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 (ED)
sang bên phải (EA). 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, ED: mực năng lượng của nơi cho
electron, Aceptor: nơi nhận electron, EA: 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.
|