Sự sống lượng tử

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

67
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Quan niệm rằng cơ học lượng tử có thể giải thích nhiều khía cạnh căn bản của sự sống đang được hồi sinh trở lại, như Paul Davies hé mở trong bài viết sau đây. Đối với nhà vật lí, sự sống trông có chút gì đó thật diệu kì – tất cả các nguyên tử ngu ngốc kia đang tụ tập lại cùng nhau để thực hiện những thủ thuật mới khéo léo làm sao! Trong hàng thế kỉ, các sinh vật sống được xem là thuộc một số dạng vật chất thần kì. Ngày nay, chúng ta...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sự sống lượng tử

Sự sống lượng tử Quan niệm rằng cơ học lượng tử có thể giải thích nhiều khía cạnh căn bản của sự sống đang được hồi sinh trở lại, như Paul Davies hé mở trong bài viết sau đây. Đối với nhà vật lí, sự sống trông có chút gì đó thật diệu kì – tất cả các nguyên tử ngu ngốc kia đang tụ tập lại cùng nhau để thực hiện những thủ thuật mới khéo léo làm sao! Trong hàng thế kỉ, các sinh vật sống được xem là thuộc một số dạng vật chất thần kì. Ngày nay, chúng ta biết rằng chẳng có “lực sự sống” đặc biệt nào đang tác dụng trong thế giới sinh vật; chỉ có vật chất bình thường đang thực hiện những công việc khác thường, tất cả vẫn tuân theo các định luật quen thuộc của vật lí học. Vậy thì, đâu là bí mật của những tính chất khác thường của sự sống ? Vật lí lượng tử có thể giải thích cho sự quang hợp (Ảnh: Gustoimages/Science Photo Library) Vào cuối những năm 1940 và 1950, mốt hợp thời là cho rằng cơ học lượng tử - hay có lẽ cả một số “cơ học hậu-lượng tử” sớm được thiết lập – giữ vai trò quan trọng đối với bí mật của sự sống. Bị khích động với sự thành công của chúng trong việc giải thích những tính chất của vật chất không sống, các nhà sáng lập của cơ học lượng tử hi vọng lí thuyết của họ đủ kì lạ và đủ mạnh để giải thích trạng thái sống khác thường của vật chất. Niels Bohr, Werner Heisenberg và Eugene Wigner đều đưa ra các lập luận, còn cuốn sách nổi tiếng của Erwin Schrödinger, Sự sống là gì ?, xuất bản năm 1944, đặt nền tảng cho sự ra đời của sinh học phân tử trong thập niên 1950. 1
Nửa thế kỉ sau, giấc mơ rằng cơ học lượng tử bằng cách này hay cách khác giải thích được sự sống “ngay tức khắc” – như nó đã giải thích những trạng thái khác của vật chất thật rõ ràng và toàn diện – đã không thu được kết quả. Không hoài nghi gì nữa, cơ học lượng tử là cần thiết để giải thích kích cỡ và hình dạng của các phân tử và các chi tiết của liên kết hóa học của chúng, nhưng chẳng có “nguyên lí sống” rõ ràng nào xuất hiện từ thế giới lượng tử chi phối trạng thái sống theo một cách đặc biệt nào đó. Hơn nữa, các mô hình cổ điển quả cầu và keo dính dường như thích hợp cho đa số cách giải thích trong sinh học phân tử. Hóa học protein xét một bố trí protein phức tạp trong một diện mạo năng lượng phức tạp. Các nhà vật lí đã tìm thấy bằng chứng mạnh mẽ rằng sự chui hầm lượng tử là cơ sở cho tính hiệu quả của những quá trình này. (Ảnh: Pasieka/Science Photo Library) Bất chấp như vậy, có những khẳng định dai dẳng cho rằng cơ học lượng tử có thể giữ vai trò cơ sở trong sinh học, ví dụ qua sự chồng chất kết hợp và sự rối. Những khẳng định này đa dạng từ những quan điểm hợp lí, kiểu như sự gấp nếp protein có lượng tử tham dự, cho đến những đề xuất mang tính suy đoán nhiều hơn, ví dụ như đề xuất bởi Roger Penrose thuộc trường đại học Oxford và Stuart Hameroff thuộc trường đại học Arizona rằng cơ học lượng tử giải thích được ý thức bởi sự hoạt động trong não trên những chiều kích vĩ mô. Thật đáng tiếc, các hệ sinh học quá phức tạp nên khó mà tách các hiệu ứng lượng tử “thuần túy” ra khỏi mớ lộn xộn đang chuyển dịch của những tiến trình về cơ bản là kinh điển cũng đang có mặt. Vì thế, có nhiều quan điểm bất đồng về phạm vi mà sự sống tận dụng những tiến trình lượng tử không tầm thường. Nhưng tại sao cơ học lượng tử lại liên quan đến sự sống, ngoài việc giải thích cấu t rúc cơ bản và tương tác của các phân tử? Một lập luận phổ biến cho rằng các hiệu ứng lượng tử có thể đóng vai trò hỗ trợ các tiến trình hoặc là chậm xảy ra hoặc là không thể xảy ra theo vật lí cổ điển. Các nhà vật lí đã quen thuộc với thực tế sự gián đoạn, sự chui hầm lượng tử, sự chồng chất và sự rối tạo ra những hiện tượng mới lạ và bất ngờ. Sự sống đã có ba tỉ rưỡi năm để giải những bài toán và tối ưu hóa hiệu năng. Nếu cơ học lượng tử có thể làm tăng thêm hiệu năng của nó, hay mở ra những khả năng mới, thì có khả năng là sự sống sẽ khám phá ra thực tế đó và khai thác các 2
cơ hội. Biết rằng những quá trình cơ bản của sinh học xảy ra ở cấp độ phân tử, việc khai thác các hiệu ứng lượng tử không phải là không có cơ sở. Cho dù sự sống không chủ động khai thác “phép thần lượng tử”, thì chúng ta cũng không thể bỏ qua sự tác động của cơ học lượng tử lên sinh học. Sự bất định lượng tử đặt ra một ranh giới cơ bản lên tính chính xác của tất cả các quá trình phân tử. Một đặc điểm nổi bật của sinh học là sự bố cục khéo léo ở cách tự lắp ráp và tự tổ chức phân tử phức tạp cao độ của nó. Để cho tế bào hoạt động được, điều quan trọng là những bộ phận thích hợp phải nằm ở nơi thích hợp vào thời điểm thích hợp. Cơ học lượng tử đặt ra những giới hạn cơ bản lên độ chính xác mà các phân tử có thể kết hợp lại theo một kiểu tập thể và có tổ chức. Chúng ta có thể trông đợi một số tiến trình của sự sống tiến hóa ít nhất là xa đến “bến bờ lượng tử”, ở đó sự thỏa hiệp được dàn xếp giữa tốc độ và độ chính xác. Quan điểm của thế kỉ 19 xem sự sống là “vật chất thần kì”, thí dụ bởi việc sử dụng thuật ngữ “hóa học hữu cơ”, đã bị thay thế bởi mô hình tế bào là một hệ phức tạp của những cỗ máy nano liên kết hoạt động dưới sự điều khiển của phần mềm kĩ thuật số mã hóa trong ADN. Những thành phần Lilliputian này, cấu tạo chủ yếu từ protein, gồm các máy bơm, rô-to, bánh cóc, dây cáp, đòn bẫy, bộ cảm biến và những cơ chế khác quen thuộc với nhà vật lí và nhà kĩ sư. Sự thiết kế khéo léo của chúng, được trau chuốt bởi những kỉ nguyên tiến hóa, biểu hiện hiệu năng và tính biến hóa khôn lường, và là một nguồn cảm hứng cho các nhà công nghệ nano học. Trực giác thu được từ các cơ chế vĩ mô và vi mô có thể sai lệch ở cấp độ nano, nơi các hiện tượng lượng tử như hiệu ứng Casimir có thể phát huy vai trò và làm thay đổi ngoạn mục bản chất của các lực có liên quan. Những lập luận ban đầu Một ý tưởng sớm về các hiệu ứng lượng tử trong sinh học được đề xuất bởi Herbert Fröhlich ở trường đại học Liverpool, người hồi năm 1968 đã cho rằng các mode dao động của một số màng trong tế bào có thể biểu hiện hiện tượng hóa đặc Bose–Einstein, trong đó nhiều lượng tử được đưa vào một trạng thái lượng tử với sự kết hợp tầm xa. Hóa đặc Bose-Einstein thường đi cùng với những nhiệt độ rất thấp, nhưng Fröhlich cho rằng sự ghép cặp phi tuyến giữa một tập hợp các dao động tử lưỡng cực bị điều khiển bởi một môi trường nhiệt có thể chuyển năng lượng vào một dao động tử kết hợp thậm chí ở nhiệt độ sinh học. Sinh vật thu được lợi thế gì từ mode dự trữ năng lượng này thì không rõ, mặc dù nó có thể được sử dụng cho các phản ứng hóa học có điều khiển. Một lập luận sớm và thường được nhắc lại nữa là một số đột biến sinh học xuất hiện là kết quả của sự chui hầm lượng tử. Cơ sở gen của sự sống được viết bằng bốn kí tự nucleotide A, G, C và T ghép cặp với nhau tạo thành các thành nối của cấu trúc thang xoắn kép của ADN. Sự sắp xếp bình thường là T ghép cặp với A và G ghép cặp với C, với các cặp được giữ với nhau lần lượt bằng hai hoặc ba liên kết hydrogen. Tuy nhiên, các nucleotide base còn có thể tồn tại những dạng khác, liên quan về mặt hóa học, gọi là tautomer, theo vị trí của một proton. Cơ học lượng tử tiên đoán rằng một proton có thể chui hầm với một xác suất hữu hạn qua hàng rào thế phân cách hai trạng thái này, dẫn đến sự ghép cặp sai, ví dụ, của T với G thay vì A. Các đột biến là động lực của tiến hóa, cho nên theo ý nghĩa hạn chế này, cơ học lượng tử nhất định là một yếu tố góp 3
phần cho sự biến đổi tiến hóa. Nhà vật lí Johnjoe McFadden thuộc trường đại học Surrey đã xây dựng trên quá trình này để đề xuất một mô hình lượng tử của sự biến hóa thích nghi, trong đó các vi khuẩn bị tác động bởi môi trường dường như có thể chọn lọc nhưng đột biến thích hợp làm tăng khả năng sống sót của chúng. Một ví dụ khác của sự chui hầm lượng tử với mối liên quan đến sinh học là về cơ sở hóa học protein – những phân tử lớn gấp nếp thành những hình dạng 3D phức tạp. Một số protein chứa những vị trí hoạt tính liên kết với hydrogen, và để đi tới những vị trí này, nguyên tử hydrogen phải vượt qua được một địa hình thế năng lượng phức tạp và đang chuyển dịch. Sự chui hầm lượng tử có thể làm tăng tốc quá trình này. Việc nghiên cứu xem sự chui hầm lượng tử có thể quan trọng như thế nào thật khó khăn, vì nhiều tương tác phức tạp xảy ra khi phân tử protein đung đưa lòng vòng và biến đổi hình dạng là kết quả của sự thăng giáng nhiệt. Một cách tiếp cận được nhà hóa học Judith Klinman thuộc trường đại học California, Berkeley, chọn là làm việc với deuterium thay cho hydrogen. Vì deuteron nặng chừng gấp đôi proton, nên việc sử dụng nó mang lại sự chênh lệch lớn cho tốc độ chui hầm. So sánh tốc độ phản ứng tương đối của hydrogen và deuterium trên một ngưỡng nhiệt độ rộng, vì thế, cho phép các nhà thực nghiệm tách ra được tầm quan trọng tương đối của các hiệu ứng lượng tử. Các kết quả dường như xác nhận rằng sự chui hầm lượng tử thật sự quan trọng, làm gia tăng nghi vấn đầy quyến rũ rằng không biết một số protein có thật sự tiến hóa để khai thác hiệu ứng này, biến chúng thành “bộ tăng cường chui hầm” hay không. Trong sự tiến hóa, ngay cả một lợi thế nhỏ về tốc độ hay độ chính xác cũng có thể vượt lên thành sự thành công lấn át, vì sự chọn lọc tự nhiên khai triển theo hàm mũ tỉ lệ tương đối của những kẻ chiến thắng trong nhiều thế hệ. Sự quang hợp và điểu cầm học Mặc dù những thí dụ trước đã đi vào văn chương trong nhiều năm rồi, nhưng chúng không đưa đến sự chấp nhận rộng rãi rằng vật lí lượng tử thật quan trọng đối với sinh học. Tuy nhiên, chủ đề đó đủ hấp dẫn để tôi tổ chức hẳn một cuộc hội thảo về sinh học lượng tử tại Trung tâm BEYOND Các khái niệm cơ bản trong khoa học ở trường đại học bang Arizona hồi tháng 12 năm 2007, sau đó là một hội thảo nữa tổ chức bởi các nhà vật lí Vlatko Vedral và Elisabeth Rieper tại trường đại học quốc gia Singapore vào tháng 1 năm 2009. Sự xôn x ao hoạt động này được thúc đẩy bởi hai phát triển thực nghiệm mới và khá ngoạn mục. Thứ nhất là một nghiên cứu về sự quang hợp thực hiện bởi nhà hóa học Berkeley, Graham Fleming, và nhóm của ông. Quang hợp là một cơ chế tinh vi và phức tạp cao độ khai thác năng lượng ánh sáng để phân tách nước bằng cách sử dụng từng photon riêng rẻ tạo ra một thác phản ứng. Quá trình đó cực kì hiệu quả, và tiêu biểu cho một thí dụ cổ điển về cách thức sự tiến hóa trau chuốt mẫu thiết kế của một hệ vật chất nhằm đạt được hiệu quả gần như tối ưu. Cơ quan nhận chủ yếu của năng lượng ánh sáng là một phức hợp phân tử sắc tố gọi là chromophore. Những cơ quan này có thể trở nên bị kích thích và giải phóng năng lượng kích thích trong một quá trình nhiều giai đoạn đến một trung tâm phản ứng cuối cùng, nơi xảy ra sự phân tách. Vì bước sóng của photon lớn hơn nhiều so với tập hợp phân tử, nên một trạng thái chồng chất của nhiều phân tử sắc tố bị kích thích thoạt đầu được tạo ra, và trạng thái này tiếp tục tiến triển trong khoảng thời gian hàng trăm femto giây. Fleming và nhóm của ông đã sử dụng 4
kích thích laser và khảo sát các xung để nghiên cứu hành trình dịu đi của những phức hợp khai thác ánh sáng này, và quan sát thấy một loại hiệu ứng “cú đấm lượng tử” trong đó biên độ cực đại của kích thích đến gặp và lại đến gặp các phân tử khác nhau trong hệ một cách kết hợp. Fleming khẳng định rằng, với việc định thời gian thích hợp, hệ có thể “chộp lấy” trạng thái kết hợp (tồn tại trong vài trăm femto giây) với xác suất lớn hơn nếu nó chỉ được phân bổ theo cơ học thống kê cổ điển. Ông tin rằng kết quả này có thể dẫn đến sự tăng nhiều bậc ở tốc độ chuyển hóa năng lượng. Các kết quả gần đây đã được bổ sung bởi công trình của Elisabetta Collini và Gregory Scholes tại trường đại học Toronto, họ đã chứng minh được sự kết hợp ở nhiệt độ phòng trong sự chuyển hóa electron-kích thích dọc theo các chuỗi polymer. Một đặc điểm quan trọng của sự quang hợp là kiến trúc phân tử được cấu trúc theo kiểu nhỏ gọn và khác lạ, cho thấy nó đã được “tùy biến” để khai thác các hiệu ứng lượng tử tầm xa. Có thể là cấu hình đặc biệt đó hiệu quả ở việc bảo toàn sự kết hợp trong những khoảng thời gian dài bất ngờ, nhờ đó cho phép hệ “khảo sát” nhiều lộ trình đồng thời và do đó tăng tốc độ “giải quyết” (tức là phân phối năng lượng đến trung tâm phản ứng). Những nghiên cứu gần đây cho thấy chim cổ đỏ châu Âu có một dãy protein thẳng hàng trong võng mạc của nó đóng vai trò bộ cảm ứng từ trường giúp nó định hướng (Ảnh: Anthony Cooper/Science Photo Library) Sự phát triển thứ hai gần đây cho rằng vật lí lượng tử liên quan đến sinh học về chim định hướng. Người ta biết rõ rằng một số loài chim thực hiện những kì công dò đường thật đáng ngạc nhiên, sử dụng nhiều tín hiệu đa dạng, trong đó có định hướng cục bộ của từ trường của Trái đ ất. Tuy nhiên, bản chất của bộ cảm biến từ tính này vẫn là cái gì đó bí ẩn và vấn đề đó đặc biệt sâu sắc vì từ trường thâm nhập toàn bộ cơ thể sinh vật. Chẳng hạn, làm thế nào góc của từ trường so với con chim lại được dịch thành thông tin thần kinh? Một nghiên cứu của Thorsten Ritz tại trường đại học California, Irvine, nhóm của Christine Timmel tại trường đại học Oxford và Elisabeth Rieper tại trường đại học quốc gia Singapore đã đưa ra một trường hợp đáng tin cậy, ít nhất là đối với chim cổ đỏ châu Âu, rằng vấn đề nằm ở chỗ một lớp protein tìm thấy trên võng mạc của chim. 5
Cơ chế đang nghiên cứu hiện nay yêu cầu sự quang hoạt hóa ở trên nền nhiệt của một dãy 2D protein sắp thẳng hàng, tạo ra các cặp ion căn bản bao gồm các trạng thái bộ đơn hai electron. Spin của những electron vướng víu này liên hệ với nhau, và trong sự có mặt của một từ trường đều, chúng sẽ tiến động đồng bộ, duy trì cấu hình bộ đơn. Tuy nhiên, nếu electron vọt ra vì lí do gì đó di chuyển đi quá xa, thì hai electron có thể chịu những môi trường từ tính khác nhau. Mặc dù cả hai electron đều là đối tượng với cùng một cùng một trường bao quanh của Trái đất, nhưng electron gắn chặt với ion trong protein cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi từ trường hạt nhân của ion, tạo ra sự phân tách siêu tinh tế. Sự khác biệt từ trường chịu bởi các electron vướng víu làm cho trạng thái bộ đơn dao động với một trạng thái bộ ba, với chu kì phụ thuộc một phần vào cường độ và định hướng của từ trường Trái đất so với dãy protein. Hệ khi đó có thể thôi kích thích thành các giai đoạn và bắt đầu một phản ứng trên thực tế tác dụng như một la bàn hóa học, vì tỉ lệ tương đối của các sản phẩm phản ứng có thể phụ thuộc vào tần số dao động bộ đơn-bộ ba. Vẫn còn đó những bất định đáng kể về cơ chế lẫn sự nhận dạng chính xác các phân t ử tham gia. Tuy vậy, bằng chứng chung nghiêng về một mô hình lượng tử thuộc một số loại xuất phát từ các thí nghiệm dẫn ra bởi Wolfgang và Roswitha Wiltschko thuộc trường đại học Frankfurt, họ đã nghiên cứu hành trạng của chim cổ đỏ trong sự có mặt của một từ trường nhỏ, đang dao động. Họ nhận thấy đối với những tần số gần 1,315 MHz, khả năng tìm đường đáng biểu dương của loài chim này bị tổn hại nghiêm trọng. Một lời giải thích khả dĩ của những thí nghiệm đó là từ trường nhiễu loạn tạo ra “cộng hưởng”gây ra các chuyển tiếp bộ đơn-bộ ba, từ đó phá vỡ la bàn hóa học. Làm thế nào tránh được sự phá vỡ kết hợp Mặc dù ít nhất thì một số trong những thí dụ này thoạt nhìn qua đã ủng hộ cho trường hợp cơ học lượng tử có vai trò trong sinh học, nhưng chúng đều phải đương đầu với một vấn đề cơ bản và nghiêm trọng. Các hiệu ứng như sự kết hợp, sự rối và sự chồng chất chỉ có thể duy trì nếu như hệ lượng tử tránh được sự phá vỡ kết hợp gây ra bởi các tương tác với môi trường của nó. Trong sự có mặt của tín hiệu nhiễu môi trường, mối quan hệ pha phức tạp đặc trưng cho các hiệu ứng lượng tử bị khuấy động, chuyển các trạng thái lượng tử thuần túy thành hỗn hợp và trên thực tế đánh dấu một chuyển tiếp từ hành trạng lượng tử sang cổ điển. Chỉ chừng nào ngăn không cho sự phá vỡ kết hợp xuất hiện thì các hiệu ứng lượng tử rõ ràng mới tồn tại được. Các khẳng định của sinh học lượng tử, do đó, đứng vững hay đổ ngã trên cỡ thời gian phá vỡ kết hợp chính xác. Nếu một hệ phá vỡ kết hợp quá nhanh, thì nó sẽ cổ điển hóa trước khi bất cứ mối quan tâm hóa sinh hay sinh học nào xảy ra. Trong những năm gần đây, đã có nhiều chú ý tới sự phá vỡ kết hợp, và giải pháp phòng tránh nó, bởi các nhà vật lí nghiên cứu trong lĩnh vực đang đâm chồi nảy mộc: điện toán lượng tử và khoa học thông tin lượng tử. Máy tính lượng tử là một phương thức xử lí thông tin hiệu quả hơn vật lí cổ điển cho phép bằng cách sử dụng các trạng thái lượng tử được phép để tiến hành các toán tử lôgic qua sự tiến triển kết hợp của sự chồng chất lượng tử. Sự phá vỡ kết hợp tương ứng với một nguồn sai số điện toán, cho nên các nhà vật lí đã và đang bận rộn thiết kế các môi trường trên lí thuyết không bị phá vỡ kết hợp, hoặc giảm bớt tác động của nó. Một thông số chủ chốt đó là nhiệt độ: nhiệt độ càng cao, thì sự phá vỡ kết hợp càng mạnh. Vì lí do này, đa số 6
những nỗ lực điện toán lượng tử sử dụng các môi trường nhiệt độ cực thấp, ví dụ như các chất siêu dẫn hay các bẫy nguyên tử lạnh. Thoạt nhìn, phần nội bào ấm áp và ẩm ướt của tế bào sống dường như là một môi trường rất không triển vọng cho sự phá vỡ kết hợp thấp. Các tính toán sơ bộ cho thấy thời gian phá vỡ kết hợp chưa tới 10–13 s đối với những quá trình hóa sinh ở nhiệt độ của máu. Tuy nhiên, có những nguyên do lí giải vì sao các hệ sinh học thực tế kém nhạy với sự phá vỡ kết hợp hơn các mô hình đơn giản luận tiên đoán. Một nguyên do là vì các cơ thể sinh vật là những hệ có điều khiển, mở, phi tuyến cao, hoạt động ngoài sự cân bằng nhiệt động. Cơ sở vật lí của những hệ như vậy không được hiểu rõ cho lắm và có thể che đậy những tính chất lượng tử kì lạ mà sự sống đã khám phá ra trước khi chúng ta có. Thật vậy, các tính toán phức tạp cho thấy các mô hình đơn giản thường đánh giá quá cao tốc độ phá vỡ kết hợp. Chẳng hạn, Jianming Cai Hans Briegel ở trường đại học Innsbruck và Sandu Popescu ở trường đại học Bristol vừa tìm thấy rằng một hệ lượng tử hai spin được điều khiển động ngoài trạng thái cân bằng có thể biểu hiện sự kết hợp tiếp diễn ngay cả khi bắt ghép vơi một môi trường nóng và nhiễu sẽ nhanh chóng phá vỡ kết hợp một hệ tĩnh. Một tính toán dựa trên cái gọi là mô hình spin-boson của Anthony Leggett tại trường đại học Illinois ở Urbana-Champaign còn đề xuất những thời gian phá vỡ kết hợp động kéo dài cho các phonon tần số thấp. Ngoài ra, không nhất thiết mọi mức tự do phải khuất phục sự phá vỡ kết hợp: các hiệu ứng sinh lượng tử quan trọng có thể chỉ yêu cầu một tập con nhỏ được bảo vệ thôi. Sinh học lượng tử chỉ có thể nếu như tránh được sự phá vỡ kết hợp, cái dường như không thể trong môi trường ấm áp của tế bào sống. Tuy nhiên, các kết quả điện toán lượng tử cho thấy các hệ sinh học có thể kém nhạy với sự phá vỡ kết hợp hơn các mô hình đơn giản tiên đoán. (Ảnh: Isaac Chuang/IBM Almaden Research Center/Science Photo Library) Nguồn gốc của sự sống Một thế kỉ rưỡi sau khi Charles Darwin xuất bản cuốn Về nguồn gốc các loài, nguồn gốc của bản thân sự sống vẫn còn là một bí ẩn ngoan cố, và hết sức khó hiểu. Cơ thể sống đơn giản nhất được biết là những phức hợp lạ lùng, và người ta không thể hình dung nổi là một thực thể như vậy sẽ phát sinh tự phát bởi sự tự lắp ráp tình cờ. Đa số các nhà nghiên cứu cho rằng sự sống 7
đã bắt đầu hoặc với một tập hợp phân tử tự sao chép, mang thông tin dạng số đơn giản hơn ADN nhiều lần, hoặc với một chu trình hóa học tự xúc tác không lưu trữ thông tin gen chính xác mà có khả năng tạo ra những lượng hỗn hợp hóa chất khác nữa. Cả hai cách tiếp cận này đều tập trung vào sự tái sản xuất các chất, điều đó chỉ là tự nhiên bởi vì, suy cho cùng, sự sống đã biết tái tạo bằng cách sao chép chất liệu gen. Tuy nhiên, những tính chất chủ yếu của sự sống – tái tạo với biến thể, và chọn lọc tự nhiên – không yêu cầu bản thân các cấu trúc vật chất phải được sao chép. Chỉ cần thông tin được sao chép là đủ. Điều này mở ra khả năng là sự sống có lẽ đã bắt đầu với một số dạng bộ sao chép lượng tử: gọi là Q-life, nếu bạn thích. Người ta biết rõ rằng những hàm sóng như vậy không thể khép kín, nhưng thông tin lượng tử gián đoạn, ví dụ như hướng spin hay sự chiếm giữ giếng năng lượng, có thể được sao chép. Lợi thế của sự sao chép đơn giản thông tin ở mức độ lượng tử, so với việc xây dựng các cấu trúc phức tạp tinh vi, là tốc độ nhanh. Một sự kiện sao chép có thể tiến triển trên một hóa chất hoặc cỡ thời gian chui hầm femto giây. Thời gian này so sánh được với 10 ms cần thiết để tái tạo một cặp base ADN. Vì thế, Q-life có thể phát triển nhanh hơn nhiều bậc độ lớn so với sự sống hóa chất. Ngoài ra, các thăng giáng lượng tử mang lại một cơ chế tự nhiên cho sự biến hình, còn sự chồng chất kết hợp cho phép Q-life tiến hóa nhanh chóng bằng cách khảo sát toàn bộ địa hình những khả năng thích nghi một cách đồng thời. Tất nhiên, môi trường Q-life giả thuyết này là chưa biết, nhưng bề mặt của một hạt bụi giữa các sao hay lõi bên trong của một sao chổi trong đám mây Oort mang lại những môi trường nhiệt độ thấp giàu thế vật lí và thế hóa học. Vậy Q-life sẽ tiến hóa thành sự sống hóa học quen thuộc như thế nào? Một kịch bản có khả năng là các phân tử hữu cơ bị Q-life trưng dụng để lưu trữ thông tin dự phòng cường tráng hơn. Một vật tương tự là máy vi tính. Bộ vi xử lí nhỏ và nhanh đến khó tin, nhưng tinh vi: tắt máy tính thì dữ liệu bị mất. Vì thế, các máy tính sử dụng đĩa cứng để sao lưu và lưu trữ thông tin số. Các ổ đĩa cứng thì tương đối lớn và cực kì chậm chạp, nhưng chúng tráng kiện và xác thực, và chúng vẫn giữ được thông tin của chúng dưới một ngưỡng rộng chấn động môi trường. Sự sống hữu cơ có thể đã bắt đầu dưới dạng “ổ đĩa cứng” chậm -nhưng-xác-thực của Q-life. Do tính linh hoạt và bền bỉ của nó, nên cuối cùng nó có thể đúng là “sống cuộc đời riêng của nó”, tách rời khỏi tổ tiên Q-life của nó và phân tán đến những môi trường kém chuyên biệt và hạn chế hơn – ví dụ như Trái đất. Hành tinh của chúng ta được bồi một cơn mưa không ngớt các hạt giữa các sao và bụi sao chổi, cho nên sự phân tán chẳng là vấn đề gì. Như là số mệnh của Q-life, thật tiếc là nó bị phá hủy hoàn toàn khi đi vào bầu khí quyển của Trái đất. Có bằng chứng tích góp và trêu ngươi rằng cơ học lượng tử giữ vai trò then chốt ở đâu đó trong sinh học. Cái hiện thiếu là bất kì một trường hợp rõ ràng nào cho một “nguyên lí sự sống lượng tử” khái quát có thể mang lại một khuôn khổ khái niệm mới trong đó những tính chất nổi trội của các hệ sống có thể được hiểu rõ, như Schrödinger và những người khác hi vọng. Tuy nhiên, cơ sở vật lí của các hệ lượng tử phức tạp nằm ngoài trạng thái cân bằng với những kết hợp phi tuyến vẫn còn trong giai đoạn trứng nước của nó, và chắc chắn còn có những bất ngờ mới. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu thuộc lĩnh vực khoa học thông tin lượng tử đang mải mê làm suy giảm sự phá vỡ kết hợp có thể tìm thấy trong nghiên cứu về các cỗ máy nano sinh học món quà bất ngờ. Paul Davies, nhà vật lí và nhà sinh vật học vũ trụ, và là giám đốc BEYOND: Trung tâm Các Khái niệm Cơ bản trong Khoa học tại trường Đại học Arizona, Mĩ. HiepKhachQuay dịch (theo Physics World, tháng 7/2009) 8