Những thí nghiệm khoa học thay đổi thế giới (I)

Khoa học thời hiện đại phát triển mạnh mẽ ở rất nhiều lĩnh vực với nhiều thành tựu ở các ngành vật lý, hóa học, địa lý, thiên văn học, sinh học, y học, công nghệ gen, sinh thái học và các ngành khoa học xã hội.

>>> Những thí nghiệm khoa học thay đổi thế giới (II)

Cùng điểm lại những thí nghiệm khoa học trong vòng vài trăm năm trở lại đây có ảnh hưởng mạnh mẽ và làm thay đổi diện mạo toàn thế giới.

Darwin và những bông hoa

Chiếc vòi dài màu đỏ của loài bướm này được “thiết kế” để hút mật hoa và giúp thụ phấn cho một loài lan có ống hoa dài.

Darwin được coi là người đầu tiên nhận ra sự quan trọng của loài thực vật có hoa (hay còn gọi là cây hạt kín). Chúng chiếm phần lớn trong tổng số các loài thực vật có mặt trên trái đất. Chúng chi phối hệ sinh thái và là nguồn cung cấp lương thực chủ yếu cho con người dưới dạng hạt như: ngũ cốc, gạo hay lúa mỳ.

Mặc dù là người tìm ra “Thuyết tiến hóa” - một trong những phát minh vĩ đại nhất trong lịch sử loài người nhưng chính Darwin đã có lúc phải thốt lên rằng, sự tiến hóa của các loài hoa là một điều bí ẩn đến khó chịu.

Công trình khoa học “Thuyết tiến hóa” của ông ra đời bắt đầu từ chuyến đi thám hiểm và khảo sát trên con tàu HMS Beagle, kéo dài 5 năm vòng quanh thế giới từ Anh, đến Nam Mỹ, Thái Bình Dương, Australia, Ấn Độ Dương, Nam Phi và cuối cùng trở về Anh. Sau khi trở về Anh, ông đã thực hiện nhiều quan sát và nghiên cứu tập trung trên các loài hoa lan.

Khi trồng và tiến hành nghiên cứu một số loài hoa lan bản địa, Darwin nhận thấy hình dáng phức tạp của chúng là một sự thích nghi cho phép chúng thu hút các loài côn trùng giúp chúng mang phấn hoa sang các bông hoa bên cạnh.

Darwin đã dùng những dữ liệu thu thập được khi quan sát các loài hoa lan và những loài côn trùng thụ phấn tương ứng để củng cố cho thuyết chọn lọc tự nhiên của ông. Ba năm sau đó ông mô tả hiện tượng chọn lọc tự nhiên lần đầu tiên trong tác phẩm “Nguồn gốc các loài”. Như vậy, có thể nói ông đã đặt nền móng cho việc nghiên cứu quá trình tiến hóa của các loài sinh vật trên trái đất chỉ thông qua một vài thí nghiệm về các loài hoa.

Giải mã cấu trúc phân tử ADN

Alfred Hershey trong phòng thí nghiệm.

Mặc dù James Watson và Francis Crick được vinh danh với công trình đồng khám phá ra cấu trúc của phân tử ADN, nhưng công trình nghiên cứu của họ dựa phần lớn trên các nghiên cứu trước đó của Alfred Hershey và Martha Chase. Vào năm 1952, Alfred và Chase đã thực hiện một thí nghiệm nổi tiếng, các kết quả thu được từ thí nghiệm này cho thấy chính phân tử ADN mới là cấu trúc mang thông tin di truyền (chứ không phải protein).

Sau phát hiện này, các nhà khoa học khác bắt đầu các nghiên cứu tập trung vào phân tử ADN và việc giải mã cấu trúc của nó. Rosalind Franklin đã dùng kỹ thuật nhiễu xạ tia X để nghiên cứu phân tử ADN và phát hiện ra cấu tạo hình chữ X xoắn; công trình của Franklin xác nhận về câu trúc xoắn kép và còn ghi nhận về tính đối xứng của phân tử, đặc biệt là cho rằng hai mạch chạy theo hướng ngược nhau dạng đối song.

Watson và Crick được hỗ trợ rất nhiều nhờ những phát hiện này; sau đó, Watson đề nghị Franklin hợp tác để thắng một nhóm nghiên cứu khác trong cuộc chạy đua tìm ra cấu trúc của phân tử ADN, nhưng bà từ chối. Sau đó, với sự giúp đỡ của các đồng nghiệp khác, hai ông nhanh chóng hoàn thành mô hình cấu trúc phân tử ADN và công bố nó trước khi Franklin xuất bản bất kỳ công trình nào của bà.

Tiêm chủng

Bác sĩ Edward Jenner tiêm liều vắc-xin đậu mùa đầu tiên cho cậu bé James Phipps vào ngày 14/5/1796.

Việc điều chế ra loại vắc-xin đầu tiên trên thế giới gắn với tên tuổi của Edward Jenner, một bác sĩ người Anh. Năm 1796, khi châu Âu đang có dịch đậu mùa, Jenner đã thực hiện thành công thử nghiệm vắc-xin ngừa căn bệnh này. Vào thời điểm đó, kinh nghiệm dân gian cho thấy những nông dân vắt sữa bò có thể bị lây bệnh đậu bò, nhưng sau khi khỏi bệnh, họ trở nên miễn nhiễm đối với bệnh đậu mùa.

Dựa vào đó, bác sĩ Jenner chiết lấy dịch từ các vết đậu bò trên cánh tay của cô bệnh nhân Sarah Nelmes rồi cấy dịch này vào cánh tay của cậu bé 8 tuổi khỏe mạnh cùng làng tên là James Phipps. Phipps sau đó đã có những triệu chứng của bệnh đậu bò. 48 ngày sau, Phipps khỏi hẳn bệnh đậu bò, Jenner liền tiêm chất có chứa mầm bệnh đậu mùa cho Phipps, nhưng Phipps lại không bị mắc căn bệnh này nữa. Cách làm của Jenner xét theo các tiêu chuẩn y đức ngày nay thật không ổn, nhưng rõ ràng đó là một hành động có tính khai phá: đứa trẻ được chủng ngừa đã đề kháng được bệnh.

80 năm sau, Louis Pasteur đã thực hiện một số thí nghiệm trên đàn gà và xác nhận các giả thuyết của Jenner, từ đó mở đường cho khoa miễn dịch học hiện đại.

Việc chủng ngừa đã đẩy lùi nhiều căn bệnh nguy hiểm: triệt tiêu bệnh đậu mùa trên toàn cầu, thanh toán gần như hoàn toàn bệnh bại liệt, giảm đáng kể các bệnh sởi, bạch hầu, ho gà, bệnh ban đào, thủy đậu, quai bị, thương hàn và uốn ván, … Người ta còn hướng tới triển vọng dùng vắc-xin để điều trị một số bệnh nan y như ung thư, AIDS,…

Phát hiện ra hạt nhân nguyên tử

Ernest Rutherford là một nhà vật lý người New Zealand hoạt động trong lĩnh vực phóng xạ và cấu tạo nguyên tử, ông được coi là "cha đẻ" của ngành vật lý hạt nhân. Ông đã khám phá ra rằng nguyên tử có điện tích dương tập trung trong hạt nhân nguyên tử, từ đó đặt nền móng để ông phát triển mô hình hành tinh nguyên tử. Nhờ phát hiện này, cộng với việc làm sáng tỏ hiện tượng tán xạ Rutherford trong thí nghiệm với lá vàng mà ông được giải Nobel hóa học vào năm 1908.

Mô hình nguyên tử của Rutherford là mô hình đầu tiên đề xuất một hạt nhân nhỏ bé nằm tại tâm của nguyên tử, có thể coi là sự khai sinh cho khái niệm hạt nhân nguyên tử. Sau khám phá này, việc nghiên cứu về nguyên tử được tách ra làm hai nhánh, vật lý hạt nhân nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử, và vật lý nguyên tử nghiên cứu cấu trúc của các electron bay quanh.

Tuy nhiên, mô hình Rutherford có cách nhìn cổ điển về các hạt electron bay trên quỹ đạo như các hành tinh bay quanh Mặt Trời; không thể giải thích được cấu trúc quỹ đạo của electron liên quan đến các quá trình hóa học; đặc biệt không giải thích được tại sao nguyên tử tồn tại cân bằng bền và electron không bị rơi vào trong hạt nhân. Mô hình này sau đó được thay thế bằng mô hình bán cổ điển của Neils Bohr vào năm 1913 và mô hình lượng tử về nguyên tử.

Dù cho nó không chính xác, mô hình nguyên tử Rutherford thường được dùng trong các minh họa trong các phương tiện thông tin đại chúng như là biểu tượng cho nguyên tử. Ví dụ như mô hình này được vẽ trên cờ của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế.

Ngành Tinh thể học tia X

Mặc dù kim cương (trên, bên trái) và than chì (trên, bên phải) giống nhau về thành phần hóa học (cấu tạo hoàn toàn từ carbon) nhưng tinh thể học tia X cho thấy sự sắp xếp các nguyên tử khác nhau dẫn đến sự khác nhau về tính chất giữa chúng.

Trong kim cương, các nguyên tử cácbon được sắp xếp theo khối tứ diện và được giữ với nhau bằng liên kết cộng hóa trị đơn, tạo cho nó kết nối mạnh theo mọi hướng. Ngược lại, than chì cấu tạo bơi các lớp chồng lên nhau, trong đó nguyên tử cacbon liên kết lục giác bằng các liên kết đơn và đôi, không có liên kết cộng hóa trị giữa các lớp.

Tinh thể học tia X là ngành khoa học xác định sự sắp xếp của các nguyên tử bên trong một tinh thể dựa vào dữ liệu về sự phân tán của các tia X sau khi chiếu vào các electron của tinh thể.

Phía trên chúng ta có nhắc đến kỹ thuật nhiễu xạ tia X mà Rosalind Franklin dùng để nghiên cứu cấu tạo của phân tử ADN; và người đi tiên phong trong việc sử dụng kỹ thuật này là Dorothy Crowfoot Hodgkin, một trong 3 người phụ nữ duy nhất từng thắng giải Nobel Hóa học.

Bằng cách chiếu tia X lên tinh thể để lưu lại trên phim những điểm nhiễu xạ do sự giao thoa giữa các nguyên tử của tinh thể gây ra, rồi sử dụng các phép toán để tính khoảng cách và vị trí của các điểm xác định, từ đó tìm ra cấu trúc phân tử của tinh thể, Dorothy đã đưa những nghiên cứu tinh thể đi đến những kết quả mà giới khoa học trông đợi.

Bắt đầu bằng nghiên cứu về cấu trúc của pepsin, một enzim có trong tuyến nước bọt, Dorothy đã lần lượt giải mã thành công cấu trúc của cholesterol, lactoglobulin, ferritin, cấu trúc của virus gây bệnh khảm thuốc lá. Năm 1946, bà đã công bố cấu trúc phức tạp của thuốc kháng sinh penicillin. 10 năm sau, bà lại giải mã thành công cấu trúc của vitamin B12. Năm 1969 nhờ có nghiên cứu của bà mà insulin không còn là một chất khiến các nhà khoa học đau đầu.

Khó có thể nói đóng góp nào của Dorothy quan trọng hơn đóng góp nào. Nếu như việc làm sáng tỏ cấu trúc B12 đã mang lại cho bà giải Nobel hóa học bởi B12 là loại vitamin tối cần thiết giúp ngăn ngừa các bệnh thiếu máu ác tính, thì thành công trong việc phát hiện cấu trúc của penicillin lại mở ra cho các hãng dược phẩm khả năng sản xuất penicillin bán nhân tạo giúp giải quyết tình hình khan hiếm thuốc kháng sinh thời bấy giờ. Còn việc tìm ra cấu trúc ba chiều của insulin, nội tiết tố không thể thiếu trong quá trình chuyển hóa đường của cơ thể, đã góp phần duy trì cuộc sống của hàng chục triệu người mắc bệnh tiểu đường trên thế giới.