Chúng ta đều biết rõ quy luật mà con người đã tồn tại hàng nghìn năm nay, đó là con cái thường giống bố mẹ và đứa trẻ sinh ra sau 9 tháng kể từ ngày giao hợp. Thế mà, cơ chế của việc di truyền ấy vẫn còn là một bí ẩn cho đến tận gần đây, mặc dù trước đó người ta liên tục đặt ra hàng loạt giả thiết khác nhau. Rất nhiều sách văn chương Hy Lạp cổ đề cập tới vấn đề các thành viên trong gia đình giống nhau, và đắm chìm trong các tư tưởng này là các nhà hiền triết cổ. Aristotle, có viết vào khoảng năm 335 trước công nguyên, cho rằng người cha tạo dựng hình ảnh của đứa bé, còn mẹ thì góp rất ít, chỉ gồm việc nuôi dưỡng trong tử cung cũng như sau khi sinh mà thôi. Tư tưởng này đúng là cơ sở thích hợp của tư tưởng trọng nam khinh nữ ở các nước phương Tây bấy giờ. Vì theo đó, chỉ điều sau đây mới được cho là hợp lý: người cha, người cung cấp tài sản và vị thế, cũng chính là người kiến tạo ra tất cả đặc tính và bản chất của con trẻ. Tuy vậy lý thuyết này cũng không xem nhẹ việc lựa vợ phù hợp. Bởi dù sao thì giống gieo trên đất tốt vẫn sinh trưởng mạnh hơn giống gieo trên đất cằn. Tuy nhiên, có một vấn đề khó khăn nảy sinh và chính nó đã ám ảnh biết bao thế hệ phụ nữ.

Nếu mà con trẻ sinh ra chỉ với sự kiến tạo của người cha, thế thì sao đàn ông lại có được con gái? Câu hỏi này thách đố Aristotle suốt đời, và câu trả lời của ông là: tất cả những em bé có thể giống cha mình ở mọi khía cạnh, kể cả việc là đàn ông, trừ khi chúng bị “can thiệp” từ trong tử cung. Sự “can thiệp” này có thể tương đối nhỏ, tạo ra những khác biệt tương đối không đáng kể, như một đứa trẻ có thể có tóc đỏ thay vì tóc đen như cha; hoặc có thể đáng kể hơn – như trở nên biến dạng hoặc trở thành phụ nữ. Quan điểm này đã tạo ra một hệ quả nghiêm trọng cho biết bao phụ nữ trong suốt chiều dài lịch sử: họ bị vùi dập, bị bỏ rơi chỉ vì không thể sinh được con trai. Lý thuyết cổ này cũng đẻ ra một ý niệm “những tên lùn” (homunculus), một giống nhỏ bé xâm nhập vào người phụ nữ trong quá trình giao hợp. Thậm chí đến tận đầu thế kỷ 18, nhà tiên phong của kính hiển vi, Anthony van Leewenhoek, tưởng tượng rằng ông có thể nhìn thấy những tay tí hon này cuộn tròn trong đầu các tinh trùng.

Hippocrates, người thầy thuốc được nhắc đến trong lời thề của các bác sĩ mới ra trường (đến tận bây giờ), có cái nhìn bớt cực đoan hơn Aristotle, và phần nào nhận thấy vai trò của người phụ nữ. Ông tin rằng cả phụ nữ và đàn ông đều tạo ra các dung dịch của mỗi người, và đặc điểm của đứa trẻ sẽ được quyết định bởi phần dung dịch nào thắng thế khi chúng trộn lẫn vào nhau sau khi giao hợp. Việc đứa trẻ có thể có đôi mắt giống cha hay cái mũi giống mẹ cũng chính là kết quả của quá trình này. Nếu không có dung dịch nào của cha mẹ thắng thế trong việc tạo ra một đặc điểm nào đó, thì đứa trẻ sẽ mang đặc điểm ở giữa cả hai. Ví dụ như tóc có thể có màu ở giữa màu tóc của cả bố và mẹ.

Lý thuyết này liên hệ rõ ràng đến thực tế đời sống. “Nó giống y chang cha nó” hay “con bé này cười giống mẹ quá” và những quan sát tương tự khác được lặp lại hàng triệu lần mỗi ngày trên khắp thế giới. Ý tưởng cho rằng những đặc điểm của cha mẹ đã pha trộn và hợp nhất vào con cái được giới khoa học tin tưởng rộng rãi đến tận cuối thế kỷ 19. Darwin hẳn cũng chẳng khá hơn, và đó cũng là lý do vì sao ông không bao giờ có thể tìm ra một cơ chế thích hợp để giải thích thuyết chọn lọc tự nhiên của mình, bởi bất cứ đặc tính gì mới và trội lại tiếp tục bị pha loãng ra do quá trình pha trộn này ở mỗi thế hệ. Mặc cho ngày nay các nhà di truyền học cười nhạo sự ngớ ngẩn đó của các bậc tiền bối, tôi cũng không ngại dám cá là cái thuyết trộn lẫn đó, đến tận bây giờ, vẫn là lời giải thích thỏa mãn nhất cho hầu hết những quan sát bằng mắt thường.

Cuối cùng thì cũng có hai phát kiến thiết thực ở thế kỷ 19 đã tạo manh mối cho việc tìm ra bản chất chuyện này. Một là sự phát minh ra chất nhuộm hóa học mới trong ngành công nghiệp dệt, và hai là việc thay đổi cách mài thấu kính của kính hiển vi khiến chúng hoạt động tốt hơn. Sự phóng đại lớn qua kính hiển vi đã giúp người ta có thể nhìn thấy những đơn bào khá dễ dàng; còn cấu trúc nội tại của chúng được khám phá khi người ta nhuộm chúng bằng thuốc nhuộm mới. Giờ thì sự sinh sản, quá trình hợp nhất của một tế bào trứng to với một chàng tinh trùng nhỏ bé mạnh mẽ đã có thể quan sát được. Khi tế bào phân chia, người ta có thể thấy những cấu trúc như sợi chỉ rất lạ từ khi chúng đang trong quá trình tập hợp và sau đó phân chia đều ra cho các tế bào mới. Bởi chúng được nhuộm màu rất sáng bằng màu nhuộm mới nên những cấu trúc lạ lúng này được biết dưới tên gọi “chromosomes” – theo tiếng Hy Lạp, nghĩa bóng bẩy là “những cơ thể được nhuộm màu” (nhiễm sắc thể). Mãi về sau người ta mới có những manh mối để hiểu chúng hoạt động thế nào.

Trong quá trình thụ tinh, một phần những sợi chỉ lạ lùng có vẻ như bắt nguồn từ tinh trùng của cha và phần còn lại đến từ trứng của mẹ. Điều này được tiên đoán bởi Gregor Mendel, một tu sĩ ở thị trấn Brno thuộc cộng hòa Czech, ông đã được cả thế giới công nhận như ông tổ khi đặt nền tảng cho cả ngành di truyền học thông qua những thí nghiệm gây giống đậu Hà Lan trong vườn tu viện vào những năm 1860. Ông kết luận rằng trong bất cứ những gì được di truyền sang con cái, cha và mẹ đóng góp bằng nhau. Chẳng may, ông đã mất trước khi được nhìn thấy “nhiễm sắc thể”; nhưng ông đã đúng. Chỉ với một ngoại lệ quan trọng đối với ADN ti thể (chúng ta sẽ nói nhiều về chúng sau) và nhiễm sắc thể quyết định giới tính, thì gien – các phân đoạn mang mã di truyền nằm trong nhiễm sắc thể – được truyền thụ cân bằng từ cha và mẹ. Từ năm 1903, người ta đã nhận thức rất rõ về vai trò chủ đạo đối với di truyền của nhiễm sắc thể cũng như việc nó chứa đựng thông tin về cơ chế di truyền. Nhưng phải mất thêm 50 năm nữa thì người ta mới phát hiện ra được cái gì cấu tạo nên nhiễm sắc thể và cách thức hoạt động chúng với tư cách một thông điệp tự nhiên của sự di truyền.

Năm 1953, hai nhà khoa học trẻ làm việc ở Cambridge, James D. Watson và Francis Crick, đã tìm ra cấu trúc phân tử của một chất đã được biết từ lâu nhưng lại được đa số cho là ù lì và không quan trọng. Dường như để tăng thêm sự khó hiểu của chất này, người ta đặt cho nó một cái tên thật dài, Deoxyribonucleic acid, giờ được vui vẻ gọi tắt là ADN. Mặc dù cũng có vài thí nghiệm trước đó đã cho thấy ADN có liên quan đến cơ cấu của sự di truyền, nhưng người ta vẫn “khôn ngoan” rót tiền vào những thí nghiệm xem protein chính là nguyên liệu của di truyền học. Protein thì tinh vi, phức tạp, có đến 20 thành phần khác nhau (là những acid-amin) và có thể khoác lên mình hàng triệu dáng vẻ khác nhau. Người ta đã nghĩ rằng, chắc chắn chỉ có thứ gì đó vô cùng phức tạp mới có thể điều khiển được một nhiệm vụ vĩ đại, đó là lập trình một tế bào trứng thụ tinh phát triển thành một cơ thể người với đủ hình hài và chức năng hoàn chỉnh. Không thể là anh chàng ADN này được, vì nó chỉ có bốn thành phần. Phải công nhận rằng nồ ở đúng chỗ, ngay trong nhân tế bào, nhưng chắc nó ở đó chỉ để làm mấy việc tầm phào như hút thấm nước hơn là làm các việc thông thái.

Mặc cho các nhà khoa học cùng thời đều bộc lộ rõ sự thiếu quan tâm đến chất này, Watson và Crick cảm thấy chắc chắn rằng nó đóng một vai trò chủ chốt trong cơ chế hóa học của việc di truyền. Họ quyết định làm một cú đột phá, tạo ra mô hình phân tử của chất này bằng cách sử dụng các kỹ thuật vốn chỉ được dùng để tìm hiểu cấu trúc của những protein quyến rũ hơn. Họ tạo ta một mạng đông đặc ADN tinh khiết, rồi đem chiếu tia X tới tấp vào nó. Hầu hết các tia X khi chiếu vào mạng ADN đều xuyên qua luôn phía bên kia. Nhưng có vài tia va vào các nguyên tử trong mạng phân tử, rồi đi lệch theo một hướng khác bị chắn bởi một bản phim X-quang – loại phim mà các nhân viên X-quang hay dùng để chụp hình xương gãy. Những tia X phản xạ này tạo thành một hình các chấm đều đặn trên tấm phim. VỊ trí chính xác của các chấm này sau đó được đem ra tính toán để cho ra vị trí các nguyên tử trong ADN.

Sau rất nhiều tuần xây dựng những mô hình khác nhau tượng trưng cho các nguyên tử trong ADN bằng mấy cái que, mấy tấm bìa giấy và kim loại, Watson và Crick đột nhiên tìm thấy một trong số chúng khớp chính xác với cấu trúc tia X. Mô hình thật đơn giản nhưng cũng thật kỳ diệu ấy lập tức gợi lên cơ chế hoạt động giúp ADN có thể xứng đáng làm một nguyên liệu di truyền. Watson và Crick công bố khám phá này với vẻ tự tin duyên dáng trên tạp chí khoa học rằng: “Không thoát khỏi tầm chú ý của chúng tôi, chính sự kết cặp đặc trưng mà chúng tôi đã giả thiết ngay lập tức dẫn tới một cơ chế sao chép khả thi của các nguyên liệu di truyền”. Họ đã hoàn toàn đúng và được trao tặng giải Nobel về Y khoa và Sinh lý học năm 1962.

Điều kiện thiết yếu ở nguyên liệu di truyền chính là một đặc điểm giúp nó được sao chép một cách trung thực nhiều lần qua thời gian, để khi một tế bào phân chia, cả hai tế bào mới – gọi là tế bào con – đều nhận một nửa nhiễm sắc thể bằng nhau từ nhân. Nếu nguyên liệu di truyền trong nhiễm sắc thể không thể được sao chép lại mỗi lần tế bào phân chia, thì chúng sẽ nhanh chóng cạn kiệt. Đồng thời, sự sao chép này cũng phải đạt chất lượng rất cao, nếu không thì các tế bào sẽ không thể hoạt động được. YVatson và Crick đã phát hiện rằng mỗi phân tử ADN được cấu thành bởi hai cuộn dài, giống như hai thành cầu thang xoắn quấn vào nhau – một “đường xoắn kép”. Đến thời điểm sao chép diễn ra, hai dải của đường xoắn kép này tách ra. Mỗi ADN chỉ có bốn thành phần và chúng được gọi tắt theo chữ cái đầu trong tên hóa học của chúng: A trong Adenine, C trong Cytosine, G trong Guadanin, và T trong Thymine. Trong văn bản khoa học, chúng được gọi chung là các đơn vị nucleotid, mà tiếng Anh gọi tắt là base (đơn vị). Giờ bạn có thể tạm quên công thức hóa học của chúng, chỉ cần nhớ bốn ký tự: A, C, G và T là đủ rồi.

Bước đột phá trong việc giải đáp cấu trúc ADN xảy ra khi Watson và Crick nhận thấy rằng, chỉ có một cách duy nhất để hai dải của đường xoắn kép này có thể khớp với nhau, chính là: mỗi A trong chuỗi này chỉ có thể khớp với một T trên chuỗi kia. Giống như hai mảnh ghép hình, A sẽ khớp hoàn hảo với T chứ không phải G hay C hay A nào khác. Cũng y hệt như thế, chỉ có C và G trong mỗi bên khớp với nhau mà thôi, không phải với T hay A. Cách này khiến cả hai bên giữ chuỗi thông tin mã hóa bổ sung cho nhau. Ví dụ như chuỗi ATTCAG ở phía bên tay này phải khớp với chuỗi TAAGTC ở phía bên kia. Khi chuỗi xoắn kép tháo phần này ra, bộ máy tế bào lập tức tạo ra TAAGTC đối diện với ATTCAG trên chuỗi cũ và dựng nên ATTCAG đối diện với TAAGTC trên phần còn lại. Kết quả là tạo ra hai chuỗi xoắn kép mới y hệt bản gốc. Mỗi lần có hai bản sao hoàn hảo, vì vậy các chuỗi hóa học chỉ gồm bốn kí tự hóa học này luôn được bảo tồn. Vậy những chuỗi này là gì? Đó là một thông điệp, đơn giản và thuần khiết. Thực ra, ADN chẳng tự làm gì hết. Nó không giúp bạn thở hay tiêu hóa thức ăn đâu. Nó chỉ hướng dẫn mấy thứ khác làm các việc ấy. Hóa ra các tay quản lý trung tâm của tế bào nhận những hướng dẫn này và thực hiện nhiệm vụ đó lại chính là các anh chàng protein. Chúng có vẻ tinh vi, mà đúng là chúng tinh vi thật, nhưng chúng lại hoạt động dưới sự chỉ dẫn nghiêm ngặt từ hội đồng quản trị, chính là bản thân các ADN.

Mặc dù độ phức tạp của các tế bào, các mô và toàn bộ các cơ quan đều ở mức kỳ cùng, cách thức mà bản hướng dẫn cơ bản của ADN được viết ra lại đơn giản đến mức kinh ngạc. Giống như những hệ thống chỉ dẫn quen thuộc như ngôn ngữ, số liệu hay mã nhị phân tin học, vấn đề là không phải nhiều kỷ tự mà chính thứ tự mà các ký tự xuất hiện mới quan trọng. Ví dụ như “nắng” và “ngắn” đều có các chữ cái giống hệt nhau, nhưng vì khác thứ tự nên các từ này có nghĩa hoàn toàn khác nhau. Tương tự như thế, 476021 và 104762 là những số khác nhau sử dụng các chữ số giống hệt nhưng xếp khác thứ tự. Hay là 001010 và 100100 có nghĩa khác nhau trong mã nhị phân. Cũng y hệt cách đó, thứ tự của bốn ký hiệu hóa học trong ADN biểu trưng các thông điệp khác nhau. ACGGTA và GACAGT là những phép đảo thứ tự ADN, chúng có nghĩa hoàn toàn khác nhau đối với tế bào, như “nắng” và “ngắn” với chúng ta vậy.

Vậy thì các thông điệp này được viết ra và được đọc lên như thế nào đây? ADN chỉ giam mình vào trong nhiễm sắc thể, mà nhiễm sắc thể thì vốn không bao giờ rời nhân tế bào. Nên chinh protein là những tác nhân thực hiện tất cả các công việc thực sự. Chúng là những người thi hành công vụ trong cơ thể. Chúng là những enzym tiêu hóa thức ăn và thực hiện quá trình trao đổi chất, chúng là các nội tiết tố (hormones) điều phối những gì diễn ra trong các phần khác nhau của cơ thể. Chúng là collagen của da và xương, là thành phần cơ bản (haemoglobin) của hồng cầu trong máu. Chúng là các kháng thể chiến đấu chống lại các dị vật vô tình hay cố ý lọt vào cơ thể như vi khuẩn. Nói khác đi là chúng làm mọi thứ. Lúc thì chúng là các phân tử đồ sộ, lúc thì nhỏ bé. Điều chung nhất là chúng đều được tạo thành từ những chuỗi phân tử acid-amin. Các acid-amin ở một đoạn này hút lấy các acid-amin ở các đoạn khác, thế nên chuỗi thẳng xinh xắn này vo lại thành một quả banh. Nhưng đó là một quả banh có hình dạng rất đặc biệt, hình dạng này cho phép các protein thực hiện nhiệm vụ của nó: thành chất xúc tác cho các phản ứng sinh học nếu chúng là enzyme, thảnh cơ bắp nếu chúng là các protein cơ, bẫy bắt vi khuẩn nếu chúng là bạch cầu, và vân vân. Có tất cả 20 acid-amin, một vài tay có cái tên hao hao giống nhau như lysine hay phenyllalanine (một thành phần của chất ăn kiêng được làm ngọt) và những tên khác mà hầu hết người ta chưa nghe bao giờ, thí dụ như cysteine hay tyrosine. Thứ tự các acid-amin xuất hiện trong protein quyết định một cách chính xác hình dạng và chức năng sau cùng của chúng, còn tất cả những gì cần thiết xác định chính xác trật tự này chính là bộ hướng dẫn nằm trong ADN. Bằng cách nào đó, thông tin được mã hóa nằm trong ADN nhân tế bào được mang tới các luồng sản xuất protein trong các phần khác của tế bào.

Nếu bạn sẵn lòng thì nhổ một sợi tóc xem. Bạn sẽ thấy cái viên trắng mờ ở chân tóc là gốc hay là nang tóc. Có khoảng một triệu tế bào trong mỗi nang tóc, và chúng chỉ có một mục đích duy nhất suốt đời là tạo ra tóc, tức là chủ yếu tạo ra các protein keratin. Khi bạn nhổ tóc ra, các tế bào trong đó vẫn hoạt động. Giờ tưởng tượng bạn ở trong những tế bào đó. Mỗi tế bào đều bận rộn tạo ra keratin. Nhưng sao chúng biết làm thế nào tạo ra keratin? Chìa khóa để tạo thành bất cứ protein nào, kể cả keratin, chỉ là vấn đề bảo đảm cho các acid-amin được đặt đúng thứ tự. Đúng thứ tự là sao? Hãy đi tra cứu thông tin ở các ADN trong nhiễm sắc thể ở nhân tế bào. Một tế bào tóc, như mọi tế bào khác trong cơ thể, đều có đủ bộ hướng dẫn của ADN, nhưng ta chỉ cần biết làm sao tạo ra keratin thôi. Te bào tóc không bận tâm tạo ra xương hay máu, nên tất cả các chức năng này của ADN tắt đi. Nhưng mà phần hướng dẫn keratin, chính là gien keratin, thì mở cửa để tư vấn. Đó đơn giản là thứ tự của các ký tự ADN xác định thứ tự của các acid-amin trong keratin.

Chuỗi ADN trong gien keratin bắt đầu thế này: ATGACCTCCTTC… (vân vân và vân vân). Bởi không quen đọc các mã này nên ta thấy nó có vẻ như là một sự sắp xếp ngẫu nhiên của bốn ký tự trong ADN. Tuy nhiên, tế bào tóc lại không xem như thế. Đây là một phần nhỏ trong bộ mã tạo thành keratin, và được dịch ra rất đơn giản. Đầu tiên tế bào đọc bộ mã này thành mỗi nhóm ba ký tự. Nên ATGACCTCCTTC được đọc thành ATG–ACC–TCC–TTC. Mỗi nhóm ba ký tự này gọi là một bộ ba, vốn xác định một acid-amin nhất định. Bộ ba đầu tiên ATG là mã cho methionine, ACC là mã cho threonine, TCC cho serine, TTC cho phenylalanine và cứ thế. Bộ mã gien này được sử dụng bởi tất cả các gien trong tất cả các nhân tế bào của mọi loại thực và động vật.

Tế bào tạo các bản sao tạm thời của bộ mã này, như thể chúng đang photo vài trang của một cuốn sách, xong chúng chuyển các bản sao này cho các bộ máy tạo thành protein trong các bộ phận khác của tế bào. Khi đến đây, nhà máy sản xuất chuyển qua hành động. Đầu tiên chúng đọc bộ ba thứ nhất và giải mã chúng nghĩa là acid-amin methionine. Chúng lấy phân tử methionine khỏi kệ. Chúng đọc tiếp bộ ba thứ hai là threonine, lấy phân tử threonine xuống xong nối với methionine. Bộ ba thứ ba nghĩa là serine, vậy một phân tử serine nối vào phân tử methione. Bộ ba thứ tư là phenylalanine, vậy một phân tử đó nối vào serine. Giờ chúng ta có bốn phân tử acid-amin xác định bởi chuỗi ADN của gien keratin được lắp ráp theo đúng thứ tự: methionine-threonine-serine-phenylalanine. Bộ ba thứ năm được đọc, giải mã rồi thêm vào, cứ thế tiếp tục. Quá trình đọc, giải mã rồi thêm acid-amin theo đúng thứ tự này tiếp diễn đến khi tất cả các chỉ dẫn đã được đọc hết. Giờ một phân tử keratin mới đã hoàn thành. Chúng được dỡ ra khỏi khuôn và di chuyển để hòa vào hàng trăm những tế bào khác nhằm hình thành nên một phần của tóc vẫn đang mọc ra từ da đầu bạn. À mà, đúng ra là nó đã tiếp tục mọc nếu bạn không nhổ nó ra.