Thủy tức và cơ sở suy luận về sự ra đời của tế bào thần kinh
Tự nhiên đã tạo ra một loài sinh vật có khả năng nhận biết về tự nhiên và tác động ngược trở lại tự nhiên, đó là động vật đa bào. Khả năng nhận biết và từ đó hình thành các phản ứng tác động ngược trở lại tự nhiên của động vật đa bào được thực hiện bởi một cơ quan là hệ thần kinh. Hệ thần kinh của động vật đa bào là một tập hợp các tế bào thần kinh. Tùy theo mức độ và hướng tiến hóa mà trong các loài động vật khác nhau hình thành các dạng hệ thần kinh khác nhau và các tế bào thần kinh được phân hóa để đảm nhận các chức năng thần kinh khác nhau. Các dạng hệ thần kinh gồm có dạng lưới, dạng hạch, dạng não tủy. Các chức năng thần kinh gồm chức năng tiếp nhận sự tác động của môi trường, chức năng truyền dẫn tín hiệu thần kinh, chức năng ghi nhớ, chức năng xử lý thông tin, chức năng điều khiển các hoạt động của cơ thể. Với nhiều chức năng như vậy, hệ thần kinh của động vật đa bào là một cơ quan phức tạp trong cơ thể động vật và nghiên cứu về hệ thần kinh cũng được phân chia thành nhiều lĩnh vực khác nhau như giải phẫu thần kinh, sinh lý thần kinh, bệnh học thần kinh, hoạt động thần kinh...Một lĩnh vực không kém quan trọng khác trong nghiên cứu về hệ thần kinh là sự tiến hóa của hệ thần kinh. Lịch sử phát triển của sinh giới là lịch sử tiến hóa. Quá trình tiến hóa của sinh vật là quá trình hình thành các bộ phận, các cơ quan trong cơ thể sinh vật để đảm nhận một chức năng nào đó nhằm đảm bảo cho quá trình sinh trưởng của cá thể và duy trì, phát triển loài. Các tế bào và hệ thần kinh ra đời để đảm nhận các chức năng nói trên đây. Vậy các tế bào và hệ thần kinh ra đời như thế nào? Nếu xét theo góc độ của sự sinh sản thì câu trả lời là các tế bào thần kinh được chuyển hóa từ các tế bào mầm trong phôi thai và hệ thần kinh hình thành trên cơ sở di truyền được quy định trong hệ thống gen. Nhưng xét theo phương diện tiến hóa của sinh giới thì đây là một câu hỏi khó trả lời bởi sự việc đã xảy ra cách đây hàng trăm triệu, và có thể là hàng tỷ năm, trải qua một quãng thời gian rất dài và không để lại dấu vết khảo cổ nào, không có hóa thạch nào có thể cho biết về sự ra đời của các tế bào thần kinh mặc dù chúng có thể cho biết động vật đó có hệ thần kinh hay không. Những khó khăn này cho thấy chúng ta không thể “ nhìn thấy” sự ra đời của các tế bào thần kinh trong quá trình tiến hóa mà chỉ có thể suy luận về quá trình đó.
Trong các dạng hệ thần kinh thì dạng đơn giản nhất là dạng lưới. Trong dạng hệ thần kinh này, các tế bào thần kinh chưa được phân chia để dảm nhận các chức năng khác nhau mà các tế bào thần kinh chỉ có một chức năng là kích thích sự vận động của cơ thể. Giữa các tế bào thần kinh này có các sợi dây thần kinh để truyền dẫn tín hiệu thần kinh. Loài động vật có hệ thần kinh dạng lưới này là loài ruột khoang mà tiêu biểu là thủy tức nước ngọt. Sự đơn giản trong cấu trúc hệ thần kinh của thủy tức tạo cơ sở cho việc nghiên cứu về sự ra đời của tế bào thần kinh trong động vật đa bào.
Thủy tức nước ngọt là loài động vật có cấu trúc cơ thể đơn giản. Cơ thể của chúng gồm hai lớp tế bào, giữa hai lớp là các tế bào thần kinh nằm rải rác và liên kết với nhau bằng sợi thần kinh. Thủy thức có một khoang bụng để chứa và tiêu hóa thức ăn. Thức ăn và cặn bã sau tiêu hóa được thủy thức tiếp nhận và thải ra qua cùng một cửa là miệng của thủy tức. Cấu trúc cơ thể của thủy tức tạo nên sự liên tưởng tới một quả bóng bị xì hơi và ấn cho lõm vào một phía. Khi cắt ngang của bóng này chúng ta sẽ thấy cấu trúc tương tự của thủy tức với hai lớp tế bào nằm sát nhau. Như vậy chúng ta có thể cho rằng thủy tổ của thủy tức là một tập hợp các tế bào hay các đơn bào liên kết với nhau có dạng hình cầu rỗng. Một tập hợp các động vật đơn bào tập đoàn động vật đơn bào. Trong tập đoàn đơn bào, các đơn bào vì một lý do nào đó chúng bị dính lại với nhau, còn mỗi đơn bào vẫn tự đảm bảo lấy cuộc sống riêng của mình, còn trong động vật đa bào, dù đơn giản nhất cũng có sự phân chia chức năng. Các tế bào của thủy tức cũng phân chia để thực hiện một số chức năng như bắt mồi, tiêu hóa, thần kinh, vận động. Chúng ta đang nghiên cứu về sự ra đời của tế bào thần kinh, vì vậy chúng ta tập trung chủ yếu vào các tế bào thần kinh. Hãy đặt sự chú ý vào vị trí của các tế bào thần kinh trong cơ thể thủy tức. So với các tế bào khác, các tế bào thần kinh của thủy tức nằm giữa hai lớp tế bào, điều này có nghĩa là các tế bào thần kinh của thủy tức không tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống như các tế bào khác. Suy ngược về thủy tổ của thủy tức, các tế bào thần kinh của thủy tức là các tế bào, và khi chưa phân hóa thành tế bào thần kinhchúng là các đơn bào, nằm phía trong tập đoàn, chúng là các điểm rải rác trên ruột hay vét-xi của quả bóng. Với vị trí không tiếp xúc với môi trường như vậy, chúng không thể trực tiếp hấp thụ dinh dưỡng và hô hấp, chúng phải nhận dinh dưỡng và ô xy từ các đơn bào phía ngoài. Mỗi khi có nhu cầu về dinh dưỡng, chúng lại tạo nên một kích thích nào đó tác động lên các đơn bào phía ngoài để các đơn bào phía ngoài hoạt động tìm kiếm, hấp thụ dinh dưỡng từ môi trường để cung cấp cho chúng. Dần dần, sự kích thích này trở thành các tín hiệu thần kinh và các đơn bào nằm phía trong của tập đoàn có khả năng kích thích các tế bào khác trở thành các tế thần kinh. Sự phân hóa tế bào này được thực hiện đánh dấu sự ra đời của một loài động vật mới, đó là động vật đa bào. Như vậy, các tế bào thần kinh ra đời từ các đơn bào bị đói nằm phía trong các tập đoàn đơn bào. Chúng bị đói cả về dinh dưỡng và dưỡng khí. Chúng phải kích thích các tế bào khác để các tế bào đó hấp thụ dinh dưỡng nhiều hơn nhu cầu của các tế bào đó để có phần dư dành cho chúng. Môi trường ra đời của các tế bào thần kinh là môi trường nghèo dinh dưỡng và ôxy. Sự phân hóa chức năng đầu tiên trong động vật đa bào là sự phân hóa chức năng dinh dưỡng và chức năng thần kinh. Mặc dù không có dấu tích hóa thạch, nhưng chúng ta có thể nhận thấy dấu tích của sự phân hóa này ở sự hình thành một số tế bào thần kinh từ rất sớm trong quá trình hình thành và phát triển của phôi thai. Và cũng với lý do nghèo dinh dưỡng, nên các cấu trúc chức năng của nhiều tế bào thần kinh không được hình thành ngay từ khi tế bào được phân hóa chức năng thần kinh so với các nhóm tế bào khác. Các tế bào thần kinh này đã tạo nên một loại tế bào đặc biệt là tế bào ghi nhớ mới, chúng chỉ có chức năng thần kinh và thực hiện chức năng này trong quá trình sinh trưởng chứ không hình thành chức năng ngay từ khi ra đời theo quy định của hệ thống di truyền như các nhóm tế bào khác. Điều này cũng có nghĩa là có thể có nhiều tế bào thần kinh kông hình thành được chức năng và do đó chúng sẽ không có một vai trò gì trong cơ thể. Chúng tạo nên các vùng trống trong hoạt động của một số hệ thần kinh. Chúng ta còn thấy một dấu hiệu nữa của tình trạng nghèo dinh dưỡng ảnh hưởng tới các tế bào thần kinh là mô thần kinh là loại mô có cấu trúc mềm yếu nhất của cơ thể.
Sự mô tả trên đây đưa ra một quá trình đơn giản về sự ra đời của các tế bào thần kinh. Trong thực tế sẽ không đơn giản như vậy bởi cuộc đời của mỗi cá thể động vật là rất ngắn ngủi so với quá trình biến đổi, tiến hóa để hình thành nên một loài động vật đa bào. Các loài động vật đa bào đều hình thành trên cơ sở tập đoàn đơn bào. Tùy theo số lượng đơn bào và dạng liên kết của các đơn bào mà các loài động vật hình thành các dạng thần kinh và con đường tiến hóa riêng. Một điểm có thể cho là có vai trò quan trọng trọng sự ra đời của các têa bào thần kinh là sự di truyền cách thức tác động của các đơn bào mà tương lai sẽ là các tế bào thần kinh. Chúng ta không biết quả bóng thủy tức bị lõm vào trước hay hệ thần kinh của nó hình thành trước, nhưng cần có một sự di truyền về việc có những đơn bào không trực tiếp hấp thụ thức ăn mà chúng kích thích các đơn bào khác kiếm ăn cho chúng. Để có sự di truyền này, các thông tin nói trên phải được ghi lại trong hệ thống gene, đồng thời tập đoàn phải có một phương thức tạo ra một thế hệ sau. Phương thức đơn giản nhất để tạo ra thế hệ sau là sự phân chia tập đoàn thành hai hoặc nhiều mảnh, sau đó các đơn bào tự phân chia để đảm bảo số lượng cho tập đoàn. Sự phân chia ban đầu có thể có thể do từ bên ngoài như các tác động cơ học hoặc hóa học của môi trường, sự tấn công của các thực thể sống khác. Điều quan trọng là trong mỗi đơn bào đã tích lũy dần sự ghi nhớ về các biến đổi về vai trò của một số đơn bào khác để trong quá trình tạo lại các phần bị mất, các đơn bào mới sẽ đảm nhận vai trò của đơn bào mà nó thay thế. Mặc dù đã có sự biến đổi chức năng, nhưng cần có một sự tích lũy đến một mức độ nào đó thì chức năng mới sẽ được thực hiện đầy đủ và hoàn toàn thay thế cho các chức năng của đơn bào. Đây là cái mốc đánh dấu sự chuyển hóa tập đoàn động vật đơn bào thành động vật đa bào. Sự phân chia thành các mảnh để rồi các mảnh đó tái tạo lại các phần bị thiếu để hoàn chỉnh cơ thể còn lưu dấu ấn ở một số loài động vật có mức tiến hóa thấp như thủy tức, giun tròn...hoặc cao hơn như sự mọc lại đuôi bị đứt của thàn lằn, thạch sùng, chân ếch. Cắt đôi thủy tức hay con giun và đặt chúng trở lại môi trường sống của chúng, sau một quãng thời gian chúng ta sẽ được hai thủy tức hoặc hai con giun, nhưng từ chân ếch hoặc đuôi thằn lằn không thể có một con ếch hoặc một con thằn lằn mới. Chân ếch, đuôi thằn lằn được mọc lại từ từ phần chân hay phần đuôi còn lại của cơ thể ếch và thằn lằn chứ không phải từ các bộ phần khác. Đây là biểu hiện của các bậc tiến hóa. Sự sinh sản theo phương thức phân mảnh như vậy là sự sinh sản vô tính. Với các loài động vật tiến hóa cao hơn thì sự sinh sản hoặc tái tạo lại kiểu trên đây là không thể. Một cơ thể động vật đa bào mới hiện nay được hình thành từ một hợp tử ban đầu và các bộ phận, các tế bào chức năng được phân hóa rõ ràng, chúng không thể chuyển đổi chức năng đã được phân hóa. Điều này cho thấy đã có một cái gì đó khác hơn so với quá trình hình thành cơ chế sinh sản chia mảnh ở các loài có mức tiến hóa thấp nêu ở trên đây. Một cơ thể mới được hình thành từ một hợp tử. Một hợp tử tương đương một tế bào và trong giai đoạn chúng sống độc lập, có thể coi chúng là một đơn bào. Đơn bào này đã có đầy đủ thông tin về các chức năng và các loại tế bào chức năng trong cơ thể. Câu hỏi đặt ra là để có đầy đủ thông tin về các đơn bào có chức năng khác, đơn bào mà chúng ta đang xét ở đây cần tồn tại trong một tập đoàn, nhưng tại sao sau đó chúng lại bị tách ra ở mức là một đơn bào độc lập? Nếu bị các tác động cơ học hoặc bị tấn công thì khả năng tách ra thành từng đơn bào độc lập là khó xảy ra. Câu trả lời có thể nằm ở các tác động hóa học và liên kết kém bền vững giữa các đơn bào. Sự xuất hiện của các chất hoá học có tính hòa tan (tính axit) làm tan rã các tập đoàn đơn bào liên kết yếu hoặc một vị trí trong tập đoàn có liên kết không bền đã tạo ra các đơn bào (hay có thể gọi là các đơn tử) mang thông tin về tập đoàn. Các đơn bào bị tách ra sẽ tạo nên tập đoàn mới có các đặc điểm, tính chất của tập đoàn cũ. Cách thức sinh sản của động vật đa bào ngày nay là sự thừa hưởng của việc có một hoặc một số đơn bào tách ra từ tập đoàn (chất hóa học có vai trò tách đơn bào là enzym). Đây mới là một sự thừa hưởng. Còn sự thừa hưởng khác là sự sinh sản hữu tính. Sinh sản hữu tính có vai trò đặc biệt quan trọng trong sự biến đổi để thích nghi với môi trường sống của sinh vật và sự tiến hóa bởi lượng thông tin về môi trường sống và sự biến đổi thu được để thích nghi trong một hợp tử sẽ nhiều hơn các đơn tử. Hợp tử được hình thành từ hai nửa của đơn tử. Vậy cơ chế nào khiến một đơn tử bị chia tách thành hai nửa và khi chia tách như vậy, lượng thông tin về tập đòan có còn đầy đủ? Ở đây chúng ta lại phải kể đến vai trò của môi trường thiếu dinh dưỡng và sự có mặt của các chất hóa học có khả năng phá vỡ các liên kết trong các cấu trúc của đơn tử. Khi trong một môi trường có quá nhiều sinh vật được tạo ra thì lượng dinh dưỡng sẽ bị hụt đi và tất yếu sẽ có các sinh vật, các tập đoàn động vật đơn bào thiếu dinh dưỡng. Do không đủ dinh dưỡng nên các cấu trúc cần thiết phục vụ cho sự phân chia (phân bào [[vi: Nguyên phân|nguyên phân]]) không được tạo ra, còn các chất hóa học vẫn thực hiện vai trò của nó trong việc chia tách. Kết quả là các nửa đơn tử ra đời. Quá trình này được gọi là sự phân bào giảm phân. Nếu so sánh với sự ra đời của các tế bào thần kinh với sự ra đời của các đơn tử thì chúng ta thấy có điểm chung là chúng tồn tại trong môi trường thiếu dinh dưỡng, nhưng điểm khác nhau là các tế bào phân chia thành đơn tử vừa thiếu dinh dưỡng, vừa chịu tác động của môi trường hóa học buộc chúng phải phân chia, còn tế bào thần kinh không phải phân chia, các tế hòa thần kinh là các tế bào gầy. Một nửa đơn tử không có khả năng tạo ra tập đoàn mới hay cơ thể mới, chúng phải kết hợp với một nửa đơn tử khác tạo nên một hợp tử có đủ thông tin về tập đoàn. Nếu các nửa đơn từ được tách ra không cùng tập đoàn, chúng sẽ có thêm các thông tin khác, các thông tin mới này sẽ tạo nên những biến đổi trong cơ thể sinh vật và tạo nên sự tiến hóa. Sự sinh sản bằng quá trình giảm phân để sau đó có sự kết hợp tạo nên hợp tử có nhiều thông tin mới là sự sinh sản hữu tính.
Các tế bào thần kinh có cơ sở ra đời từ sự thiếu dinh dưỡng, nhưng cũng phải trải qua một thời gian rất dài mới đạt đến sự chuyển hóa để chúng hoàn toàn đảm nhận chức năng thần kinh. Vì vậy sự hình thành các tế bào thần kinh cũng gắn với các cơ chế phân chia sinh sản của mỗi loài động vật, có nghĩa là sự hình thành các tế bào thần kinh phải trải qua rất nhiều thế hệ của mỗi loài. Mỗi loại tế bào, mỗi bộ phận cơ thể được tạo ra lại có ảnh hưởng ngược trở lại tới môi trường đã làm biến đổi nó. Đây là tác động tương hỗ giữa môi trường sống và các loài sinh vật. Môi trường sống tạo ra và thúc đẩy sự tiến hóa, sự sống được tạo ra và phát triển lại có tác động làm biến đổi môi trường. Môi trường sống bị biến đổi lại có tác động đến các loại sinh vật. Loài nào không có khả năng thích nghi hoặc biến đổi để thích nghi với môi trường sống mới sẽ bị đào thải. Tần số của sự tác động tương hỗ này sẽ ngày càng nhanh hơn và sự biến đổi sẽ ngày càng khó lường hơn.
