Sự sống trên bờ rìa: Buổi bình minh của Sinh học Lượng tử

Những bài cùng tác giả

"Mọi việc mà sinh vật làm
có thể hiểu qua sự đưa đẩy,
ngọ nguậy của các nguyên tử"

Richard Feynman

Tóm tắt

Sinh học và cơ học lượng tử là hai ngành khoa học lớn, nhưng không có một giao điểm nào. Sinh học nói về sự sống "hữu tình" của động thực vật, lượng tử bàn về những vật cực nhỏ của cõi vô tri. Nếu có một điểm chung thì có lẽ là chữ "kỳ". Sinh học thì "kỳ diệu", lượng tử thì "kỳ bí" thậm chí "kỳ quặc". Khi hai cái "kỳ" gặp nhau, liệu chúng có thể cho ta chiếc chìa khóa để giải mã những bí ẩn của Mẹ Thiên nhiên? Trong ba thập niên qua, đã có những phát hiện cho thấy sự can dự của quy luật lượng tử trong các quy trình sinh học. Lưỡng tính "sóng hạt", hiệu ứng chui hầm lượng tử và vướng víu lượng tử là những cơ chế cơ bản trong chất xúc tác enzyme, khứu giác, khả năng định hướng của động vật và phản ứng quang hợp. Bản chất "kỳ quặc" phản trực giác của lượng tử là nền tảng hành xử của một số phân tử sinh học. Sự tiến hóa của muôn loài đã khiến cho phân tử sinh học biết ứng biến một cách lượng tử. Chúng làm việc có trật tự, có phối hợp, có quy luật cho nhiều mục đích khác nhau để duy trì sự sinh tồn và thích ứng với hoàn cảnh. "Sự sống" ở trên bờ rìa giữa cái kỳ bí vi mô và cái bình thường vĩ mô. Nhưng cơ học lượng tử không phải toàn năng để có thể diễn giải mọi điều của sinh học. Thiên nhiên mãi là một bí ẩn triền miên.

1. Dẫn nhập

Vào thế kỷ thứ 19, sinh học trở thành một ngành khoa học lớn nhờ vào hai nhân vật kiệt xuất sinh ra cùng thời, Charles Darwin (1809-1882) và Gregor Mendel (1822-1884). Thuyết tiến hóa bởi sự chọn lọc tự nhiên được Darwin đề xướng và cơ chế di truyền của Mendel đã trở thành hai cột trụ trong khoa học về sự sống (life sciences). Sinh học được thành hình với những môn học như thực vật học, động vật học, di truyền học, tế bào học. Sinh học sau đó đươc kết hợp với hóa học, cho ra bộ môn sinh hóa và sinh học phân tử để tìm hiểu cơ chế của các phản ứng sinh học và cấu trúc phức tạp của phân tử sinh học. Trong thập niên đầu của thế kỷ 20, các nhà di truyền học và thống kê học bắt đầu kết hợp di truyền học Mendel và ý tưởng về sự chọn lọc tự nhiên của Darwin để tạo một thuyết tiến hóa qua sự chọn lọc tự nhiên của các biến đổi di truyền. Sinh học tiến một bước vĩ đại.

Mặt khác, cũng vào năm 1900 nhà vật lý người Đức, Max Planck, khám phá bản chất lượng tử của ánh sáng. Vào những năm kế tiếp, sự hình thành và phát triển nhanh chóng của thuyết lượng tử về vi hạt (hạt cực nhỏ) như electron, proton, neutron, nguyên tử và phân tử, được tiếp nối với các hàm số sóng của Erwin Schrödinger và nguyên lý bất định của Werner Heisenberg. Hàm số sóng và nguyên lý bất định trở thành hai cột trụ làm nên cơ học lượng tử. Schrödinger cùng với Heisenberg, Einstein và các nhà vật lý khác ở đầu thế kỷ 20 trở thành các nhà khoa học tiên phong tạo lập nên bộ môn cơ học lượng tử (còn gọi là vật lý lượng tử). Từ một dòng suối nhỏ ở đầu thế kỷ 20, ngày nay cơ học lượng tử trở thành một dòng sông hùng vĩ đổ vào biển cả vật lý mênh mông. Khái niệm lượng tử ngày nay không còn là sân chơi của các nhà triết học, toán học hay vật lý lý thuyết mà đã có những ứng dụng vào cuộc sống đời thường. Con chip, bộ não của chiếc điện thoại thông minh, máy tính hay nhiều thiết bị điện tử hiện đại, chứa hàng trăm triệu, hàng tỷ transistor trên một bề mặt rộng vài cm². Dựa trên các nguyên lý cơ học lượng tử, người ta lựa chọn các vật liệu thích hợp cho transistor để kiềm chế sự phát nhiệt và điều khiển sự di động của dòng điện trong các transistor nhỏ hơn con vi khuẩn. Một ứng dụng lớn trong y học là thiết bị chẩn bệnh có tên là "Tạo ảnh cộng hưởng từ" (Magnetic Resonance Imaging, MRI). Thiết bị có chức năng chụp những bộ phận mềm chứa nước hay mỡ trong cơ thể con người, những nơi không thể tạo ảnh bằng tia X. Ngoài ra, máy tính lượng tử đang ló dạng ở chân trời khoa học xa xa với tốc độ xử lý dữ liệu sẽ nhanh hơn máy tính hiện đại trăm triệu lần.

Một trăm năm trước, dù là hai bộ môn lớn trong khoa học nhưng sinh học và vật lý là hai ngành riêng biệt. Các nhà nghiên cứu sinh học và vật lý gần như sống ở hai ốc đảo riêng biệt không có sự đối thoại giao lưu. Sinh học có đặc tính mô tả vật sống và tìm hiểu quy trình của sự sống trong khi cơ học lượng tử tìm hiểu nguyên lý của sự vật cực nhỏ vô tri và diễn giải bằng các phương trình toán học. Hóa học và cơ học lượng tử đã gắn bó với nhau và thành hình môn "Hóa học lượng tử" ngay từ khi thuyết lượng tử được khai sinh để lập ra những mô hình toán cho các phân tử đơn giản và tiên đoán các khả năng xảy ra của phản ứng hóa học. Đối tượng nghiên cứu của sinh học là các phân tử phức tạp như protein. Nếu phân tử đơn giản như hydrogen (H₂), nước (H₂O) hay methane (CH₄) là những viên gạch, thì các phân tử sinh học là những tòa lâu đài kỳ vĩ. Chính vì sự phức tạp kỳ vĩ này đã làm cho việc tiếp cận giữa sinh học và cơ học lượng tử trở nên khó khăn.

Mặc dù cơ học lượng tử đã có một lịch sử hơn 100 năm và những ứng dụng hữu ích đời thường nhưng bộ môn này cho thấy những điều "kỳ quặc" trong lề lối hành xử của các vi hạt vì nó phản trực giác và phản thế giới quan trong cuộc sống hằng ngày. Trớ trêu thay, cái "kỳ quặc" trong thế giới cực nhỏ lại là căn nguyên của sự "bình thường" của thế giới to lớn xung quanh. Vậy, có chăng một đường ranh chuyển tiếp từ các kết quả lượng tử đến thế giới hằng ngày? Câu hỏi này đưa chúng ta đến một câu hỏi trung tâm là: sinh học đứng ở đâu trong cảnh quan lượng tử với những đối tượng có sự sống như từ phân tử protein, vi khuẩn, tế bào đến các loài voi báo, linh trưởng và bộ não con người?

Câu trả lời cũng sẽ là lời giải đáp của câu hỏi "Sự sống là gì?". Một câu hỏi đơn giản nhưng hơn 2.000 năm qua nó đã làm cho người ta băn khoăn và nỗ lực tìm lời giải đáp thích đáng. Một tảng đá và các loài động thực vật kể cả con người có những nguyên tố cấu tạo (oxygen, hydrogen, nitrogen, carbon, phosphor, lưu huỳnh, kim loại v.v…) giống nhau. Một câu hỏi lớn nhất trong khoa học là tại sao khi những nguyên tố này hiện diện trong một vật có sự sống thì cái "vô tri" của tảng đá biến thành những biểu hiện của ý thức như chạy, nhảy, đi, đứng, cười, nói, la, hét, suy tư, hỷ, nộ, ái, ố, tham, sân, si… Thật ra, chính bản thân của những nguyên tố này cũng không có sự sống nhưng Mẹ Thiên nhiên đã dùng nguyên tố "vô tri" để tạo ra vật có sự sống. Thậm chí, nền công nghệ sinh học ngày nay đã có những tiến bộ tuyệt vời như công nghệ di truyền học (genetic engineering) hay sinh học tổng hợp (synthetic biology) nhưng con người vẫn chưa có một phương pháp tạo ra vật sống "hữu tình" có ý thức từ các nguyên tố "vô tri" như thiên nhiên đã làm từ thuở khai thiên lập địa.

Hơn 2.000 năm trước nhà triết học và khoa học Hy Lạp Aristotle đã từng nhận định "linh hồn" như là một thực thể phân biệt giữa loài vật và vật vô tri. Linh hồn đã được xem như một vật chất siêu nhiên. Trong một thời kỳ mà người ta tin rằng hành tinh, mặt trời, trái đất di chuyển là nhờ vào sức đẩy của thiên thần thì dù không có lời giải thích rõ ràng khái niệm siêu nhiên đã được mặc nhận như là một thực thể phân chia vật chất vô tri và sinh vật.

Đến thế kỷ 17 và 18, khoa học công nghệ và toán học bùng phát tại châu Âu. Cơ học Newton, máy hơi nước của James Watts, chu trình Carnot giải thích việc vận hành của máy hơi nước đã tạo nên cuộc cách mạng công nghệ tại Anh, lan tỏa khắp châu Âu và cải tạo trật tự thế giới. Descartes, một nhà triết học và khoa học của thế kỷ 17, và một số nhà khoa học khác trong đó có Newton cũng bị ảnh hưởng ít nhiều về máy móc. Họ cho rằng loài vật kể cả loài người chỉ là những bộ máy cơ khí tinh vi với những bộ phận chuyển động như bơm, piston, móc, trục xoay của đầu máy hơi nước. Sự so sánh này cho thấy cái khởi đầu của việc tiếp cận giữa vật lý và sinh học, dù rất thô sơ và khập khiễng.

Sau khi thiết lập hàm số sóng lừng danh, Schrödinger bị thu hút bởi quá trình di truyền kỳ bí trong sinh thực vật nên đã chuyển qua nghiên cứu sinh học trong phần còn lại của cuộc đời ông. Trong Thế chiến thứ 2, Đức quốc xã chiếm đóng Áo đất nước ông, nên ông cùng gia đình tị nạn sang Ireland. Năm 1943, tại giảng đường của Đại học Trinity (Dublin, Ireland), Schrödinger giảng một loạt bài, không phải về vật lý mà về sinh học với tựa đề "Sự sống là gì?" (What is life?). Trong các bài giảng này, lần đầu tiên ông đưa ra những khái niệm về mã di truyền (genetic code) mà sau này người ta biết nó như là "thông tin" di truyền trong phân tử DNA [1]. Di truyền là một điều huyền diệu. Một người có thể là bản sao cha ông của mình từ đôi mắt, nụ cười, tướng đi, tính cách và thậm chí cả bệnh tật. Việc sao chép các thông tin sinh học cực kỳ chính xác từ thế hệ trước đến các thế hệ sau khiến cho Schrödinger vừa băn khoăn vừa bị lôi cuốn vào cơ chế của di truyền học. Trong bối cảnh này, Schrödinger đã thổi một luồng gió mới vào sinh học và tạo một chiếc cầu nối giữa hai bộ môn, trong mục đích dùng những nguyên lý vật lý để lý giải các quá trình kỳ bí trong sinh học. Nếu xem các bài giảng "Sự sống là gì?" của Schrödinger tại đại học Trinity là cột mốc khởi đầu thì sự giao lưu giữa vật lý và sinh học đã được 70 năm. Sự tiếp cận chỉ mang lại những bước tiến nhỏ nhưng trong ba thập niên gần đây thì có những khám phá lớn về các ảnh hưởng lượng tử trong sinh học.

Quyển sách với tựa đề "Life on the edge: The coming of age of Quantum Biology" (Sự sống trên bờ rìa: Sự trưởng thành của Sinh học Lượng tử) [2] của giáo sư Jim Al-Khalili, nhà vật lý lý thuyết, và giáo sư Johnjoe McFadden, nhà di truyền học phân tử, đã truyền cảm hứng cho tôi để thực hiện bài viết này. Tôi dùng một số thông tin trong quyển sách (viết tắt "quyển LOTE") và các tài liệu tham khảo để tóm tắt những thành quả của sinh học lượng tử trong ba thập niên qua; và sau đó, nhận định về vai trò của cơ học lượng tử trong sinh học. Liệu thuyết lượng tử có thể là một công cụ để giải mã những bí ẩn của các quy trình sinh học và cho lời giải đáp đến câu hỏi của hai thiên niên kỷ, "Sự sống là gì?".

2. Bản chất của Cơ học Lượng tử

Cơ học Newton hình thành vào thế kỷ 17 bởi Issac Newton mô tả sự chuyển động của các vật thể vĩ mô như hòn đá, khúc cây, chiếc xe, tòa nhà, hành tinh. Một viên bi đứng yên thì sẽ mãi đứng yên ở vị trí đó và chỉ di động khi có một tác lực bên ngoài. Khi viên bi di chuyển và nếu không có sự ma sát thì nó sẽ di chuyển mãi mãi với cùng vận tốc. Khi ta tác động một lực lên một vật thể thì vật thể sẽ phản hồi bằng một tác lực tương đương ngược lại. Nguyên lý này đúng với các vật thể to lớn và bao trùm những nhận thức xảy ra hằng ngày. Những người yêu mến võ thuật thích vung tay chém ngói thì cũng có ngày gãy tay!

Tuy nhiên, khi vật thể là những hạt cực nhỏ (vi hạt) như electron, photon, proton, neutron, nguyên tử, phân tử, nguyên lý của Newton không còn chính xác. "Cơ học lượng tử" ra đời vào đầu thế kỷ 20 như một phân ngành mới của vật lý mô tả sự "đi đứng" của của vi hạt. Các vi hạt có những hành xử rất "kỳ quặc" thoát ly ra khỏi hiểu biết thường thức. Chẳng hạn, khi một chiếc xe chạy 100 km/h từ điểm A theo đường thẳng thì một giờ sau nó sẽ chắc chắn ở điểm B cách A 100 km. Nhưng vi hạt thì không hành xử như chiếc xe. Khi ta biết vận tốc chính xác của một vi hạt thì ta không xác định được nó ở phương trời nào. Nhưng khi ta biết vị trí của nó thì ta không định lượng được ở vận tốc di chuyển của nó. Điều này có nghĩa là ta không thể xác định được vị trí và vận tốc cùng một lúc (nguyên lý bất định Heisenberg) mà chỉ biết rất mơ hồ rằng vi hạt sẽ hiện diện tính theo phần trăm ở một vùng xyz nào đó. Trước khi có cơ học lượng tử, cấu trúc nguyên tử được diễn tả có một hạt nhân và electron quay quanh theo một quỹ đạo (orbit) như trái đất quay quanh mặt trời. Thực tế không như vậy. Là một vi hạt, electron không hành xử giống một vật to lớn như trái đất, đi theo một quỹ đạo rạch ròi, mà phân tán trong một không gian gọi là vân đạo theo xác suất. Schrödinger đã thiết lập hàm số sóng để định lượng hóa được xác suất hiện diện của electron trong nguyên tử. Từ đó, người ta vẽ nguyên tử có nhân và xung quanh nhân là đám mây electron (vân đạo).

Mặt khác, viên bi là viên bi nhưng vi hạt có thể là hạt mà cũng có thể là sóng như một người có hai mặt tùy trường hợp lúc thế này lúc thế kia. Lưỡng tính "sóng hạt" đã từng làm sửng sốt các nhà nghiên cứu khoa học đương thời. Một viên bi khi chạm vào một bức tường, theo thường thức và cũng theo định luật Newton, viên bi nhận được phản tác lực từ bức tường và bật ngược trở lại. Nhưng khi viên bi này thu nhỏ trở nên vi hạt thì nó có thể hành xử như sóng đi xuyên qua bức tường, giống như ta bấm chiếc chìa khóa remote từ trong nhà phát ra tia sóng đi xuyên qua các bức tường để mở hay đóng cửa chiếc xe [3]. Người ta gọi đó là hiện tượng "chui hầm lượng tử" (quantum tunnelling) (Hình 1).

Hình 1: Vi hạt hành xử như sóng từ Vùng I đi xuyên qua
chướng ngại vật (Vùng II) và tái xuất hiện ở vùng III

Một hiện tượng phản trực giác rất "kỳ quặc" nhưng có thật là "vướng víu lượng tử" (quantum entanglement). Trong một thí nghiệm [A. Aspect et al., Phys. Rev. Lett., 47 (1981) 460 & 49 (1982) 91], người ta bắn tia laser vào một chùm tia nguyên tử calcium thì sự phân rã nguyên tử sẽ tạo ra cặp photon A và B. Photon là vi hạt quay như con cù. Chiều quay gọi là spin. Hai photon A và B bay theo hai hướng trái nghịch nhau nhưng vẫn "vướng víu" với nhau. Khi máy đo xác nhận được chiều quay của photon A thì tức thời photon B sẽ "cảm" được và điều chỉnh chiều quay của mình cho thích hợp với A. Nghĩa là chiều quay của photon A luôn luôn liên kết chặt chẽ với chiều quay của photon B bất chấp khoảng cách dài ngắn giữa hai photon mà không có bất kỳ sự chuyển giao năng lượng nào, dù khoảng cách đó là khoảng cách thiên hà vài tỷ năm ánh sáng. Hiện tượng này giống như cặp đôi trai gái xa nhau vẫn mùi mẫn "thần giao cách cảm" nhớ nhau. Người này làm gì ở đầu này, thì ở đầu kia người kia lập tức cảm nhận được, "chúng mình cách xa mà vẫn gần nhau" (Không bao giờ ngăn cách, nhạc Trần Thiện Thanh). Hiệu ứng "không bao giờ ngăn cách" có đôi chút lãng mạn này lại được Einstein gắn cho cái tên hơi rùng rợn là "tác động ma quái tầm xa" (spooky action at a distance).

Cơ học lượng tử kỳ quặc trước những nhận thức thông thường. Cơ học lượng tử nổi loạn trước những trật tự cổ điển. Nhưng Mẹ Thiên nhiên hiểu và biết tận dụng những "mánh" lượng tử từ lâu lắm rồi. Chúng ta hãy xem ở phần kế tiếp những chứng cớ cho thấy hệ thống sinh học đã sử dụng cơ học lượng tử.

3. Những hiện tượng sinh học từ góc nhìn lượng tử

3.1 Enzyme và Collagen

Chất xúc tác là chất thúc đẩy một phản ứng hóa học biến chất A thành chất B. Không có nó A không bao giờ thành B hay chỉ xảy ra rất chậm. Nước (H₂O) là hợp chất chứa hydrogen và oxyen. Nhưng khi ta trộn khí hydrogen và khí oxygen vào nhau nó sẽ không bao giờ thành nước. Chỉ khi nào có một tia lửa được bắn vào hỗn hợp khí hydrogen và oxygen thì hai nguyên tố này mới kết hợp thành nước. Tia lửa là chất xúc tác. Xung quanh ta đầy chất xúc tác, nhân tạo lẫn thiên nhiên. Ta cần chất xúc tác cho mọi nhu yếu phẩm thường ngày. Bột biến thành bánh mì, sữa biến thành sữa chua, cá thành nước mắm, gạo thành rượu, bột cây thành giấy, dầu thô thành plastics, tất cả nhờ vào chất xúc tác.

Hình 2: Cấu trúc phân tử của một enzyme thiên nhiên. (Nguồn: Google)

Enzyme là phân tử protein, một chất xúc tác nguyên thủy từ khi có sự sống xuất hiện (Hình 2). Hàng tỷ năm của sự tiến hóa được hoàn thiện nhờ vào enzyme toàn năng trong chức năng xúc tác. Thuật ngữ "enzyme" cũng không xa lạ đối với những người nội trợ. Các nhà sản xuất bột giặt đã từng tung ra thị trường bột giặt enzyme. Enzyme trong bột giặt là hợp chất nhân tạo có tác dụng tẩy chất bẩn mà không cần dùng đến nước ấm để tiết kiệm năng lượng. Đây là một cơ chế xúc tác rất đơn giản khi so với những gì xảy ra trong sinh thực vật. Có hàng triệu enzyme thiên nhiên trong động thực vật làm vô số những việc xúc tác khác nhau để cơ thể nhanh chóng chế tạo chất hay tiêu hủy chất. Nếu không có chúng thì quả đất ngày nay vẫn còn trong thời kỳ mông muội chỉ toàn là sỏi đá vô tri như vài trăm triệu năm trước. Enzyme là cỗ máy làm việc để duy trì sự sống. Có thể nói không có enzyme thì không có sự sống.

Động thực vật từ hoa lá, con vi khuẩn đến con người là một lò phản ứng sinh hóa học hoạt động ngày đêm không ngơi nghỉ, tiêu hủy và tái tạo vô số các nối kết giữa các phân tử để hủy chất cũ và tạo chất mới nhằm thỏa mãn nhu cầu của cơ thể và thích ứng sự biến đổi với môi trường xung quanh. Các phản ứng này được chi phối bởi nhiệt và enzyme. Một câu hỏi được đặt ra là trong cơ chế của những phản ứng này có hay không sự can dự của hiệu ứng lượng tử. Khi nhìn vào cơ cấu tận cùng của vật chất, một phản ứng xảy ra chẳng qua là sự di chuyển qua lại của những vi hạt như electron, proton, thậm chí các phân tử nhỏ. Mà những vật chất nhỏ lại chịu sự chi phối của các quy luật lượng tử. Hơn nữa, enzyme đã chứng tỏ là một chất xúc tác vô cùng hiệu quả, có mặt ngay từ điểm khởi đầu của thuở khai thiên lập địa, tiến hóa với thời gian, bình thản hoạt động ở những nơi lạnh nhất hay nóng nhất trong môi trường thiên nhiên. Enzyme chứa nhiều bí ẩn. Phải chăng một trong những bí ẩn đó là hiệu ứng lượng tử?

Hãy xem tác dụng của enzyme lên collagen trong việc làm phân rã phân tử này. Collagen là một phân tử sinh học (protein) hiện diện khắp nơi trong cơ thể con người và các loài có vú. Nó hiện diện trong dạng sợi dưới làn da, trong xương, sụn, cơ bắp, các sợi gân (dây chằng, ligament) nối xương với xương hay cơ bắp với xương. Đối với những người thuộc trường phái ăn mặn thích món steak khoái khẩu nhưng buổi ăn sẽ mất ngon khi gặp phải phần thịt dính nhiều sụn, lắm lúc cắn phải sợi gân đầy sợi collagen nấu không bao giờ mềm. Lúc xưa Tào Tháo ăn phải gân gà, nhả không đành nhưng nuốt không trôi nên bực tức chém đầu bộ hạ. Đó là chuyện ẩm thực. Trong sinh học, không có collagen con người sẽ mềm nhũn giống như sợi bún… Sợi collagen tạo thành mạng lưới khắp cơ thể cho gân cốt sung mãn để con người đi đứng hài hòa, để làn da được căng mịn. Nhưng khi tuổi cao, cơ thể không còn sản xuất nhiều collagen khiến cho cơ bắp nhão đi, xương trở nên giòn và làn da nhăn nhúm. Kem thoa mặt chứa phân tử collagen với mục tiêu bổ sung collagen cho da được các công ty mỹ phẩm hăng say quảng cáo là có thể "cải lão hoàn đồng" làm mờ hay triệt tiêu những dấu hằn chân chim ở khóe mắt, khóe môi và những vòng cổ chảy xệ. Quý bà quý cô hào phóng mở hầu bao mong được hồi sinh làn da mịn màng của tuổi xuân xanh. Tiếc thay, nhiều chuyên gia cho rằng mua kem collagen chỉ phí tiền vì phân tử collagen rất lớn không thể nào đi xuyên qua biểu bì để tạo mạng lưới làm căng da như collagen tự nhiên trong cơ thể.

Sợi collagen rất dai và bền. Nếu được bảo quản tốt thì sợi có thể tồn tại hàng chục triệu năm như một phát hiện gần đây về sợi collagen của con khủng long [LOTE trang 63]. Kinh nghiệm nhà bếp cũng cho thấy xương sụn hay các sợi gân không bao giờ suy xuyển dù nấu trong nồi áp suất ở nhiệt độ cao. Nói theo ngôn ngữ hóa học, cần một năng lượng rất lớn – chẳng hạn nhiệt độ hay áp suất thật cao – mới có thể làm tan rã collagen. Nhưng sự bền dẻo của collagen cũng không phải bất trị. Nếu được nấu trong dung dịch acid hay kiềm thì chúng cũng có thể tan rã. Không có gì đáng ngạc nhiên khi dịch vị là một dung dịch acid. Nhưng, làm sao có thể làm tan rã collagen trong môi trường quen thuộc như nước trong điều kiện sinh hoạt ở 25 °C và áp suất bình thường của không khí. Ta cần phải có enzyme để thực hiện việc này.

Một nhóm nghiên cứu đã cho những sợi collagen của con khủng long tiền sử vào một dung dịch enzyme ở nhiệt độ bình thường và chỉ trong một thời gian ngắn collagen tan rã. Thuật ngữ khoa học gọi là "thủy phân" (hydrolysis). Enzyme đã có một thao tác gì để làm tan rã một chất đã tồn tại hàng chục triệu năm trong một tích tắc? Một thao tác tuyệt diệu khác của enzyme là việc nòng nọc biến thành cóc. "Thiếp bén duyên chàng có thế thôi. Nòng nọc đứt đuôi từ đấy nhé". Hồ Xuân Hương bén duyên Tổng Cóc chỉ ngần ấy, thẳng thắn dứt khoát tình cảm như nòng nọc đứt đuôi rồi đi vào một ngã rẽ tìm một tình yêu khác.

Thật sự, trong quá trình biến thành cóc, đuôi nòng nọc không đứt rụng đi mà chỉ thu nhỏ, và những chất liệu của đuôi được tái tạo thành bốn cái chân dần dần xuất hiện. Tất cả cần một thời gian vài tuần hay vài tháng tùy vào chủng loại. Việc thu nhỏ đuôi không hề dễ dàng nếu không có cỗ máy enzyme. Nòng nọc không thể cho cái đuôi của mình vào một dung dịch nóng acid hay kiềm để tiêu hủy cái đuôi. Khi nòng nọc phát triển đến một thời điểm nhất định, cũng như collagen của con khủng long vài trăm triệu năm trước, chỉ trong một thời gian ngắn enzyme làm tan rã các sợi collagen của đuôi nòng nọc thành các hợp chất nhỏ và chúng được hấp thụ trở lại trong cơ thể. Các hợp chất này lại được enzyme tái tạo để hình thành cơ bắp chân và xương chân cho con cóc tương lai. Khi bốn chân đã vững vàng cho cóc hoạt động trên bộ thì cái đuôi nòng nọc cũng biến mất.

Qua thí dụ enzyme và collagen, từ bao nhiêu tỷ năm đã trôi qua enzyme làm việc không ngừng để thu ngắn các quá trình tiêu hủy chất và tạo chất cần thiết tạo nên sự sống. Như vậy, cơ chế gì đã làm cho enzyme có một chức năng kỳ diệu như thế?

Hỗn hợp khí hydrogen và oxygen biến thành nước là một phản ứng hóa học toả nhiệt. Nhưng giữa hỗn hợp này và nước là một "quả núi" biểu hiện cho năng lượng mà hỗn hợp khí cần phải vượt qua để trở thành nước (Hình 3). Nếu không vượt qua được, thì khí vẫn là khí. Khi có một tia lửa, thì quả núi bị lùn xuống. Hỗn hợp khí có thể vượt qua dễ dàng để tạo thành nước. Sự lùn xuống của năng lượng là do tia lửa tác động lên nối H-H của phân tử hydrogen H₂ và nối O-O của phân tử oxygen O₂ bị bẻ gãy hai nối này để nối mới H-O-H nhanh chóng kết hợp tạo thành nước H₂O.

Hình 3: (Hình trái) Một phản ứng hóa học biến chất A thành chất B. Giữa A và B là "quả núi" năng lượng mà phản ứng cần vượt qua (đường 1). Chất xúc tác "lùn hóa" quả núi để phản ứng xảy ra dễ dàng (đường 2). (Hình phải) Hiện tượng "chui hầm lượng tử" chỉ cần một năng lượng rất thấp để phản ứng từ A sang B xảy ra nhanh chóng.

Sự thủy phân (phân rã trong nước) của collagen cũng có một "quả núi" năng lượng. Collagen của con khủng long vẫn có thể tồn tại hàng chục triệu năm và cái đuôi nòng nọc sẽ không bao giờ thu nhỏ vì "quả núi" năng lượng. Tác động xúc tác của enzyme không đơn giản như tia lửa cho hỗn hợp hydrogen/oxygen biến thành nước. Khác với thế giới vô tri, sự thủy phân của chất collagen có cấu trúc cực kỳ phức tạp cùng với tác động của enzyme cũng là một phân tử sinh học có cơ cấu phức tạp, liệu quan điểm cổ điển về sự "lùn hóa" của quả núi năng lượng có thể giải thích được những uẩn khúc trong phản ứng thủy phân của collagen? Enzyme sở hữu hai nhóm chức năng, một nhóm có cơ cấu giữ chặt phân tử collagen, nhóm thứ hai hành xử như cây kéo cắt nhỏ phân tử collagen. Trong quá trình thủy phân, thoạt đầu các phân tử enzyme sẽ bám vào sợi collagen và giữ chặt phân tử collagen trước khi "cắt" collagen thành những phân tử nhỏ hơn.

Theo quan điểm "cổ điển", từ nhiều năm qua các nhà sinh học vẫn tin rằng enzyme giống như các chất xúc tác của thế giới vô tri, cũng làm giảm độ cao của "quả núi" năng lượng để tăng tốc các phản ứng sinh học. Sau khi phân tích những cơ chế "cắt" của enzyme và tính toán ra con số thì enzyme đã gia tăng tốc độ phản ứng thủy phân một triệu lần nhanh hơn khi không có enzyme hiện diện. Nhưng kết quả đo được cho thấy con số là một triệu triệu lần (12 con số 0 sau số 1) hay là một triệu lần lớn hơn con số tính toán. Sự "lùn hóa" chiều cao năng lượng bởi enzyme không giải thích được sự khác biệt giữa con số lý thuyết và thực nghiệm.

Để tìm một lối giải thích khác, năm 1989 nhóm nghiên cứu của giáo sư Klinman (University of California, Berkeley) [4] bằng thực nghiệm cho thấy hiện tượng chui hầm lượng tử của nguyên tử hydrogen (H) xảy ra trong enzyme. Sự di chuyển (transfer) của nguyên tử hydrogen từ một chất này sang một chất khác là một trong những khâu cơ bản và then chốt của mọi quá trình và phản ứng sinh học. Sự thủy phân và tái tạo collagen cũng là những phản ứng sinh học. Nhóm Klinman đã dùng enzyme để di chuyển nguyên tử H từ chất A sang chất B. Sự di chuyển bị ngăn cách bởi quả núi năng lượng. Nhưng nhóm Klinman đã khám phá rằng nguyên tử H thay vì phải trèo lên quả núi, nguyên tử này đã tách khỏi chất A đi xuyên qua núi theo cơ chế chui hầm lượng tử để kết hợp với chất B và chỉ tốn hao một năng lượng rất thấp (Hình 3) [5-6].

Cơ chế chui hầm đã làm tốc độ phản ứng gia tăng ít nhất hàng ngàn lần. Nhưng làm sao biết đây là hiệu ứng chui hầm lượng tử? Như đã đề cập ở phần trên, khi một viên bi thu nhỏ trở thành vi hạt thì lưỡng tính "sóng hạt" xuất hiện. Vi hạt biến thành sóng như bóng ma đi xuyên qua bức tường. Công thức de Broglie cho thấy khi một hạt to và nặng thì sự chui hầm sẽ trở nên vô cùng khó khăn thậm chí vô nghĩa [3]. Điều này được thực chứng bằng phương pháp chất đồng vị. Khi nguyên tử hydrogen (H) được thay bằng nguyên tử đồng vị deuterium (D) nặng gấp đôi H và nguyên tử đồng vị tritium(T) nặng gấp 3 thì phản ứng sẽ chậm đi [7]. Phương pháp này gọi là hiệu ứng đồng vị động (kinetic isotope effect).

Bài báo cáo của nhóm Klinman, đưa ra một luận điểm mới để giải thích cơ chế xúc tác enzyme, được nhiều sự ủng hộ cũng như phản biện trong cộng đồng nghiên cứu enzyme.

3.2 Khứu giác

Người ta thường bảo đôi mắt là cửa sổ của tâm hồn, làn môi gợi cảm hay sóng mũi dọc dừa. Những cụm từ này thường được ưu ái đưa vào thi văn diễn tả cái đẹp trên khuôn mặt con người. Nhưng hai cái lỗ mũi chưa bao giờ có diễm phúc được tôn vinh, dù rằng nó là một công cụ rất nhạy cảm để liên thông với môi trường xung quanh. Thậm chí động từ "ngửi" cũng có chung số phận bị xem là một cử chỉ không được thanh tao gần như dung tục.

Động vật trên bộ có khứu giác bén nhạy là chuyện thường thức, nhưng khứu giác của động vật dưới nước như cá mập, cá hồi và các loài cá màu sặc sỡ sống ở rặng san hô cũng tạo ra nhiều huyền thoại. Bộ não cá mập phần lớn dành cho hoạt động khứu giác khiến cho nó thể ngửi được mùi của một giọt máu xa hơn một cây số. Hằng năm đến mùa đẻ trứng hàng triệu con cá hồi khắp nơi tụ tập thành đàn ở các cửa sông dùng khứu giác và khả năng định hướng bơi ngược dòng, vượt ghềnh thác tìm về chốn xưa thượng nguồn để đẻ trứng. Cá con san hô khi vừa nở từ trứng chỉ nhỏ li ti vài milimét. Chúng bị các dòng nước đẩy trôi ra cách nơi sinh nở vài cây số. So với kích cỡ của cá con thì đây là khoảng cách rất dài, nhưng chúng dùng khứu giác ngửi mùi nước bơi trở lại vùng san hô quen thuộc an toàn.

Loài chó có một khứu giác phi thường. Độ nhạy của mũi chó có thể đạt đến 1 phần ngàn tỷ (1/10¹², 1 phân tử của mùi trong 1 ngàn tỷ phân tử không khí), trong khi mũi người ở mức 1 phần triệu (1/10⁶), hay là 1 triệu lần kém nhạy hơn mũi chó. Butyric acid là một hóa chất có mùi thối. Một thứ mùi dai dẳng tổng hòa các mùi thối trên đời: phân, chân thối, phô-mai thối, sữa thiêu… Mũi người có thể nhận ra mùi của một giọt butyric acid trong một căn phòng. Nhưng loài chó săn có thể đánh hơi được giọt nhỏ butyric acid này trong khoảng không gian có bề mặt rộng bằng một thị trấn và chiều cao 100 m (LOTE trang 141). Nhưng mũi gấu nhạy hơn chó 7 lần, nó có thể đánh hơi được mùi con mồi cách xa 20 km. Con bướm đêm có thể tìm người bạn tình cách xa 10 km. Con chuột tìm thức ăn bằng khứu giác ba chiều, con gián có khứu giác ở hai cái râu và rắn ở lưỡi. Khứu giác của động vật được thiết kế cho việc sống còn và duy trì nòi giống. Đó là công cụ đi tìm mồi, tìm bạn tình và tránh xa dã thú nguy hiểm.

Sự tiến hóa của giống vượn người đi lom khom bốn chân đến loài người đi thẳng hai chân, có lẽ đã làm thoái hóa độ nhạy và làm giảm đi số mùi mà mũi người có thể cảm nhận. Số lượng các loại mùi gần mặt đất phong phú hơn khi xa mặt đất. Nên những người bạn bốn chân của con người từ chú khỉ đến chú khuyển ngoài việc lăng xăng cùng ngửi nhau, chúng thường đi tới lui đưa hai lỗ mũi lùng sục tìm mùi lạ. Tiến hóa tạo ra cơ năng cần thiết và đồng thời đào thải các cơ năng không sử dụng. Mũi của loài người hiện đại không còn đánh hơi được mùi hương quen thuộc của người bạn tình hay mùi thức ăn của buổi cơm chiều cách xa vài cây số. Nhiều lắm, con người chỉ có thể một thoáng cảm nhận được mùi nước hoa đắt tiền từ mái tóc của một người đẹp đang bồng bềnh bay trước gió cách đó vài mét, hay bắt được mùi nước mắm thoảng bay từ cái nồi cá kho trong bếp trước khi mở cửa bước vào nhà. Tuy nhiên, so với cái lưỡi chỉ biết năm vị, ngọt, mặn, chua, đắng, umami (vị bột ngọt), con người phân biệt được khoảng mười ngàn loại mùi từ cái mùi thơm nức lòng, thơm như mít, ngây ngất, kích thích nhất, rồi đến thơm thơm, chuyển qua khai khai, khen khét, hăng hắc, thoang thoảng, thum thủm, cuối cùng đến các thứ khó ngửi nhất. Mùi cho mũi như màu cho mắt. Giữa những mức độ mùi lại có rất nhiều cung bậc trung gian khiến cho mũi người tuy không bằng loài vật nhưng vẫn là một bộ phận rất đa năng đầy ấn tượng.

Bộ phận khứu giác có thể xem như là sự kết hợp của hai thiết bị, đó là bộ cảm ứng (sensor) và máy phân tích hóa học. Tế bào khứu giác có chức năng của bộ cảm ứng và bộ não có chức năng của máy phân tích. Vùng cảm nhận trong mũi có diện tích lớn vài cm² chứa hơn 100 triệu tế bào khứu giác. Tế bào này giống như cây chổi với đầu chổi là những sợi lông cảm nhận li ti có chức năng "chợp" lấy những phân tử mùi bay theo không khí vào mũi. Sau đó, những tín hiệu sẽ được truyền qua "cán chổi" tế bào xuyên qua dây thần kinh lên bộ não.

Ngày nay, bộ cảm ứng nhân tạo có độ nhạy đạt đến 1 phần tỷ (1 phân tử mùi trong 1 tỷ phân tử không khí) nhưng chỉ giới hạn cho một số chất như hơi nước, chất nổ, chất khí như ammonia có mùi khai khai và một số khí đơn giản khác. Con người cũng đã chế tạo các máy phân tích rất tinh vi như máy phổ hồng ngoại, máy phân tích phổ Raman, máy sắc ký (chromatography), máy khối phổ (mass spectrometer) hay máy cộng hưởng từ (NMR) được bán với giá một vài trăm ngàn đến triệu đô la. Các loại máy này có công dụng cho biết hóa chất gì có nồng độ là bao trong một hỗn hợp chất nhưng không có khả năng "ngửi". Sự siêu việt của mũi động vật hơn thiết bị nhân tạo là vừa cảm ứng vừa phân tích và ngửi được mùi cộng thêm khả năng phỏng chừng nồng độ là "một thoáng" hay "nồng nặc" trong tích tắc.

Một bí ẩn mà các nhà nghiên cứu khoa học muốn giải mã là tại sao khứu giác có thể phân biệt được mùi khác nhau cho từng loại phân tử? Các nhà khứu giác học cho rằng sự tiếp xúc giữa phân tử mùi và bề mặt của những sợi lông li ti của tế bào khứu giác theo cơ chế "chìa khóa và lỗ khóa". Phân tử sẽ nhập vào những lỗ có hình dạng tương tự trên các sợi lông tế bào rồi đưa tín hiệu lên não và não sẽ diễn giải tín hiệu thành mùi. Nhưng cơ chế này bị lung lay. Mũi người có thể cảm nhận chục ngàn phân tử khác nhau và mũi thú vật cảm nhận nhiều hơn mũi người về số lượng phân tử. Như vậy làm sao lông tế bào có đủ hàng chục, hàng trăm ngàn "lỗ khóa" có hình dạng khác nhau để thực hiện việc cho chìa vào lỗ khóa? Ngoài ra, có những chất phát ra mùi giống nhau nhưng cấu trúc phân tử lại hoàn toàn khác nhau (LOTE trang 153). Ngược lại, có những phân tử có dạng giống nhau nhưng lại có mùi khác nhau. Thí dụ, phân tử ethanol (C₂H₆O) và ethanethiol (C₂H₆S) có hình dạng giống nhau, và ethanol là thành phần của rượu whisky hay brandy có mùi thơm ngát, nhưng ethanethiol chứa lưu huỳnh (S) nên có mùi trứng thối. Sự hiện diện của nguyên tố lưu huỳnh trong ống cống đến củ tỏi, trái sầu riêng biến mọi thứ trở thành thum thủm. Như vậy, cơ chế "chìa và lỗ khóa" có một số thành công nhất định nhưng chưa phải là chiếc chìa khóa giải mã sự bí ẩn của mùi một cách toàn diện.

Luca Turin, một nhà vật lý gốc Lebanon, nhận ra khiếm khuyết này. Năm 1996, ông phủ nhận cơ chế "chìa và lỗ khóa" và dùng hiệu ứng "chui hầm lượng tử" của electron để giải thích hiện tượng mùi [8]. Như đề cập ở bên trên, electron có thể hành xử như sóng đi xuyên qua chướng ngại vật. Hãy tưởng tượng hai điện cực kim loại để rất gần nhau dưới một điện áp. Một bên điện cực có nhiều electron, một bên không. Hai điện cực được áp sát nhưng vẫn còn khoảng trống rất hẹp (vùng II trong Hình 1). Electron hành xử như sóng thực hiện cuộc "chui hầm điện tử" từ điện cực nhiều electron xuyên qua khoảng trống để nhập vào điện cực đối diện. Turin cho rằng trên các sợi lông cảm nhận của tế bào có nhiều lỗ trống. Phân tử mùi sẽ lọt vào những lỗ trống này (Hình 4). Hai bên lỗ trống là hai bức tường xử sự như hai điện cực. Trong môi trường sinh học có rất nhiều electron di chuyển qua lại ở khắp mọi nơi. Khi một bức tường chứa nhiều electron thì electron nay là sóng sẽ "nhảy" (chui hầm) qua bức tường đối diện. Trong quá trình nhảy, sóng electron chạm vào phân tử mùi làm nó dao động như chiếc lò xo. Dao động nhanh chậm, dùng từ khoa học là tần số cao thấp, tùy thuộc vào bản chất của phân tử. Tín hiệu dao động sẽ được truyền lên bộ não và bộ não sẽ "ban" cho phân tử một mùi đặc trưng. Như vậy, nếu phân tử khác nhau nhưng dao động ở cùng tần số thì chúng sẽ có mùi giống nhau. Nếu hai phân tử có dạng giống nhau nhưng dao động ở tần số khác sẽ cho ra mùi khác nhau. Sự dao động phân tử gây ra bởi sự "chui hầm lượng tử" của electron giải thích được những bế tắc của cơ chế "chìa và ống khóa".

Hình 4: Một phân tử mùi rơi vào lỗ trống trên bề mặt của sợi lông khứu giác. Electron (e^-) thực hiện việc "chui hầm" từ bên trái (E_D) sang bên phải (E_A). Trong khi chui electron đụng chạm với phân tử mùi (biểu hiện như cái lò xo mang hai khối tròn ở hai đầu) làm phân tử dao động. (Donor: nơi cho electron, E_D: mực năng lượng của nơi cho electron, Aceptor: nơi nhận electron, E_A: mực năng lượng của nơi nhận electron, Odorant: phân tử mùi, Olfactory receptor: chỗ cảm nhận khứu giác) [9].

Hiện tượng chui hầm lượng tử của electron đã được biết từ lâu trong vật lý và được mang ra ứng dụng để làm kính hiển vi quét đường hầm (scanning tunnelling microscope). Nhờ thiết bị này ta có thể "nhìn" được cấu trúc phân tử của vật chất. Người ta cũng chế tạo ra máy phân tích hóa học dựa trên nguyên lý chui hầm của electron. Từ những cơ chế của các ứng dụng trên, Turin áp dụng hiện tượng này vào khứu giác là một phá cách táo bạo. Trường phái lượng tử nhanh chóng thành hình trong lĩnh vực khứu giác. Phát hiện của Turin cho thấy từ một thuở xa xăm Mẹ Thiên nhiên siêu phàm đã biết thực hiện việc chui hầm làm rung động biết bao phân tử mùi như rung tiếng chuông lúc trầm lúc bổng. Không một chút khách khí Mẹ còn thật thà ban bố cho ta khả năng cảm được đủ loại mùi có trên thế gian này, từ thứ thơm nhất đến thứ thối nhất…

3.3 La bàn sinh vật

Hằng năm, có những đàn chim di trú bay hàng ngàn cây số để tránh cái rét của mùa đông từ miền bắc lạnh lẽo xuống miền nam ấm áp. Có những đàn chim robin (chim cổ đỏ) bay từ Bắc Âu đến bờ biển Địa Trung Hải rồi quay về. Tại thành phố Melbourne (Úc) cứ vào mùa Giáng Sinh cũng là mùa hè Nam Bán Cầu, hàng ngàn các loại chim khác nhau từ Tây Bá Lợi Á, Alaska và các vùng châu Á bay đến làm tổ. Tháng tư năm sau, khi mùa xuân trở lại ở Bắc Bán Cầu chúng bay về chốn cũ. Người ta còn ghi nhận, một số lớn chim không phải chỉ một lần mà bay đi bay lại nhiều lần trong cuộc đời ngắn ngủi của chúng. Cuộc hành trình vòng quanh của chim có thể dài đến 25.000 km. Ngoài loài chim, một số côn trùng như bướm, ong, ruồi hay động vật biển như cá hồi, rùa, tôm hùm có khả năng cảm từ (magneto-reception) và biết tận dụng từ trường của quả đất để định hướng. Có một loài bướm với tên tiếng Anh là "mornach butterfly", cứ vào tháng 9 đến tháng 11 mỗi năm hàng triệu con bay từ miền đông nam xứ Canada vượt qua những thảo nguyên bạt ngàn, sa mạc rộng lớn, những cánh rừng rậm rạp, hẻm núi sâu thẳm để cuối cùng tiến đến vùng rừng núi của xứ Mễ Tây Cơ cách nơi xuất phát hàng ngàn cây số. Ở đây chúng an cư vài năm, sinh sôi nảy nở. Những con bướm nhỏ lớn lên, như "lá rụng về cội" bay về chốn cũ nơi tổ tiên của chúng đã từng cất cánh bay xa. Cuộc di trú của bướm cứ như thế luân lưu từ năm này qua năm khác âm thầm lặng lẽ, nhưng nơi xuất phát ở Canada và nơi an cư của chúng ở Mễ Tây Cơ thì không bao giờ thay đổi. Cuộc "di dân" vĩ đại hằng năm của bướm trở nên nổi tiếng. Trong giới nghiên cứu côn trùng học người ta khẳng định được khả năng cảm từ của bướm là thật. Nhưng cơ chế nào chi phối cho sự định hướng?

Theo sự suy nghĩ thông thường, vật cảm từ phải hàm chứa sắt nam châm. Từ lâu người ta nghĩ chim bồ câu, một động vật có khả năng định hướng tầm ngắn, có hạt sắt nam châm ở mỏ giúp chúng định hướng và phân biệt Bắc và Nam. Hạt sắt cảm nhận từ trường quả đất rồi qua dây thần kinh tín hiệu được dẫn truyền lên bộ não. Nhưng vào năm 2012, một nhóm nghiên cứu tại châu Âu và Úc xác định rằng không có hạt sắt nam châm trong mỏ bồ câu. Dây thần kinh cũng không hiện hữu. Cái mà người ta nghĩ là "hạt sắt" chẳng qua là một loại bạch huyết cầu (macrophage) không có tác dụng cảm từ. Nghiên cứu về đặc tính định hướng qua cảm từ của chim bồ câu vẫn chưa có hồi kết cuộc. Không những ở bồ câu mà còn nhiều sinh vật khác, người ta vẫn chưa phát hiện được hạt nam châm nằm chỗ nào trong cơ thể của sinh vật cảm từ [10].

Từ thập niên 70 của thế kỷ trước, đã có nhiều báo cáo về sự cảm từ của chim di trú robin [LOTE trang 183]. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng định hướng của chim robin không dựa theo cơ chế Bắc Nam của nam châm mà theo cơ chế góc giữa đường từ trường và mặt đất. Từ Hình 5, ta thấy từ trường song song với mặt đất ở vùng xích đạo, góc giữa đường từ trường và mặt đất sẽ nghiêng dần và trở nên 90 độ ở điểm cực (Bắc và Nam cực). Chim robin định hướng nhờ vào sự thay đổi của góc ở từng vùng trên mặt đất để bay hàng chục ngàn cây số mà không bao giờ lạc lối. Điều này hàm ý cơ thể chim robin không có hạt sắt cảm từ. Vậy, sự cảm từ của chim robin dựa theo cơ chế nào? Cơ chế đó có thể là một phản ứng hóa học trong khi kim nam châm quay hướng Bắc Nam là một hiện tượng vật lý. Phản ứng hóa học là một quá trình bẻ gãy nối hóa học của chất A rồi tạo ra nối mới làm ra chất B. Tất cả cần năng lượng để thực hiện. Nhưng năng lượng của từ trường quả đất quá nhỏ (5 x 10^-5 Tesla), 10 - 100 lần nhỏ hơn năng lượng của một nối hóa học, nên từ trường quả đất không thể nào đủ sức để kích động một phản ứng hóa học làm nên bộ cảm ứng từ cho chim.

Hình 5: Góc của từ trường của quả đất đối với mặt đất biến thiên theo vị trí; song song (0°) ở xích đạo và thẳng góc ở Bắc và Nam cực (90°). (Nguồn: Google)

Như vậy, phải có một cơ chế mới chưa từng biết để giải thích sự cảm từ của chim robin. Để giải thích rõ hơn, tôi xin lặp lại một số điều đã viết trong bài viết năm 2014 [11]. Vào năm 1976, Klaus Schulten một nhà vật lý lý thuyết trẻ người Đức lúc đó chưa tròn 30, vừa tốt nghiệp tiến sĩ tại đại học Harvard (Mỹ). Ông đưa ra một lý thuyết và thực nghiệm chứng minh về sự cảm từ của một thí nghiệm hóa học trong từ trường rất yếu [12]. Nhóm Shulten và cộng sự bắn tia laser vào một dung môi tạo ra những hạt electron đơn độc (unpaired electron). Electron đơn độc này rất nhạy cảm mong manh, nên khi có cơ hội nó thường bắt "cặp" với electron đơn độc khác làm bạn. Electron có đặc tính quay như là con cù được gọi là spin. Khi quay theo chiều kim đồng hồ, ta có spin lên (↑); ngược chiều kim đồng hồ, ta có spin xuống (↓). Và chính những spin này tương tác với những luồng từ trường rất yếu. Vì là con cù, nên cặp electron có thể quay cùng chiều (a) (↑↑) hay ngược chiều (b) (↑↓).Hai trạng thái này chồng chập lên nhau và chuyển hoán bởi tác động từ trường làm thay đổi chiều quay như sau (Hình 6),

Hình 6: Hai trạng thái spin của cặp đôi electron chồng chập cùng lúc.

Khi biết được sự cảm từ của chim robin từ một đồng nghiệp cầm điểu học, Shulten từng có biệt danh là "nhà khoa học điên", lập tức đề nghị cơ chế cặp đôi electron là cơ chế cảm từ của chim robin dựa theo kết quả của bài báo cáo năm 1976 của ông. Năm 1978, dù chưa có bằng chứng thực nghiệm Shulten vẫn xông xáo gởi bản thảo đề nghị này đến tạp chí Science. Thẩm định viên của tờ tạp chí quyền uy này từ chối đăng và kèm theo một lời phê có chút mùi châm biếm, "Một nhà khoa học ít táo bạo hơn thì có lẽ đã vứt ý tưởng này vào sọt rác" (A less bold scientist might have designated this idea to the waste paper basket). Nhưng lời phê bình không làm ông chùn bước, ông gởi bài đến một tạp chí khác dễ thông cảm hơn và được chấp nhận [13].

Trong thí nghiệm của bài báo cáo năm 1976, nhóm của ông dùng tia laser để tạo ra cặp đôi electron. Tại một hội thảo khoa học một thính giả hỏi ông, "Này anh bạn Klaus, nếu dựa vào báo cáo 1976 của anh thì lẽ nào chim robin biết bay trong tia laser?". Không có một mảnh dữ liệu thực nghiệm trong tay, Klaus Shulten đành phải mông lung mà trả lời rằng muốn tạo ra cặp đôi electron trong chim robin thì chỉ cần ánh sáng mặt trời. Trong cơ quan của loài vật, chỉ có đôi mắt là nơi ánh sáng có thể lọt vào. Vì vậy, ông tiếp tục dự đoán, võng mạc (retina, mặt sau của mắt) của mắt chim robin có thể là nơi mà cơ chế cảm từ xảy ra và giúp chim định hướng. Như vậy, võng mạc cần phải có phân tử sinh học nào đó tạo ra các cặp đôi electron. Mà phân tử sinh học nào trong mắt chim có thể tác dụng với ánh sáng mặt trời? Là một nhà vật lý lý thuyết ông mù tịt về sinh học, nên những phát ngôn của ông chỉ là suy diễn.

Tình trạng này kéo dài đến 20 năm (1998) khi ông đã bước vào tuổi trung niên, thì một ngày nắng tốt ông tìm được thông tin trong một số thực vật và động vật có một phân tử sinh học với tên gọi là "cryptochrome". Phân tử này cảm quang với ánh sáng mặt trời và có trong mắt chim robin. Cryptochrome sẵn sàng sản xuất ra những electron đơn độc khi gặp ánh sáng thường mà không cần đến tia laser. Đây cũng là một kỳ diệu của tạo hóa vì chưa có một vật liệu nhân tạo nào có thể làm giống như cryptochrome . Ông sung sướng như bắt được vàng, la lên một tiếng "Eureka!" (tìm ra rồi). Sau khi biết được thông tin quý giá về cryptochrome, Schulten sau một thời gian vắng tiếng nhanh chóng quay trở lại với chim robin cùng hai người học trò xuất bản một bài báo cáo về vai trò của phân tử sinh học này trong việc định hướng của chim [14]. Vì sự định hướng liên quan đến quang hóa học (photochemistry), người ta đặt cho biệt danh là "la bàn hóa học".

Bài báo cáo này trở thành một tài liệu tham khảo kinh điển trong sinh học lượng tử. Bây giờ, câu hỏi được đặt ra là: làm sao chim robin định hướng? Theo Schulten và cộng sự [14], cơ chế cảm từ của chim robin được diễn tả như sau: (1) ánh sáng đi xuyên qua thủy tinh thể của mắt chạm vào võng mạc nơi chứa nhiều phân tử cryptochrome, (2) ánh sáng sẽ tác dụng lên các nối của phân tử cryptochrome, một nối có hai electron, một electron của nó sẽ bị đánh bật ra và di chuyển đến một phân tử khác tạo ra cặp đôi electron (Hình 7) [15] và (3) cặp đôi electron có spin trong trạng thái (a) hay (b) (Hình 6) có nồng độ nhiều ít khác nhau tùy vị trí ở trên võng mạc.

Cặp đôi electron dù xa nhau ở hai phân tử khác nhau nhưng vẫn còn quyến luyến với nhau trong một hiệu ứng được lãng mạn gọi là "không bao giờ ngăn cách". Dùng từ khoa học mô tả thì gọi là "vướng víu lượng tử" như đề cập ở phần trên. Spin của electron này vẫn liên kết chặt chẽ với spin của electron kia trong trạng thái (a) hay (b) (Hình 6) dù có xa nhau.

Hình 8: Nhãn cầu của chim và từ trường B. Spin của electron đều hướng vào tâm O của nhãn cầu và tạo góc θ với hướng từ trường B. Khi góc θ = 0° (đường z₁), các electron spin ở vùng võng mạc này song song với từ trường và nồng độ của trạng thái (a) cao nhất, trạng thái (b) thấp nhất ("điểm đen" tại đường z₁ cắt ngang). Đường z₂ tạo góc θ với từ trường, tại điểm cắt với võng mạc trạng thái (a) giảm và trạng thái (b) tăng. (Mô phỏng theo Hình 5 trong [14])

Trong võng mạc có cả hai trạng thái (a) và (b). Nồng độ của trạng thái (a) và (b) khác nhau tùy theo vùng trên võng mạc. Vùng có đường hướng tâm song song với hướng từ trường (đường z₁ trong Hình 8) chứa nồng độ của trạng thái (a) nhiều nhất vì spin ở vùng này đều đồng loạt hướng theo chiều từ trường. "Điểm đen" (cụm từ viết trong ngoặc kép vì không biết có phải là màu đen như chim nhận thức hay không) trong Hình 8 là nơi có nồng độ (a) cao nhất. Khi đường hướng tâm như đường z₂ tạo một góc θ với từ trường thì do ảnh hưởng của từ trường nồng độ (a) giảm và nồng độ (b) tăng. Khi từ trường đổi hướng thì "điểm đen" di chuyển theo đường viền võng mạc giúp chim định hướng. Điểm then chốt trong cơ chế cảm từ của "nam châm hóa học" là sự vướng víu lượng tử của cặp đôi electron để duy trì trạng thái (a) và (b). Nếu hai electron nửa đường đứt gánh thì vướng víu lượng tử sụp đổ. Trạng thái (a) và (b) hỗn loạn, kết quả là chim bay lạc lối.

Sau bài báo cáo năm 2000 của nhóm Schulten, những kết quả thí nghiệm liên tục chứng thực cơ chế "vướng víu lượng tử" trong mắt chim robin. Người ta đã tìm thấy cryptochrome trong bướm (monarch butterfly), ruồi (fruit fly), ba loại cryptochrome trong chim robin và cả gà (LOTE trang 196-197). Ngoài ra, sự vướng víu lượng tử của cặp đôi electron trong "la bàn hóa học" chim robin có thể kéo dài vài mươi micro giây (1 micro giây = 1 phần triệu giây), rất dài so với các hệ thống phân tử nhân tạo, và đủ dài để chim định hướng bay (LOTE trang 199).

Bốn mươi năm trôi qua sau bài báo cáo 1976 của Shulten, "la bàn hóa học" nay là một thực thể định hướng cho một số loài chim và loài côn trùng di trú. Thực thể này có căn nguyên từ hiệu ứng lượng tử và vẫn còn được tiếp tục nghiên cứu. Ngày nay, nhóm Schulten tập trung khảo sát phân tử cryptochrome, tiếp tục cuộc hành trình tìm kiếm cơ chế "la bàn hóa học" trong mắt chim robin. Cơ chế lượng tử này được sự đồng thuận từ giới cầm điểu học và song hành với cơ chế phi lượng tử của la bàn nam châm của các loài động vật mang hạt sắt từ tính [10].

3.4. Quang hợp

Richard Feynman (Nobel Vật lý, 1965), một thiên tài vật lý của thế kỷ 20, khi nhìn vào một thân cây ông có một ý tưởng phá cách, cảm khái thốt lên, "Chất liệu của cây là carbon, nó đến từ đâu? Nó đến từ không khí, đó là carbon dioxide (thán khí) trong không khí. Mọi người nhìn cây, ngỡ rằng chất liệu của cây đi từ lòng đất; thực vật mọc lên từ đất kia mà... Thực sự chất liệu của cây là từ không khí. Carbon dioxide và không khí đi vào thân cây gây ra những biến đổi và đẩy bật oxygen ra ngoài. Chúng ta biết rằng oxygen và carbon của carbon dioxide gắn liền với nhau rất khắng khít. Nhưng làm sao cây có thể kéo rời chúng ra một cách dễ dàng như thế! Đó là nhờ những tia nắng mặt trời chiếu xuống đánh bật oxygen ra khỏi carbon, để lại trong thân cây carbon và nước, là những chất liệu của cây". Đó là ý tưởng khái quát của một nhà vật lý về quang hợp.

Quả đất sẽ không còn là hành tinh xanh nếu không có quang hợp. Quang hợp là cơ chế biến ánh sáng (năng lượng mặt trời) thành hóa năng ở dạng đường trong lá thực vật, tảo và một số vi khuẩn để nuôi dưỡng chúng. Nói cách khác, quang hợp cần không khí, nước và ánh sáng để tạo ra "thức ăn" cho cây cỏ, rong rêu và vi khuẩn. Ánh sáng mặt trời và diệp lục tố (chlorophill) của lá (trong trường hợp vi khuẩn thì lục tố vi sinh, bateriochlorophyll) biến nước (H₂O) được cung cấp từ rễ và carbon dioxide (CO₂) từ không khí thành năng lượng dưới dạng đường glucose và oxygen theo một công thức như sau,

6H₂O + 6CO₂+ năng lượng mặt trời → C₆H₁₂O₆ (đường glucose) + 6O₂

Nhận định của Feynman tuy đơn giản nhưng sâu sắc. Cây cỏ nhận thán khí (CO₂) trong không khí đẩy ra dưỡng khí (O₂) và để lại carbon mà theo công thức quang hợp trên là đường glucose. Nguyên tố carbon của đường tồn tại trong những quá trình nuôi dưỡng cây tạo nên chất liệu chính cho cây. Vậy, thực vật bắt nguồn từ không khí lấy năng lượng mặt trời và nước để tạo nên hình hài. Động vật ăn thực vật, hay ăn cả động vật để duy trì dòng chảy nguyên tố carbon và cũng là nguồn cội bao trùm mọi sinh linh trên quả đất. Tôi đã đề cập đề tài này trong một bài viết năm 2014 [11].

Theo công thức trên, quang hợp chẳng qua là một cơ chế chuyển hoán năng lượng biến quang năng (năng lượng mặt trời) thành hóa năng (đường). Chuyển hoán năng lượng là những sự kiện bình thường xảy ra trong cuộc sống hằng ngày như đầu máy xe hơi biến hóa năng (xăng dầu) thành cơ năng (bánh xe quay), máy phát điện biến cơ năng (tua-bin quay) thành điện năng hay pin mặt trời biến quang năng thành điện năng. Mặc dù cũng là một công cụ chuyển hoán năng lượng nhưng lá thực vật hay vi khuẩn rất khác với đầu máy xe hơi, máy phát điện hay pin mặt trời. Điều mà Feynman nhận xét, "Carbon dioxide và không khí đi vào thân cây gây ra những biến đổi... ", chính là những biến đổi do cơ chế quang hợp điều khiển mà cho đến ngày nay vẫn chưa được thấu hiểu tường minh.

Các loại công cụ hay thiết bị nhân tạo chuyển hoán năng lượng như đầu máy xe hơi, máy hơi nước, máy phát điện, pin mặt trời có hiệu suất chuyển hoán không hơn 40%, nghĩa là nhận 100 ở đầu vào thì chỉ thu hoạch 40 ở đầu ra. Điều này không có nghĩa máy móc nhân tạo không tinh vi, nhưng hiệu suất chuyển hoán không thể đạt đến con số lý tưởng 100% là bởi những giới hạn từ bản chất vật liệu sử dụng và những quy luật vật lý kiềm chế cơ chế chuyển hoán. Pin mặt trời dùng silicon hiện rất phổ cập trên thị trường, nhưng chỉ có hiệu suất lý thuyết tối đa là 29% do bản chất của silicon. Những pa-nô pin silicon dù được chế tạo cực kỳ tinh vi cũng không thể nào vượt qua con số này. Công thức quang hợp tuy đơn giản nhưng trên thực tế phải đi qua nhiều công đoạn phức tạp như hấp thụ ánh sáng mặt trời sao cho hiệu quả, tách nước để phóng thích oxygen, carbon dioxide tác dụng với ánh sáng mặt trời để đạt đến mục tiêu cuối cùng là tạo thực phẩm (phân tử đường). Chúng bao gồm nhiều quá trình như phản ứng thủy phân, phản ứng oxit hóa / khử oxit, di chuyển tầm xa, tầm gần của các loại vi hạt như electron, proton, ion.

Dù phức tạp nhưng theo những dữ liệu thí nghiệm gần đây, hiệu suất chuyển hoán năng lượng trong lá cây, rong rêu và vi khuẩn là hơn 99%. Một con số làm sửng sốt cộng đồng nghiên cứu khoa học. Thiên nhiên tạo thêm một kỳ tích siêu việt. Những chiếc lá bình thường, đám rong rêu đầm lầy, vi khuẩn các loài không ngờ lại là những bộ máy chuyển hoán năng lượng vô cùng lý tưởng. Chính vì con số lý tưởng này mà trong một thập niên qua quang hợp trở nên những đề án nghiên cứu hấp dẫn cho các nhà vật lý. Nhưng sự kỳ diệu của quang hợp không dừng ở con số 99%. Quang hợp còn có đặc tính lượng tử. Chúng ta hay tìm hiểu ở phần kế tiếp.

Năm 2007, Flemming và các cộng sự (Đại học Califonia, Berkeley) đã làm một thí nghiệm [16] trên vi khuẩn lưu huỳnh xanh (green sulfur bacterial). Vi khuẩn này tìm thấy dưới biển sâu 2.000 m, sinh sống và sinh sản nhờ vào quang hợp. Phản ứng quang hợp xảy ra tại trung tâm phản ứng trong các phân tử lục tố, chất xúc tác quang hợp của vi khuẩn. Tia nắng mặt trời có thể xem như tập hợp của vô số hạt nắng mang năng lượng. Khi những hạt nắng này đi vào vi khuẩn thì phận sự của chúng là phải tìm đến các trung tâm phản ứng để phản ứng quang hợp (công thức bên trên) xảy ra. Hạt nắng thì cực kỳ nhỏ. Cấu trúc vi khuẩn rất nhỏ đối với mắt thường nhưng đối với hạt nắng là một mê cung sinh học phức tạp và khổng lồ. Sự tìm kiếm trung tâm phản ứng đối với hạt nắng như một chàng lãng tử say rượu ngông nghênh đi tìm kho vàng ẩn dấu trong khu rừng nguyên sinh nhưng trong tay không có một tấm bản đồ, la bàn hay GPS. Kết quả sẽ là "từ chết đến bị thương"! Hạt nắng mang những bó năng lượng è ạch nhảy lòng vòng trong cái mê cung khổng lồ của vi khuẩn, ngơ ngác tìm đường và xác suất tiến vào các trung tâm phản ứng của phân tử lục tố gần như zero. Nhưng kết quả thí nghiệm lại cho thấy 99% hạt nắng khi đã đi vào vi khuẩn, gần như tức thời tìm được và sáp nhập vào trung tâm phản ứng để sự quang hợp xảy ra.

Khi tư duy của ta đóng khung theo thói quen của thế giới thông thường, hạt chỉ là hạt, thì quả nhiên đây là một đại nghịch lý. Tuy nhiên, trong tư duy "lưỡng tính" của cơ học lượng tử "hạt cũng là sóng và sóng cũng là hạt" thì hạt nắng không còn là hạt mà hành xử như sóng. Như các loại sóng điện từ, sóng wifi bao phủ cả một vùng trời, "sóng nắng" sẽ lan tỏa rất nhanh trong toàn thể phức chất của lục tố, biết sử dụng quyền lượng tử của mình chiếm cứ toàn bộ các điểm khả dĩ cùng một lúc, rồi tiến vào trung tâm phản ứng trong một khoảnh khắc cực kỳ nhỏ của một giây.

Nhưng có thật là hạt nắng đã biến thành sóng? Chúng ta cần chứng cứ thực nghiệm, vì một ngàn lời dự đoán không bằng một lần "thực mục sở thị". Greg Engel, cậu học trò của giáo sư Flemming, sau nhiều đêm thức trắng làm thí nghiệm đã nhìn thấy tín hiệu của hạt nắng trong vi khuẩn đã biến thành "sóng nắng" dao động rất đều đặn trong một khoảnh khắc cực kỳ ngắn của một giây. Những dao động đó được gọi là "nhịp đập lượng tử" (quantum beat). Engel trình làng trên giấy trắng mực đen kết quả tín hiệu của sóng nắng kéo dài từ 50 đến 600 femto giây (1 femto giây = 1 phần triệu tỷ của giây = 0,0000…1 giây, giữa dấu phẩy và số 1 là 14 con số 0) [LOTE Hình 4.7]. Khoảng thời gian này rất, rất ngắn trong thế giới thông thường nhưng rất dài trong thế giới lượng tử. Gần như tức thời, sóng nắng bao phủ toàn thể những con đường khả dĩ tiến đến trung tâm phản ứng với xác suất thành công 99%. Với kết quả thực nghiệm này, giáo sư Flemming tuyên bố phức chất lục tố của con vi khuẩn lưu quỳnh xanh biết sử dụng thuật toán lượng tử như máy tính lượng tử nhân tạo. Phức chất lục tố đã tiếp tay sóng nắng tìm trung tâm phản ứng trong một sát na cũng như máy tính lượng tử rà soát những giải đáp khả dĩ và tìm ra một lời giải chính xác trong thời gian ngắn nhất.

Khi tờ New York Times giật tít loan tin việc con vi khuẩn dưới lòng biển sâu biết làm thuật toán lượng tử để sống còn khiến cho toàn thể cộng đồng nghiên cứu vi tính lượng tử của loài người rúng động! Giáo sư Seth Lloyd, một chuyên gia đầu ngành của bộ môn vi tính điện tử, cùng các đồng nghiệp của ông tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT, Mỹ) khi đọc được tin này thì hời hợt cho rằng các ông nhà báo lại "phịa chuyện" nên cùng nhau vỗ bàn cười ra nước mắt. Cười thì vẫn cười nhưng các chuyên gia lượng tử trong tinh thần cầu thị đã đề cử Lloyd tìm hiểu thực hư. Sau một thời gian, Lloyd cùng các đồng nghiệp ngỡ ngàng trước kết quả của nhóm Flemming vì đây không phải chuyện phịa.

Kết quả của nhóm Flemming nhanh chóng vượt ra ngoài khuôn viên của đại học California tạo thành tiếng vang trong cộng đồng nghiên cứu sinh học lượng tử. Chỉ trong vòng 5 năm kể từ bài báo của nhóm Flemming (2007), các nhóm nghiên cứu khác tiếp tục tìm ra nhiều kết quả tương tự cho rong rêu và lá rau spinach. Không còn gì để ngờ vực, Lloyd với tư cách là một nhà vi tính lượng tử tích cực nhập cuộc tìm hiểu quang hợp từ góc nhìn của vật lý. Thí nghiệm của nhóm Flemming thực hiện ở nhiệt độ rất thấp (-196 °C) để duy trì "nhịp đập lượng tử". Nhưng chỉ vài năm sau Panitchayangkoon và cộng sự ghi nhận hiệu ứng lượng tử của hạt/sóng nắng xuất hiện ở nhiệt độ bình thường (20 – 30 °C) [17-18]. Những khám phá mới liên tục mang tới cộng đồng khoa học kinh ngạc này đến kinh ngạc khác.

Ta thử nói sơ lược máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử không sử dụng transistor của máy tính hiện tại mà dựa vào nguyên tử hay vi hạt như electron, photon, ion để làm thuật toán với tốc độ xử lý có thể đạt đến 100 triệu lần nhanh hơn máy tính hiện tại. Cơ chế chính của máy tính lượng tử dựa vào sự "kết hợp lượng tử" (quantum coherence) giữa các nguyên tử hay vi hạt. Kết hợp này cực kỳ mong manh. Một tiếng động nhẹ làm rung máy, một tia vũ trụ hay tia sáng nhỏ bay lang thang xuyên qua máy, các phân tử không khí nhảy nhót chạm vào nguyên tử hay vi hạt của máy cũng đủ làm sụp đổ toàn bộ sự "kết hợp lượng tử". Máy tính lượng tử trở nên vô hiệu. Vì vậy máy cần phải đặt trong một môi trường cô lập tuyệt đối, thật sự yên tĩnh, hoạt động trong chân không, không ánh sáng và ở một nhiệt độ gần độ tuyệt đối (-273 °C). Theo Lloyd, những dao động của sóng nắng ghi nhận bởi cậu học trò Greg Engel là tín hiệu "kết hợp lượng tử" đã giúp sóng nắng tìm ra trung tâm phản ứng của phân tử lục tố. Nhưng rất khác với máy tính lượng tử nhân tạo, kết hợp lượng tử trong quang hợp rất bền bỉ dù tế bào của sinh thực vật là một môi trường nóng (20-30 °C), vô cùng ồn ào và ẩm ướt.

Tế bào sinh thực vật không phải là một môi trường cô lập mà là một hệ thống mở trong đó các phân tử sinh học lớn nhỏ, electron, proton, ion các thứ liên tục ra vào trao đổi chất, tạo phản ứng, chế tạo năng lượng, đẩy ra chất thải giống như một ngôi chợ làng hay trung tâm siêu thị của một thành phố. Những hoạt động này gây ra sự va chạm ồn ào trong tế bào nhưng kết hợp lượng tử của phản ứng quang hợp trong phức chất xúc tác lục tố vẫn được bền bỉ duy trì. Dù trong tế bào rất ồn ào, nhộn nhịp, nhưng kết hợp lượng tử không bị đánh sụp gợi lên sự tò mò của các chuyên gia vi tính lượng tử vì đó là một nghịch lý trước cơ cấu của máy nhân tạo. Quả thật, kết quả nghiên cứu gần đây xác nhận, trái nghịch với máy tính điện tử nhân tạo, tiếng ồn và sự dao động nhiệt trong tế bào không những không có một chút gì ảnh hưởng mà còn gia tăng sự bền bỉ cho kết hợp lượng tử để hạt/sóng nắng có đủ thời gian tìm ra trung tâm phản ứng [19].

Tương tự, Lloyd và cộng sự cũng tính toán độ ảnh hưởng của sự ồn ào và dao động đến quy trình quang hợp của vi khuẩn. Nhóm Lloyd khám phá ra một sự kiện không ngờ là những bước đi kết hợp lượng tử của hạt/sóng nắng tìm ra trung tâm phản ứng đạt đến mức tối ưu ở đúng nhiệt độ của môi trường sống của vi khuẩn. Không cần phải nóng hay lạnh hơn. Điều này giải thích được tại sao hiệu suất của quang hợp có thể đạt đến 99%. Sự chọn lọc tự nhiên trong tiến hóa dường như đã "ráp nối" thành công các hệ thống phân tử sinh học sao cho những bước đi lượng tử của hạt/sóng nắng đạt được kết quả tối ưu và hòa nhập tối đa với điều kiện sống của môi trường xung quanh [20]. Thật kỳ diệu. Trong khi máy tính lượng tử nhân tạo bị đặt trong "lãnh cung" tối tăm, lạnh lẽo, cô lập với thế giới bên ngoài thì các "máy tính" tí hon của thiên nhiên lại tận dụng được sự náo nhiệt, giao lưu rộng mở đối với môi trường xung quanh để gia tăng hiệu năng của thuật toán lượng tử. Như vậy, có phải lá cây, rong rêu và vi khuẩn là những máy tính lượng tử vừa bền bỉ vừa làm các thuật toán giỏi hơn máy tính điện tử của con người? Nhìn từ các dữ liệu từ năm 2007 đến nay, câu trả lời là khẳng định.

Trước những chứng cớ thực nghiệm này, các nhà nghiên cứu vi tính lượng tử tất bật tìm hiểu cơ chế quang hợp qua những mô hình toán học của phức chất xúc tác lục tố để mô phỏng lá thực vật nhằm giải phóng chiếc máy tính lượng tử ra khỏi chốn "lãnh cung" tối tăm, lạnh lẽo. Các chuyên gia pin mặt trời cũng tìm hiểu sự chuyển hoán năng lượng gần 100% của thực vật và vi khuẩn để gia tăng hiệu suất của pin.

Ngày nay máy tính lượng tử cũng đã xuất hiện. Được biết cơ quan NASA, công ty Martin Lockheed và Google đã chi 15 triệu đô-la cho một cỗ máy tính lượng tử của hãng D-Way (Canada) có tốc độ xử lý nhanh 100 triệu lần hơn máy tính thông thường. Số tiền to lớn và tốc độ siêu nhanh làm cho người ta sửng sốt. Nhưng sự kinh ngạc có lẽ sẽ nhiều hơn khi người ta biết trong những chiếc lá xanh mướt của hàng cây sau vườn, bãi rong rêu vô tư dao động theo làn gió trên cái ao nhà, đám lục bình vật vờ trôi theo dòng nước và những con vi khuẩn tranh thủ sống dưới lòng biển sâu, có vô số "máy tính" tí hon đang ngày đêm làm con toán lượng tử nhanh hơn con người để duy trì sự sống trên một hành tinh xanh.

4. Hiện trạng của Sinh học Lượng tử

"Kỳ bí" hay nôm na hơn "kỳ quặc" là tính từ thường được dùng để chỉ bộ môn cơ học lượng tử. Những quy luật cho thấy hạt có thể là sóng mà sóng cũng có thể là hạt, một vật có thể hiện diện nhiều nơi cùng một lúc, có thể đi xuyên qua vật cản hay vướng víu với nhau dù cách xa nhau ở một khoảng cách thiên hà, thì chúng không phải là những quy luật thông thường. Nó vô cùng phản trực giác. Einstein lúc sinh thời cũng là một người nghi ngờ sự toàn diện của cơ học lượng tử. Nhưng sự nghi ngờ của ông ngày nay đã có lời giải đáp thỏa đáng trên lý thuyết lẫn thực nghiệm. Nền tảng toán học của các quy luật lượng tử chặt chẽ, nhất quán và lô-gic. Các ứng dụng của thuyết lượng tử đã đi vào cuộc sống. Cơ học lượng tử rất thật, rất bình thường và chính xác mô tả thế giới cực nhỏ của vi hạt và sự tương tác của chúng.

Càng đi sâu vào chi tiết những hành xử của hệ thống sinh học dù là thực vật hay động vật, tôi càng cảm thấy sự kỳ diệu vô cùng của sự sống. Như Feynman đã từng nhận định, "Mọi việc mà sinh vật làm có thể hiểu qua sự đưa đẩy, ngọ nguậy của các nguyên tử". Nói cách khác, khác với vật vô tri, sự ngọ nguậy của nguyên tử và phân tử sinh vật chứng tỏ sự sống xuất phát từ những đơn vị cơ bản mang đến sự sống cho toàn thể của một hệ thống. Những nguyên tử kết hợp lại theo những quy luật vật lý tạo thành những phân tử của sự sống và những phân tử sinh học này thực hiện nhiều chức năng cần thiết. Sự đưa đẩy ngọ nguậy của phân tử, nguyên tử bao gồm cả vi hạt (electron, proton) trong các hệ thống sinh vật là một hành động trật tự có sự phối hợp nhịp nhàng với chủ ý hoàn thành một công việc nhất định. Không như các vật chất vô tri như hòn đá, việc thành hình của các thực thể động thực vật là phương pháp có trật tự "từ dưới lên". Nhìn vào con người, các phân tử sinh học được sắp xếp có tôn ti tuyệt đối tạo ra tế bào có chức năng nhất định, các tế bào hình thành các bộ phận sinh học (tim, phổi, ruột, mắt, mũi, tai, não …) với một trật tự ở cấp cao hơn, cứ như thế chúng liên kết lại để tạo ra con người có sự sống, biết học tập, thích ứng, suy luận, yêu ghét. Như vậy, từ mức độ vi mô (nguyên tử, phân tử) đến mức vĩ mô (cơ thể) có một sự liên kết hài hòa, từ "trật tự của vật nhỏ đưa đến một trật tự của vật lớn".

Sự "vui buồn" của nguyên tử trong cơ thể đưa đến sự vui buồn của con người. "Sinh lão bệnh tử" cũng đi từ các vi hạt, nguyên tử và phân tử. Chúng sống thì ta sống, chúng chết thì ta chết. Vì vậy, hệ thống động thực vật không hành xử như một đầu máy hơi nước một cách máy móc vô hồn như người ta từng nghĩ trong thời đại Descartes - Newton. Hơi nước làm gia giảm áp suất piston tới lui làm co giãn không khí trong xy-lanh. Những phân tử nước nhảy múa loạn xạ trong piston nhưng tạo ra sức mạnh cơ khí theo một trật tự của các định luật nhiệt động học. Đầu máy hơi nước là kết quả của sự "vô trật tự của vật nhỏ đưa đến trật tự của vật lớn". Đây chính là điểm khác biệt lớn giữa phong cách hành xử của động thực vật và máy móc và cũng là kết quả hiển nhiên của sự sắp xếp tôn ti trật tự "từ dưới lên", từ mực nhỏ nhất (vi mô) đến mức lớn nhất (vĩ mô) của một hệ sinh học.

Những nghiên cứu sinh học trong 30 năm qua đã xác nhận những gì mà Schrödinger đã tiên đoán từ 70 năm trước. Đó các hiệu ứng lượng tử chi phối những phản ứng sinh học ở mức tận cùng của vật chất. Khi vật thể to lớn hơn, những hiệu ứng lượng tử sụp đổ để lộ ra trạng thái bình thường như ta thấy hằng ngày. Nhưng đâu là lằn ranh của độ lớn phân chia giữa lượng tử và phi lượng tử. Các nhà khoa học đang tìm kiếm nhưng chưa có lời giải đáp. Những vật to lớn như con người hay quả bóng golf cũng có dạng sóng, nhưng bước sóng của nó sẽ vô cùng nhỏ và trở nên vô nghĩa [3]. Con người và quả bóng không thể đi xuyên qua tường như một bóng ma. Cái ví tiền của tôi không thể vừa trong cái túi của tôi mà lại vừa trong cái túi của gã đàn ông đứng bên cạnh nếu gã không dở trò khều nhẹ móc túi. Tập hợp nguyên tử của vật thể to là con số cực kỳ lớn, một khối rắn có thể tích 1 cm³ chứa 10²⁴ (một triệu tỷ tỷ) nguyên tử, quả bóng golf hay cái ví có 10²⁵ nguyên tử và con người có 10²⁷ nguyên tử. Vì vậy, vật thể to phải hành xử theo một quy luật vật lý khác. Đó là nhiệt động học và cơ học Newton.

Nguyên lý của cơ học Newton đã được đề cập ở trên. Nhiệt động học tổng kết những nguyên lý cơ bản về cân bằng năng lượng, chuyển hoán năng lượng, năng lượng của phản ứng hóa học và đặt ra nền tảng lý thuyết cho đầu máy hơi nước. Nhiệt động học là một bộ môn "bình quân hóa" sự "đi đứng" của tập hợp một số rất lớn các vi hạt. Các tập hợp có thể ở thể khí, thể lỏng hay thể rắn. Nhiệt động học không thể mô tả đặc tính của một vài vi hạt; đó là đối tượng của cơ học lượng tử. Một đầu máy xe hơi 2,4 lít chứa khoảng 10²² (10.000 tỷ tỷ) phân tử nhiên liệu trong xy-lanh. Nếu là đầu máy hơi nước thì sẽ là 10²² phân tử nước. Hành xử của tập hợp phân tử vô cùng lớn này là đối tượng của nhiệt động học. Phân tử khí trong chiếc bong bóng nhảy múa loạn xạ liên tục đâm vào thành bong bóng làm nó căng phồng. Khi gia tăng nhiệt độ thì phân tử càng hỗn loạn làm gia tăng áp suất trong bong bóng. Khi hạ nhiệt thì áp suất giảm. Nhiệt động học định lượng sự liên hệ chặt chẽ giữa áp suất và nhiệt độ, một trật tự mà ta trải nghiệm hằng ngày được phát sinh từ sự vô trật tự của ở mức phân tử.

Như thể hiện trong Hình 9, một thực thể vật lý được biểu hiện qua ba tầng lớp liên thông với nhau. Những thực thể vô tri xung quanh mà ta thấy trong cuộc sống hằng ngày như tòa nhà, cỗ đại bác, tảng đá, quả táo nằm ở Tầng 1. Newton từng nhìn quả táo rơi do sức hút quả đất. Một lực tác động vào một tòa nhà như khi bị động đất thì tòa nhà sụp đổ, hoặc một động lực tạo bởi thuốc nổ thì cỗ đại bác bắn đạn đi xa. Những điều mà định luật Newton đã khẳng định. Tầng 2 là tập hợp số vô cùng lớn của vi hạt mà hành xử của chúng được mô tả bởi các định luật của nhiệt động học. Đầu máy hơi nước, xe hơi là một thí dụ cho sự liên hệ giữa tầng 1 và 2 ở đó ta thấy có sự "vô trật tự của vật nhỏ đưa đến trật tự của vật lớn". Hơi nước tạo ra lực theo nguyên lý của nhiệt động học và lực làm xe di chuyển theo định luật Newton. Tầng 3 là nơi các vi hạt (nguyên tử, phân tử, electron, proton ...) hoạt động riêng lẻ theo quy luật lượng tử.

Hình 9: Tầng 1 thể hiện thế giới vĩ mô hiện hữu xung quanh tuân theo cơ học Newton. Tầng 2 mô tả tập hợp các hạt vật chất di động hỗn loạn tuân theo quy luật nhiệt động học như cơ chế của đầu máy hơi nước, xe hơi, kết quả của sự "vô trật tự của vật nhỏ đưa đến trật tự của vật lớn". Tầng 3 là tầng của vi hạt có sắp xếp trật tự nơi quy luật lượng tử thống trị. Mũi tên chỉ sự liên thông của các tầng.(Mô phỏng theo Hình 10.1, LOTE trang 297)

Hệ thống sinh học là một thực thể có sự kết hợp hài hòa giữa ba tầng (LOTE trang 297), có nguồn cội ở Tầng 3 từ "trật tự của vật nhỏ đưa đến trật tự của vật lớn". Hãy nhìn xem động vật như một thí dụ, tạo hóa đã tạo ra bộ xương là một khung đi đứng, chạy nhảy thích hợp cho từng chủng loại. Từng khúc xương có độ dài ngắn khác nhau, từng chỗ nối của xương kể cả những chi tiết nhỏ nhặt nhất đã tiến hóa hằng trăm triệu năm để có một thiết kế tối ưu, nhờ đó cơ thể có thể di động dễ dàng, có thể tạo hay chịu một lực tối đa theo đúng các quy luật của cơ học Newton. Đó là Tầng 1. Các hoạt động của phổi, tim, mạch máu, thận, dạ dày, ruột và nhiều cơ quan khác liên quan đến sự hít thở không khí, bơm lọc, di chuyển chất lỏng, nghiền nhồi thức ăn, thải chất độc, giữ chất lành, truyền tải chất bổ dưỡng đều theo quy định của nhiệt động học. Hãy tưởng tượng ta biến thành một chiếc tàu ngầm nano đi viếng thăm những cơ quan sinh học này, ta sẽ thấy những cảnh hỗn loạn diễn ra của các tập hợp phân tử. Trong phổi, cứ mỗi vài giây hít thở những trận bão ùa đến rồi rút đi. Trong tim, những co thắt của cơ tim từng giây đồng hồ gây ra những tiếng ồn điếc tai, tạo ra những dòng xoáy mãnh liệt đẩy máu qua những van tim, rồi lững lờ trôi theo vô số mạch máu lớn nhỏ khắp cơ thể. Trong dạ dày, thức ăn bị nghiền nát bởi sự co thắt rồi tan rã bởi acid của dịch vị. Trong ruột, chất bổ dưỡng được truyền tải vào máu qua hiện tượng thẩm thấu đi vào cơ thể. Sự hỗn độn của các vật chất nhỏ (không khí, huyết cầu, protein thức ăn) đưa đến sự hài hòa ở mức vĩ mô (cơ thể khỏe mạnh) là đối tượng của nhiệt động học. Khi tiến đến vi hạt, phần nhỏ nhất của vật chất, thì trật tự được vãn hồi trong cơ thể. Những hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Các vi hạt lặng lẽ tham gia vào những phản ứng sinh học tận dụng những đặc tính "kỳ quặc" lượng tử như việc chui hầm, lưỡng tính sóng hạt, vướng víu với nhau, để tất cả cùng chung sức hoàn thành nhanh chóng công việc mà cơ thể đòi hỏi. Tầng 3 vì vậy là một nền tảng vững chắc, là cái gốc mà ảnh hưởng của nó kéo dài rất xa xuyên qua Tầng 2 tạo nên một hình hài có sự sống mà ta có thể nhìn thấy ở Tầng 1.

Sự sống quả thật trên bờ rìa giữa cái "kỳ bí" của trật tự lượng tử (Tầng 3) và cái gọi là "bình thường" xung quanh ta (Tầng 1 và 2).

5. Thuyết lượng tử bao trùm tất cả?

Đó là điều mà dường như tác giả Al-Khalili và McFadden muốn độc giả tin tưởng. Quyển LOTE trình bày những thành tựu nổi bật của sinh học lượng tử qua nhiều thập niên bao gồm chất xúc tác enzyme, khứu giác, quang hợp, la bàn hóa học và ý thức của con người dưới cái nhìn lượng tử. Những nỗ lực của các khoa học gia đã kéo sinh học và cơ học lượng tử lại gần nhau hơn. Chúng gần nhau nhưng thực sự chưa gắn bó. Hai tác giả ghi lại những thành tựu của nửa thế kỷ qua với một chút thiên vị nghiêng về lượng tử và gần như không đề cập đến những phản biện dựa trên lý thuyết "cổ điển" phi lượng tử. Người đọc chỉ thấy một màu hồng cho thuyết lượng tử mặc dù có nhiều mảng xám lẩn quất xung quanh. Tôi tìm tư liệu để hiểu thêm về những phản biện này.

Đối với hiện tượng chui hầm lượng tử trong cơ chế xúc tác sinh học đã có nhiều báo cáo phản biện xuất hiện nhưng không được đề cập trong quyển LOTE. Trong nghiên cứu về enzyme, những phản biện qua lại giữa phe lượng tử và phi lượng tử đã kéo dài 30 năm, từ gay gắt đến ôn hòa [21]. Những người trong phe phi lượng tử dùng những lý thuyết "cổ điển" để diễn giải lại những cơ chế được cho là cần phải có hiệu ứng lượng tử. Một bài báo cáo gần đây (2012) [22] cho thấy hiệu ứng đồng vị động của nhóm Klinman được giải thích lại trong khuôn khổ phi lượng tử. Tại sao lại phải rườm rà, chuyện bé xé to, đi tìm một lý thuyết mới trong khi những lý thuyết "cổ điển" thừa sức để cho lời giải đáp? Thậm chí có một nhà khoa học lên tiếng rằng hệ thống sinh học không đủ thông minh để áp dụng thuyết lượng tử vào các phản ứng. Một nhà khoa học khác lại điềm tỉnh nhận định, "Chui hầm (lượng tử) là sự thật của cuộc đời, nhưng sự sống không có hiệu ứng đặc biệt gì đến việc chui hầm" (Tunnelling is a fact of life, but life has no special effect on tunnelling). Trường phái trung dung thì ôn tồn bảo: vâng, việc chui hầm lượng tử có đấy nhưng có hay không có enzyme thì nó vẫn xảy ra [23]. Những dữ liệu thực nghiệm tiếp tục ra đời giữa hai phe và cho đến ngày nay vẫn chưa biết phe nào sẽ có tiếng nói cuối cùng.

Tương tự, trong lĩnh vực khứu giác một số báo cáo phản biện cho rằng lý luận và dữ liệu thực nghiệm của Turin chưa đủ thuyết phục. Để phá tan sự nghi ngờ của phe phản biện còn lưu luyến khôn nguôi với lý thuyết hình dạng, Turin và cộng sự đã công phu thiết kế và tiến hành một thực nghiệm quan trọng [24]. Nhóm Turin dùng một hóa chất có mùi hấp dẫn ruồi. Ruồi ngửi được, chúng vui vẻ bu quanh. Sao đó các nguyên tử hydrogen trong hóa chất được thay bằng chất đồng vị deuterium. Deuterium nặng gấp đôi hydrogen và sẽ dao động chậm hơn (tần số thấp hơn). Vậy, hình dạng hóa chất vẫn như cũ khi hydrogen được thay bằng deuterium nhưng tần số dao động khác lúc trước, mùi thay đổi và ruồi không thích tránh xa. Con ruồi vô tư không thiên vị ai. Chúng đã cho thấy sự dao động, không phải hình dạng, mới là nguyên nhân của mùi. Cho người, Turin dùng xạ hương. Xạ hương thơm ngát, nhưng khi hydrogen của chất thơm này được thay bằng deuterium thì nó phát ra mùi sáp đèn cầy. Những dữ liệu thực nghiệm càng lúc càng chứng tỏ loài vật có mũi lượng tử. Lý thuyết Turin trên đà thắng thế.

Trong khi nghiên cứu về enzyme và khứu giác có sự phân chia rõ rệt giữa hai phe lượng tử và phi lượng tử, thì các nhà khoa học chuyên về khả năng định hướng của động vật lại bổ sung cho nhau vì trên thực tế sự định hướng phân chia ra hai loại, la bàn nam châm của hạt sắt từ tính và "la bàn hóa học" của loài chim robin, bướm, ong, ruồi [10]. Cơ chế Schulten về la bàn hóa học dựa trên tác động của từ trường vào sự vướng víu lượng tử của cặp đôi electron trong mắt chim robin đã tồn tại từ năm 1978. Từ một lý thuyết ngắn gọn và một thí nghiệm hóa học đơn giản cộng với sự suy nghĩ sâu sắc đượm chút ngây thơ của tuổi trẻ Schulten, thuyết lượng tử trong "la bàn hóa học" ngày nay được xem như mẫu mực cho cơ chế định hướng của các loài động vật, côn trùng không có hạt sắt từ tính.

Có lẽ, phản ứng quang hợp là một thành công lớn nhất trong tất cả mọi hiện tượng sinh học từ trước đến nay mà người ta nghĩ rằng có sự can thiệp của bàn tay lượng tử. Chưa đầy 10 năm kể từ khi nhóm Flemming tuyên bố con vi khuẩn dưới biển sâu làm thuật toán lượng tử (2007), nhiều dữ liệu quan trọng của các nhóm khác trên toàn thế giới liên tục được xuất bản khẳng định sự khám phá của nhóm Flemming. Khi cậu học trò Greg Engel nhìn thấy tín hiệu bước đi lượng tử của hạt/sóng nắng đi tìm trung tâm phản ứng quang hợp trong phân tử lục tố xuất hiện trên màn hình của máy dò, cậu đã đánh dấu một mốc ngoặt vô cùng quan trọng trong sinh học. Những tín hiệu ẩn tàng đó đã có sẵn từ một thuở xa xăm mà bây giờ con người mới đột nhiên tìm thấy, không những được phát đi từ con vi khuẩn, mà còn từ lá cây và đám rong rêu đầm lầy mãi mãi đong đưa trong muôn ngàn hạt nắng. Không còn nghi ngờ gì nữa, những chuyên gia đầu ngành của vi tính lượng tử và pin mặt trời ùa vào nhập cuộc. Họ muốn tìm hiểu tại sao những sinh thực vật bình thường nhỏ nhoi lại có thể làm con toán lượng tử giỏi hơn cả chiếc máy tính lượng tử vốn là sản phẩm của những thiên tài đương đại; tại sao chúng lại có thể biến gần 100% năng lượng mặt trời thành hóa năng để tồn tại. Einstein cho đến cuối đời không tin vào thuyết lượng tử, đã từng cảm khái thốt lên, "Thượng đế không chơi trò xí ngầu". Nhưng các loài sinh thực vật nhỏ bé kia chứng tỏ ông sai, vì chúng chơi trò xí ngầu đã lâu lắm rồi, càng lúc càng giỏi trong 4 tỷ năm tiến hóa.

Tác giả Al-Khalili và McFadden đã dành ra một chương nói về "Tinh thần" (Mind) bàn về những cơ chế về "Ý thức" (Consciousness) trong bộ não con người. Với 100 tỷ neuron (tế bào não) bộ não làm việc ngày đêm để đặt con người tư duy lên đỉnh cao của các loài linh trưởng. Một trăm tỷ là con số vô cùng lớn. Nhưng chúng không phải là một tập hợp hỗn loạn như các phân tử nước trong đầu máy hơi nước. Chúng không phải là đối tượng của nhiệt động học. Chúng liên kết với nhau bằng những dòng điện não và phát ra điện từ trường [LOTE trang 267] để truyền thông tin, liên thông và đáp ứng đối với môi trường xung quanh. Không chỉ thế, những dòng tư tưởng trôi nổi theo đời người, những ký ức đẹp của một thời, những mệnh lệnh điều khiển một hành động, tư duy chớp sáng, các cảm xúc của hỷ nộ ái ố và biết bao cảm nhận khác được xem như là kết quả của một loạt nhiều quy trình sinh học trong bộ não. Từ những năm 80 của thế kỷ trước, một nhà vật lý lý thuyết đã cho rằng ý thức con người chịu ảnh hưởng của các quy luật lượng tử. Đề nghị này nhanh chóng bị cộng đồng khoa học phản bác. Một số nhà khoa học khác lại cho rằng bộ não hành xử như máy tính lượng tử. Tác giả Al-Khalili và McFadden tránh sự vội vàng của những người đi trước, kiên nhẫn phân tích các cơ chế truyền dẫn thông tin của mạng neuron rồi thiết tha suy diễn (speculation) những tình huống mà hiệu ứng lượng tử có thể xuất hiện. Nhưng sự tương quan giữa "Ý thức" và lượng tử rất mờ nhạt gần như không hiện hữu. Có hay không cuộc hôn phối giữa "Ý thức" và lượng tử? Al-Khalili và McFadden có chăng quá chủ quan khi ép uổng "Ý thức" phải là đối tượng bị chi phối bởi thuyết lượng tử? Đến ngày nay, người ta vẫn chưa biết nhiều về hoạt động của bộ não con người cũng như sự thành hình của ý thức. Chúng ta vẫn chưa hiểu rõ bộ não đã diễn giải ra sao những tín hiệu gây ra bởi rung động của phân tử mùi tại tế bào khứu giác để phân biệt mùi khác nhau, hay tín hiệu của la bàn hóa học cho chim robin định hướng. Những hoạt động này có lẽ cũng là một phần của ý thức. Sự hiểu biết của con người đứng khựng trước cái cổng bí ẩn của bộ não vĩ đại. Mà khi ta chỉ biết mơ màng về một sự việc thì mọi suy diễn tiếc thay cũng mông lung như sương mù ban sáng.

Phản biện là một trong những bản chất quan trọng của khoa học, là sự sòng phẳng lành mạnh trong việc truy tìm chân lý. Mọi người đều bình đẳng trước mọi dữ liệu khoa học chân chính. Từ một cái nhìn bao quát về những thành tựu sinh học trong nửa thế kỷ qua, dù có những ý kiến dị biệt ta có thể nhận định rằng sự can dự lượng tử vào các quy trình sinh học là có thật. Hai quan điểm lượng tử và phi lượng tử về enzyme và khứu giác song hành trong đối lập, trong khi nghiên cứu về sự định hướng động vật hai quan điểm đó song hành trong hài hòa. Phản ứng quang hợp là một thành tựu lớn như một chiến thắng quyết định của cơ học lượng tử trong cuộc chinh phục sinh học. Nó vụt sáng như một ngôi sao trong bầu trời rạng đông của sinh học lượng tử.

Sự sống, như đã được đề cập, đứng ở trên bờ rìa giữa sự "kỳ bí" ở mức vi mô và cái "bình thường" ở mức vĩ mô. Tuy nhiên, quy luật lượng tử chưa hẳn hoàn toàn chế ngự mọi hành động ở mức vi mô. Electron, proton, ion, nguyên tử, phân tử vẫn còn tuân phục theo các quy luật "cổ điển", sự song hành giữa lượng tử và phi lượng tử vẫn xảy ra ở chốn tận cùng của vật chất. Ở cõi vi mô, sự sống cũng trên bờ rìa giữa kỳ bí lượng tử và bình thường trực cảm.

6. Lời kết

Ba bí ẩn lớn trong khoa học làm cho người ta băn khoăn dài lâu và cũng là ba thách thức lớn đối với các nhà khoa học là nguồn gốc của vũ trụ, nguồn gốc của sự sống và nguồn gốc của ý thức. Cơ học lượng tử có sự liên quan khắng khít đến nguồn gốc của vũ trụ. Bài viết này cho thấy sự can dự của cơ học lượng tử vào sự sống. Nhưng để tìm hiểu nguốc gốc của ý thức, có lẽ trước hết ta phải hiểu cấu trúc của não bộ con người và cơ chế hoạt động của mạng neuron. Những điều đó cho đến nay vẫn còn mờ mịt mông lung, vì chúng quá phức tạp để hiểu rõ bằng các quy luật vật lý, kể cả thuyết lượng tử. Ý thức, hay nói một cách tâm linh hơn là "linh hồn", là nơi gặp nhau giữa thần học, triết học và khoa học. Từ thời xa xưa, người ta tin ý thức con người là một thực thể siêu nhiên được ban bố từ một Đấng toàn năng. Những nỗ lực nghiên cứu ngày nay nhằm thay thế Đấng toàn năng bằng ánh chớp lượng tử không phải dễ dàng trước một tập hợp 100 tỷ neuron. Thật sự, bản thân của những quy luật lượng tử cũng không phải toàn năng, và cũng đừng phù phép khoác lên cơ học lượng tử một chiếc áo nhuốm màu sắc thần linh. Vô tình, ta sẽ đẩy khoa học đến bờ vực của "ngụy khoa học".

Ý thức của con người là điều bí ẩn và sự sống trong sinh vật là điều kỳ diệu. Các quy luật khoa học dù lượng tử hay phi lượng tử được con người tận dụng tối đa để vén lên bức màn bí ẩn và giải mã sự kỳ diệu đó. Nhưng, sự hiểu biết của con người thì có giới hạn mà sự kỳ diệu của sự sống gần như vô hạn. Các thành tựu của sinh học lượng tử trong 70 năm qua kể từ những bài nói chuyện của Schrödinger "Sự sống là gì?" chỉ đếm được trên đầu ngón tay mà những quy trình sinh học xảy ra trong cơ thể chúng ta, các loài động thực vật quanh ta, ngay cả thời điểm tôi đang viết bài này, thì vô số.

Mặc dù dưới uy lực của thuyết lượng tử, chúng ta vẫn chưa có câu trả lời dứt khoát cho câu hỏi "Sự sống là gì?". Không phải vì sự bất lực của khoa học mà bởi vì khoảng cách vô cùng to lớn giữa trí tuệ khoa học và sự thông thái vô cùng của thiên nhiên. Mẹ Thiên nhiên có một lịch sử tiến hóa dài vài tỷ năm trong khi số tuổi của khoa học chỉ hơn 400 năm và cơ học lượng tử là 100 năm. Hãy tưởng tượng một phân tử enzyme, dù nó hành động một cách lượng tử hay phi lượng tử, nó biết chỗ nào cần phải bám vào phân tử collagen và cắt xén chính xác từng bộ phận của collagen để làm tan rã đuôi nòng nọc. Sau đó nó sẽ chuyển dạng (conformation) sang một chức năng khác, tập hợp các phân tử cần thiết để tạo ra bốn cái chân cóc. Con người đã nỗ lực tổng hợp các enzyme nhân tạo cho nhiều ứng dụng nhưng chưa bao giờ có chức năng vượt trội hơn enzyme thiên nhiên, bởi lẽ chúng ta không hiểu hết về chúng.

Hạt nắng khi chạm vào lá cây hay vi khuẩn nó sẽ lập tức lan tỏa đi tìm trung tâm phản ứng. Nó không lan tỏa một cách chung chung như vừng mây bay lang thang trên bầu trời mà nó tức thời (vài trăm femto giây) định vị trung tâm phản ứng, bám vào đó rồi nhả năng lượng mặt trời để thực hiện phản ứng quang hợp. Cơ năng nào đã làm cho enzyme hay hạt nắng đủ thông minh để biết thời điểm hành sự chính xác và sự định vị vô cùng lợi hại này? Không biết.

Sự định hướng của chim robin bởi vướng víu lượng tử không dừng ở võng mạc của mắt. Tín hiệu võng mạc cần được đưa lên não qua giây thần kinh để não định hướng. Cơ chế này ra sao? Chưa có lời giải đáp. Tương tự, Turin đưa ra cơ chế phân tử dao động trên bề mặt tế bào khứu giác thiết lập được sự liên hệ giữa tần số và mùi. Tần số dao động được truyền lên não, nhưng người ta vẫn chưa biết não xử lý các thông tin dao động như thế nào để có sự cảm nhận của hàng chục, hàng trăm ngàn mùi khác nhau. Chúng ta không biết từ đâu mũi có độ nhạy siêu việt và sự phân biệt vô cùng đa dạng vượt qua những thiết bị tinh vi nhất của con người. Và đây cũng do công lao của bộ não.

Sự hiểu biết của con người về sinh học vì vậy chỉ là một vài dấu ấn sơ sài trên cái mỏm nhỏ của tảng băng ngầm khổng lồ đầy bí ẩn. Như tựa đề của quyển LOTE, Al-Khalili và McFadden xem đó là "Sự trưởng thành của sinh học lượng tử". Theo thiển kiến của tôi, những thành tựu của 70 năm qua chỉ là cái mở đầu cho "Buổi bình minh của sinh học lượng tử". Nếu có ai bảo "Ta đã làm chủ được thiên nhiên" thì đó chỉ biểu hiện sự vô minh của con người. Loài người còn quãng đường rất dài, dài lắm để tìm cái bí ẩn vô cùng của thiên nhiên. Đó là thử thách lớn đối với những trí tuệ khoa học nhưng cũng là sự tuyệt vời của nghiên cứu khoa học. Như từng cơn sóng vỗ vào bờ, thế hệ sau tiếp nối thế hệ trước kiên trì giải mã bao điều kỳ diệu của thiên nhiên. Vài ngàn năm sau, nếu con người còn hiện hữu trên quả đất và thiên nhiên không bị loài người tàn phá, liệu chúng ta có hiểu hết Mẹ Thiên nhiên? Câu trả lời, theo tôi, là con người sẽ hiểu nhiều hơn nhưng không bao giờ hiểu hết. Vào những ngày cuối đời, khi nhìn lại những trải nghiệm của mình Isaac Newton đã cảm nhận sâu sắc,

"Tôi không biết tôi được nhìn như thế nào trước thế giới, nhưng đối với bản thân tôi, tôi chỉ như một đức trẻ rong chơi trên bờ biển tự mua vui, thỉnh thoảng nhặt được viên đá sỏi bóng mướt hay chiếc vỏ sò lóng lánh hơn bình thường, trong khi một đại dương bao la của chân lý đang trải dài trước mắt tôi, chưa bao giờ được khám phá".

Thiên nhiên mãi mãi là một bí ẩn.

Trương Văn Tân

Melbourne những ngày Đông,
Tháng 6 – Tháng 8, 2016.

Tài liệu tham khảo và ghi chú

1.  Từ kết quả thực nghiệm của Rosalyn Franklin và Maurice Wilkin, vào năm 1953, 10 năm sau các bài giảng của Schrödinger, Watson và Crick đã lập ra mô hình xoắn đôi của phân tử di truyền DNA xác định được các mã di truyền trong DNA và mở ra một thời đại mới về sinh học và di truyền học. Watson, Crick và Wilkin đã đoạt giải Nobel (1962) cho công trình này.

2.  Life on the edge: The coming of age of Quantum Biology, Jim Al-Khalili and Johnjoe McFadden, Bantam Press, London 2014.

3.   Nhà vật lý người Pháp, Louis de Broglie, đã có đóng góp to lớn vào cơ học lượng tử với một công thức đơn giản cho thấy sự tương quan "hạt và sóng" và cho rằng mọi vật đều có dạng sóng. Công thức de Broglie được viết như sau,

λ = h/mv = h/(2mE)^1/2

λ là bước sóng, h là hằng số Planck = 6,626 x 10^-34 m²kg/s, m là khối lượng hạt, E là năng lượng và v là vận tốc. Để một electron di chuyển trong điện áp 1 volt, ta cần năng lượng 1 electron-volt (eV) (E = 1 eV = 1,602 x 10^-19 J). Vận tốc v được tính từ E = 1/2 (mv²), v= 5,93 x 10⁵ m/s. Khối lượng m của electron là 9,1 x 10^-31 kg. Từ công thức de Broglie, ta có λ = 1,2 x 10^-9 m. Bước sóng nằm trong vùng tia X. Ta thử làm con tính cho vật to như trái bóng golf. Một cú vớt sẽ làm trái bóng golf (khối lượng m = 45 g) bay với vận tốc 30 m/s. Dùng công thức de Broglie, bước sóng λ của trái bóng golf là 4,9 x 10^-34 m. Đây là con số cực kỳ nhỏ và vô nghĩa.

4.   Y. Cha, C. J. Murray and J. P. Klinman, Science, 243 (1989) 1325.

5.   A. Kohen and J. P. Klinman, Chemistry & Biology, 6 (1999) R191.

6.   L. Masgrau et al, Science, 321 (2006) 237.

7.   Hydrogen (H) là một nguyên tử chứa 1 electron (e^-) mang điện âm di động quanh nhân và 1 proton mang điện dương trong nhân. Trong các phản ứng sinh học H thường cho đi electron trở thành H⁺

H → H⁺ + e^-

H⁺ là ký hiệu cho proton. Dueterium (D) là chất đồng vị của H, trong nhân chứa 1 proton và 1 neutron (trung tính). Tritium (T) chứa 1 proton và 2 neutron trong nhân. Neutron có khối lượng tương đương với proton. Cho nên, D nặng gấp đôi và T nặng gấp 3 nguyên tử H.

Dùng công thức de Brogllie,

λ = h/mv = h/(2mE)^1/2

E là năng lượng cho việc chui hầm = 10 kJ/mol [5-6], m (proton) = 1,6727 x 10^-27 kg và m (neutron) = 1.6750 x 10^-27 kg. Ta có,

λ = 5 x 10^-11 m (cho H), λ = 3,1 x 10^-11 m (cho D), λ = 2,5 x 10^-11 m (cho T).

Khối lượng m càng to thì bước sóng λ càng ngắn và làm chậm tốc độ phản ứng.

8.   L. Turin, Chemical Senses, 21 (1996) 773.

9.   J. Hewitt, "Human noses: Quantum smelling devices" (Google search).

10.  J Shaw et al, J. R. Soc. Interface, 12 (2015) 20150499.

11.  http://www.diendan.org/khoa-hoc-ky-thuat/nhung-bai-hoc-tu-thien-nhien

12. K. Schulten, H. Staerk, A. Weller, H.-J. Werner and B. Nickel, Z. Phys. Chem., 101 (1976) 371.

13.  K. Schulten, C. E. Swenberg and A Weller, Z. Phys. Chem., 111 (1978) 1.

14.  T. Ritz, S. Adem and K. Schulten, Biophys. J., 78 (2000) 707.

15.  Di chuyển từ một phân tử này đến phân tử kia trong mắt chim nghe rất gần nhưng đối với electron thì rất xa. Độ lớn của electron là 10^-16 m nếu electron di chuyển đến một nơi khác cách chỗ cũ khoảng 10 nguyên tử, mỗi nguyên tử có độ lớn 10^-10 m, vậy khoảng cách sẽ là 10^-9 m. Như vậy khoảng cách dài hơn độ lớn electron 10⁷ lần, hay là 10 triệu lần. Nếu là electron là viên bi có đường kính 2 cm thì khoảng cách đó sẽ là 200 km.

16.  G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T. K. Ahn, T. Mancal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship and G. R. Flemming, Nature, 446 (2007) 782.

17.  G. Panitchayangkoon et al, PNAS, 107 (2010) 12766.

18.  G. Panitchayangkoon et al, PNAS, 108 (2011) 20908.

19.  F. Caruso et al, arXiv:0901.4454 (2009).

20. S. Lloyd, M Mohseni, A. Shabai and H. Rabitz, arXiv reprint, arXiv: 1111, 4982 (2011).

21.  P. Ball, Nature, 431 (2004) 396.

22.  D. R. Glowacki, J. H. Harvey and A. J. Mulholland, Nature Chemistry, 4 (2012) 169.

23.  I. H. Williams, J. Phys. Chem. B, 111 (2010) 7852.

24. M. I. Franco, L. Turin, A. Mershin and E. M. C. Skoulakis, PNAS, 108 (2011) 3797.