Louis Pasteur Kì 2: Từ men rượu chua đến cuộc chiến với phái theo thuyết tự sinh
Khép lại những năm tháng thanh xuân miệt mài bên các tinh thể muối tĩnh lặng, Louis Pasteur đã tìm thấy một chân lí lớn lao là sự sống luôn mang trong mình dấu ấn của sự bất đối xứng.
Nhưng hành trình truy tìm nguồn gốc sự sống không cho phép Louis Pasteur dừng lại ở những khối hình học vô cơ. Để thực sự chạm tay vào mầm sống đang đập nhịp nhàng, nhà khoa học trẻ tuổi buộc phải bước ra khỏi vùng an toàn của sự tĩnh lặng tuyệt đối, dấn thân vào một thế giới sinh động, hỗn loạn và đầy mùi vị. Cuộc chuyển giao vĩ đại từ hóa học thuần túy sang sinh học thực nghiệm đã bắt đầu khi ông đặt chân đến vùng đất công nghiệp ồn ào ở miền bắc nước Pháp. Tại đây, qua những thùng ủ rượu đang sủi bọt, ông chuẩn bị khơi mào cho một cuộc cách mạng làm thay đổi vĩnh viễn nhận thức của nhân loại về thế giới vi mô.
Men rượu Lille và bài toán của những nhà sản xuất
Tháng 9 năm 1854, ở tuổi 31, Louis Pasteur nhận quyết định bổ nhiệm làm Trưởng khoa Khoa học tại trường đại học mới thành lập ở thành phố Lille. Khác xa với vẻ hoa lệ và bầu không khí hàn lâm tĩnh mịch của thủ đô Paris, Lille chào đón vị giáo sư trẻ bằng những ống khói nhà máy cao vút, tiếng máy móc ầm ĩ và nhịp sống công nghiệp hối hả. Đây là trung tâm sản xuất sầm uất bậc nhất nước Pháp thời bấy giờ, nơi những cánh đồng củ cải đường trải dài bất tận cung cấp nguyên liệu cho hàng loạt xưởng chưng cất rượu.
Pasteur không mang trong mình định kiến của những trí thức kiêu kì luôn muốn giữ khoa học tách biệt khỏi đời sống thực tế. Ngược lại, có thể thấy rõ một triết lí làm việc xuyên suốt ở Pasteur: khoa học ứng dụng và khoa học thuần túy hòa quyện làm một. Ông tin rằng những nguyên lí vĩ đại nhất của tự nhiên có thể được tìm thấy ngay trong những xưởng sản xuất đầy bồ hóng và nghĩa vụ của một nhà khoa học là mang tri thức phục vụ cho sự phồn vinh của con người. Ngay trong bài diễn văn nhậm chức, ông đã khuyên các sinh viên của mình hãy hướng ánh mắt về những xưởng công nghiệp của thành phố, nơi đang ẩn chứa vô vàn câu hỏi cần được giải đáp.
Và cơ hội để ông thực chứng triết lí đó đã gõ cửa vào mùa hè năm 1856. Quý ông Bigo, một nhà tư bản công nghiệp địa phương và cũng là cha của một sinh viên đang theo học Pasteur, đã tìm đến văn phòng khoa với vẻ mặt đầy lo âu. Xưởng sản xuất rượu củ cải đường của gia đình Bigo đang đối mặt với nguy cơ phá sản. Đột nhiên, hàng nghìn lít nước ép củ cải đường trong các thùng ủ lớn thay vì lên men thành rượu cồn thơm mùi đặc trưng lại biến thành một thứ chất lỏng sền sệt, bốc mùi chua loét. Quá trình lên men bị hỏng, sản lượng sụt giảm nghiêm trọng, những mẻ rượu chua phải đổ bỏ gây thiệt hại hàng chục nghìn franc mỗi ngày. Những người thợ nấu rượu lành nghề nhất cũng đành bất lực đứng nhìn. Họ không thể hiểu thế lực vô hình nào đang phá hoại tài sản của mình.
Vào thời điểm đó, quá trình lên men vẫn là một bức màn đen bí ẩn. Những bộ óc vĩ đại nhất của giới hóa học, dẫn đầu là nhà hóa học quyền lực người Đức Justus von Liebig, khẳng định chắc chắn rằng lên men chỉ là một phản ứng hóa học cơ học thuần túy. Liebig đưa ra học thuyết vô cùng thuyết phục: Nấm men là một loại vật chất hữu cơ đang trong quá trình phân hủy. Sự rung động từ quá trình chết đi và tan rã của nấm men sẽ truyền sang các phân tử đường, khiến cấu trúc của đường bị phá vỡ và chuyển hóa thành rượu cùng khí carbonic. Trong thế giới quan của Liebig, lên men là hiện tượng của sự tàn lụi, của cái chết hóa học. Bất cứ ai dám phản bác lại học thuyết này đều bị coi là kẻ hoang tưởng.
Nhưng Pasteur mang theo một niềm tin khác. Ông nhớ lại những tinh thể axit tartaric bất đối xứng luôn xuất hiện trong các thùng rượu vang tự nhiên. Ông nghi ngờ rằng sự lên men có mối liên hệ mật thiết với hoạt động sống. Để tìm câu trả lời, ông rời bỏ phòng thí nghiệm tiện nghi, tự mình mang chiếc kính hiển vi thô sơ đến xưởng chưng cất của gia đình Bigo. Kể lại ngày ấy, sử gia Vallery-Radot đã mô tả lại hình ảnh vị giáo sư trẻ mặc chiếc áo choàng tối màu, bất chấp mùi hăng hắc ẩm mốc của nhà xưởng, kiên nhẫn dùng những chiếc ống thủy tinh nhỏ xíu hút lấy từng mẫu nước từ trong các thùng ủ đang sủi bọt. Ông lấy mẫu từ cả những thùng đang lên men tốt tạo ra rượu và cả những thùng đang bị hỏng tạo ra axit lactic chua loét.
Trở về phòng thí nghiệm, Pasteur bắt đầu những đêm thức trắng. Ánh đèn măng-sông hắt bóng ông in dài trên bức tường gạch nhám. Bầu không khí tĩnh lặng đến mức có thể nghe rõ tiếng lật giở từng trang giấy ghi chép. Qua thấu kính phóng đại, một vũ trụ hoàn toàn mới mở ra trước đôi mắt từng được rèn luyện sự tinh tường qua bộ môn nghệ thuật vẽ chân dung.
Khi soi mẫu nước củ cải đường đang lên men khỏe mạnh, Pasteur nhìn thấy những tế bào nấm men có hình tròn hoặc bầu dục, trông căng mọng. Đáng chú ý hơn, ông quan sát thấy chúng không hề phân hủy hay vỡ vụn như lời Liebig tuyên bố. Chúng đang nảy chồi. Từ một tế bào mẹ, những chồi nhỏ nhú lên, lớn dần rồi tách ra thành một cá thể độc lập. Chúng đang sinh sôi nảy nở với tốc độ chóng mặt.
Tiếp đó, ông đưa lên bàn soi mẫu nước từ những thùng ủ bị chua. Ông nín thở tập trung cao độ. Những tế bào nấm men hình tròn căng mọng đã biến mất. Thay vào đó, trong thứ chất lỏng đục ngầu ấy xuất hiện vô số những sinh vật nhỏ li ti có hình que dài, bơi lội và nhân lên dày đặc. Mỗi khi những sinh vật hình que này chiếm ưu thế, lượng rượu cồn sụt giảm và axit lactic sinh ra làm chua toàn bộ mẻ ủ.
Khoảnh khắc ấy, mọi mảnh ghép trong tư duy của Pasteur đã khớp lại với nhau một cách hoàn hảo. Ông vỡ lẽ ra một chân lí rực rỡ, lật đổ hoàn toàn uy quyền của nền hóa học đương thời: Lên men không phải là một quá trình phân hủy cơ học, càng không phải là hiện tượng của cái chết. Lên men chính là sự sống! Sự lên men là hoạt động trao đổi chất của các sinh vật vi mô nhằm duy trì sự tồn tại của chúng trong môi trường thiếu không khí. Nấm men hình tròn ăn đường củ cải và bài tiết ra rượu. Còn những sinh vật hình que kia (mà ngày nay chúng ta gọi là vi khuẩn lactic) lại tiêu thụ đường để bài tiết ra axit lactic.
Thất bại của xưởng sản xuất nhà Bigo không phải là một rủi ro. Nó là một cuộc chiến tranh sinh tồn khốc liệt đang diễn ra ở cấp độ vi mô, nơi những sinh vật hình que ngoại lai đã xâm nhập vào các thùng ủ, đánh bại nấm men hình tròn để giành lấy nguồn thức ăn. Chìa khóa để cứu vãn hàng nghìn lít nguyên liệu không nằm ở việc thêm bớt các hóa chất vô cơ, mà nằm ở việc kiểm soát sự phát triển của những mầm sống nhỏ bé này.
Bằng đôi mắt nhìn thấu bản chất tự nhiên, Pasteur đã gỡ bỏ lớp sương mù che phủ một trong những hiện tượng cổ xưa nhất của nhân loại, mở toang cánh cửa dẫn vào vương quốc của vi sinh vật. Ánh sáng từ phòng thí nghiệm nhỏ bé tại Lille đã bắt đầu hắt những tia rạng đông đầu tiên lên nền y sinh học hiện đại, báo hiệu một cuộc đối đầu tư tưởng dữ dội hơn sắp diễn ra.
Cuộc đối đầu tư tưởng của Louis Pasteur tại Đại học Sorbonne
Sau khi tháo gỡ bức màn che phủ hiện tượng lên men, một câu hỏi triết học sâu thẳm hơn lập tức bủa vây tâm trí Pasteur: Những sinh vật vô hình, nhỏ bé đang bơi lội trong các thùng rượu kia từ đâu mà có? Kể từ thời cổ đại phương Tây, nhân loại vẫn luôn tin vào một phép màu huyền bí của tự nhiên. Người ta cho rằng giòi bọ tự sinh ra từ những tảng thịt ôi thiu, ếch nhái tự trồi lên từ bùn lầy sau cơn mưa và những vi sinh vật phá hoại rượu tự thành hình từ chính thứ chất lỏng đang ủ. Thuyết tự sinh, với niềm tin rằng sự sống có thể nảy nở từ vật chất vô tri vô giác, đã thống trị tư duy con người suốt nhiều thế kỉ.
Vào năm 1859, khi khói bụi công nghiệp đang cuộn trào khắp châu Âu, Félix-Archimède Pouchet, một nhà tự nhiên học đáng kính tại thành phố Rouen, đã tung ra một tài liệu đồ sộ để bảo vệ học thuyết này. Pouchet tuyên bố ông đã thực hiện hàng loạt thí nghiệm kiểm soát nghiêm ngặt. Ông đun sôi các bình đựng nước sắc rơm rạ, đậy kín cẩn thận, rồi bơm vào đó lượng khí oxy nhân tạo tinh khiết nhất. Thế nhưng chỉ vài ngày sau, trong bình vẫn xuất hiện vô số sinh vật phù du. Lời tuyên bố của Pouchet ngay lập tức thu hút sự chú ý của giới hàn lâm Pháp, củng cố thêm niềm tin thâm căn cố đế của đám đông.
Thuyết tự sinh, với niềm tin rằng sự sống có thể nảy nở từ vật chất vô tri vô giác, đã thống trị tư duy con người suốt nhiều thế kỉ.
Nhưng Louis Pasteur, với trực giác sắc bén đã được tôi luyện qua những năm tháng phân loại từng hạt tinh thể bất đối xứng, không thể chấp nhận sự dễ dãi đó. Ông hiểu rằng vũ trụ luôn vận hành theo những quy luật chặt chẽ, nơi mọi hệ quả đều phải có một nguyên nhân tương xứng. Sự sống, dù ở hình hài nhỏ bé nhất, tuyệt đối không thể xuất hiện từ cõi hư vô. Khi ông quyết định thách thức Pouchet, nhiều người bạn thân thiết đã lên tiếng ngăn cản. Ngay cả vị giáo sư vật lí lão thành Jean-Baptiste Biot cũng khuyên ông đừng lãng phí thời gian vào một mớ bòng bong triết học đầy rủi ro. Bất chấp những lời can ngăn, Pasteur vẫn kiên quyết giam mình trong phòng thí nghiệm, dồn toàn bộ tâm trí để thiết kế một phương pháp thực nghiệm tinh tế nhằm vạch trần tận gốc những sai lầm của thuyết tự sinh.
Qua tài liệu của sử gia René Dubos, chúng ta chiêm ngưỡng được tài năng chế tác tuyệt vời của Pasteur. Để chứng minh vi sinh vật đến từ bụi bẩn trong không khí chứ không tự sinh ra từ chất lỏng, ông đã tạo ra một dụng cụ cực kì đơn giản mang đậm tính thiên tài: Chiếc bình cổ ngỗng.
Pasteur chuẩn bị một loạt bình thủy tinh có bầu tròn chứa dung dịch canh thịt hữu cơ rất dễ thiu. Nếu làm theo cách thông thường, đun sôi rồi đậy kín bằng nút bần, Pouchet sẽ bắt bẻ rằng việc thiếu dưỡng khí đã ngăn cản sự sống nảy mầm. Để giải quyết rào cản này, Pasteur dùng đèn khò hơ nóng phần cổ bình. Khi thủy tinh vừa nóng chảy tới độ dẻo hoàn hảo, ông cẩn thận kéo dài và uốn cong nó thành hình chữ U giống hệt chiếc cổ của một con ngỗng. Tiếp đó, ông đun sôi dung dịch canh thịt bên trong cho đến khi hơi nước bốc lên bão hòa, đẩy toàn bộ lượng khí cũ ra ngoài.
Chiếc cổ cong kì diệu ấy đóng vai trò như một chiếc bẫy lọc hoàn hảo do chính trí tuệ con người tạo ra. Không khí bên ngoài vẫn tự do lưu thông vào bình qua phần ống hở, cung cấp đầy đủ dưỡng khí. Tuy nhiên, trọng lực khiến những hạt bụi li ti mang theo vô số bào tử vi khuẩn lơ lửng trong không khí bị rơi xuống và mắc kẹt lại ở phần uốn cong thấp nhất. Chúng không thể leo ngược lên dốc thủy tinh để chạm vào bề mặt chất lỏng.
Kết quả thực nghiệm diễn ra chính xác như những gì Pasteur dự tính. Chừng nào chiếc bình vẫn còn nguyên vẹn, dung dịch canh thịt bên trong vẫn trong veo, hoàn toàn vô trùng. Vài ngày vài tuần, rồi nhiều tháng trôi qua, mầm sống không hề nảy nở từ chất hữu cơ như lời Pouchet khẳng định. Chỉ khi Pasteur chủ động dùng tay bẻ gãy phần cổ bình, để lớp bụi từ không khí rơi thẳng vào canh thịt, chất lỏng mới lập tức vẩn đục vì vi khuẩn thi nhau sinh sôi.
Cuộc đối đầu tư tưởng vĩ đại này đi đến đỉnh điểm vào một buổi tối tháng 4 năm 1864 tại giảng đường lớn của Đại học Sorbonne. Khán phòng chật cứng người. Giới tinh hoa của thủ đô Paris, từ những nhà khoa học uyên bác, các triết gia, cho đến những sử gia và giới quý tộc, đều có mặt, nín thở chờ đợi một câu trả lời cho sự sống.
Dưới ánh sáng le lói của ngọn đèn măng-sông hắt những bóng đen dài lên bức tường, Pasteur bước ra bục diễn thuyết. Ông đứng đó, trầm tĩnh, tay nâng cao chiếc bình cổ ngỗng chứa thứ nước canh vẫn trong vắt sau một thời gian dài phơi mình trước không khí. Bằng chất giọng truyền cảm đầy tự tin, Pasteur đưa khán giả đi qua từng bước của quá trình quan sát. Ông chỉ vào phần chất lỏng tĩnh lặng, rồi chỉ vào lớp bụi đọng lại ở phần ống cong, nơi những vi sinh vật bị giam cầm.
Giữa không gian tĩnh lặng của giảng đường Sorbonne, lời tuyên bố của ông vang lên như một sự xác tín tuyệt đối dành cho khoa học thực nghiệm: "Sự sống là một mầm mống và mầm mống chính là sự sống". Thí nghiệm rực rỡ và tinh tế của Pasteur đã vĩnh viễn đập tan màn sương mù của sự mê tín, chứng minh rằng vạn vật không tự nhiên sinh ra từ hư không. Nền tảng của sinh học hiện đại đã được đặt xuống từ chính chiếc bình cong mang hình dáng cổ ngỗng ấy, chờ đợi để thay đổi toàn bộ vận mệnh của nhân loại trong những thập kỉ tiếp theo.
Sự sống đến từ sự sống: Nhìn lại bản chất của tự nhiên
Chiến thắng tại Đại học Sorbonne không phải là một kết quả may mắn ngẫu nhiên, mà là trái ngọt của một thái độ làm việc khiêm nhường và cẩn trọng đến mức cực đoan. Pasteur chưa bao giờ vội vã đưa ra bất kì kết luận nào khi các bằng chứng thực nghiệm chưa đạt tới độ hoàn hảo. Để chứng minh rằng số lượng mầm bệnh trong không khí thay đổi tùy thuộc vào môi trường và độ cao, Pasteur đã tự tay chuẩn bị hàng trăm chiếc bình thủy tinh hút chân không. Ông không ngần ngại lặn lội đến những không gian tăm tối sâu dưới lòng đất như các hầm rượu của Viện Thiên văn Paris, nơi không khí tĩnh lặng suốt nhiều thập kỉ.
Chưa dừng lại ở đó, ông vác những hòm bình thủy tinh cồng kềnh lên vùng núi Jura, rồi trèo lên tận dòng băng Mer de Glace trên đỉnh Chamonix ở độ cao hơn hai nghìn mét so với mực nước biển. Giữa cái lạnh giá của tuyết phủ và gió núi, Pasteur cẩn thận dùng kìm bẻ gãy đầu ống thủy tinh để hút không khí vùng cao vào bình rồi hàn kín lại. Trong số hai mươi bình mở ra ở đỉnh núi cao, chỉ có một bình duy nhất bị vẩn đục, đối lập hoàn toàn với hàng loạt bình bị vi khuẩn tấn công khi mở ở những nơi đông đúc.
Sự kiên trì ấy đã thiết lập một nguyên lí bất biến: "Omne vivum ex vivo" – Mọi sự sống đều bắt nguồn từ một sự sống có trước. Sử gia René Dubos đã nhận xét rằng, bằng việc đập tan thuyết tự sinh, Pasteur đã làm sạch tư duy khoa học khỏi những khái niệm mơ hồ và huyền bí vốn kìm hãm trí tuệ con người suốt hàng nghìn năm. Con người thời đó thường đổ lỗi cho khí độc, cho số phận hay những lực lượng siêu nhiên mỗi khi bệnh tật bùng phát. Nhờ những chiếc bình thủy tinh của Pasteur, thế giới tự nhiên hiện ra đúng như bản chất của nó: một trật tự chặt chẽ, nơi mọi thực thể, dù nhỏ bé đến đâu, cũng tuân theo quy luật sinh tồn, sinh sản và di truyền.
Bằng việc đập tan thuyết tự sinh, Pasteur đã làm sạch tư duy khoa học khỏi những khái niệm mơ hồ
René Dubos
Ý nghĩa của khám phá này vượt xa phạm vi của những cuộc tranh luận lí thuyết. Việc xác định nguyên nhân gây vẩn đục chất lỏng là do các vi sinh vật từ bên ngoài xâm nhập vào đã mở ra một phương cách hoàn toàn mới để bảo vệ sức khỏe con người và của cải. Nếu vi khuẩn không tự nhiên xuất hiện, điều đó có nghĩa là con người hoàn toàn có thể ngăn chặn chúng. Chỉ cần kiểm soát nguồn xâm nhập, loại bỏ bụi bẩn và diệt mầm bệnh bằng nhiệt độ, chúng ta có thể giữ cho các môi trường hữu cơ luôn sạch sẽ. Ý tưởng này lập tức tạo ra một luồng sinh khí mới cho ngành y học. Tại Anh, bác sĩ phẫu thuật Joseph Lister khi đọc được các nghiên cứu về lên men của Pasteur đã ngộ ra nguyên nhân gây ra hiện tượng hoại tử vết thương sau phẫu thuật. Lister bắt đầu áp dụng việc tiệt trùng dụng cụ mổ và rửa vết thương bằng chất sát trùng, giúp tỷ lệ tử vong sau phẫu thuật giảm hẳn.
Phương pháp thực nghiệm của Pasteur cũng làm thay đổi góc nhìn về khái niệm vệ sinh. Từ việc coi bụi bẩn chỉ là vết dơ mất thẩm mỹ, con người bắt đầu nhận ra đó là những ổ chứa vô số sinh vật gây hại tiềm ẩn. Việc đun sôi, che đậy và giữ gìn môi trường sống vô trùng trở thành hành động có tính sống còn. Toàn bộ nền y học hiện đại, từ phẫu thuật tiệt trùng đến kĩ thuật cách li y tế, đều cắm rễ sâu xa từ nguyên lí đơn giản nhưng vĩ đại mà Pasteur đã dày công chứng minh.
Đập tan thuyết tự sinh không dừng lại ở một chiến thắng về mặt học thuật, mà là bàn đạp để Pasteur đưa khoa học bước vào giai đoạn phục vụ đời sống một cách trực tiếp và mạnh mẽ. Ông đã chứng minh được sự tồn tại và quy luật vận hành của thế giới vi mô. Bây giờ, với chiếc kính hiển vi trong tay và nguyên lí mầm bệnh làm kim chỉ nam, vị giáo sư xứ Arbois đã sẵn sàng đón nhận những thách thức lớn hơn. Ông chuẩn bị bước vào những cuộc chiến thực tế ngoài đời thực, nơi những căn bệnh bí ẩn đang đe dọa phá hủy các ngành công nghiệp chủ lực của nước Pháp, từ những ruộng dâu tằm ở miền nam cho đến các hầm ủ rượu vang nổi tiếng trên khắp cả nước.
Đón đọc kì 3: Liệt bán thân và lần lượt mất 3 người con gái