Tại sao sinh học lại quan trọng?

Nhưng tầm quan trọng của sinh học vượt xa việc hiểu chính bản thân chúng ta. Trong thế giới đối mặt với đại dịch, biến đổi khí hậu, mất đa dạng sinh học, và nhu cầu nuôi sống 10 tỷ người, sinh học không còn là xa xỉ trí tuệ mà là yếu tố sống còn cho tương lai của loài người.

Nền tảng của y học và sức khỏe con người

Sinh học là cơ sở của tất cả y học hiện đại. Mỗi bước tiến trong chăm sóc sức khỏe – từ vaccine cho đến phẫu thuật tim, từ kháng sinh cho đến liệu pháp gen – đều dựa trên hiểu biết sinh học về cách cơ thể con người hoạt động và cách bệnh tật phát triển.

Lịch sử y học là lịch sử của các khám phá sinh học. Louis Pasteur và Robert Koch đã thiết lập thuyết vi trùng gây bệnh (germ theory), chứng minh rằng vi sinh vật gây ra bệnh tật – một trong những hiểu biết quan trọng nhất trong y học. Alexander Fleming khám phá penicillin từ nấm mốc, mở đường cho kỷ nguyên kháng sinh đã cứu hàng triệu sinh mạng. Jonas Salk và Albert Sabin phát triển vaccine bại liệt, gần như xóa sổ một căn bệnh từng làm tàn phế hàng nghìn trẻ em mỗi năm.

Y học hiện đại đang chuyển từ “một kích cỡ phù hợp tất cả” sang y học cá nhân hóa (personalized medicine hay precision medicine). Bằng cách hiểu bộ gen của từng bệnh nhân, các bác sĩ có thể dự đoán rủi ro bệnh tật, chọn thuốc hiệu quả nhất, và điều chỉnh liều lượng tối ưu. Ung thư, một trong những bệnh phức tạp nhất, đang được điều trị theo cách mới dựa trên hồ sơ phân tử của từng khối u.

Tiến sĩ Francis Collins, người dẫn đầu Dự án Bộ gen Người và cựu Giám đốc Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ, đã viết rằng “chúng ta đang ở bình minh của một cuộc cách mạng y học. Hiểu biết về sinh học phân tử và di truyền đang biến đổi cách chúng ta chẩn đoán, điều trị, và thậm chí ngăn ngừa bệnh tật. Y học của tương lai sẽ được cá nhân hóa, dự đoán được, và phòng ngừa”.

Liệu pháp gen (gene therapy) – việc sửa chữa hoặc thay thế gen bị lỗi – đã chuyển từ khoa học viễn tưởng thành hiện thực. Năm 2017, FDA phê duyệt liệu pháp CAR-T đầu tiên, sử dụng tế bào miễn dịch được kỹ thuật gen để chống lại ung thư máu. CRISPR-Cas9, công cụ chỉnh sửa gen cách mạng, đang được thử nghiệm lâm sàng để điều trị các bệnh di truyền như bệnh hồng cầu hình liềm và mù lòa di truyền.

Đại dịch COVID-19 đã chứng minh tầm quan trọng quan trọng của sinh học. Các nhà khoa học đã giải trình tự bộ gen virus chỉ trong vài tuần, phát triển các xét nghiệm chẩn đoán, và thiết kế vaccine mRNA – một công nghệ mới dựa trên hiểu biết sâu sắc về sinh học phân tử – trong thời gian kỷ lục dưới một năm. Tiến sĩ Katalin Karikó và Drew Weissman, những người tiên phong trong công nghệ mRNA, đã được trao giải Nobel Y học 2023 cho công trình này.

Đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu

Với dân số thế giới dự kiến đạt 9.7 tỷ người vào năm 2050, câu hỏi làm thế nào nuôi sống tất cả mọi người là cấp bách. Sinh học là chìa khóa để tăng năng suất nông nghiệp trong khi giảm tác động môi trường.

Cách mạng Xanh của những năm 1960-1970, dựa trên nghiên cứu sinh học về di truyền thực vật và sinh lý học, đã tăng gấp đôi năng suất lương thực toàn cầu và cứu hàng tỷ người khỏi nạn đói. Norman Borlaug, người dẫn đầu Cách mạng Xanh, đã sử dụng kiến thức sinh học để phát triển các giống lúa mì năng suất cao chống đổ. Ông đã được trao giải Nobel Hòa bình năm 1970.

Ngày nay, sinh học tiếp tục đóng vai trò quan trọng. Di truyền học phân tử và genomics cho phép các nhà chọn giống xác định và chuyển các gen mong muốn nhanh hơn và chính xác hơn. Cây trồng được biến đổi gen (GMOs) – như bông và ngô Bt chống côn trùng – đã giảm sử dụng thuốc trừ sâu hóa học đáng kể. Cây trồng chịu hạn đang được phát triển để thích ứng với biến đổi khí hậu.

Sinh học hóa (biofortification) – việc tăng hàm lượng chất dinh dưỡng trong cây trồng – đang giải quyết suy dinh dưỡng vi chất ảnh hưởng đến hàng tỷ người. Gạo vàng (Golden Rice), được kỹ thuật để sản xuất beta-carotene (tiền chất vitamin A), được phát triển để giải quyết thiếu vitamin A – nguyên nhân gây mù và tử vong cho hàng triệu trẻ em mỗi năm.

Hiểu biết về sinh học vi sinh vật đất, nấm mycorrhizae, và vi khuẩn cố định nitơ đang dẫn đến các phương pháp nông nghiệp bền vững hơn, giảm phụ thuộc vào phân bón và thuốc trừ sâu tổng hợp. Công nghệ sinh học cũng đang phát triển thịt nuôi cấy (cultured meat) – thịt được trồng từ tế bào trong phòng thí nghiệm – có thể cung cấp protein mà không cần chăn nuôi động vật.

Giáo sư Nina Fedoroff, cố vấn khoa học cấp cao của Bộ Ngoại giao Hoa Kỳ, đã viết rằng “chúng ta có nghĩa vụ đạo đức phải sử dụng mọi công cụ an toàn có sẵn, bao gồm công nghệ sinh học, để nuôi sống dân số đang tăng trong một thế giới có tài nguyên hạn chế. Từ chối làm như vậy là đánh đổi sinh mạng con người vì những nỗi sợ không có cơ sở”.

Giải quyết khủng hoảng môi trường và khí hậu

Biến đổi khí hậu, ô nhiễm, mất đa dạng sinh học – đây là những thách thức định nghĩa thời đại của chúng ta. Sinh học cung cấp cả hiểu biết về các vấn đề này và công cụ để giải quyết chúng.

Sinh thái học – nghiên cứu mối quan hệ giữa sinh vật và môi trường – giúp chúng ta hiểu cách hệ sinh thái hoạt động và cách hoạt động của con người ảnh hưởng đến chúng. Nghiên cứu sinh thái đã cho thấy tầm quan trọng của đa dạng sinh học đối với sức khỏe hệ sinh thái và dịch vụ hệ sinh thái – những lợi ích mà con người nhận được từ tự nhiên như thụ phấn, lọc nước, và kiểm soát dịch hại.

Sinh học bảo tồn đang làm việc để bảo vệ các loài đang bị đe dọa tuyệt chủng. Công nghệ sinh học như thụ tinh trong ống nghiệm (IVF) cho động vật hoang dã, ngân hàng gen, và thậm chí nhân bản đang được sử dụng để cứu các loài trên bờ vực tuyệt chủng. Hiểu biết về di truyền học quần thể giúp quản lý các quần thể nhỏ để tránh cận huyết.

Sinh học cũng cung cấp giải pháp cho ô nhiễm. Sinh học phục hồi (bioremediation) sử dụng vi sinh vật để phân hủy các chất ô nhiễm. Sau thảm họa tràn dầu Deepwater Horizon năm 2010, vi khuẩn ăn dầu tự nhiên đã đóng vai trò quan trọng trong việc làm sạch. Các nhà khoa học đang phát triển vi khuẩn và nấm có thể phân hủy nhựa – một trong những chất ô nhiễm dai dẳng nhất.

Sinh học thực vật đang phát triển cây trồng và cây rừng có thể cố định carbon từ khí quyển hiệu quả hơn, giúp giảm nhẹ biến đổi khí hậu. Hiểu biết về cách sinh vật thích ứng với thay đổi môi trường giúp dự đoán và chuẩn bị cho tác động của biến đổi khí hậu.

Giáo sư E.O. Wilson đã đề xuất “Half-Earth” – bảo vệ một nửa bề mặt Trái Đất cho tự nhiên để bảo tồn đa dạng sinh học. Ông viết rằng “chúng ta đang sống trong thời đại tuyệt chủng hàng loạt lần thứ sáu, lần này do con người gây ra. Sinh học cung cấp cho chúng ta kiến thức để hiểu những gì chúng ta đang mất và công cụ để bảo vệ nó. Nhưng chúng ta phải hành động nhanh – một khi một loài tuyệt chủng, nó mất đi mãi mãi”.

Hiểu về bản thân chúng ta

Một trong những câu hỏi sâu sắc nhất mà con người đã hỏi là: Chúng ta là ai? Sinh học đang giúp trả lời câu hỏi này ở nhiều cấp độ.

Ở cấp độ tiến hóa, sinh học đã cho thấy con người có mối quan hệ với tất cả sự sống trên Trái Đất. Chúng ta chia sẻ tổ tiên chung với tinh tinh khoảng 6-7 triệu năm trước, với chuột khoảng 75 triệu năm trước, với cây hoa khoảng 1.6 tỷ năm trước, và với vi khuẩn khoảng 3.5 tỷ năm trước. Chúng ta chia sẻ khoảng 99% DNA với tinh tinh, 90% với chuột, và thậm chí 50% với chuối.

Dự án Bộ gen Người đã cung cấp “sách hướng dẫn” cho con người – toàn bộ trình tự 3 tỷ cặp base trong DNA của chúng ta. Nhưng đọc bộ gen chỉ là bước đầu – hiểu nó là thách thức tiếp theo. Chúng ta đang học cách các gen tương tác với nhau và với môi trường để tạo ra đặc điểm, hành vi, và nguy cơ bệnh tật.

Thần kinh khoa học (neuroscience) – sinh học của hệ thống thần kinh – đang tiết lộ bí ẩn của não bộ và tâm trí. Chúng ta đang bắt đầu hiểu cách não tạo ra ý thức, cảm xúc, trí nhớ, và tính cách. Các công nghệ hình ảnh mới cho phép chúng ta nhìn thấy não hoạt động theo thời gian thực. Hiểu biết này không chỉ thỏa mãn trí tò mò mà còn dẫn đến điều trị mới cho các bệnh thần kinh và tâm thần.

Vi sinh vật ký sinh con người (human microbiome) – hàng nghìn tỷ vi khuẩn, virus, và nấm sống trên và trong cơ thể chúng ta – đang được công nhận là một “cơ quan” quan trọng ảnh hưởng đến tiêu hóa, miễn dịch, và thậm chí tâm trạng và hành vi. Chúng ta đang học rằng con người không phải là một sinh vật đơn lẻ mà là một hệ sinh thái phức tạp.

Tiến sĩ Craig Venter, một trong những người tiên phong trong genomics, đã viết rằng “hiểu bộ gen con người không chỉ là về y học – nó là về hiểu chính bản thân chúng ta. Nó giải thích tại sao chúng ta trông như vậy, tại sao chúng ta hành động như vậy, và làm thế nào chúng ta liên quan đến tất cả sinh vật sống khác trên hành tinh này”.

Thúc đẩy đổi mới công nghệ và kinh tế

Sinh học không chỉ là khoa học lý thuyết – nó là động lực của đổi mới công nghệ và tăng trưởng kinh tế. Ngành công nghiệp công nghệ sinh học toàn cầu trị giá hàng trăm tỷ đô la và đang phát triển nhanh chóng.

Công nghệ sinh học y tế (red biotechnology) phát triển thuốc, vaccine, và liệu pháp mới. Công nghệ sinh học nông nghiệp (green biotechnology) cải thiện cây trồng và vật nuôi. Công nghệ sinh học công nghiệp (white biotechnology) sử dụng sinh vật để sản xuất hóa chất, vật liệu, và nhiên liệu.

Sinh học tổng hợp (synthetic biology) – thiết kế và xây dựng các hệ thống sinh học mới – đang tạo ra các khả năng mới. Các nhà khoa học đang thiết kế vi khuẩn để sản xuất insulin, artemisinin (thuốc chống sốt rét), và nhiên liệu sinh học. Craig Venter đã tạo ra “tế bào tổng hợp” đầu tiên với bộ gen được thiết kế hoàn toàn bởi con người năm 2010.

Sinh học cũng đang truyền cảm hứng cho các công nghệ mới. Bắt chước sinh học (biomimicry) – học hỏi từ và bắt chước các chiến lược được tìm thấy trong tự nhiên – đã dẫn đến các đổi mới như Velcro (lấy cảm hứng từ hạt bồ kết), cánh turbine gió hiệu quả hơn (lấy cảm hứng từ vây cá voi), và vật liệu tự làm sạch (lấy cảm hứng từ lá sen).

Công nghệ sinh học tạo ra hàng triệu việc làm và đóng góp hàng nghìn tỷ đô la vào nền kinh tế toàn cầu. Theo McKinsey, công nghệ sinh học có tiềm năng tạo ra tác động kinh tế trực tiếp lên đến $4 nghìn tỷ mỗi năm trong hai thập kỷ tới.

Sinh học không chỉ là một môn học trong trường hay một ngành khoa học trừu tượng – nó là chìa khóa để giải quyết những thách thức cấp bách nhất của thế giới và cải thiện cuộc sống con người. Từ chữa bệnh cho đến nuôi sống nhân loại, từ bảo vệ hành tinh cho đến hiểu về chính bản thân chúng ta – sinh học chạm đến gần như mọi khía cạnh của cuộc sống hiện đại và tương lai. Trong bài cuối cùng của series, chúng ta sẽ khám phá các con đường nghề nghiệp cụ thể cho sinh viên tốt nghiệp ngành sinh học – từ phòng thí nghiệm nghiên cứu cho đến công nghiệp công nghệ sinh học, từ bảo tồn động vật hoang dã cho đến y học lâm sàng, từ giáo dục cho đến chính sách khoa học.