Streptococcus pneumoniae nhìn qua kính hiển vi - Ảnh: Wikipedia
Chúng ta cho rằng các loại vi khuẩn tiến hóa là để tấn công con người, trong khi thực ra chúng ta chỉ là các tổn thất dân sự trong một cuộc chiến tranh lâu đời hơn rất nhiều. Bài viết của Ed Young, khoa học gia và tác giả từng nhận nhiều giải thưởng, cho trang Aeon.
Cuốn tiểu thuyết kinh điển của H. G. Wells The War of the Worlds (1898) - câu chuyện về nước Anh bị người sao Hỏa vây hãm và chinh phục - kết thúc không phải với một chiến thắng hoành tráng và yên hùng, mà là một chiến thắng tình cờ.
Những người ngoài hành tinh đã trấn áp được loài người bằng tia phát hơi nóng và khói đen, nhưng ngay đỉnh cao chiến thắng họ chết sạch. Những cỗ máy của họ bỗng nhiên dừng cả lại giữa London đổ nát, và những chú chim véo von trên đám máy móc đó.
Nguyên nhân khiến họ thất bại là những con vi khuẩn. Như người kể chuyện không tên của cuốn tiểu thuyết cho biết họ đã bị "sát hại, sau khi mọi thiết bị của con người đã thất bại, bởi những thứ khiêm nhường nhất".
Một quá trình không thể giải thích, trừ việc là nó đã xảy ra đúng như thế.
Ảnh: New Scientist
Không phải là câu chuyện của vi sinh vật và vật chủ
Logic của Wells thật giản dị. Con người có hệ thống miễn dịch bảo vệ chúng ta trước các loại vi khuẩn lây nhiễm mà chúng ta đã tiếp xúc ngay từ khi có con người. Chúng ta vẫn mắc bệnh, nhưng ít ra chúng ta có thể tranh đấu với bệnh tật.
Người sao Hỏa, dù ưu việt hơn về công nghệ, lại không có điều đó. "Không có vi khuẩn trên sao Hỏa - người kể chuyện giải thích - Và ngay khi những kẻ xâm lăng tới, ngay khi họ uống và ăn, những đồng minh nhỏ bé của chúng ta đã bắt tay vào việc lật đổ bọn họ".
Khi tôi lần đầu đọc cuốn sách đó khoảng hai chục năm trước, cái kết bất ngờ này có vẻ lạc quẻ. Mọi chuyện như từ trên trời rơi xuống - cứu tinh vi khuẩn vào phút chót. Thêm nữa, các vi sinh vật của Trái đất không thể lớn lên trong một cơ thể người ngoài hành tinh.
Nhưng gần đây hơn, tôi nhận ra rằng Wells, viết cuốn tiểu thuyết vào cuối thế kỷ 19, đã vô tình ngụ ý một sự thật về vi khuẩn mà ngay cả các nhà vi sinh vật học ngày nay đôi khi vẫn quên: những tổ chức hữu cơ đó có thể trở nên đầy chết chóc qua những tình cờ của tiến hóa.
Trong tiểu thuyết, vi khuẩn không tiến hóa để hạ gục người ngoài hành tinh. Chúng tiến hóa để tấn công con người và các động vật khác. Những kẻ xâm lăng vô tình bước vào giữa làn đạn và bị hạ gục. Điều tương tự có thể xảy ra với chúng ta.
Nhiều loại vi khuẩn và nấm gây ra cho chúng ta những chứng bệnh nghiêm trọng trong hề nhắm vào chúng ta. Thay vì thế, chúng đã tiến hóa để sống sót và phát triển trong những môi trường ngặt nghèo, hay để chống lại các vi sinh vật khác. Chỉ tình cờ mà cũng những điều chỉnh đó cho phép chúng sinh sôi nảy nở trong cơ thể, hay chống lại hệ miễn dịch của chúng ta.
Lấy ví dụ Streptococcus pneumoniae, một loại vi khuẩn phổ biến sống trong mũi và hệ hô hấp người. Về cơ bản thì chúng vô hại, nhưng đôi khi từ những hành khách thụ động, chúng biến thành sát thủ chủ động, gây ra bệnh lao phổi, viêm màng não, nhiễm trùng huyết và các bệnh khác.
Điều này nói chung xảy ra ở những người có hệ miễn dịch yếu, và nó thường là lỗi của một chủng vi khuẩn này có lớp vỏ ngoài là các phân tử đường phức hợp dày để bảo vệ chúng trước hệ miễn dịch của chúng ta.
Nhưng vào năm 2007, Elena Lysenko, khi đó ở Trường Y Đại học Pennsylvania, thấy rằng câu chuyện này không chỉ là một vi sinh vật mạnh gặp phải một vật chủ yếu. S.pneumoniae chia sẻ hệ hô hấp của chúng ta với các loại vi khuẩn khác như Hemophilus influenzae.
Những loài này không phải là hàng xóm thân thiện, và H.influenzae nổi tiếng với việc chỉ huy các tế bào máu của vật chủ để tấn công địch thủ. Chiến lược này thường hiệu quả. Khi Lysenko nuôi cấy hai vi sinh vật này cùng nhau trong chuột, cô thấy rằng những con vật gặm nhấm thường đẩy S.pneumoniae ra khỏi hệ hô hấp, chỉ để lại H.influenzae.
Nhưng những chủng S.pneumoniae có giáp dày chống lại các bạch huyết cầu và trụ vững. Lớp giáp của chúng bình thường sẽ là một gánh nặng - tiêu hao quá nhiều năng lượng và khiến chủ nhân của chúng thua thiệt trước các chủng có giáp nhẹ hơn, ít tốn kém hơn.
Nhưng khi H.influenzae huy động đạo quân miễn dịch, lớp giáp dày bỗng nhiên trở nên giá trị. Và do tình cờ, những lớp giáp này khiến các chủng vi khuẩn đó giỏi hơn trong việc xâm nhập sâu hơn vào hệ hô hấp, gây ra bệnh tật nghiêm trọng. Trong lúc phòng vệ trước một đối thủ cạnh tranh, S.pneumoniae đã tình cờ trở thành một sát thủ mặc giáp.
Tính chất độc hại của nó - khả năng gây ra bệnh tật - không phải là sự điều chỉnh chống lại vật chủ. Đó chỉ là một phản ứng phụ, một điều không ngờ tới, một vụ sát nhân không cố ý.
Đơn giản là mầm bệnh trong chúng xuất hiện vì các lực chọn lọc tự nhiên không liên quan gì tới vật chủ mà cuối cùng chúng giết chết.
Con người chỉ là "thương vong dân sự" trong cuộc chiến tranh siêu vi trùng đã diễn ra hàng tỉ năm - Ảnh: Rethink
Hành trình tư duy về vi khuẩn
Vào cuối thế kỷ 17, nhà khoa học người Hà Lan Antonie van Leeuwenhoek tạo ra một kính hiển vi mới và mở ra cả một thế giới những sinh vật hữu cơ nhỏ xíu. Nhìn vào chiếc đĩa của mình, ông viết: "Tôi nhìn ngắm ngỡ ngàng...
Có rất nhiều sinh vật bé nhỏ động đậy không ngừng". Những sinh vật bé nhỏ này thật đáng tò mò, có vẻ không quan trọng và rất ít người tiếp tục công việc của van Leeuwenhoek. Điều đó thay đổi vào thế kỷ 19, khi Louis Pasteur và Robert Koch chứng minh rằng một số sinh vật vi sinh đó gây ra những chứng bệnh quan trọng.
Kiểu tư duy đó duy trì mãi. Các vi sinh vật ở khắp nơi, nhưng chúng ta coi sự hiện diện của chúng trên điện thoại, bàn phím và bệ xí toilet là dấu hiệu của sự dơ bẩn. Chúng ở khắp nơi trong cơ thể ta, giúp chúng ta tiêu hóa thức ăn và bảo vệ chúng ta, nhưng chúng ta coi chúng là địch thủ phải bị bỏ thuốc, bị quét sạch và bị chinh phục.
Sự căm ghét này là dễ hiểu. Ngoài những người có kính hiển vi, phần lớn mọi người không nhìn thấy các vi sinh vật bằng mắt thường. Bởi thế, chúng ta có xu hướng gắn các vi sinh vật với thiểu số gây bệnh trong chúng.
Chúng ta ý thức về sự hiện diện của chúng khi chúng đe dọa mạng sống của chúng ta và trong phần lớn lịch sử loài người, mối đe dọa đó là rất đáng kể. Các đại dịch đậu mùa, tả, lao và dịch hạch đã ám ảnh nhân loại, và nỗi sợ những bệnh đó đã làm vấy bẩn cả nền văn hóa của chúng ta, từ các nghi thức tôn giáo tới những bộ phim Hollywood.
Khi các vi sinh vật không giết chúng ta, thì chúng ta về cơ bản chẳng biết gì về chúng. Bởi thế, chúng ta dựng lên những câu chuyện về vật chủ và vật gây bệnh, người hùng và tội đồ, chúng ta và chúng nó. Những loài gây bệnh tồn tại để tiêu diệt chúng ta, và chúng ta cần những cách thức mới để kháng cự.
Vì thế, chúng ta nghiên cứu cách chúng tiến hóa để đánh bại hệ miễn dịch của chúng ta, hay lây truyền dễ hơn từ người này sang người khác. Chúng ta xác định các gen cho phép chúng gây bệnh và gọi những gen đó là "mầm bệnh". Chúng ta coi chúng ta là trung tâm của thế giới. Mọi chuyện xảy ra đều là vì chúng ta.
Nhưng ngày càng nhiều nghiên cứu cho thấy quan điểm lấy con người làm trung tâm của chúng ta đôi khi không phù hợp. Những sự điều chỉnh cho phép vi khuẩn, nấm và các loài gây bệnh khác gây hại cho chúng ta có thể dễ dàng tiến hóa hoàn toàn ngoài bối cảnh một căn bệnh của con người.
Những điều chỉnh đó là câu chuyện về cuộc chiến của các loài vi sinh ảnh hưởng tới chúng ta, thậm chí có thể giết chúng ta, nhưng không phải là về chúng ta. Ý tưởng này được gọi là thuyết tiến hóa tình cờ, hay như nhà vi sinh vật học Bruce Levin của Đại học Emory mô tả vào năm 2008, thuyết "Những chuyện chó chết tình cờ xảy đến".
Thuyết này không đúng với mọi bệnh truyền nhiễm và gần như chắc chắn không phù hợp với virút, vốn luôn cần sinh sản trong một vật chủ.
Nó cũng không đúng với nhiều loài vi khuẩn hay nấm, như Staphylococcus aureus hay Candida albicans, vốn từ lâu là những mầm bệnh của con người và thích nghi rất tốt trong cơ thể chúng ta. Nhưng chúng quả có giải thích được một số khía cạnh lạ lùng của nhiều chứng bệnh.
Lấy ví dụ, tại sao vi khuẩn lại làm hại vật chủ mà chúng phụ thuộc vào để sinh tồn? Trong một số trường hợp, câu trả lời thật rõ ràng: chúng gây ra các triệu chứng như hắt hơi và ho để giúp chúng lan truyền. Nhưng còn S.pneumoniae thì sao?
Các chủng tồn tại vô hại trong hệ hô hấp của vật chủ đã đủ sức lan truyền sang một vật chủ khác rồi. Các dạng độc hại, vốn đi sâu hơn vào hệ hô hấp, thực ra ít lây nhiễm hơn.
Điều tương tự đúng với các vi khuẩn như Hemophilus influenzae và Neisseria meningitidis, vốn có thể làm sưng màng não và dẫn tới những ca viêm màng não do vi khuẩn đe dọa mạng sống. Khi làm như thế, chúng có nguy cơ làm lật chính con tàu mà chúng đang ở trên đó, trong khi không có hi vọng nào tìm thấy một con tàu mới.
Ảnh: CIFAR
Tiến hóa tình cờ
Thuyết tiến hóa tình cờ giúp giải quyết nghịch lý này. Nó cho chúng ta biết rằng ít ra thì một số chứng bệnh ở con người chẳng liên quan gì tới chúng ta.
Thuyết tiến hóa tình cờ giải thích được khá nhiều phát hiện gần đây về vi sinh vật. Giới khoa học đã tìm thấy các gen kháng kháng sinh ở vi khuẩn có thể đã đông đá được 30.000 năm, hay bị cô lập trong những hang đá hàng triệu năm.
Chúng ta có thể nghĩ kháng sinh là một phát minh của thời hiện đại, nhưng chúng thực ra là những vũ khí mà vi khuẩn đã sử dụng chống lại nhau từ thuở khai thiên lập địa, hay ít ra là rất lâu trước khi Alexander Fleming có phát hiện chấn động thế giới trên đĩa Petri của ông vào năm 1928.
Gen kháng kháng sinh tiến hóa trong cuộc chiến cổ đại này, nhưng chúng cũng giúp các vi sinh vật ngày nay đối phó với những thứ thuốc men mà con người sản xuất hàng loạt.
Tương tự, rất nhiều "gen độc hại" gây ra mầm bệnh có những bạn đồng song ở các vi sinh vật biển chưa từng lây nhiễm cho con người. Và một số loại vi khuẩn được cho là mầm bệnh thường là một phần quen thuộc của môi trường.
"Những tổ chức hữu cơ này tình cờ trở thành mầm bệnh - nhà vi sinh vật học Arturo Casadevall của Đại học Yeshiva ở New York nói - Chúng sẽ vẫn ở đó ngay cả nếu ta làm biến mất mọi loại động vật khỏi hành tinh. Dẫu vậy, tiến hóa đã lựa chọn đúng những đặc điểm phù hợp để gây ra bệnh cho con người".
Vibrio cholerae, vi khuẩn gây ra bệnh tả, là một ví dụ tốt. Giới khoa học từng xem nó là một mầm bệnh ở người lan truyền qua phân người bệnh và nguồn nước nhiễm bẩn. Giờ thì chúng ta biết rằng nó chủ yếu sống dưới nước, bám vào vỏ những loài giáp xác nhỏ và thỉnh thoảng lọt vào đường cung cấp nước của chúng ta.
"Trong thập kỷ qua, nhiều người đã bắt đầu chấp nhận rằng có rất nhiều mầm bệnh cơ hội mà người ta tưởng là chỉ sống tạm bợ ngắn ngủi ngoài môi trường giữa các vật chủ là người thực ra là những vi khuẩn chuyên sống ở môi trường ngoài cơ thể, và thỉnh thoảng mới xuất hiện trong cơ thể người" - Diane McDougald của Đại học New South Wales, chuyên nghiên cứu V.cholerae, nói.
Nhiều mầm bệnh mà chúng ta kinh sợ nhất chỉ là khách tạm trú trong cơ thể người. Địa chỉ thường trú thực sự của chúng là ngoài đại dương, trong hang động hay đất đai. Để hiểu chúng, chúng ta cần đặt chúng vào hệ sinh thái tự nhiên.
Đất đai chẳng hạn, là một môi trường sống cực đoan với vi sinh vật: khắc nghiệt và thay đổi liên tục. Nó có thể biến đổi rất nhanh từ ngập nước sang khô cằn, từ cực nóng sang cực lạnh và từ bóng tối hoàn toàn sang ánh nắng chói chang.
Đất đai cũng tràn ngập những loài vi sinh vật cạnh tranh khác và đầy rẫy các loài săn mồi đói khát. Chúng ta sợ sư tử, hổ và gấu; vi khuẩn thì phải đối phó với virút thực khuẩn, giun tròn và trùng đơn bào săn mồi.
Tất cả những điều kiện đó có thể dẫn tới các điều chỉnh tiến hóa, khiến vi sinh vật tình cờ phù hợp với đời sống trong một vật chủ là người. Rốt cuộc, chúng ta chỉ là một môi trường sống khác với chúng.
Một lớp vỏ dày giúp một vi sinh vật không bị mất nước cũng có thể giúp nó chống lại hệ miễn dịch của chúng ta. Một bào tử đã thích nghi để di chuyển trong không khí có thể dễ dàng bị hít vào hệ hô hấp người.
Giới khoa học đã quan sát được nhiều sự điều chỉnh tiến hóa tình cờ này bằng cách cho vi khuẩn tiếp xúc với một mối đe dọa tự nhiên, và thấy rằng sau đó chúng sẽ giỏi hơn trong việc lây nhiễm vào con người với các loài có vú khác.
Lấy ví dụ, Escherichia coli là một loại vi khuẩn phổ biến trong ruột và là một loài quen mặt với các phòng thí nghiệm. Trong môi trường tự nhiên của nó, dù là đất hay ruột một động vật có vú, nó bị những con trùng đơn bào săn mồi đe dọa.
Năm 2010, nhà khoa học người Pháp Frantz Depaulis và các đồng sự tìm thấy một chủng E.coli "số báo danh" 536 biết cách chống lại trùng đơn bào săn mồi, với những gen bảo vệ nó khỏi enzyme tiêu hóa của con trùng và cho phép nó hấp thu dưỡng chất từ những thứ như sắt. Thay vì bị nuốt chửng, nó thực ra sẽ lớn lên trong kẻ "ăn thịt" và từ từ giết chết con trùng đơn bào từ bên trong.
Rất nhiều gen bảo vệ này cũng cho phép những chủng E.coli vô hại nhất gây ra bệnh tật nghiêm trọng cho con người, chuột và các loài có vú khác. Điều này hoàn toàn hợp lý.
Nhiều tế bào miễn dịch của chúng ta, như đại thực bào, bao trùm và tiêu hóa những vi sinh vật giống như trùng đơn bào, nên những vi khuẩn chống được trùng đơn bào cũng chống được đại thực bào.
Bằng cách thích nghi với những kẻ săn mồi ngoài tự nhiên, những chủng E.coli đấy tình cờ thích nghi với hệ thống miễn dịch của chúng ta.
Đông như vi sinh vật, lâu đời như vi sinh vật
Thuyết tiến hóa tình cờ có thể gây khó chịu với một số người. Khả năng của sự tình cờ hoàn hảo như thế là bao nhiêu? Câu trả lời có vẻ là rất cao.
Tiến hóa là những xác suất nhỏ được thể hiện qua thời gian cực dài và số lượng cực lớn - các loài vi sinh vật có cả hai điều đó. Chúng đã sống trên hành tinh này hàng tỉ năm và số lượng của chúng thực sự là vô số.
Casadevall hay nói rằng mỗi loài vi sinh lại có một tay bài khác nhau - kết hợp những lá bài giúp chúng thích nghi với môi trường của chúng. Hầu hết các tay bài này vô nghĩa với chúng ta. Một vi khuẩn có thể kháng cự việc bị ăn thịt, nhưng không sống được ở 37 độ C.
Nó có thể phát triển ở nhiệt độ đó, nhưng lại không chịu nổi mức pH kiềm nhẹ trong cơ thể người. Nhưng chi tiết ở đây không quan trọng. Có quá nhiều vi sinh vật tới mức ở ngoài kia chắc chắn có một số tay bài khớp hoàn toàn để đánh trong cơ thể chúng ta.
"Nếu ta tập hợp tất cả các loài vi sinh trên thế giới lại và tưởng tượng rằng chúng có các đặc điểm này một cách ngẫu nhiên, thì ta có thể tìm được những mầm bệnh vi sinh cho bất cứ thứ gì" - Casadevall nói.
Điều đó soi rọi ánh sáng mới vào sự xuất hiện của nhiều bệnh truyền nhiễm. Vài thập kỷ qua đã chứng kiến sự xuất hiện của những loài nấm mới đáng sợ, như nấm chytrid đang tàn sát những động vật lưỡng cư ở quy mô toàn cầu, hay loài là thủ phạm dẫn tới chứng bệnh mũi trắng đã giết hàng triệu con dơi Bắc Mỹ.
"Người ta hỏi chúng từ đâu ra - Casadevall nói - Nhưng có thể đơn giản là mầm bệnh trong chúng xuất hiện vì các lực chọn lọc tự nhiên không liên quan gì tới vật chủ mà cuối cùng chúng giết chết".
Nếu đúng là như thế thì chống lại bệnh truyền nhiễm ở người nhiều khả năng sẽ là một cuộc chiến vô tận. "Khi tôi còn là sinh viên, các nhà nghiên cứu ký sinh trùng nói rằng bệnh tật là một trạng thái cơ bản trong quan hệ giữa vật ký sinh và vật chủ - Levin nói - Các bên sau đó sẽ tiến hóa tới chỗ tử tế và hợp tác, với điểm cuối cùng là cộng sinh và hỗ sinh".
Nhưng nếu theo thuyết tiến hóa tình cờ, rất có thể mầm bệnh xuất hiện tình cờ không chịu áp lực tiến hóa nào để thay đổi.
Điều này đáng ngại với con người, gần như là một kiểu thuyết hư vô với giới bệnh học truyền nhiễm. Nó tước mất của chúng ta câu trả lời chắc chắn. Như Casadevall viết, nó cho thấy sự độc hại của vi sinh vật với con người có thể chỉ là tình cờ, "trong một quá trình không thể giải thích, trừ việc là nó đã xảy ra đúng như thế".
Từ góc nhìn này, chúng ta không phải là diễn viên chính của vở kịch ảnh hưởng tới sinh mạng chúng ta. Chúng ta thậm chí không phải là diễn viên phụ. Chúng ta chỉ là những kẻ qua đường, tình cờ bước qua sân khấu và bị một mũi tên bắn ra từ đó đâm vào lưng.
Điều quan trọng nhất trong thế giới của một vi sinh vật, thật dễ hiểu, là các vi sinh vật khác. Chúng đã đấu tranh với nhau hàng tỉ năm trước khi con người xuất hiện.
Khi chúng ta bước vào giữa hai làn đạn của cuộc chiến tranh tối cổ đó, chúng ta có nguy cơ trở thành thiệt hại ngoài mong muốn. Giống như những người sao Hỏa của Wells, cả chúng ta nữa, cũng có thể bị quét sạch vì tình cờ.
Tối đa: 1500 ký tự
Hiện chưa có bình luận nào, hãy là người đầu tiên bình luận