What I'm going to show you are the astonishing molecular machines that create the living fabric of your body. Now molecules are really, really tiny. And by tiny, I mean really. They're smaller than a wavelength of light, so we have no way to directly observe them. But through science, we do have a fairly good idea of what's going on down at the molecular scale. So what we can do is actually tell you about the molecules, but we don't really have a direct way of showing you the molecules.
Thứ tôi sắp sửa cho các bạn xem là những cỗ máy phân tử kỳ diệu đã tạo ra toàn bộ cơ cấu sự sống của cơ thể các bạn. Những phân tử này thực sự, thực sự nhỏ xíu. Và khi tôi nói là nhỏ xíu, thì chúng thực sự như vậy. Chúng còn nhỏ hơn một bước sóng ánh sáng, vì vậy chúng ta không thể quan sát chúng trực tiếp. Nhưng qua khoa học, chúng ta vẫn có thể biết được tương đối tốt chuyện gì đang xảy ra ở mức độ phân tử. Vì thế những gì chúng tôi có thể làm là kể với các bạn về những phân tử này, nhưng chúng tôi lại không có cách nào giúp bạn nhìn trực tiếp những phân tử đó.
One way around this is to draw pictures. And this idea is actually nothing new. Scientists have always created pictures as part of their thinking and discovery process. They draw pictures of what they're observing with their eyes, through technology like telescopes and microscopes, and also what they're thinking about in their minds. I picked two well-known examples, because they're very well-known for expressing science through art.
Có một cách khác để làm việc này là vẽ. Và ý tưởng này thực sự không mới. Các nhà khoa học vẫn luôn tạo ra những bức vẽ như là một phần của quá trình suy nghĩ và khám phá của họ. Họ vẽ ra những thứ họ đang quan sát dưới con mắt của họ, thông qua những thiết bị như kính thiên văn và kính hiển vi, cũng như những gì họ đang nghĩ trong đầu. Tôi xin lấy hai ví dụ nổi tiếng, chúng rất nổi tiếng về sự biểu đạt khoa học thông qua nghệ thuật.
And I start with Galileo, who used the world's first telescope to look at the Moon. And he transformed our understanding of the Moon. The perception in the 17th century was the Moon was a perfect heavenly sphere. But what Galileo saw was a rocky, barren world, which he expressed through his watercolor painting.
Đầu tiên là Galileo người đã sử dụng kính thiên văn đầu tiên trên thế giới để quan sát Mặt Trăng. Và ông đã thay đổi nhận thức của chúng ta về Mặt Trăng. Theo quan niệm ở thế kỷ 17 thì Mặt Trăng là một trái cầu hoàn hảo. Nhưng cái mà Galileo nhìn thấy lại là một vùng đất cằn cỗi và nhiều đá, như ông đã diễn tả qua những bức tranh mầu nước của mình.
Another scientist with very big ideas, the superstar of biology is Charles Darwin. And with this famous entry in his notebook, he begins in the top left-hand corner with, "I think," and then sketches out the first tree of life, which is his perception of how all the species, all living things on Earth are connected through evolutionary history -- the origin of species through natural selection and divergence from an ancestral population.
Một nhà khoa học với những ý tưởng rất lớn khác, một siêu sao của ngành sinh học, là Charles Darwin. Ở mục ghi chép nổi tiếng trong cuốn sổ của ông, ông bắt đầu ở góc trái với, "Tôi nghĩ là", rồi phác họa ra cây sự sống đầu tiên, mà đồng thời cũng là quan điểm của ông về mối liên hệ giữa các loài, các sinh vật trên Trái đất, thông qua lịch sử tiến hóa -- nguồn gốc của muôn loài qua chọn lọc tự nhiên và sự phân nhánh từ một quần thể tổ tiên ban đầu.
Even as a scientist, I used to go to lectures by molecular biologists and find them completely incomprehensible, with all the fancy technical language and jargon that they would use in describing their work, until I encountered the artworks of David Goodsell, who is a molecular biologist at the Scripps Institute. And his pictures -- everything's accurate and it's all to scale. And his work illuminated for me what the molecular world inside us is like.
Mặc dù cũng là một nhà khoa học, nhưng khi nghe bài giảng của các nhà sinh học phân tử tôi đã hoàn toàn không hiểu gì, với tất cả những ngôn ngữ kỹ thuật mầu mè và các biệt ngữ mà họ sử dụng để nói về công việc của họ, cho đến khi tôi thấy những bức ảnh minh họa của David Goodsell, một nhà sinh học phân tử ở viện Scripps. Và các bức hình của ông, tất cả đều chính xác và đúng tỷ lệ. Những bức vẻ của ông đã giúp tôi thấy rõ thế giới phân tử bên trong chúng ta như thế nào.
So this is a transection through blood. In the top left-hand corner, you've got this yellow-green area. The yellow-green area is the fluid of blood, which is mostly water, but it's also antibodies, sugars, hormones, that kind of thing. And the red region is a slice into a red blood cell. And those red molecules are hemoglobin. They are actually red; that's what gives blood its color. And hemoglobin acts as a molecular sponge to soak up the oxygen in your lungs and then carry it to other parts of the body.
Đây là một lát cắt ngang qua mạch máu. Ở góc trái trên cùng, bạn nhìn thấy khu vực màu xanh vàng này. Đó là huyết tương, với nước là chủ yếu, nhưng cũng có cả kháng thể, đường, hoóc môn, những thứ đại loại vậy. Và vùng màu đỏ là một lát cắt của một tế bào hồng cầu. Những phân tử màu đỏ là hemoglobin. Chúng có màu đỏ; và vì vậy tạo nên màu đỏ của máu. Và hemoglobin hoạt động như một miếng xốp phân tử hấp thu khí oxi từ phổi của bạn rồi vận chuyển nó tới những bộ phận khác của cơ thể.
I was very much inspired by this image many years ago, and I wondered whether we could use computer graphics to represent the molecular world. What would it look like? And that's how I really began. So let's begin.
Bức ảnh này đã gây cảm hứng mạnh mẽ cho tôi từ nhiều năm trước, và tôi tự hỏi liệu chúng ta có thể sử dụng đồ họa máy tính để miêu tả thế giới phân tử. Nó sẽ trông như thế nào? Và đó là khi tôi bắt đầu ý tưởng. Vậy ta hãy bắt đầu. Đây là ADN ở dạng chuỗi xoắn kép.
This is DNA in its classic double helix form. And it's from X-ray crystallography, so it's an accurate model of DNA. If we unwind the double helix and unzip the two strands, you see these things that look like teeth. Those are the letters of genetic code, the 25,000 genes you've got written in your DNA. This is what they typically talk about -- the genetic code -- this is what they're talking about. But I want to talk about a different aspect of DNA science, and that is the physical nature of DNA. It's these two strands that run in opposite directions for reasons I can't go into right now. But they physically run in opposite directions, which creates a number of complications for your living cells, as you're about to see, most particularly when DNA is being copied.
Và nó được xác định bởi tinh thể học tia X, cho nên mô hình này khá là chuẩn. Giờ nếu chúng ta tháo chuỗi xoắn kép và mở tách hai chuỗi ra, chúng ta sẽ nhìn thấy chúng giống như hàm răng. Đó là những ký tự của mã di truyền, là 25,000 gen được viết vào phân tử ADN của bạn. Đây là cái mà chúng ta vẫn luôn nói về -- mã di truyền -- đây là cái chúng ta đang thảo luận. Nhưng tôi muốn nói về một khía cạnh khác của khoa học ADN, và đó là bản chất vật lý của ADN. Đó là 2 chuỗi này chạy theo 2 hướng ngược nhau vì những lý do mà tôi không đi vào chi tiết lúc này. Nhưng chúng chạy theo hai hướng ngược chiều nhau, dẫn tới rất nhiều sự phức tạp trong tế bào cơ thể, mà các bạn sắp sửa thấy đây, cụ thể nhất là khi ADN bắt đầu được sao chép.
And so what I'm about to show you is an accurate representation of the actual DNA replication machine that's occurring right now inside your body, at least 2002 biology. So DNA's entering the production line from the left-hand side, and it hits this collection, these miniature biochemical machines, that are pulling apart the DNA strand and making an exact copy. So DNA comes in and hits this blue, doughnut-shaped structure and it's ripped apart into its two strands. One strand can be copied directly, and you can see these things spooling off to the bottom there. But things aren't so simple for the other strand because it must be copied backwards. So it's thrown out repeatedly in these loops and copied one section at a time, creating two new DNA molecules.
Và bởi vậy cái mà tôi sẽ cho bạn xem là một sự miêu tả chính xác về hoạt động thật sự của bộ máy sao chép DNA đang xảy ra bên trong bạn, ít nhất là vẫn còn đúng vào năm 2002. Và đây là ADN đang đi vào phạm vi sản xuất từ phía bên trái, và đâm vào khu vực tập hợp những bộ máy hóa sinh nhỏ, mà đang kéo tách một phần chuỗi ADN và tạo ra một bản copy chính xác. Vậy là ADN đi vào và chạm vào kết cấu mầu xanh hình bánh rán rồi bị xé thành hai chuỗi. Một chuỗi có thể được sao chép một cách trực tiếp, và bạn có thể nhìn thấy chúng đang được cuộn vào cho tới tận cùng đây. Nhưng mọi sự không hề đơn giản cho chuỗi còn lại bởi vì nó phải được sao chép theo hướng ngược lại. Vậy là nó bị quẳng ra ngoài một cách lặp đi lặp lại qua những vòng này và mỗi lần như vậy lại được sao chép một phần, để tạo ra hai phân tử ADN mới.
Now you have billions of this machine right now working away inside you, copying your DNA with exquisite fidelity. It's an accurate representation, and it's pretty much at the correct speed for what is occurring inside you. I've left out error correction and a bunch of other things.
Giờ bạn có hàng tỷ những cỗ máy này đang làm việc ngay lúc này bên trong bạn, sao chép ADN của bạn với độ tin cậy cao. Đây là một sự miêu tả chính xác, và rất gần với tốc độ chính xác những gì đang xảy ra bên trong bạn. Dù tôi đã bỏ sót quá trình sửa lỗi và nhiều thứ khác.
(Laughter)
Đây là công trình từ nhiều năm về trước.
This was work from a number of years ago-- Thank you.
Cảm ơn. Công trình này đã cũ rồi,
(Applause)
This is work from a number of years ago, but what I'll show you next is updated science, it's updated technology. So again, we begin with DNA. And it's jiggling and wiggling there because of the surrounding soup of molecules, which I've stripped away so you can see something. DNA is about two nanometers across, which is really quite tiny. But in each one of your cells, each strand of DNA is about 30 to 40 million nanometers long. So to keep the DNA organized and regulate access to the genetic code, it's wrapped around these purple proteins -- or I've labeled them purple here. It's packaged up and bundled up. All this field of view is a single strand of DNA. This huge package of DNA is called a chromosome. And we'll come back to chromosomes in a minute.
nhưng thứ tôi sẽ cho các bạn xem sau đây là công nghệ khoa học đã được cập nhật. Nào hãy bắt đầu lại với ADN. Và nó đang lắc lư và xóc xóc nhẹ bởi vì xung quanh nó là rất nhiều phân tử khác, mà giờ tôi sẽ dẹp đi để bạn có thể nhìn thấy thứ gì đó. ADN chỉ rộng cỡ khoảng 2 nm nó rất nhỏ. Nhưng bên trong mỗi tế bào của bạn, mỗi chuỗi ADN dài khoảng 30 - 40 triệu nm. Bởi vậy để giữ cho ADN ở trạng thái có tổ chức và để điều khiển việc tiếp cận mã di truyền, nó được cuốn quanh những phân tử protein mầu tím này -- tôi đã đánh dấu mầu tím ở đây. Nó được gói ghém và bó lại. Và cái chúng ta đang nhìn là một chuỗi đơn ADN. Gói ADN lớn này được gọi là nhiễm sắc thể. Chúng ta sẽ nói về nhiễm sắc thể sau một phút.
We're pulling out, we're zooming out, out through a nuclear pore, which is the gateway to this compartment that holds all the DNA, called the nucleus. All of this field of view is about a semester's worth of biology, and I've got seven minutes, So we're not going to be able to do that today? No, I'm being told, "No."
Giờ chúng ta đang gỡ ra, thu nhỏ lại, nhìn qua một lỗ hổng của nhân, mà chính là cổng để tới nơi đang giữ tất cả ADN và ta gọi nơi đó là nhân tế bào. Tất cả những gì chúng ta nhìn thấy có giá trị ngang với một học kỳ của môn sinh học, và tôi chỉ gói trong 7 phút. Chẳng lẽ ngày nay chúng ta sẽ không thể làm được điều này? Và tôi được trả lời là "Không thể."
This is the way a living cell looks down a light microscope. And it's been filmed under time-lapse, which is why you can see it moving. The nuclear envelope breaks down. These sausage-shaped things are the chromosomes, and we'll focus on them. They go through this very striking motion that is focused on these little red spots. When the cell feels it's ready to go, it rips apart the chromosome. One set of DNA goes to one side, the other side gets the other set of DNA -- identical copies of DNA. And then the cell splits down the middle. And again, you have billions of cells undergoing this process right now inside of you.
Đây là tế bào sống được nhìn qua một chiếc kính hiển vi. Và nó đã được quay thành phim, bởi vậy mà bạn nhìn thấy nó đang chuyển động. Vỏ nhân bị phá hủy. Và những thứ có hình xúc xích này là nhiễm sắc thể, và chúng ta sẽ chú ý tới chúng. Chúng trải qua một sự chuyển động cực kỳ ấn tượng mà được tập trung ở những chấm đỏ này. Khi tế bào cảm thấy nó đã sẵn sàng, nó sẽ xé nhiễm sắc thể làm đôi. Một bộ ADN sẽ tới một phía, và bộ ADN còn lại sẽ tới phía kia -- đó là hai bản giống nhau của ADN. Và sau đó tế bào chia cắt ở giữa. Và tiếp tục, chúng ta có hàng tỷ tế bào đang thực hiện quá trình này ngay bên trong bạn.
Now we're going to rewind and just focus on the chromosomes, and look at its structure and describe it. So again, here we are at that equator moment. The chromosomes line up. And if we isolate just one chromosome, we're going to pull it out and have a look at its structure. So this is one of the biggest molecular structures that you have, at least as far as we've discovered so far inside of us. So this is a single chromosome. And you have two strands of DNA in each chromosome. One is bundled up into one sausage. The other strand is bundled up into the other sausage.
Giờ chúng ta tua lại đoạn phim và chỉ tập trung vào nhiễm sắc thể, quan sát cấu trúc và miêu tả nó. Nào bây giờ chúng ta đang ở mặt phẳng xích đạo. Các nhiễm sắc thể xếp thành hàng dọc. Và nếu chúng ta tách một nhiễm sắc thể, chúng ta sẽ kéo nó ra và nhìn vào cấu trúc của nó. Đây là một trong những cấu trúc phân tử lớn nhất trong cơ thể bạn, ít nhất là với những gì chúng ta hiện giờ biết được. Và đây là một nhiễm sắc thể đơn. Và bạn có hai chuỗi ADN trong mỗi nhiễm sắc thể. Một chuỗi bó lại thành một chiếc xúc xích. Chuỗi kia bó lại thành một chiếc xúc xích khác.
These things that look like whiskers that are sticking out from either side are the dynamic scaffolding of the cell. They're called microtubules, that name's not important. But we're going to focus on the region labeled red here -- and it's the interface between the dynamic scaffolding and the chromosomes. It is obviously central to the movement of the chromosomes. We have no idea, really, as to how it's achieving that movement.
Còn những thứ mà trông giống như lông mèo mà đang vắt qua từ hai phía tế bào là những giàn giáo linh động nâng đỡ tế bào. Chúng được gọi là vi ống. Tên không quan trọng lắm. Cái mà chúng ta cần chú ý là khu vực đỏ này -- Tôi dán nhãn đỏ ở đây -- và đó là mặt phân giới giữa hệ vi ống và nhiễm sắc thể. Nó hiển nhiên là trung tâm cho sự chuyển động của nhiễm sắc thể. Và chúng ta không biết thực sự nó đạt được sự chuyển động này bằng cách nào.
We've been studying this thing they call the kinetochore for over a hundred years with intense study, and we're still just beginning to discover what it's about. It is made up of about 200 different types of proteins, thousands of proteins in total. It is a signal broadcasting system. It broadcasts through chemical signals, telling the rest of the cell when it's ready, when it feels that everything is aligned and ready to go for the separation of the chromosomes. It is able to couple onto the growing and shrinking microtubules.
Chúng ta đã tập trung nghiên cứu rất sâu cái gọi là vùng gắn thoi (kinetochore) hơn 100 năm nay rồi, và chúng ta vẫn mới chỉ bắt đầu khám phá nó thực sự là cái gì. Đó là một tập hợp của hơn 200 loại protein khác nhau, tổng cộng là hàng ngàn protein. Nó là một hệ thống truyền tín hiệu. Nó truyền tin thông qua những tín hiệu hóa học để nói với phần còn lại của tế bào khi nào nó sẵn sàng, khi nào nó cảm thấy mọi thứ đã được sắp xếp và sẵn sàng để bắt đầu quá trình phân chia nhiễm sắc thể. Nó có thể nối các sợi vi ống đang trải rộng và co ngắn với nhau.
It's involved with the growing of the microtubules, and it's able to transiently couple onto them. It's also an attention-sensing system. It's able to feel when the cell is ready, when the chromosome is correctly positioned. It's turning green here because it feels that everything is just right. And you'll see, there's this one little last bit that's still remaining red. And it's walked away down the microtubules. That is the signal broadcasting system sending out the stop signal. And it's walked away -- I mean, it's that mechanical. It's molecular clockwork.
Nó cũng tham gia vào quá trình phát triển các vi ống, và có thể nhất thời gắn vào vi ống. Nó cũng là một hệ thống cảm biến. Nó có thể cảm giác được khi nào thì tế bào đã sẵn sàng, khi nào nhiễm sắc thể đã xếp hàng ở đúng vị trí. Nó đang chuyển sang màu xanh ở đây vì nó cảm thấy tất cả mọi thứ đã chín muồi. Và bạn sẽ thấy, vẫn còn một chút xíu ở đây vẫn còn nguyên màu đỏ. Và nó được đưa dọc xuống vi ống. Đó là hệ thống truyền tín hiệu đang phát đi tín hiệu ngừng. Và nó đã được đưa đi. Ý tôi là, nó khá máy móc. Nó giống một chiếc đồng hồ phân tử.
This is how you work at the molecular scale. So with a little bit of molecular eye candy,
Và đây là những gì đang hoạt động ở cấp độ phân tử. Và để cho vào một chút khiếu thẩm mỹ,
(Laughter)
chúng ta có kinesin, những thứ có mầu da cam.
we've got kinesins, the orange ones. They're little molecular courier molecules walking one way. And here are the dynein, they're carrying that broadcasting system. And they've got their long legs so they can step around obstacles and so on. So again, this is all derived accurately from the science. The problem is we can't show it to you any other way.
Chúng là những phân tử chuyển phát nhanh chỉ đi theo một chiều. Và đây là dynein. Chúng vận chuyển hệ thống truyền tin đó. Và chúng có những đôi chân dài để có thể bước qua những chướng ngại vật. Và một lần nữa, tất cả đều đã được tạo ra một cách chính xác từ khoa học. Vấn đề là chúng tôi không thể giúp bạn nhìn thấy bằng bất cứ cách nào khác.
Exploring at the frontier of science, at the frontier of human understanding, is mind-blowing. Discovering this stuff is certainly a pleasurable incentive to work in science. But most medical researchers -- discovering the stuff is simply steps along the path to the big goals, which are to eradicate disease, to eliminate the suffering and the misery that disease causes and to lift people out of poverty.
Khám phá tại giới hạn của khoa học, ở ngưỡng cửa của sự hiểu biết của con người là một thử thách hấp dẫn. Việc khám phá ra công cụ này chắc chắn sẽ là một động lực thú vị cho nghiên cứu khoa học. Nhưng với hầu hết những nhà nghiên cứu y khoa -- việc khám phá ra công cụ này đơn giản chỉ là những bước trên con đường tới những mục tiêu lớn để quét sạch bệnh tật, loại bỏ những đau đớn và khốn khổ mà bệnh tật gây ra và đưa con người thoát khỏi đói nghèo.
Thank you.
Xin cảm ơn.
(Applause)
(Tiếng vỗ tay)