biết gene Sonic hedgehog là một trong hàng tá gene hình thành nên chân tay của chúng ta từ phần vai cho đến đầu ngón bằng cách bật và tắt đúng lúc. Đáng lưu ý, những nghiên cứu ở gà, ếch và chuột đều cho ra kết quả tương tự. Công thức DNA để hình thành xương cẳng tay, xương cánh tay, xương cổ tay và ngón tay rõ ràng hoàn toàn giống nhau ở mọi sinh vật có chi.

Chúng ta có thể quay lại bao xa trong quá khứ để truy cứu nguồn gốc của gene Sonic hedgehog và những đoạn DNA khác giúp hình thành nên các chi? Những gene này có giúp hình thành các xương của vây cá không? Bàn tay chúng ta có khác biệt hoàn toàn về di truyền với vây cá không? Chúng tôi đã thấy một con cá bên trong cấu trúc cánh tay và bàn tay chúng ta. Thế còn DNA đã giúp hình thành nên nó thì sao?

Đến lượt Randy Dahn nhập cuộc với chiếc ví nàng tiên cá của anh.

CHO CÁ MẬP MỘT BÀN TAY

Randy Dahn bước vào phòng thí nghiệm của tôi với một ý tưởng đơn giản nhưng rất tinh tế: xử lý phôi cá đuối như Cliff Tabin xử lý trứng gà. Mục tiêu của Randy là thực hiện lại trên cá đuối toàn bộ các thí nghiệm mà các nhà sinh học về gà đã thực hiện trên trứng gà, từ giải phẫu mô của Saunders và Zwilling đến các thí nghiệm trên gene của Cliff Tabin. Cá đuối phát triển từ trứng có vỏ và hoàng thể. Cá đuối cũng có phôi to, giống như trứng gà. Vì những thuận lợi này chúng tôi có thể áp dụng trên cá đuối nhiều công cụ nghiên cứu di truyền và thực nghiệm đã sử dụng để nghiên cứu trên gà.

Chúng ta có thể biết được gì thông qua việc so sánh sự phát triển vây cá mập với phát triển chân gà? Thậm chí quan trọng hơn, chúng ta có thế biết được gì về chính chúng ta thông qua tất cả những kiến thức trên?

Như Saunders, Zwilling và Tabin đã cho thấy, gà là một đại diện rất tốt để nghiên cứu sự phát triển chân tay của chúng ta. Mọi thứ được Saunders và Zwilling khám phá với thí nghiệm cắt và ghép cũng như công việc nghiên cứu DNA của Tabin cũng có thể áp dụng cho chi của chúng ta: chúng ta có một ZPA, chúng ta có gene Sonic hedgehog và cả hai đều có ý nghĩa quan trọng đối với cuộc sống của chúng ta. Như chúng ta thấy, ZPA hoạt động không đúng quy luật hoặc đột biến ở gene Sonic hedgehog có thể gây những dị hình lớn ở bàn tay người.

Randy muốn xác định xem các bộ máy hình thành bàn tay của chúng ta khác nhau như thế nào. Sự kết nối của chúng ta với phần còn lại của sự sống sâu đến mức nào? Công thức tạo ra bàn tay là công thức mới hay nó cũng có nguồn gốc sâu xa từ các sinh vật khác? Nếu đúng như vậy, thì sâu như thế nào?

Cá mập và họ hàng của chúng là những sinh vật có vây và khung xương bên trong sớm nhất. Để trả lời câu hỏi của Randy, lý tưởng nhất là đưa một hóa thạch cá mập 400 triệu năm vào trong phòng thí nghiệm, nghiền nó ra và tìm hiểu cấu trúc di truyền của nó. Sau đó, bạn cố biến đổi phôi hóa thạch của nó để tìm hiểu liệu gene Sonic hedgehog có hoạt động ở vị trí giống như trong chi của chúng ta ngày nay hay không. Đây sẽ là một thí nghiệm tuyệt vời nhưng lại không thể làm được. Chúng ta không thể tách chiết DNA từ hóa thạch quá cổ và thậm chí nếu làm được thì chúng ta cũng sẽ không bao giờ tìm thấy phôi của các động vật hóa thạch đó để tiến hành thí nghiệm.

Cá mập đương đại và họ hàng của chúng là những đối tượng thay thế tốt nhất. Không ai lầm lẫn giữa vây cá mập với một bàn tay người: bạn không thể tìm được hai loại cơ quan phụ khác biệt nhiều hơn thế. Cá mập và người không chỉ có quan hệ họ hàng rất xa nhau mà cấu trúc xương của các cơ quan phụ của giữa người và cá mập cũng chẳng có vẻ gì giống nhau. Thậm chí chẳng có một chút gì tương tự với kiểu mô hình xương của Owen (một xương – hai xương – nhiều xương con – xương ngón) nằm bên trong vây của cá mập. Thay vào đó, các xương bên trong có hình que, dài và ngắn, mỏng và rộng. Chúng tôi gọi chúng là xương mặc dù chúng được cấu tạo từ sụn (cá mập và cá đuối được xếp vào lớp cá sụn vì bộ khung xương của chúng không bao giờ hóa xương cứng). Nếu bạn muốn đánh giá xem liệu vai trò của gene Sonic hedgehog trong chi có đặc trưng cho động vật có chân hay không, tại sao không chọn một loài hoàn toàn khác về mọi mặt? Hơn nữa, tại sao không chọn loài cá đương đại nguyên thủy nhất có bất kỳ loại phần phụ chẵn nào cho dù là vây hay chi? Cá mập đáp ứng cả hai yêu cầu này.

Vấn đề đầu tiên của chúng tôi khá đơn giản. Chúng tôi cần có một nguồn cung cấp phôi của cá mập và cá đuối đáng tin cậy. Cá mập khó có thể cung cấp phôi thường xuyên nhưng cá đuối, họ hàng gần gũi với cá mập, lại là một vấn đề khác. Vì thế chúng tôi đã bắt đầu nghiên cứu trên cá mập và sử dụng phôi cá đuối như nguồn tiếp tế khi phôi cá mập bị hỏng. Chúng tôi đã tìm ra một nhà cung cấp cứ mỗi một hoặc hai tháng có thể chuyển cho chúng tôi một kiện 20 đến 30 trứng mang phôi. Chúng tôi đã trở thành những tín đồ thực sự của giáo phái sùng bái đồ Tây Dương1 khi chờ đợi những cái trứng cá quý giá này mỗi tháng.

Kết quả nghiên cứu do nhóm của Tabin và các nhóm khác thực hiện đã giúp cho Randy có được các manh mối quan trọng để bắt đầu cuộc tìm kiếm của mình. Kể từ các công trình của Tabin vào năm 1993, người ta đã tìm thấy gene Sonic hedgehog ở nhiều loài khác nhau, từ cá cho tới người. Với kiến thức về cấu trúc gene, Randy có thể kiểm tra toàn bộ DNA của cá đuối và cá mập để tìm ra gene Sonic hedgehog. Trong khoảng thời gian ngắn, anh ấy đã tìm ra nó: một gene Sonic hedgehog của cá mập.

Những câu hỏi quan trọng cần được giải đáp là gene Sonic hedgehog hoạt động ở vùng nào, và quan trọng hơn, nó dùng để làm gì?

Các quả trứng được sử dụng để giúp Randy tìm ra vị trí và thời điểm gene Sonic hedgehog hoạt động trong quá trình phát triển của cá đuối. Đầu tiên, anh tìm hiểu xem liệu gene Sonic hedgehog có được kích hoạt cùng lúc trong quá trình phát triển vây cá mập giống như trong quá trình phát triển chi của gà hay không. Đúng là nó được kích hoạt cùng lúc. Sau đó anh tìm hiểu xem liệu gene đó có được kích hoạt ở mảng mô nằm ở mặt lưng của vây tương ứng với ngón út của chúng ta hay không. Câu trả lời lại là có. Bây giờ anh thực hiện thí nghiệm với vitamin A. Đây là khoảnh khắc đáng giá hàng triệu đô la. Nếu bạn xử lý chi của một con gà hoặc loài thú bằng hợp chất này thì bạn sẽ có một mảng mô có gene Sonic hedgehog hoạt động ở phía đối diện và điều này đi kèm với sự nhân đôi của bộ xương. Randy tiêm vitamin A vào trứng, chờ đợi khoảng một ngày và sau đó kiểm tra xem liệu vitamin A có bật gene Sonic hedgehog ở phía đối diện của chi giống như ở gà hay không. Câu trả lời là có. Bây giờ đã đến lúc phải chờ đợi lâu hơn. Chúng ta đã biết rằng gene Sonic hedgehog hoạt động ở bàn tay của chúng ta theo một cơ chế hoàn toàn giống với ở vây cá mập và cá đuối. Nhưng những cơ chế này có tác động gì lên bộ xương? Chúng ta phải đợi hai tháng mới có câu trả lời.

Các phôi phát triển trong một vỏ trứng đục. Tất cả những gì chúng tôi biết là sinh vật còn sống; phần bên trong vây cá không thể quan sát được.

Kết quả cuối cùng là một ví dụ đáng kinh ngạc về sự tương đồng giữa chúng ta với cá mập và cá đuối: một cái vây có hình dạng đối xứng gương. Vây lưng nhân đôi các cấu trúc theo một mẫu hình từ trước ra sau kỳ diệu, giống hệt với các thí nghiệm đối với chi động vật. Các chi sao chép cấu trúc của chi. Vây cá mập sao chép cấu trúc vây của nó, giống như ở cá đuối. Gene Sonic hedgehog có tác dụng tương tự, ngay cả ở các loài có xương chi khác nhau nhất tồn tại trên trái đất ngày nay.

Một tác dụng của gene Sonic hedgehog mà có thể bạn còn nhớ là làm các ngón tay khác biệt với nhau. Như chúng ta thấy cơ chế hoạt động của ZPA, việc phát triển loại ngón gì phụ thuộc khoảng cách của ngón đó với nguồn gene Sonic hedgehog. Vây của một con cá đuối trưởng thành bình thường chứa nhiều xương dạng que trông rất giống nhau. Liệu chúng ta có thể làm các que xương này khác biệt như các ngón tay của chúng ta? Randy lấy một hạt nhỏ tẩm protein do gene Sonic hedgehog tạo ra và đặt nó vào giữa các que xương giống nhau này. Chìa khóa của thí nghiệm này nằm ở chỗ anh ấy sử dụng gene Sonic hedgehog của chuột. Như vậy bây giờ chúng ta có một bộ máy kỳ cục thực sự: phôi cá đuối với một hạt nhỏ bên trong nhả từ từ protein do gene Sonic hedgehog của chuột tạo ra. Liệu protein của chuột có gây tác động nào lên cá mập hoặc cá đuối?

Một thí nghiệm kiểu này có thể cho ra hai kết quả trái ngược. Thứ nhất là không có gì xảy ra. Điều này nghĩa là cá đuối khác chuột tới mức các protein của gene Sonic hedgehog không gây tác động. Kết quả còn lại sẽ là một ví dụ cực kỳ ấn tượng về con cá bên trong chúng ta. Kết quả này sẽ là các que xương phát triển khác nhau, chứng tỏ rằng gene Sonic hedgehog tác dụng ở cá đuối tương tự như chúng ta. Và đừng quên rằng vì Randy đang sử dụng protein của một loài thú, điều đó có nghĩa là công thức di truyền của gene này thực sự rất giống nhau.

Vây cá bình thường (bên trái) và vây cá do Randy xử lý hóa chất. Các vây được xử lý hóa chất cho thấy có sự nhân đôi đối xứng gương như ở cánh gà. Ảnh của Randall Dahn, Đại học Chicago.

Các xương que được hình thành không chỉ có hình dáng khác nhau, mà giống như ở ngón tay, chúng đáp ứng với gene Sonic hedgehog tùy theo khoảng cách tới hạt tẩm protein của gene Sonic hedgehog: các xương que nằm gần có hình dạng khác biệt với các xương que nằm ở xa. Quan trọng hơn là protein của chuột hoạt động hiệu quả đến thế trên quá trình phát triển phôi cá đuối.

“Con cá bên trong” mà Randy tìm thấy không phải là một xương đơn hoặc thậm chí một phần của bộ xương. Con cá bên trong của Randy nằm ở các công cụ sinh học thực sự tạo nên vây cá. Nhiều thí nghiệm trên các sinh vật khác nhau như chuột, cá mập và ruồi đã cho chúng ta thấy rằng gene Sonic hedgehog là rất phổ biến. Tất cả các xương chi, dù là vây hoặc chi đều được tạo ra bởi những loại gene giống nhau. Điều này có ý nghĩa gì đối với vấn đề chúng ta đã xem xét trong suốt hai chương đầu tiên –sự chuyển tiếp từ vây cá lên chi? Nó có nghĩa là sự biến đổi lớn lao về phương diện tiến hóa không liên quan tới vật liệu DNA mới: phần lớn sự chuyển tiếp này có liên quan tới việc sử dụng các gene cổ xưa, chẳng hạn các gene có liên hệ tới sự phát triển của vây cá mập, theo các cách thức mới để tạo ra chi có ngón tay và ngón chân.

Nhưng những thí nghiệm trên chi và vây này có một ý nghĩa sâu xa hơn. Phòng thí nghiệm của Tabin sử dụng các nghiên cứu ở ruồi để tìm ra một gene ở gà để từ đó giúp chúng ta biết về những khiếm khuyết bẩm sinh ở người. Randy đã sử dụng các khám phá tại phòng thí nghiệm Tabin để cho chúng ta biết về mối liên hệ giữa chúng ta với cá đuối. Một “con ruồi bên trong” giúp tìm ra một “con gà bên trong” cuối cùng giúp Randy tìm thấy một “con cá đuối bên trong” mỗi chúng ta. Mối liên hệ giữa các sinh vật sống thực sự rất sâu sắc.