Cơ thể biết mình phải mọc thành hình người bằng cách nào?

Một con người trưởng thành có hàng chục nghìn tỷ tế bào. Có tế bào thần kinh kéo dài những nhánh kết nối phức tạp trong não, tế bào cơ có khả năng co rút, tế bào da tạo thành hàng rào bảo vệ cơ thể, tế bào gan xử lý hàng loạt chất hóa học, còn tế bào võng mạc có thể phản ứng với ánh sáng.

Nhưng tất cả đều bắt đầu từ một tế bào.

Sau khi trứng và tinh trùng kết hợp, hợp tử phân chia thành hai tế bào, rồi bốn, tám, mười sáu và tiếp tục tăng lên. Ban đầu, nhìn từ bên ngoài, quá trình này có vẻ giống như một khối tế bào đang đơn giản nhân số lượng.

Rồi một điều kỳ lạ xảy ra.

Một đầu sẽ dần trở thành phía đầu. Đầu kia trở thành phía đuôi. Cơ thể có mặt trước và mặt sau, bên trái và bên phải. Một nhóm tế bào trở thành não. Nhóm khác trở thành tim. Những tế bào khác nữa tạo thành ruột, gan, cơ, xương, da, mắt, bàn tay và các ngón tay.

Không có một kiến trúc sư tí hon đứng trong phôi để chỉ từng tế bào phải đi đâu.

Không có một tế bào trung tâm sở hữu bản đồ hoàn chỉnh của cơ thể rồi ra lệnh cho tất cả những tế bào còn lại.

Vậy bằng cách nào một khối tế bào ban đầu lại biết phải tự tổ chức thành hình người?

Đây là một trong những câu hỏi đẹp nhất của sinh học phát triển. Và câu trả lời hiện đại cho thấy cơ thể không được xây dựng theo cách một tòa nhà được xây từ bản thiết kế. Nó hình thành từ sự kết hợp của gene, tín hiệu hóa học, lực cơ học, lịch sử của từng tế bào và một khả năng đáng kinh ngạc của các hệ sinh học: tự tổ chức.

Một tế bào không chứa một bức ảnh thu nhỏ của cơ thể tương lai

Chúng ta thường nghe rằng DNA là “bản thiết kế của cơ thể”. Cách nói này hữu ích, nhưng cũng rất dễ gây hiểu lầm.

Nếu DNA thực sự giống một bản vẽ kiến trúc, ta có thể mong đợi tìm thấy một phần ghi rõ vị trí của mắt, một đoạn khác định nghĩa chiều dài cánh tay, một đoạn ghi tọa độ của trái tim.

Bộ gen không hoạt động như vậy.

DNA chứa gene và rất nhiều vùng điều hòa quyết định gene nào được bật, bật ở đâu, khi nào và ở mức độ nào. Hình dạng cuối cùng của cơ thể xuất hiện từ sự tương tác giữa những chương trình này với môi trường xung quanh tế bào.

Điều càng kỳ lạ hơn là phần lớn tế bào có nhân trong cùng một cơ thể mang bộ gene gần như giống nhau. Tế bào thần kinh không có một “bộ DNA não” hoàn toàn khác tế bào da. Sự khác biệt quan trọng nằm ở việc chúng sử dụng những phần nào của bộ gen.

Hãy tưởng tượng hàng nghìn đầu bếp đều sở hữu cùng một cuốn sách nấu ăn. Người này mở chương bánh mì, người kia mở chương món tráng miệng, người khác chỉ sử dụng những công thức về nước sốt. Cuốn sách giống nhau nhưng sản phẩm tạo ra khác nhau.

Trong tế bào cũng vậy. Các mạng lưới điều hòa gene quyết định những gene nào được kích hoạt hoặc khóa lại. Khi một tế bào đi theo một con đường phát triển nhất định, trạng thái đó có thể ngày càng được củng cố, khiến nó trở thành tế bào cơ, tế bào thần kinh hay một loại tế bào chuyên hóa khác.

Nhưng điều này lập tức tạo ra một câu hỏi mới.

Nếu các tế bào ban đầu khá giống nhau, điều gì khiến tế bào ở vị trí này mở một “chương” còn tế bào cách đó vài chục micromet lại mở một chương hoàn toàn khác?

Bước đầu tiên là tạo ra phương hướng

Trước khi xây được một cơ thể, phôi phải giải quyết một bài toán tưởng như đơn giản: đâu là đâu?

Nếu một quả bóng hoàn toàn đối xứng không có mặt trước, mặt sau, trên hay dưới, không thể nói vị trí nào nên mọc thành đầu.

Phôi vì vậy phải trải qua quá trình phá vỡ đối xứng.

Dần dần, những trục cơ thể cơ bản được thiết lập: đầu và đuôi, lưng và bụng, trái và phải. Trong sinh học phát triển, đây được gọi là các trục cơ thể.

Quá trình không nhất thiết được quyết định bởi một tín hiệu duy nhất. Các tế bào trao đổi tín hiệu, phản ứng với môi trường, thay đổi hình dạng và ảnh hưởng ngược trở lại những tế bào lân cận. Những mô nằm ngoài phần cơ thể tương lai của phôi cũng tham gia cung cấp tín hiệu định hướng. Các mạng lưới gene và tín hiệu như WNT, BMP, NODAL và FGF đóng vai trò quan trọng ở nhiều giai đoạn.

Nghiên cứu hiện đại ngày càng cho thấy sự hình thành mẫu cơ thể không nên được hiểu đơn giản theo một trong hai cực: hoặc có một tín hiệu bên ngoài “ra lệnh”, hoặc mọi thứ hoàn toàn tự phát. Cả cơ chế được hướng dẫn bởi tín hiệu lẫn khả năng tự tổ chức đều có thể cùng tham gia. Một bài tổng quan trên Nature Reviews Genetics năm 2026 nhấn mạnh chính sự tương tác giữa hai cách hình thành mẫu này.

Một khi có phương hướng, phôi mới có thể bắt đầu trả lời câu hỏi tiếp theo: tế bào ở mỗi vùng sẽ trở thành gì?

Một trong những sự kiện quan trọng nhất cuộc đời xảy ra trước khi bạn biết mình tồn tại

Sự kiện đó có tên là gastrulation, thường được gọi là quá trình tạo phôi vị.

Ở giai đoạn này, phôi trải qua một cuộc tái tổ chức lớn. Tế bào thay đổi hình dạng, di chuyển, chui qua các lớp khác và thiết lập ba lớp mầm cơ bản: ngoại bì, trung bì và nội bì.

Từ ngoại bì sẽ phát triển nhiều cấu trúc như hệ thần kinh và lớp ngoài của da. Trung bì tạo ra nhiều thành phần như cơ, xương, hệ tuần hoàn và mô liên kết. Nội bì tham gia hình thành lớp biểu mô của đường tiêu hóa và nhiều cơ quan liên quan như gan, tụy.

Đây không phải ba “miếng vật liệu” nằm yên một chỗ. Các tế bào liên tục di chuyển và tương tác. Hình dạng phôi thay đổi đồng thời với việc số phận tế bào được xác định.

Vì những giai đoạn này ở người cực kỳ khó quan sát trực tiếp, các nhà nghiên cứu ngày càng sử dụng mô hình tạo từ tế bào gốc. Các “gastruloid” không phải phôi người hoàn chỉnh, nhưng có thể tái hiện một số đặc điểm quan trọng như hình thành các lớp mầm và trục đầu đuôi. Một nghiên cứu Nature Methods năm 2025 thậm chí duy trì được mô hình gastruloid hai chiều trong thời gian dài hơn trước và quan sát sự di chuyển có tổ chức của các tế bào tạo trung bì.

Những mô hình này đang cho phép giới khoa học quan sát điều vốn xảy ra ở một giai đoạn rất sớm và khó tiếp cận của sự phát triển con người.

Tế bào có thể “đọc địa chỉ” của chính mình

Một trong những ý tưởng quan trọng nhất của sinh học phát triển là “thông tin vị trí”.

Hãy tưởng tượng một nhóm tế bào tiếp xúc với một chất tín hiệu được giải phóng từ một nguồn ở một phía. Gần nguồn, nồng độ chất này cao. Càng đi xa, nồng độ càng thấp.

Một phân tử tín hiệu có thể tạo ra một gradient như vậy được gọi là morphogen.

Nếu tế bào có khả năng phản ứng khác nhau với các mức nồng độ khác nhau, gradient đó trở thành một hệ thống tọa độ sinh học.

Tế bào ở vùng nồng độ cao có thể bật nhóm gene A. Tế bào ở vùng trung bình bật nhóm B. Tế bào ở xa bật nhóm C.

Không tế bào nào cần sở hữu bản đồ hoàn chỉnh. Nó chỉ cần đọc những tín hiệu ở môi trường cục bộ và thực hiện chương trình tương ứng.

Lewis Wolpert từng minh họa ý tưởng thông tin vị trí bằng hình ảnh “lá cờ Pháp”: cùng một gradient có thể chia một mô thành ba vùng khác nhau tùy theo ngưỡng tín hiệu.

Nhưng cơ thể thật phức tạp hơn nhiều. Các gradient tương tác với nhau, tế bào thay đổi độ nhạy theo thời gian, tín hiệu có thể bị khuếch đại hoặc ức chế, và chính mô đang hình thành cũng có thể thay đổi cách tín hiệu lan truyền.

Vì vậy, phôi không đơn giản được “tô màu” từ một gradient duy nhất. Nó giống một mạng lưới phản hồi liên tục hơn.

Gene HOX giống một hệ thống địa chỉ dọc cơ thể

Một trong những nhóm gene nổi tiếng nhất trong câu chuyện này là các gene HOX.

HOX giúp các vùng khác nhau dọc trục đầu đuôi có được danh tính thích hợp. Những tổ hợp HOX khác nhau có thể góp phần xác định rằng một vùng sẽ thuộc khu vực cổ, ngực, thắt lưng hay những khu vực khác của cơ thể.

Điều đặc biệt là nguyên lý sử dụng các gene họ Hox được bảo tồn rất sâu trong tiến hóa. Các loài động vật có hình dạng khác nhau đến mức khó nhận ra mối quan hệ vẫn sử dụng các hệ gene liên quan để tổ chức trục cơ thể.

Điều này cho thấy tiến hóa không nhất thiết phải phát minh toàn bộ “bộ công cụ xây cơ thể” từ đầu cho mỗi loài. Nó có thể sửa đổi thời gian, vị trí và mức độ hoạt động của những mạng lưới phát triển vốn đã tồn tại.

Các gene HOX cũng không phải những kiến trúc sư hoạt động độc lập. Chúng tham gia vào các mạng lưới điều hòa rộng hơn và tương tác với tín hiệu từ môi trường tế bào.

Tại sao tay mọc ở vai mà không mọc trên đầu?

Đây chính là loại câu hỏi mà hệ thống thông tin vị trí phải giải quyết.

Một tế bào không “nhìn thấy” toàn bộ cơ thể. Nó không biết rằng phía trên mình có một cái đầu hay phía dưới sắp hình thành một bàn chân.

Nó phản ứng với lịch sử tín hiệu mà mình đã nhận, các gene đang hoạt động, trạng thái của những tế bào bên cạnh và các lực cơ học xung quanh.

Khi những thông tin ấy kết hợp, vùng mô có thể đạt đủ điều kiện để bắt đầu chương trình hình thành chi.

Sau đó lại xuất hiện một bài toán khác: làm sao một mầm chi nhỏ biết đâu là vai, đâu là đầu ngón tay, đâu là ngón cái và ngón út?

Một lần nữa, các gradient tín hiệu và mạng lưới gene tạo ra thông tin vị trí. Tế bào ở những vùng khác nhau nhận các tổ hợp tín hiệu khác nhau và phát triển theo các hướng khác nhau.

Không có một “gene tạo bàn tay” duy nhất.

Bàn tay xuất hiện từ cả một chương trình phát triển.

Gene không đủ: cơ thể còn được nhào nặn bằng lực

Nếu chỉ nhìn sinh học phát triển qua gene, chúng ta sẽ bỏ lỡ một nửa câu chuyện.

Cơ thể có hình dạng ba chiều. Để tạo ra một ống thần kinh, một trái tim, ruột hay các nhánh phổi, tế bào phải thực sự di chuyển trong không gian.

Chúng thay đổi hình dạng, bám vào nhau, kéo nhau, trượt qua nhau và tạo lực lên chất nền xung quanh.

Trong quá trình tạo ống thần kinh, chẳng hạn, một tấm tế bào phải uốn và khép lại thành một cấu trúc dạng ống. Trong quá trình tạo cơ quan, biểu mô có thể mọc chồi, phân nhánh, cuộn lại hoặc lõm xuống.

Điều thú vị là lực không chỉ là kết quả cuối cùng của gene.

Lực cơ học cũng có thể trở thành tín hiệu.

Một tế bào bị kéo căng hoặc nén có thể thay đổi hoạt động phân tử bên trong. Như vậy, gene thay đổi hình dạng mô, còn hình dạng và lực trong mô lại tác động ngược tới gene.

Phát triển phôi là một vòng phản hồi giữa hóa học và cơ học.

Đây là lý do khái niệm “DNA là bản thiết kế” trở nên quá đơn giản.

Một bản thiết kế giấy không tự uốn, không cảm nhận lực và không phản ứng khi hàng xóm thay đổi.

Phôi thì có.

Làm sao tim không mọc bên phải ở tất cả mọi người?

Bên ngoài, cơ thể người có vẻ gần đối xứng: hai mắt, hai tai, hai tay, hai chân.

Nhưng bên trong lại không hoàn toàn như vậy.

Tim chủ yếu nằm về phía trái. Gan lớn nằm bên phải. Phổi hai bên không hoàn toàn giống nhau. Dạ dày và nhiều cấu trúc khác có vị trí bất đối xứng.

Điều đó có nghĩa phôi không chỉ phải xác định đầu và đuôi. Nó còn phải phân biệt trái và phải.

Trong giai đoạn phát triển sớm, một chuỗi cơ chế phá vỡ đối xứng trái phải tạo ra sự khác biệt phân tử giữa hai phía. Ở động vật có xương sống, chuyển động của các lông chuyển ở một cấu trúc phôi sớm và các tín hiệu như NODAL tham gia vào quá trình này.

Nếu hệ thống bị đảo ngược, một người có thể phát triển với vị trí nhiều nội tạng đảo ngược, tình trạng gọi là situs inversus.

Điều đáng kinh ngạc không phải cơ thể luôn hoàn hảo. Điều đáng kinh ngạc là một hệ thống được tạo từ hàng tỷ quyết định cục bộ lại có thể đạt độ nhất quán cao đến vậy.

Nếu không có “người chỉ huy”, tại sao cơ thể không trở thành một đống hỗn loạn?

Đây là một điểm rất quan trọng.

Tự tổ chức không có nghĩa là ngẫu nhiên.

Một đàn chim có thể tạo ra cấu trúc chuyển động rất phức tạp dù không có một con chim chỉ huy mọi vị trí. Một tổ kiến có thể tổ chức hoạt động quy mô lớn từ những quy tắc tương tác cục bộ.

Trong phôi, các quy tắc phức tạp hơn vô số lần, nhưng nguyên lý tương tự có thể xuất hiện.

Mỗi tế bào phản ứng với những gì xảy ra xung quanh. Tín hiệu kích hoạt tín hiệu khác. Một số quá trình khuếch đại khác biệt nhỏ, trong khi các cơ chế khác làm hệ thống ổn định hơn.

Alan Turing từng chỉ ra về mặt toán học rằng những chất khuếch tán và phản ứng với nhau có thể tự tạo ra các mẫu không gian từ một trạng thái ban đầu gần như đồng nhất. Trong sinh học hiện đại, các cơ chế tự tổ chức kiểu phản ứng khuếch tán và các gradient morphogen được xem như những phần của một bức tranh rộng hơn, thay vì hai lời giải loại trừ lẫn nhau.

Phôi vì vậy không cần “biết trước” hình người theo nghĩa nhận thức.

Hình dạng người xuất hiện bởi vì các quy tắc phát triển của tế bào người, khi vận hành trong đúng điều kiện, có xu hướng tạo ra cấu trúc đó.

Chúng ta đang học điều này bằng cách “xây phôi” trong phòng thí nghiệm

Một trong những thay đổi lớn của sinh học phát triển trong những năm gần đây là khả năng tạo ra các mô hình phôi từ tế bào gốc.

Các nhà nghiên cứu có thể lấy tế bào đa năng, đặt chúng trong điều kiện thích hợp và quan sát chúng tự tổ chức thành những cấu trúc mô phỏng một phần quá trình phát triển.

Năm 2024, một nghiên cứu trên Nature Cell Biology cho thấy việc sử dụng tín hiệu retinoic acid trong mô hình gastruloid người có thể tạo ra những cấu trúc phía sau cơ thể giống phôi hơn, bao gồm cấu trúc dạng ống thần kinh và các đoạn giống somite, tiền thân quan trọng của nhiều cấu trúc cơ xương.

Năm 2025, các mô hình khác tiếp tục cho phép nghiên cứu sự đồng phát triển giữa ống thần kinh và somite trong các cấu trúc mô phỏng thân người.

Những hệ thống này không phải “con người nhân tạo thu nhỏ”. Chúng thiếu nhiều thành phần của phôi thật và được xây dựng để mô phỏng những phần cụ thể của sự phát triển.

Nhưng chính vì được đơn giản hóa, chúng cho phép các nhà khoa học thay đổi từng tín hiệu rồi xem cấu trúc phát triển thay đổi như thế nào.

Đó là điều rất khó thực hiện trực tiếp trên phôi người.

Những sai sót trong chương trình xây cơ thể cho chúng ta biết điều gì?

Phần lớn những gì chúng ta biết về phát triển không chỉ đến từ việc quan sát khi mọi thứ hoạt động bình thường.

Khi một gene bị đột biến, một tín hiệu xuất hiện sai thời điểm hoặc một mô không đóng lại hoàn chỉnh, hậu quả giúp nhà khoa học hiểu chức năng bình thường của hệ thống.

Nhiều dị tật bẩm sinh bắt nguồn từ những rối loạn rất sớm của quá trình tạo hình cơ thể.

Nhưng cần tránh một quan niệm nguy hiểm: rằng mọi bất thường phát triển đều có thể quy về “một gene lỗi”.

Phát triển là kết quả của gene, môi trường tế bào, sức khỏe của mẹ, dinh dưỡng, phơi nhiễm hóa chất, các tương tác ngẫu nhiên và nhiều yếu tố khác. Một số rối loạn có nguyên nhân di truyền rõ, nhưng nhiều trường hợp là đa yếu tố hoặc vẫn chưa được hiểu đầy đủ.

Khả năng nghiên cứu gastruloid và mô hình phôi hiện nay đang giúp các nhà khoa học thử nghiệm chính xác hơn những tác động này. Một nghiên cứu Nature Communications năm 2026 thậm chí kết hợp mô hình gastrulation với học máy và mô hình morphogen để nghiên cứu cách hóa chất có thể làm rối loạn quá trình hình thành mẫu.

Vậy cuối cùng cơ thể “biết” bằng cách nào?

Nói chính xác, cơ thể không biết.

Không có một bộ não tồn tại trước cơ thể để chỉ đạo việc xây chính nó.

Không có một bản đồ ba chiều hoàn chỉnh nằm trong một tế bào.

Thay vào đó, thông tin về hình dạng được phân tán trong một hệ thống.

DNA cung cấp các thành phần và quy tắc. Mạng lưới điều hòa gene quyết định chương trình nào hoạt động. Morphogen cung cấp thông tin vị trí. Tế bào gửi tín hiệu cho hàng xóm. Các gene HOX góp phần xác định danh tính vùng. Tế bào di chuyển và tạo lực. Hình dạng mô lại thay đổi cách tín hiệu lan truyền. Những vòng phản hồi liên tục sửa đổi cấu trúc đang hình thành.

Từ vô số tương tác cục bộ, một cấu trúc toàn cục xuất hiện.

Một tế bào không cần biết mình đang xây một con người.

Nó chỉ cần biết phải làm gì ở vị trí hiện tại, vào thời điểm hiện tại, dựa trên những tín hiệu hiện tại.

Hàng nghìn tỷ quyết định nhỏ như vậy cuối cùng tạo ra một cơ thể.

Đó có lẽ là điều kỳ lạ nhất của phát triển phôi: hình dạng của chúng ta không được lắp ráp từ trên xuống như một cỗ máy.

Nó tự xuất hiện từ dưới lên.

Và hơn một thế kỷ sau khi sinh học phát triển trở thành một ngành khoa học hiện đại, chúng ta vẫn đang cố gắng hiểu đầy đủ bằng cách nào một tế bào đầu tiên có thể khởi động một quá trình cuối cùng tạo ra não bộ đủ phức tạp để quay lại đặt câu hỏi về chính quá trình đã tạo ra nó.

Tài liệu tham khảo

Brückner, D. B. (2026). From models to molecules: Self-organized and instructed modes of developmental patterning. Nature Reviews Genetics, 27, 192.

Chen, B., Khan, H., Yu, Z., et al. (2025). Extended culture of 2D gastruloids to model human mesoderm development. Nature Methods, 22, 1355–1365.

Moris, N., Anlas, K., van den Brink, S. C., et al. (2020). An in vitro model of early anteroposterior organization during human development. Nature, 582, 410–415.

Olmsted, Z. T., Paluh, J. L., et al. (2024). Retinoic acid induces human gastruloids with posterior embryo-like structures. Nature Cell Biology, 26, 1790–1803.

Thowfeequ, S., Hanna, C. W., & Srinivas, S. (2025). Origin, fate and function of extraembryonic tissues during mammalian development. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 26, 255–275.