Sinh học lượng tử có thể giải thích câu hỏi lớn nhất của sự sống thế nào?

Làm thế nào mà loài chim robin biết đường bay về phương nam? Câu trả lời có thể là kỳ cục hơn là bạn nghĩ: Cơ học lượng tử có tham gia trong đó. Jim Al-Khalili liệt kê các hiện tượng cực kỳ mới lạ của sinh học lượng tử, có hiện tượng trước đây Einstein đã gọi là "hành động ma quỷ xuyên không gian", nhờ thế mà loài chim này đã định hướng đường bay, và hiệu ứng lượng tử có thể giải thích được nguồn gốc của chính sự sống.

Tôi xin giới thiệu một lĩnh vực
khoa học nổi bật,

chỉ mới hình thành ở mức độ lý thuyết
nhưng vô cùng gây phấn khích,

và chắc chắn là một
lĩnh vực đang lớn mạnh rất nhanh.

Đó là sinh học lượng tử
với câu hỏi rất đơn giản :

Có phải cơ học lượng tử --

một lý thuyết kỳ dị, tuyệt vời
và mạnh mẽ

về thế giới bên trong của
nguyên tử và phân tử

trở thành nền móng cho
vật lý và hóa học hiện đại --

cũng giữ vai trò bên trong tế bào sống?

Nói cách khác: có phải có những quy
trình, cơ chế, hiện tượng

trong các tổ chức sống
có thể được giải thích

với sự giúp đỡ của
cơ học lượng tử?

Nay, sinh lượng tử không còn mới;

nó đã có từ đầu thập niên 1930.

Nhưng chỉ khoảng thập niên trước hay
gần đó mới có thử nghiệm nghiêm túc--

trong các phòng thí nghiệm hóa sinh,
dùng quang phổ--

các thí nghiệm này cho bằng chứng
rõ ràng rằng có những cơ chế đặc biệt

cần sự giải thích nhờ vào cơ học lượng tử.

Ngành sinh lượng tử quy tụ các nhà
vật lý lượng tử, sinh học,

sinh học phân tử --
đó là một lĩnh vực đa chuyên môn.

Chuyên môn của tôi là vật lý lượng tử,
và tôi là nhà vật lý hạt nhân.

Tôi đã trải qua hơn 3 thập kỷ

để nghiên cứu về cơ học lượng tử.

Một trong những ông tổ
cơ học lượng tử, Neils Bohr,

nói : nếu bạn không ngạc nhiên
về lượng tử, đó là do bạn chưa hiểu.

Tôi cảm thấy hạnh phúc vì vẫn còn
ngạc nhiên về lượng tử.

Đó là dấu hiệu tốt.

Tôi vẫn ngạc nhiên khi được nghiên cứu về
chính cấu trúc nhỏ nhất trong vũ trụ--

đơn vị nhỏ nhất của vạn vật.

Nếu ta nghĩ về tỉ lệ độ lớn,

thì hãy bắt đầu với vật thường ngày
như quả bóng tennis,

và nhỏ dần xuống theo thang kích cỡ --

từ lỗ kim đến tế bào,
xuống đến vi khuẩn, rồi đến enzyme--

cuối cùng bạn đến thế giới nano.

'Công nghệ nano' có thể là một
thuật ngữ bạn đã nghe.

Một nanomet là một phần tỷ mét.

Lĩnh vực của tôi là hạt nhân nguyên tử,
đó là một chấm bé xíu trong một nguyên tử.

Nó nhỏ quá nên không có ở bảng xếp hạng.

Đó là một lĩnh vực của cơ học lượng tử,

và các nhà vật lý và hóa học
đã có một thời gian dài

để thử và làm quen với nó.

Thế mà, theo cách nhìn của tôi,
các nhà sinh vật học lại không quan tâm.

Hay là do họ quá hãnh diện về
các mô hình phân tử của họ.

(Cười)

Các viên bi là nguyên tử, các que nối
là liên kết các nguyên tử.

Khi không thể thiết kế chúng
ở phòng thí nghiệm,

thì ngày nay, họ có các máy
vi tính rất mạnh

để làm mô phỏng phân tử phức tạp.

Đây là một phân tử protein được hình thành
từ 100.000 nguyên tử.

Để giải thích về nó, người ta không
cần nhiều lý thuyết cơ lượng tử.

Cơ học lượng tử
đã phát triển vào thập niên 1920.

Nó là một bộ quy tắc toán rất đẹp
và mạnh mẽ và là những khái niệm

để giải thích thế giới vô cùng bé nhỏ.

Đó là một thế giới rất khác
với thế giới hàng ngày của chúng ta,

được làm từ tỷ tỷ nguyên tử.

Còn thế giới lượng tử thì được
xây dựng trên xác suất và sự may rủi.

Đó là một thế giới mơ hồ.

Đó là một thế giới ma quái,

nơi đó các hạt có thể vận hành
như sóng lan truyền.

Nếu chúng ta tưởng tượng cơ học
lượng tử hay vật lý lượng tử

như nền tảng căn bản của chính vạn vật,

thì sẽ không ngạc nhiên khi ta nói

vật lý lượng tử là trụ đỡ cho
hóa học hữu cơ.

Sau cùng, nó cho ta
quy luật để giải thích

cách các nguyên tử kết
với nhau để tạo phân tử hữu cơ.

Hóa học hữu cơ,
phát triển rất phức tạp,

cho chúng ta ngành sinh học phân tử,
chuyên nghiên cứu về sự sống.

Thật ra, nó không gây ngạc nhiên.

Nó bình thường đến mức

bạn nói, "Đương nhiên, sự sống
phải phụ thuộc vào cơ học lượng tử."

Nhưng mọi thứ khác cũng vậy.

Các chất vô cơ cũng vậy,
được làm từ tỷ tỷ nguyên tử.

Vậy có một môi trường lượng tử

ở đó ta phải tìm hiểu
đặc tính kỳ lạ này.

Nhưng thường ngày,
ta hay quên thế giới lượng tử.

Vì một khi bạn kết nối
tỷ tỷ nguyên tử lại,

thì tính kỳ lạ của lượng tử
liền biến mất.

Sinh học lượng tử không
liên quan đến điều đó.

Sinh học lượng tử không
rõ ràng như vậy.

Đương nhiên cơ học lượng tử là trụ cột
của sự sống ở mức độ phân tử.

Sinh học lượng tử tìm
kiếm cái không bình thường --

ý tưởng chống trực giác
trong cơ học lượng tử--

để xem liệu chúng có thực sự
giữ một vai trò quan trọng

trong việc mô tả các quy trình sự sống.

Đây là ví dụ hoàn hảo của tôi
về việc chống lại trực giác

của thế giới lượng tử.

Gã lượng tử trượt tuyết.

Anh ta có vẻ còn nguyên,
hoàn toàn bình an,

dù ta thấy hai vết đường trượt
của hai chân anh ta đi hai bên cây.

Nếu bạn thấy vết trượt như thế

dĩ nhiên, bạn sẽ nói đó là
trò kỹ xảo.

Nhưng trong thế giới lượng tử,
điều đó luôn xảy ra.

Các hạt có thể có đa chức năng,
chúng có thể ở hai nơi cùng lúc.

Chúng có thể làm nhiều việc
tại cùng thời điểm.

Các hạt có thể vận hành
như là sóng lan truyền.

Thật là ma thuật.

Các nhà vật lý và nhà hóa học
đã có gần một thế kỷ

để tập quen với tính kỳ lạ này.

Tôi không trách nhà sinh học

khi họ không muốn học
cơ học lượng tử.

Bạn thấy đó, tính kỳ lạ này rất khó giữ;

với chúng tôi, nhà vật lý, không dễ để giữ
được nó trong các phòng thí nghiệm.

Chúng tôi làm lạnh hệ thống
đến nhiệt độ zero tuyệt đối,

chúng tôi để trong chân không,

chúng tôi thử và tách biệt nó
khỏi mọi nhiễu loạn bên ngoài.

Nó không chấp nhận môi trường ấm,
lộn xộn, ồn ào của tế bào sống.

Chính ngành sinh học, nếu bạn nghĩ về
sinh học phân tử,

dường như đã làm rất tốt trong
việc mô tả tất cả quy trình cuộc sống

theo cách nói của hóa học--
đó là phản ứng hóa học.

Đây là những phản ứng hóa học
không thể khác được và đơn giản hóa,

chúng chỉ ra rằng, về cơ bản, sự sống được
làm từ cùng chất liệu như mọi thứ khác,

và nếu ta có thể quên cơ học
lượng tử ở thế giới vật lý vĩ mô

thì ta cũng nên quên nó
trong ngành sinh học.

Một người phản đối ý tưởng này.

Erwin Schrödinger, tác giả ý tưởng
"con mèo của Schrödinger" nổi tiếng,

là một nhà vật lý người Úc.

Ông là một trong những vị sáng
lập cơ học lượng tử thập niên 1920.

Năm 1944, ông viết quyển sách
tựa đề "Sự sống là gì?"

Sách có ảnh hưởng rất lớn.

Nó ảnh hưởng Francis Crick
và James Watson,

những người tìm ra cấu trúc
chuỗi xoắn kép của ADN.

Để diễn giải một mô tả
trong quyển sách, ông viết:

Ở mức độ phân tử,
các cơ thể sống có một trật tự nhất định,

một cấu trúc rất khác biệt

so với sự hỗn loạn ngẫu nhiên do nhiệt
của nguyên tử và phân tử

trong vật không sự sống
có cùng mức độ phức tạp.

Thật vậy, cơ thể sống dường như
vận hành theo trật tự này, trong cấu trúc,

chỉ giống vật thể không sự sống
ở việc lạnh dần đến độ 0 tuyệt đối,

nơi các ảnh hưởng lượng tử
giữ vai trò rất lớn.

Có vài thứ đặc biệt về cấu trúc--trật tự--

bên trong tế bào sống.

Schrödinger cho rằng có thể cơ học
lượng tử giữ một vai trò trong sự sống.

Đó là một ý tưởng táo bạo và
có ảnh hưởng rộng lớn,

và nó không đi được xa.

Nhưng như tôi trình bày lúc đầu,

trong 10 năm vừa qua, đã có những
thử nghiệm nổi bật,

chỉ ra nơi mà ở đó một số hiện
tượng trong sinh học

dường như cần đến cơ học lượng tử.

Tôi muốn chia sẻ với bạn
một vài trường hợp thú vị.

Đây là một trong những hiện tượng nổi
tiếng nhất trong thế giới lượng tử :

đường hầm lượng tử.

Hộp bên trái cho thấy
sự truyền dạng sóng và lan rộng

của một thực thể lượng tử --
một hạt, như là hạt electron,

hạt này không như quả bóng
dội lên tường.

Nó là một dạng sóng với một xác suất
nào đó có khả năng thẩm thấu

xuyên qua bức tường rắn, như một
bóng ma xuyên qua phía bên kia tường.

Bạn có thể thấy một vệt ánh sáng mờ
bên hộp phải.

Đường hầm lượng tử gợi ý rằng một hạt
có thể đập một rào chắn không thể xuyên,

và theo cách nào đó, như là ảo thuật,

nó biến mất khỏi bên này
và xuất hiện ở bên kia.

Cách giải thích thú vị nhất là
nếu bạn muốn ném quả bóng qua tường,

bạn phải cho nó đủ năng lượng
để vượt qua mép trên của tường.

Trong thế giới lượng tử,bạn
không cần phải ném nó cao hơn tường

bạn có thể ném nó vào tường,
khi đó có một xác suất khác không

để nó biến mất ở phía của bạn,
và xuất hiện ở phía bên kia.

Đây không phải là suy đoán.

Đây là niềm hạnh phúc -- À không,
từ "hạnh phúc" không dùng đúng--

(Cười)

Chúng ta quen miệng nói từ này.

(Cười)

Hầm lượng tử luôn hiện hữu;

thực ra, nó tạo nguồn sáng trong mặt trời.

Các hạt hợp nhất lại,

và mặt trời chuyển hydro
thành hêli thông qua hầm lượng tử.

Quay lại thập niên 70 và 80, người ta
phát hiện hầm lượng tử cũng xảy ra

trong tế bào sống.

Các enzyme, nhân tố giữ sự sống,
chất xúc tác của phản ứng hóa học --

chúng là phân tử sinh học thúc đẩy
các phản ứng hóa học trong tế bào sống,

bằng rất nhiều lệnh quan trọng.

Và đó luôn là một bí ẩn
để hiểu chúng làm điều đó thế nào.

Điều đó đã được tìm thấy:

một trong những chiêu mà enzyme
phát triển để dùng,

là chuyển các hạt hạ nguyên tử,
như hạt electron và nhất là hạt proton,

từ một phần của phân tử
đến một phần khác thông qua hầm lượng tử.

Nó rất hiệu quả và nhanh,
nó có thể biến mất --

hạt proton có thể biến mất khỏi nơi
này, và xuất hiện ở nơi khác.

Enzyme giúp cho điều đó xảy ra.

Đây là nghiên cứu được thực hiện
lại vào thập niên 80,

bởi một nhóm ở Berkeley, nhóm
của Judith Klinman.

Các nhóm khác ở Anh cũng
đã xác nhận

hiện tượng này ở các enzyme.

Nghiên cứu thực hiện bởi nhóm của tôi --

như tôi đã trình bày,
tôi là nhà vật lý nguyên tử,

nhưng tôi nghĩ tôi có những công cụ
để sử dụng cơ học lượng tử

trong nhân nguyên tử, và như vậy tôi
cũng có thể áp dụng cho các lĩnh vực khác.

Một câu hỏi chúng tôi đặt ra

là liệu hầm lượng tử
có vai trò trong sự biến đổi của ADN.

một lần nữa, đây không phải là
ý tưởng mới; mà quay lại đầu thập niên 60.

Hai bờ mép của ADN,
cấu trúc xoắn kép,

được giữ với nhau bởi các thanh ngang;
như một thang xoắn.

Và các thanh ngang của thang xoắn này
là các liên kết hydro --

proton, có chức năng kết
nối hai đường dài hai bên.

Vậy nếu bạn phóng lớn, bạn sẽ thấy chúng
giữ các phân tử lớn --

nucleotide -- lại với nhau.

Hãy phóng lớn tí nữa.

Vậy, đây là mô phỏng trên máy tính.

Hai viên bi trắng
ở giữa là hạt proton,

và bạn có thể thấy
đó là liên kết hydro kép.

Gốc của liên kết này đặt ở một bên;
liên kết kia có gốc ở phía kia

của hai mép dài của đường thẳng
đứng hướng xuống mà bạn không thấy.

Đôi khi hai proton này nhảy lên.

Hãy nhìn hai viên bi trắng.

Chúng có thể nhảy đến phía kia.

Nếu hai đường bên của ADN tách ra,
dẫn đến quá trình tái tạo,

và hai proton rơi sai vị trí,

điều đó có thể dẫn đến đột biến.

Điều này được biết đến nửa thế kỷ nay.

Câu hỏi là : làm sao mà
điều đó xảy ra được,

nếu xảy ra, chúng xảy ra như thế nào?

Chúng nhảy ngang qua,
như là bóng nhảy qua tường?

Hay chúng đi ngang qua hầm lượng tử,
ngay cả khi không có đủ năng lượng?

Dấu hiệu ban đầu cho thấy
hầm lượng tử có thể giữ vai trò ở đây.

Chúng tôi chưa biết nó
quan trọng mức nào;

đó vẫn là câu hỏi chưa có lời đáp.

Đó là là suy đoán,

nhưng đó là một trong những câu hỏi
rất quan trọng

mà nếu cơ học lượng tử
giữ vai trò trong đột biến,

thì chắc chắn sẽ có
những hệ quả lớn lao,

để hiểu những dạng của đột biến,

thậm chí có thể tác động đến
tế bào ung thư.

Một ví dụ khác của cơ học lượng tử
trong sinh học là cố kết lượng tử,

một trong các quy trình
sinh học quan trọng nhất,

là quan hợp: cây và vi khuẩn
hấp thu ánh sáng,

và dùng năng lượng đó để tạo sinh khối.

Cố kết lượng tử là ý tưởng về
các thực thể lượng tử đa nhiệm.

Người lượng tử trượt tuyết.

Đó là một khách thể có tính chất như sóng,

nó không chỉ di chuyển
trong hướng này hay hướng khác,

nó còn có thể theo nhiều hướng khác nhau
tại một thời điểm.

Cách đây vài năm,
giới khoa học bị sốc

khi một bài báo được đăng
về một bằng chứng thực nghiệm

rằng cố kết lượng tử
xảy ra trong vi khuẩn,

lúc thực hiện quan hợp.

Ý tưởng này : photon,
hạt ánh sáng, ánh sáng mặt trời,

lượng tử của ánh sáng
được hấp thu bởi phân tử diệp lục,

rồi được giải phóng đến nơi gọi
là trung tâm phản ứng,

ở đó nó được biến đổi
ra năng lượng hóa học.

Và khi đến đó,
nó không chỉ đi theo một đường;

nó đi theo nhiều đường cùng một lúc,

để tối ưu hóa cách
đến được trung tâm phản ứng

mà không lãng phí năng lượng nhiệt.

Cố kết lượng tử xảy ra trong
tế bào sống.

Một ý tưởng đáng chú ý,

và bằng chứng đang tăng theo tuần,
với những bài báo mới được xuất bản,

khẳng định cố kết
lượng tử thật sự tồn tại.

Ví dụ thứ 3 và là cuối cùng của tôi:
ý tưởng đẹp nhất và tuyệt vời nhất.

Đó cũng là phỏng đoán,
nhưng tôi phải chia sẻ với bạn.

Loài chim robin châu Âu
từ Scandinavia

xuống tới Địa Trung Hải, vào mùa thu,

và rất thích ăn sinh vật biển
và cả côn trùng,

chúng định hướng bay nhờ cảm được
từ trường của Trái Đất.

Nhưng từ trường của Trái Đất
thì rất yếu;

nó kém 100 lần so với
nam châm gắn tủ lạnh

nhưng bằng cách nào đó lại ảnh hưởng
trên các chất bên trong một tổ chức sống.

Đó không còn là nghi ngờ --
hai nhà khoa học Đức về loài chim,

Wolfgang and Roswitha Wiltschko,
vào thập niên 1970, đã khẳng định,

chim robin tìm thấy đường của chúng bằng
cách cảm nhận từ trường của Trái Đất,

để có thông tin về hướng bay --
như có một la bàn bên trong.

Bài toán hóc búa :
Làm sao chúng làm được?

Lý thuyết chủ đạo --

chúng ta không biết liệu đó có phải là
lý thuyết đúng, nhưng nó chủ đạo--

là chúng làm việc đó qua cái
được gọi là tương đồng lượng tử.

Bên trong võng mạc của chim robin --

tôi không lừa bạn - trong võng mạc của
robin, là một protein gọi là cryptochrome,

nhạy với ánh sáng.

Trong cryptochrome, có một cặp electron
có sự tương đồng lượng tử.

Tương đồng lượng tử là
khi hai hạt xa nhau,

nhưng cách nào đó chúng
vẫn giữ liên lạc được với nhau.

Einstein ghét khái niệm này;

ông gọi là "hành động
ma quỷ ở cách xa."

(Cười)

Einstein không thích nó, ta có thể
cũng không thấy thoải mái với nó.

Hai electron có tương đồng lượng tử
trong một phân tử đơn

nhảy một điệu tinh tế

và tạo được cảm giác để định hướng
bay của chim

trong từ trường Trái Đất.

Ta không biết liệu đó
là một giải thích chính xác,

nhưng, có lẽ sẽ rất thú vị
nếu cơ học lượng tử giúp chim di chuyển?

Sinh học lượng tử vẫn còn non trẻ.

Đó vẫn còn là ước đoán.

Nhưng tôi tin nó được xây dựng trên
khoa học vững chắc.

Tôi cũng nghĩ trong thập niên tới
hay gần đó,

ta sẽ thấy nó thực sự
lan khắp mọi nơi trong cuộc sống --

sự sống có những tuyệt chiêu
ở đó lượng tử được dùng đến.

Hãy nhìn không gian.

Cảm ơn.

(Vỗ tay)