Nhà khoa học Mỹ đã tìm ra giác quan thứ 6 của loài người như thế nào?

Một nhà khoa học cho biết đã tìm thấy giác quan thứ sáu

Loài chim và loài ong có giác quan này, còn loài người thì sao? Trong nhiều thập kỉ, Joe Kirschvink đã chứng minh được các loài vật có khả năng tìm đường nhờ khả năng cảm nhận từ tính của Trái Đất, hay còn gọi là magnetoreception. Giờ đây, nhà địa vật lí tại viện công nghệ Caltech California này đang thử nghiệm khả năng này của con người để tìm hiểu xem liệu chúng ta có giác quan thứ sáu này không. Ông khá là quả quyết rằng câu trả lời là có.

Joe cầm chiếc smartphone và gọi Keisuke Matsuda – một sinh viên ngành công nghệ điện thần kinh từ đại học Tokyo. Ngày hôm nay Keisuke sẽ là đối tượng thử nghiệm. Một phần mềm đo từ tính trên điện thoại sẽ dò tìm bụi từ tính hay bất kì vật có từ tính nào có thể làm hỏng buổi thử nghiệm.

Tại Caltech có hai tầng hầm sạch sẽ với tường chống từ tính. Trong một góc là máy bơm hê-li lỏng đang làm mát cho một thiết bị siêu dẫn mà Kirschvink sử dụng để đo đạc từ trường yếu ớt xung quanh những thứ bao gồm từ mỏ chim cho tới thiên thạch từ sao Hoả. Trên bàn thí nghiệm là những dao được làm từ gốm và ngâm trong axit để loại bỏ từ tính mà ông đã dùng để mổ não để nghiên cứu. Matsuda có vẻ hơi lo lắng, nhưng hôm nay anh sẽ không phải đụng tới con dao. Sử dụng xi lanh, một chuyên viên tiêm dịch điện phân vào da đầu bên dưới một chiếc mũ đầy điện cực. Matsuda chuẩn bị tiếp xúc với từ trường được tạo ra bởi một loạt các cuộn dây. Cùng lúc đó một máy EEG sẽ ghi lại sóng não của anh.

Gần như suốt thể kỉ 20, các nghiên cứu về magnetoreception mơ hồ chẳng khác gì các nghiên cứu về dò long mạch hay thần giao cách cảm. Thế nhưng giờ giới khoa học công nhận rằng rất nhiều động vật có khả năng cảm nhận được từ trường Trái Đất. Hầu hết là chim, cá và nhiều loài động vật di cư khác; việc cơ thể chúng được tích hợp sẵn la bàn để tìm đường khá là hợp lí. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã tìm ra rằng những loài chậm chạp như tôm hùm, sâu, ốc, ếch,... cũng có khả năng này. Ngay cả động vật có vú cũng có vẻ có: trong các thí nghiệm, loài chuột rừng và chuột chũi xây tổ theo hướng từ trường; gia súc và hươu khi chăn thả cũng đứng song song với từ trường; và chó hướng mặt về bắc hoặc nam khi chúng tiểu hoặc đại tiện.

Mò mẫm với các từ trường

Từ trường Trái Đất, được tạo ra bởi lớp vỏ lõi lỏng, có thể so sánh với một thanh nam châm lệch trục khổng lồ. Độ mạnh của từ trường tơi vào khoảng 25 microtesla gần xích đạo và 60 microtesla gần 2 cực. Rất yếu so với từ trường của máy chụp cộng hưởng từ, khoảng 100.000 lần mạnh hơn.

Các bằng chứng khoa học chứng minh cho sự tồn tại của “giác quan thứ sáu” này hầu hết là mang tính hành vi, ví dụ dựa trên các quy luật chuyển động, hoặc sử dụng các bài thử nghiệm mà trong đó việc làm gián đoạn từ trường có thể thay đổi hành vi động vật. Các nhà khoa học biết rằng động vật có thể cảm nhận các từ trường này, nhưng chúng không thể cảm nhận chi tiết ở mức phân tử hay sinh lí thần kinh. “Giới hạn nằm ở sinh học – cách mà não bộ xử lí thông tin về từ trường,” theo David Dickman – nhà sinh lí thần kinh học tại Đại học Y dược Baylor tại Houston, Texas. Trong tạp chí Khoa học 2012 ông đã chứng minh rằng các neuron thần kinh đặc biệt ở vùng tai trong của chim bồ câu có liên quan tới việc các phản xạ đối với hướng cực và mức độ từ tính của từ trường.

Tìm ra các cơ quan chịu trách nhiệm cho việc kích thích các neuron này giống như tìm một chiếc kim từ tính trong bụi rơm. Không có một đáp án rõ ràng do từ trường tác động đến toàn cơ thể vào mọi thời điểm. “Các cơ quan thụ cảm này có thể nằm ở chân trái bạn” – Kirschvink.

Các nhà khoa học đã đưa ra hai ý tưởng đối lập nhằm giải thích cho hiện tượng này. Một là từ trường kích thích các phản ứng hoá học lượng tử trong các protein gọi là cruptochromes. Cryptochromes được tìm thấy trong võng mạc, nhưng chưa ai biết được cách chúng có tác động tới thần kinh. Một giả thiết khác mà Kirschvink ủng hộ đó là có những chiếc kim la bàn siêu nhỏ nằm bên trong các tế bào thụ cảm, gần các dây thần kinh dưới mũi và trong tai trong. Các “mũi kim” này, được cho rằng cấu tạo từ các phân tử khoáng sắt có từ tính cao gọi là magnetite, có thể đóng hoặc mở các đường tín hiệu tới não.

Các tế bào thụ cảm từ tính tương tự được tìm thấy trong cơ thể con người. Vậy liệu chúng ta cũng có khả năng cảm nhận từ tính? “Có thể chúng ta đã đánh mất khả năng này” – Michael Winklhofer, một nhà sinh học tại đại học Oldenburg – Đức. Hoặc, theo Kirschvink, chúng ta chỉ còn giữ một chút vết tích của nó, giống như cánh đà điểu.

Kirschvink có chuyên môn là đo đạc từ trường trong các mẫu đá, từ đó xác định độ cao mà hòn đá hình thành và thời điểm, thậm chí các đặc điểm kiến tạo liên quan. Phương pháp này đem lại cho ông nhiều ý tưởng to lớn. Năm 1992, ông đưa ra được bằng chứng cho thấy bề mặt trái đất gần như bị bao phủ bởi băng hươn 650 triệu năm trước, và quá trình chuyển hoá đã kích hoạt một sự bùng nổ tiến hoá kỉ cambri 540 triệu năm trước. Năm 1997, ông đưa ra một giả thiết giải thích cho hiện tượng trôi dạt lục địa mạnh mẽ cùng thời kì: Trục quay trái đất đã nghiên gần 90^o, theo Kirschvink.

Những thảm hoạ khí hậu do hiện tượng này gây ra chính là khởi nguồn của những hình thức sinh học cấp tiến vào kỉ cambri. Ông là một trong những người có tiếng nói trong cuộc tranh luận năm 1990-2000 về việc liệu các tinh thể từ tính tìm thấy trong mảnh thiên thạch sao Hoả nổi tiếng “Allan Hills 84001” có phải là bằng chứng hoá thạch của sự sống trên hành tinh đỏ. Mặc dù điều này vẫn còn đang được tranh cãi, liệu tinh thể từ tính là một sản phẩm của sự sống là một chủ đề được quan tâm.

Để làm chứng minh luận điểm của mình, Kirschvink đã thu thập các mẫu đá từ khắp nơi trên thế giới: châu Phi, Trung Quốc, Morroco và Australia. Thế nhưng chính việc tìm kiếm nam châm trong cơ thể động vật – và con người – được thực hiện trong căn phòng thí nghiệm dưới lòng đất mới là thứ mà ông rất quan tâm. Cùng với vợ là Atsuko Kobayashi, một nhà nghiên cứu sinh học cấu trúc, ông đã tìm ra magnetite trong tế bào xoang của cá ngừ vây vàng vào năm 1984. Ông và vợ đặt tên cho đứa con đầu lòng sinh cùng năm là Jiseki: đá từ, hay magnetite.

Kirschvink không thể lựa chọn giữa địa lý và sinh học. Ông nhớ cái ngày năm 1972 khi mà ông còn là sinh viên chưa tốt nghiệp tại trường Caltech, ngày mà ông nhận ra hai môn khoa học này liên quan mật thiết. Một giáo sư cầm lá lưỡi loài ốc song kinh (một loại thân mềm) và làm nó di chuyển bằng một cục nam châm. Tấm lá lưỡi chứa đầy magnetite. “Tôi trầm trồ trước cảnh tượng đó”, Kirschvink kể lại – ông vẫn giữ kỉ niệm tấm lưỡi ốc đó trên bàn làm việc của mình. Magnetite là thứ mà các nhà địa lí tìm thấy ở đá lửa. Việc tìm thấy nó trong cơ thể động vật là một điều kì lạ.

Suốt nhiều năm, các nhà khoa học nghĩ rằng ốc song kinh đã có được khả năng tự tạo ra magnetite đơn giản vì khoáng chất này có thể giúp tạo ra răng khoẻ. Nhưng vào năm 1975, Richard Blackmore tại Viện hải dương học Woods Hole bang Massachusett đã gợi ý rằng trong một số vi khuẩn nhất định, magnetite chính là cơ quan cảm biến từ trường. Trong khi nghiên cứu vi khuẩn nằm trong bùn ở mũi Cod, Blakemore nhận thấy khi ông di chuyển một cục nam châm nhỏ xung quanh đĩa thí nghiệm, vi khuẩn sẽ di chuyển về phía nam châm. Xem xét kĩ hơn, ông thấy rằng các vi khuẩn này mang theo ra một dải tinh thể magnetite, khiến cho các tế bào gióng thẳng hàng với các đường từ trường của Trái Đất. Nhiều vi khuẩn tìm kiếm một cách ngẫu nhiên môi trường sống cân bằng oxi và dinh dưỡng, sử dụng chuyển động di chuyển hỗn loạn.

Thế nhưng bằng cách di chuyển như những mũi la bàn biết bơi, những vi khuẩn này nhận biết được phương hướng. Chúng có thể di chuyển hiệu quả trong bùn. Các vi khuẩn có khả năng cảm nhận từ tính này là loài vi khuẩn duy nhất mà các nhà khoa học phát hiện ra. Với Kirschvink, sự tồn tại của chúng cho thấy magnetoreception tồn tại từ rất xa xưa, có thể xuất hiện trước tế bào có nhân – được cho rằng được sinh ra vào 2 tỉ năm trước sau khi một tế bào kết hợp với một vi khuẩn tự do và vi khuẩn này trở thành phần ty thể chuyển hoá năng lượng trong tế bào. “Tôi nghĩ ty thể đầu tiên chính là một loại vi khuẩn từ tính”, Kirschvink cho biết, điều này có nghĩa toàn bộ tế bào có nhân đều có khả năng là một cảm biến từ.

Khi đọc về công trình của Blakemore, Kirschvink tự hỏi vi khuẩn từ tính bơi theo hướng nào ở phía bán câu Nam: về phía bắc như các vi khuẩn tìm thấy tại Massachusett hay về phía nam, hay về hướng khác? Ông đã tới Australia để tìm kiếm các vi khuẩn từ tính tương tự trong các dòng hải lưu. Có rất nhiều vi khuẩn này tại một hồ xử lí rác thải gần Canberra. “Tôi đến đó chỉ với cục nam châm và kính hiển vi bỏ túi,” Joe nói, “Chúng có đầy khắp nơi. Chắc chắn, chúng bơi về phía cực Nam. Tiến hoá đã cho chúng những dải magnetite hướng nam.

Vào lúc đó, Kirschvink mới chỉ là thạc sĩ tại trường Princeton University, cùng làm việc với nhà sinh học James gould. Năm 1978 ông và Gould đã tìm thấy magnetite trong phần bụng của ong mật. Vào năm 1979, magnetite được tìm thấy trong sọ chim bồ câu di cư. Kirschvink không hề biết rằng bên kia Đại Tây Dương cũng có một nhà sinh học trả từ trường đại học Manchester, tên là Robin Baker cũng đang nghiên cứu khả năng từ tính của các một “loài động vật” cỡ lớn hơn: các sinh viên Anh quốc. Trong một loạt thử nghiệm, anh đã cho các sinh viên bịt mắt lên xe buýt đi từ nơi tập kết tới vùng ngoại ô, và hỏi họ đoán xem nơi tập kết nằm ở hướng nào. Gần như tất cả chỉ chính xác hướng. Nhưng khi tấm che mắt được lắp thêm một cục nam châm thì đáp án sai lệch cả.

Trong một số các thử nghiệm sau, Baker cho biết đã tìm thấy giác quan thụ cảm từ tính nhờ các bài kiểm tra dò tìm hướng đi, trong đó các ứng viên sẽ chỉ hướng về địa điểm xuất phát sau khi được dẫn đi một con đường rắc rối, và các bài kiểm tra mà trong đó các ứng viên phải chỉ ra hướng nhìn gốc sau khi bị xoay tròn. Baker thực hiện một số thí nghiệm trực tiếp trên tivi, và ông công bố kết quả một số thí nghiệm trước khi được kiểm nghiệm, và điều này làm các học giả khác khó chịu.

Trong một bức email, Baker nói rằng giữa các đồng môn có một mối “thù địch”. Kirschvink và Gould lại chính là những người hoài nghi. Năm 1981, họ mời Baker tới Princeton để thực hiện lại thí nghiệm của mình. Nhưng tại Princeton hay bất kì trường Đại học nào khác, thí nghiệm này không thể được tái thực hiện. Sau khi Baker công bố vào năm 1983 rằng xương xoang mũi của người có từ tính, Kirschvink đã chứng minh rằng kết quả đó bị sai lệch do kiểm soát điều kiện không tốt. Năm 1985, Kirschvink thử nhưng thất bại trong việc tái thực hiện thí nghiệm “xoay” của Baker.

Mặc dù thí nghiệm Manchester phần nào làm dịu đi câu hỏi về giác quan thứ sáu, Kirschvink lặng lẽ theo chân Baker và theo đuổi những thí nghiệm trên người trong suốt 30 năm. Ông chưa bao giờ ngại cho sinh viên đi qua một cuộn dây từ tính lớn và thí nghiệm. “Điều gây khó chịu ở đây đó là thí nghiệm của chúng tôi không thất bại, nhưng chúng tôi không thể tái thực hiện chúng”.

Giờ đây, với 900.000 USD từ Chương Trình Human Frontier Science, Kirschvink, Shinsuke Shimojo – một chuyên gia vật lí tâm thần học và Ayumu Matani, một chuyên gia điện não tại đại học Tokyo, đang ra sức để thử nghiệm những điều Baker nói là chính xác hay không.

Trọng tâm:

Các nhà nghiên cứu đang thí nghiệm trên người để tìm hiểu liệu chúng ta có khả năng cảm nhận từ tính vô thức bằng cách cho tình nguyện viên vào trongg một khối hộp bằng kim loại và cho tiếp xúc với từ trường.

Bên cạnh phòng thí nghiệm về từ của Kirschvink là nơi ông thí nghiệm với người. Tại đây có một cái lồng nhôm gọi là lồng Farraday, đủ to để cho người ngồi trong đó. Tác dụng của nó là ngăn nhiễu từ từ các vật khác như máy tính, radio... có thể khiến cho kết quả bị sai lệch. “Chiếc lồng chính là chìa khoá. Phải tới một vài năm gần đây thì chiếc lồng này mới được sử dụng và chúng tôi phải xem xét lại toàn bộ mọi kết quả trước đây”.

Kirschvink bắt đầu sử dụng lồng Faraday sau khi một thí nghiệm được chỉ đạo bởi Henrik Mourrisen - một trong các đồng nghiệp tại Oldenburg của Winkhofer – chỉ ra rằng chính nhiễu từ tính đã ngăn không cho chim cổ đỏ châu Âu tìm đúng đường. Nó cũng ảnh hưởng tới la bàn, Kirschvink nói, và nhiễu từ tính là một trong những dải tần “phá sóng” nhất đối với đài radio AM. Có thể đó chính là lí do thí nghiệm của Baker thành công ở Manchester, vì tại thời điểm đó họ chưa có đài AM đủ mạnh. Ở Tây Bắc Mỹ lúc đó thì có, đó là lí do mà các nhà khoa học ở đó thất bại trong việc tái thực hiện các thử nghiệm.

Trong thiết kế thử nghiệm hiện nay, lồng Faraday được lồng hàng đống cuộn dây gọi là cuộn Merritt. Điện đi qua các cuộn dây này tạo ra một từ trường đồng nhất chạy qua trung tâm hộp. Vì các cuộn dây được bố trí theo 3 hướng vuông góc, người thí nghiệm có thể điều chỉnh phương hướng của từ trường. Một từ trường kế sẽ kiểm tra cường độ từ trường được treo lơ lửng bên trên một cái ghế gỗ, tất cả các thiết bị làm bằng sắt được thăy thế bởi đồng không từ tính và nhôm.

Kirschvink, Shimojo và Matani định áp dụng một từ trường xoay giống như từ trường Trái đất, và kiểm tra sóng não người ngồi trong lồng xem não có phản ứng đối với thay đổi từ trường không. Nếu có thì điều này không chỉ chứng minh sự tồn tại của thụ cảm từ trường mà còn chứng minh rằng giác quan thứ 6 tồn tại mà không cần tới những giải thích mơ hồ về hành vi con người. “Tôi tự hỏi tại sao trước đây chưa ai nghĩ tới nó” Winklhofer nói.

Thí nghiệm bắt đầu vào cuối năm 2014. Kirschvink là đối tượng thí nghiệm số thứ tự No.1. No.19 là Matsuda, đến từ phòng thí nghiệm Matani, nơi mà thí nghiệm cũng đang được cố gắng tái hiện. Matsuda đã kí vào bản cam kết và được chuyên gia đưa vào trong lồng. “Anh sẵn sàng chưa”, chuyên gia hỏi sau khi đã gắn các điện cực. Matsuda gật đầu. “Tốt, giờ tôi sẽ đóng lồng”. Ông hạ cửa lồng bằng nhôm xuống, tắt đèn và đóng cửa. Bên trong lồng có thể nghe thấy tiếng Kirschvink nhỏ nhẹ “Đừng ngủ gật”.

Matsuda sẽ ngồi bên trong chiếc lồng tối om trong suốt một giờ trong khi khi chương trình máy tính sẽ cho chạy 8 bài kiểm tra khác nhau. Một nửa số đó sử dụng từ trường mạnh gần bằng từ trường Trái Đất và xoay quanh đầu ứng viên. Trong các thử nghiệm khác, các cuộn Merritt được thiết kế để loại trừ từ trường nhân tạo và chỉ sử dụng từ trường Trái Đất để thử nghiệm. Các bài kiểm tra này được thực hiện ngẫu nhiên nên cả người thí nghiệm và ứng viên đều không biết bài nào đang được thực hiện.

Vài năm một lần, Viện Điều Hướng Hoàng gia Anh tổ chức một buổi hội thảo với một loạt các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều hướng ở động vật. Các buổi hội thảo trước đây quan tâm tới việc điều hướng dựa tên mặt trời, mặt trăng, các vì sao – hay dùng mùi/ âm thanh. Năm nay, vào tháng 4 tại Royal Holloway, đại học London, magnetoreception là chủ đề chính. Các bằng chứng được đưa ra nhằm chứng minh cho sự tồn tại của giác quan này trong gián và cóc. Peter Hore, một nhà hoá lí học tại trường đại học Oxford đã trình bày công trình về các hoạt động lượng tử của các hệ thống thụ cảm sáng hữu cơ, các hệ thống này chính xác hơn là ta nghĩ. Can Xie, một nhà vật lí sinh học từ đại học Peking, đưa ra luận điểm gây tranh cãi rằng võng mạc của ruồi có các cấu trúc sắt từ tính vô cùng phức tạp, xung quanh là các protein thụ cảm sáng, chính là thụ cảm thứ 6 lâu nay các nhà khoa học tìm kiếm.

Trong bài nói cuối cùng. Kirschvink đã đưa ra một thông tin động trời. Đó là một thí nghiệm nhỏ, chỉ khảng 2 tá ứng viên – nhưng thử nghiệm lặp lại cho ra các kết quả nhất quán. Khi từ trường xoay ngược chiều kim đồng hồ - cũng như lúc các ứng viên quay đầu sang bên phải – sóng alpha giảm mạnh. Sự biến thiên của sóng não chỉ ra một quá trình xử lí thông tin đang diễn ra: một loạt các neuron thần kinh đang phát tín hiệu phản xạ đối với kích thích từ từ trường, biến duy nhất thay đổi trong thí nghiệm. Phản ứng điện não này chậm một vài trăm mili giây, và Kirschvink nói sự trễ này cho thấy đây là một phản xạ. Một từ trường có thể tạo ra xung điện trong não, nhưng độ trễ thì không có.

Kirschvink cũng tìm thấy một tín hiệu khác trong não khi mà từ trường hạ xuống mặt đất – hay khi ứng viên ngẩng đầu lên. Ông cũng không thể hiểu tại sao sóng alpha thay đổi tương ứng với chuyển động lên-xuống và ngược chiều kim đồng hồ mà có phản ứng gì khi chiều xoay ngược lại, mặc dù ông giả thiết đó là cách mà la bàn trong ngão người phân biệt cực. Ông khá tự tin với bài diễn thuyết của mình.

Những người nghe tại buổi hội tháo đáp lại: “Tuyệt vời, nếu nó đúng”. “Khó mà đánh giá được sự thật, chỉ dựa trên một bài nói 12 phút” Lohmann nói. “Quan trọng là các tiểu tiết”, Hore nói. Theo ông, “Joe là một người thông minh và cẩn thận trong thí nghiệm. Ông sẽ đã khong nói gì về nó nếu ông không thực sự bị thuyết phục bởi bằng chứng. Không phải ai trong ngành này cũng vậy.”

Hai tháng sau, vào tháng 6, Kirschvink tới Nhật Bản thu thập số liệu và so sánh kết quả với thí nghiệm bởi nhóm của Matani. “Cảm giác như Alice trong Wonderland đang ngày càng lún sâu xuống hố.” Ông nói. Matani cũng sử dụng thiết kế tương tự, ngoại trừ việc lồng và cuộn dây nhỏ hơn – chỉ đủ to để bao quanh đầu của tình nguyện viên, và họ phải nằm ngửa người. Tuy khác nhau về thiết kế nhưng nhóm cũng đang bắt đầu có được kết quả lặp lại tương tự. “Thí nghiệm này hoàn toàn có thể tái thực hiện, ngay cả ở Tokyo,” Kirschvink nói. “Và những cánh cửa đang mở ra”.

Công trình cuộc đời của Kirschvink dường như sắp được hoàn thành, nhưng dường như nó cũng chỉ mới bắt đầu. Một đồng nghiệp tại New Zealand nói ông đã sẵn sàng để thử tái thực hiện thí nghiệm tại bán cầu Nam, và Kirscvink muốn có ngân sách cho một cái lồng Faraday di động mà ông có thể mang theo tới đường xích đạo để thử nghiệm. Có rất nhiều giấy tờ phải điền vào, cần tuyển tình nguyện viên mới. Giống như cách mà nghiên cứu của Baker mãi chưa được công nhận, Kirschvink biết con đường tới khi ý tưởng của ông được công nhận, chứng minh là một con đường dài và gian truân.

Đối với ông, việc này giống như tìm ra thứ liên kết chiếc iPhone trong túi với một phần sâu thẳm bên trong con người – một thứ từ tính điều hướng công nghệ và xã hội hiện đại. “Đó là một phần của lịch sử tiến hoá. “Từ giác” có thể chính là thứ giác quan nguyên thuỷ.