Radium đã mở đường cho nghiên cứu đột biến gene như thế nào?

Năm 1924, Hermann Muller gửi một lọ radium cho cộng sự để thử gây đột biến ở ruồi giấm. Lọ thủy tinh vỡ trên đường vận chuyển, khiến radium lọt vào các khe của hộp lót chì. Muller chuyển sang dùng tia X và ba năm sau công bố kết quả cho thấy loại bức xạ này có thể gây đột biến di truyền. Sự cố ấy thường được kể như khúc dạo đầu cho một thành tựu nổi tiếng, nhưng nó còn hé lộ một lịch sử ít được nhớ đến: radium đã được dùng để tác động lên sinh vật từ trước đó nhiều năm. [1]

Radium không giải thích gene là gì hay đột biến xảy ra theo cơ chế nào. Vai trò của nó nằm ở một bước chuyển quan trọng hơn: giúp các nhà sinh học thấy rằng biến đổi di truyền không nhất thiết chỉ được quan sát một cách thụ động. Bằng bức xạ, họ có thể chủ động tạo biến đổi, theo dõi đặc điểm mới và đặt câu hỏi cụ thể về vật chất mang thông tin di truyền. [1]

Vì sao radium làm thay đổi cách nhìn về vật chất?

Khi Marie và Pierre Curie cô lập được một mẫu radium tinh khiết vào năm 1902, nguyên tố này gây chú ý bởi mức phóng xạ mạnh, khả năng sinh nhiệt và hiện tượng tự phát sáng ở một số hợp chất. Các vật đặt gần radium cũng có thể trở nên phóng xạ. Với giới khoa học đầu thế kỷ 20, những tính chất đó làm lung lay hình dung về nguyên tử như một đơn vị ổn định, bất biến và không có hoạt động bên trong. [1]

Ernest Rutherford và Frederick Soddy nhận thấy các nguyên tố phóng xạ có thể biến đổi thành nguyên tố khác khi phát bức xạ. Quá trình ấy được mô tả bằng những từ như nguyên tố “mẹ” và “con”, khiến thảo luận về vật chất vô tình mang màu sắc sinh học. Đây chỉ là phép ẩn dụ, nhưng nó góp phần tạo nên một môi trường tư tưởng trong đó ranh giới giữa vật chất không sống, sự biến đổi và sự sống được đặt lại thành câu hỏi. [1]

Radium trở thành công cụ thí nghiệm ra sao?

Radium không chỉ là đối tượng cần nghiên cứu mà còn cung cấp bức xạ để khảo sát những vật chất khác. Rutherford dùng nguồn hạt alpha từ radium bắn vào lá vàng rồi quan sát hướng chuyển động của các hạt. Việc một số hạt bị lệch mạnh hoặc bật lại đã góp phần chứng minh sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử. Như vậy, bức xạ trở thành một công cụ thăm dò cấu trúc mà mắt thường không thể nhìn thấy. [1]

Phát hiện về hạt nhân chưa trực tiếp trả lời câu hỏi di truyền. Tuy nhiên, cách làm này cho thấy bức xạ có thể được sử dụng như một tác nhân thực nghiệm có chủ đích. Khi ý tưởng ấy đi từ vật lý sang sinh học, câu hỏi cũng thay đổi: thay vì chỉ dùng bức xạ để thăm dò vật chất, liệu người ta có thể dùng nó để tạo ra thay đổi quan sát được ở sinh vật hay không? [1]

Cơn sốt radium đã dẫn đến những ngộ nhận nào?

Radium nhanh chóng được đưa vào y học và văn hóa tiêu dùng. Muối radium từng được bôi lên một số ung thư da hoặc dùng bên trong cơ thể nhằm làm nhỏ khối u. Khả năng sinh nhiệt và phát sáng lại khiến công chúng liên hệ nguyên tố này với sinh lực. Nước radium, bánh mì radium, mỹ phẩm Tho-Radia và cả bao cao su mang tên radium xuất hiện trong làn sóng quảng bá vượt xa những điều thí nghiệm khi ấy có thể chứng minh. [1]

Năm 1905, nhà vật lý John Butler Burke cho muối radium vào nước thịt đã tiệt trùng và quan sát thấy các cấu trúc nhỏ dần lớn lên, đổi hình dạng, trông giống vi khuẩn. Ông gọi chúng là radiobes và cho rằng chúng nằm giữa trạng thái sống và không sống. W. A. Douglas Rudge sau đó lặp lại thí nghiệm rồi kết luận các cấu trúc chỉ là kết tủa sulfate. Vụ radiobes cho thấy hình dạng giống sinh vật chưa đủ để xác định một vật có sự sống. [1]

Các nhà sinh học đã dùng radium để tạo đột biến thế nào?

Trong di truyền học thực nghiệm, radium có vai trò rõ ràng hơn. Daniel MacDougal đã sử dụng nó để tạo đột biến nhân tạo từ năm 1904, với hy vọng những biến đổi lớn có thể dẫn tới loài mới. Đến năm 1911, Thomas Morgan tại Columbia University báo cáo rằng việc dùng radium đã tạo ra ruồi giấm mắt trắng và những cá thể có kiểu cánh mới. Các thí nghiệm này diễn ra trước công trình tia X nổi tiếng của Muller. [1]

Điểm mới không chỉ nằm ở những đặc điểm khác lạ trên ruồi. Bức xạ cho phép nhà nghiên cứu tạo ra biến đổi, cho ruồi sinh sản rồi quan sát xem đặc điểm có xuất hiện ở thế hệ sau hay không. Cách tiếp cận ấy biến đột biến thành đối tượng có thể thao tác trong phòng thí nghiệm. Nó chưa xác định DNA là vật chất di truyền, nhưng đã thu hẹp câu hỏi vào một vấn đề có thể kiểm tra: bức xạ tác động lên thành phần nào để đặc điểm mới được truyền lại? [1]

Vai trò của các thử nghiệm đời đầu dần mờ đi khi nghĩa của từ “đột biến” thay đổi. Trọng tâm nghiên cứu chuyển từ biến đổi của toàn cơ thể sang nhiễm sắc thể rồi gene. Theo cách hiểu chặt chẽ hình thành về sau, không phải mọi biến đổi từng được gọi là đột biến đều được xếp cùng một loại. Vì thế, lịch sử radium trong sinh học không biến mất do hoàn toàn thất bại, mà một phần vì ngôn ngữ và đối tượng của di truyền học đã đổi khác. [1]

Vì sao tia X thay thế radium?

Sau sự cố lọ radium năm 1924, Muller dùng tia X để chiếu lên ruồi giấm. Kết quả công bố năm 1927 cho thấy tia X gây đột biến di truyền và về sau thường được xem là dấu mốc lớn của lĩnh vực này. Công trình ấy không đơn giản lặp lại các thử nghiệm radium: nó đem đến bằng chứng có sức thuyết phục cao hơn trong bối cảnh di truyền học đã phát triển. Dù vậy, các thí nghiệm trước đó cho thấy ý tưởng gây đột biến bằng bức xạ không xuất hiện đột ngột. [1]

Trong thập niên 1920, ống tia X điện áp cao cung cấp nguồn bức xạ ổn định và ít tốn kém hơn radium. Cùng lúc, hậu quả phơi nhiễm radium ngày càng rõ, từ buồn nôn và bỏng xuất hiện sớm đến khối u, rối loạn máu hoặc vô sinh phát triển muộn hơn. Tia X cũng có rủi ro sức khỏe, nhưng lợi thế về nguồn phát khiến nó phù hợp hơn với phòng thí nghiệm. Radium rời khỏi vị trí trung tâm, còn phương pháp dùng bức xạ để khảo sát di truyền tiếp tục tồn tại. [1]

Di sản đáng chú ý của radium vì thế không nằm ở cơn sốt sản phẩm phát sáng hay ý tưởng rằng nguyên tố này mang “sinh lực”. Nó nằm ở thay đổi trong cách đặt câu hỏi: sinh vật có thể được tác động bằng một tác nhân vật lý, và biến đổi tạo ra có thể được theo dõi qua các thế hệ. Từ một chất từng bị bao phủ bởi những liên tưởng huyền bí, radium đã góp phần đưa nghiên cứu đột biến về gần hơn với thí nghiệm có thể quan sát và lặp lại. [1]