Sự sống trên bờ ŕa:

Buổi b́nh minh của Sinh học Lượng tử


Trương Văn Tân

"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 t́nh" của động thực vật, lượng tử bàn về những vật cực nhỏ của cơi vô tri. Nếu có một điểm chung th́ có lẽ là chữ "kỳ". Sinh học th́ "kỳ diệu", lượng tử th́ "kỳ bí" thậm chí "kỳ quặc". Khi hai cái "kỳ" gặp nhau, liệu chúng có thể cho ta chiếc ch́a khóa để giải mă những bí ẩn của Mẹ Thiên nhiên? Trong ba thập niên qua, đă có những phát hiện cho thấy sự can dự của quy luật lượng tử trong các quy tŕnh 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 đă 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 tŕ sự sinh tồn và thích ứng với hoàn cảnh. "Sự sống" ở trên bờ ŕa giữa cái kỳ bí vi mô và cái b́nh thường vĩ mô. Nhưng cơ học lượng tử không phải toàn năng để có thể diễn giải mọi điều của sinh học. Thiên nhiên măi 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 đă trở thành hai cột trụ trong khoa học về sự sống (life sciences). Sinh học được thành h́nh 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 t́m 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 ư 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 lư người Đức, Max Planck, khám phá bản chất lượng tử của ánh sáng. Vào những năm kế tiếp, sự h́nh 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 lư bất định của Werner  Heisenberg. Hàm số sóng và nguyên lư bất định trở thành hai cột trụ làm nên cơ học lượng tử. Schrödinger cùng với Heisenberg, Einstein và các nhà vật lư khác ở đầu thế kỷ 20 trở thành các nhà khoa học tiên phong tạo lập nên bộ môn cơ học lượng tử (c̣n gọi là vật lư lượng tử). Từ một ḍng suối nhỏ ở đầu thế kỷ 20, ngày nay cơ học lượng tử trở thành một ḍng sông hùng vĩ đổ vào biển cả vật lư mênh mông. Khái niệm lượng tử ngày nay không c̣n là sân chơi của các nhà triết học, toán học hay vật lư lư thuyết mà đă có những ứng dụng vào cuộc sống đời thường. Con chip, bộ năo 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 lư 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 ḍng 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 lư 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 lư là hai ngành riêng biệt. Các nhà nghiên cứu sinh học và vật lư 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 t́m hiểu quy tŕnh của sự sống trong khi cơ học lượng tử t́m hiểu nguyên lư của sự vật cực nhỏ vô tri và diễn giải bằng các phương tŕnh toán học. Hóa học và cơ học lượng tử đă gắn bó với nhau và thành h́nh môn "Hóa học lượng tử" ngay từ khi thuyết lượng tử được khai sinh để lập ra những mô h́nh 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, th́ các phân tử sinh học là những ṭa lâu đài kỳ vĩ. Chính v́ sự phức tạp kỳ vĩ này đă làm cho việc tiếp cận giữa sinh học và cơ học lượng tử trở nên khó khăn.

Mặc dù cơ học lượng tử đă 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 v́ 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 "b́nh 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 năo con người?  

Câu trả lời cũng sẽ là lời giải đáp của câu hỏi "Sự sống là ǵ?". Một câu hỏi đơn giản nhưng hơn 2.000 ngàn năm qua nó đă làm cho người ta băn khoăn và nỗ lực t́m 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 th́ cái "vô tri" của tảng đá biến thành những biểu hiện của ư 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 đă dùng nguyên tố "vô tri" để tạo ra vật có sự sống. Thậm chí, nền công nghệ sinh học ngày nay đă 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 t́nh" có ư thức từ các nguyên tố "vô tri" như thiên nhiên đă làm từ thuở khai thiên lập địa.  

Hơn 2.000 năm trước nhà triết học và khoa học Hy Lạp Aristotle đă từng nhận định "linh hồn" như là một thực thể phân biệt giữa loài vật và vật vô tri. Linh hồn đă 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 th́ dù không có lời giải thích rơ ràng khái niệm siêu nhiên đă 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 tŕnh Carnot giải thích việc vận hành của máy hơi nước đă 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 lư 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 tŕnh di truyền kỳ bí trong sinh thực vật nên đă chuyển qua nghiên cứu sinh học trong phần c̣n lại của cuộc đời ông. Trong Thế chiến thứ 2, Đức quốc xă chiếm đóng Áo đất nước ông, nên ông cùng gia đ́nh tị nạn sang Ireland. Năm 1943, tại giảng đường của Đại học Trinity (Dublin, Ireland), Schrödinger giảng một loạt bài, không phải về vật lư mà về sinh học với tựa đề "Sự sống là ǵ?" (What is life?). Trong các bài giảng này, lần đầu tiên ông đưa ra những khái niệm về mă 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 ḿnh 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 đă thổi một luồng gió mới vào sinh học và tạo một chiếc cầu nối giữa hai bộ môn, trong mục đích dùng những nguyên lư vật lư để lư giải các quá tŕnh kỳ bí trong sinh học. Nếu xem các bài giảng "Sự sống là ǵ?" của Schrödinger tại đại học Trinity là cột mốc khởi đầu th́ sự giao lưu giữa vật lư và sinh học đă được 70 năm. Sự tiếp cận chỉ mang lại những bước tiến nhỏ nhưng trong ba thập niên gần đây th́ 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 ŕa: Sự trưởng thành của Sinh học Lượng tử) [2] của giáo sư Jim Al-Khalili, nhà vật lư lư thuyết, và giáo sư Johnjoe McFadden, giáo sư phân tử di truyền học, đă 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 tṛ của cơ học lượng tử trong sinh học. Liệu thuyết lượng tử có thể là một công cụ để giải mă những bí ẩn của các quy tŕnh sinh học và cho lời giải đáp đến câu hỏi của hai thiên niên kỷ, "Sự sống là ǵ?".

 

2. Bản chất của Cơ học Lượng tử

Cơ học Newton h́nh thành vào thế kỷ 17 bởi Issac Newton mô tả sự chuyển động của các vật thể vĩ mô như ḥn đá, khúc cây, chiếc xe, ṭa nhà, hành tinh. Một viên bi đứng yên th́ sẽ măi 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 th́ nó sẽ di chuyển măi măi với cùng vận tốc. Khi ta tác động một lực lên một vật thể th́ vật thể sẽ phản hồi bằng một tác lực tương đương ngược lại. Nguyên lư này đúng với các vật thể to lớn và bao trùm những nhận thức xảy ra hằng ngày. Những người yêu mến vơ thuật thích vung tay chém ngói th́ cũng có ngày găy tay!

Tuy nhiên, khi vật thể là những hạt cực nhỏ (vi hạt) như electron, photon, proton, neutron, nguyên tử, phân tử, nguyên lư của Newton không c̣n chính xác. "Cơ học lượng tử" ra đời vào đầu thế kỷ 20 như một phân ngành mới của vật lư 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 th́ một giờ sau nó sẽ chắc chắn ở điểm B cách A 100 km. Nhưng vi hạt th́ không hành xử như chiếc xe. Khi ta biết vận tốc chính xác của một vi hạt th́ ta không xác định được nó ở phương trời nào. Nhưng khi ta biết vị trí của nó th́ 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 lư 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. Thựctế 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 ṛi, mà phân tán trong một không gian gọi là vân đạo theo xác suất. Schrödinger đă 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" đă 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 th́ nó có thể hành xử như sóng đi xuyên qua bức tường, giống như ta bấm chiếc ch́a 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) (H́nh 1).

 

H́nh 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 nổi tiếng [4], người ta bắn tia laser vào một chùm tia nguyên tử calcium th́ sự phân ră 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 th́ tức thời photon B sẽ "cảm" được và điều chỉnh chiều quay của ḿnh 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 ǵ ở đầu này, th́ ở đầu kia người kia lập tức cảm nhận được, "chúng ḿnh 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 lăng 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 hăy xem ở phần kế tiếp những chứng cớ cho thấy hệ thống sinh học đă sử dụng cơ học lượng tử.

 

3.  Những hiện tượng sinh học từ góc nh́n 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 th́ 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 ḿ, 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.

Enzyme là phân tử protein, một chất xúc tác nguyên thủy từ khi có sự sống xuất hiện (H́nh 2). Hằng 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 đă 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 ǵ 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 th́ quả đất ngày nay vẫn c̣n 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 tŕ sự sống. Có thể nói không có enzyme th́ không có sự sống.

 

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

 

Động thực vật từ hoa lá, con vi khuẩn đến con người là một ḷ 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 măn 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 nh́n 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 đă 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, b́nh thản hoạt động ở những nơi lạnh nhất hay nóng nhất trong môi trường thiên nhiên. Enzyme chứa nhiều bí ẩn. Có hay không một trong những bí ẩn đó là hiệu ứng lượng tử?

Hăy xem tác dụng của enzyme lên collagen trong việc làm phân ră 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 măn để con người đi đứng hài ḥa, để làn da được căng mịn. Nhưng khi tuổi cao, cơ thể không c̣n sản xuất nhiều collagen khiến cho cơ bắp nhăo đi, xương trở nên gịn 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 lăo hoàn đồng" làm mờ hay triệt tiêu những dấu hằn chân chim ở khóe mắt, khóe môi và những ṿng cổ chảy xệ. Quư bà quư 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 v́ phân tử collagen rất lớn không thể nào đi xuyên qua biểu b́ 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 th́ 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 ră collagen . Nhưng sự bền dẻo của collagen cũng không phải bất trị. Nếu được nấu trong dung dịch acid hay kiềm th́ chúng cũng có thể tan ră. Không có ǵ đáng ngạc nhiên khi dịch vị là một dung dịch acid. Nhưng, làm sao có thể làm tan ră collagen trong môi trường quen thuộc như nước trong điều kiện sinh hoạt ở 25 °C và áp suất b́nh thường của không khí. Ta cần phải có enzyme để thực hiện việc này. 

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

Thật sự, trong quá tŕnh biến thành cóc, đuôi ṇng 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. Ṇng nọc không thể cho cái đuôi của ḿnh vào một dung dịch nóng acid hay kiềm để tiêu hủy cái đuôi. Khi ṇng 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 ră các sợi collagen của đuôi ṇng 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 h́nh thành cơ bắp chân và xương chân cho con cóc tương lai. Khi bốn chân đă vững vàng cho cóc hoạt động trên bộ th́ cái đuôi ṇng nọc cũng biến mất. 

Qua thí dụ enzyme và collagen, từ bao nhiêu tỷ năm đă trôi qua enzyme làm việc không ngừng để thu ngắn các quá tŕnh tiêu hủy chất và tạo chất cần thiết tạo nên sự sống. Như vậy, cơ chế ǵ đă 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 (H́nh 3). Nếu không vượt qua được, th́ khí vẫn là khí. Khi có một tia lửa, th́ 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 găy hai nối này để nối mới H-O-H nhanh chóng kết hợp tạo thành nước H2O.

 

 

H́nh 3: (H́nh 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). (H́nh 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 ră 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 ṇng nọc sẽ không bao giờ thu nhỏ v́ "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 tŕnh 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 th́ enzyme đă 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 lư thuyết và thực nghiệm.

Để t́m một lối giải thích khác, năm 1989 nhóm nghiên cứu của giáo sư Klinman (University of California, Berkeley) [5] 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 tŕnh và phản ứng sinh học. Sự thủy phân và tái tạo collagen cũng là những phản ứng sinh học. Nhóm Klinman đă 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 đă khám phá rằng nguyên tử H thay v́ phải trèo lên quả núi, nguyên tử này đă 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 (H́nh 3) [6-7].

Cơ chế chui hầm đă 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 đă đề cập ở phần trên, khi một viên bi thu nhỏ trở thành vi hạt th́ 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 th́ 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 th́ phản ứng sẽ chậm đi [8]. 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 năo 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 ḍng, vượt ghềnh thác t́m 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 ḍng nước đẩy trôi ra cách nơi sinh nở vài cây số. So với kích cỡ của cá con th́ 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 ḥa 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 pḥng. 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 t́m người bạn t́nh cách xa 10 km. Con chuột t́m 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 c̣n và duy tŕ ṇi giống. Đó là công cụ đi t́m mồi, t́m bạn t́nh và tránh xa dă thú nguy hiểm.

Sự tiến hóa của giống vượn người đi lom khom bốn chân đến loài người đi thẳng hai chân, có lẽ đă 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 t́m 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 c̣n đánh hơi được mùi hương quen thuộc của người bạn t́nh 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 ḷng, 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 năo 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 năo.

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 đă chế tạo các máy phân tích rất tinh vi như máy phổ hồng ngoại, máy phân tích phổ Raman, máy sắc kư (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 ǵ 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 mă 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 "ch́a khóa và lỗ khóa". Phân tử sẽ nhập vào những lỗ có h́nh dạng tương tự trên các sợi lông tế bào rồi đưa tín hiệu lên năo và năo sẽ diễn giải tín hiệu thành mùi. Nhưng cơ chế này bị lung lay. Mũi người có thể cảm nhận mươi 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 mươi, hàng trăm ngàn "lỗ khóa" có h́nh dạng khác nhau để thực hiện việc cho ch́a 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 h́nh 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 "ch́a và lỗ khóa" có một số thành công nhất định nhưng chưa phải là chiếc ch́a khóa giải mă sự bí ẩn của mùi một cách toàn diện.

Luca Turin, một nhà vật lư gốc Lebanon, nhận ra khiếm khuyết này. Năm 1996, ông phủ nhận cơ chế "ch́a và lỗ khóa" và dùng hiệu ứng "chui hầm lượng tử" của electron để giải thích hiện tượng mùi [9]. Như đề cập ở bên trên, electron có thể hành xử như sóng đi xuyên qua chướng ngại vật. Hăy 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 c̣n khoảng trống rất hẹp (vùng II trong H́nh 1). Electron hành xử như sóng thực hiện cuộc "chui hầm lượng 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 (H́nh 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 th́ electron nay là sóng sẽ "nhảy" (chui hầm) qua bức tường đối diện. Trong quá tŕnh nhảy, sóng electron chạm vào phân tử mùi làm nó dao động như chiếc ḷ 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 năo và bộ năo sẽ "ban" cho phân tử một mùi đặc trưng. Như vậy, nếu phân tử khác nhau nhưng dao động ở cùng tần số th́ 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 "ch́a và ống khóa".

 

H́nh 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 ḷ xo mang hai khối tṛn 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) [10].

Hiện tượng chui hầm lượng tử của electron đă được biết từ lâu trong vật lư và được mang ra ứng dụng để làm kính hiển vi quét đường hầm (scanning tunnelling microscope). Nhờ thiết bị này ta có thể "nh́n" được cấu trúc phân tử của vật chất. Người ta cũng chế tạo ra máy phân tích hóa học dựa trên nguyên lư 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 h́nh trong lĩnh vực khứu giác. Phát hiện của Turin cho thấy từ một thuở xa xăm Mẹ Thiên nhiên siêu phàm đă 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 c̣n 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 c̣n 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 tŕnh ṿng 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 đă 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 th́ 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 năo. 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 c̣n 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 [11].

Từ thập niên 70 của thế kỷ trước, đă 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 H́nh 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 mươi ngàn cây số mà không bao giờ lạc lối. Điều này hàm ư 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 lư. Phản ứng hóa học là một quá tŕnh bẻ găy 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. 

 

H́nh 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 rơ hơn, tôi xin lặp lại một số điều đă viết trong bài viết năm 2014 [12]. Vào năm 1976, Klaus Schulten một nhà vật lư lư thuyết trẻ người Đức lúc đó chưa tṛn 30, vừa tốt nghiệp tiến sĩ tại đại học Harvard (Mỹ). Ông đưa ra một lư thuyết và thực nghiệm chứng minh về sự cảm từ của một thí nghiệm hóa học trong từ trường rất yếu [13]. 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. V́ 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 (H́nh 6),

 

H́nh 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 th́ có lẽ đă vứt ư tưởng này vào sọt rác" (A less bold scientist might have designated this idea to the waste paper basket). Nhưng lời phê b́nh không làm ông chùn bước, ông gởi bài đến một tạp chí khác dễ thông cảm hơn và được chấp nhận [14].

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 th́ 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 th́ chỉ cần ánh sáng mặt trời. Trong cơ quan của loài vật, chỉ có đôi mắt là nơi ánh sáng có thể lọt vào. V́ vậy, ông tiếp tục dự đoán, vơng 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, vơng 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 lư lư thuyết ông mù tịt về sinh học, nên những phát ngôn của ông chỉ là suy diễn.

T́nh trạng này kéo dài đến 20 năm (1998) khi ông đă bước vào tuổi trung niên, th́ một ngày nắng tốt ông t́m 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 v́ 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!" (t́m ra rồi). Sau khi biết được thông tin qúy giá về cryptochrome, Schulten sau một thời gian vắng tiếng nhanh chóng quay trở lại với chim robin cùng hai người học tṛ xuất bản một bài báo cáo về vai tṛ của phân tử sinh học này trong việc định hướng của chim [15]. V́ 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 [15], 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 vơng 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 (H́nh 7) [16] và (3) cặp đôi electron có spin trong trạng thái (a) hay (b) (H́nh 6) có nồng độ nhiều ít khác nhau tùy vị trí ở trên vơng mạc. 

 

H́nh 7: Một nối phân tử (●-●) chứa hai electron (●). Khi ánh sáng tác động lên nối th́ tạo ra cặp đôi electron nhưng hai electron bị tách rời ra ở hai nơi khác nhau.  

Cặp đôi electron dù xa nhau ở hai phân tử khác nhau nhưng vẫn c̣n quyến luyến với nhau trong một hiệu ứng được lăng mạn gọi là "không bao giờ ngăn cách". Dùng từ khoa học mô tả th́ 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) (H́nh 6) dù có xa nhau.

Trong vơng mạc có cả hai trạng thái (a) và (b). Nồng độ của trạng thái (a) và (b) khác nhau tùy theo vùng trên vơng mạc. Vùng có đường hướng tâm song song với hướng từ trường (đường z1 trong H́nh 8) chứa nồng độ của trạng thái (a) nhiều nhất v́ spin ở vùng này đều đồng loạt hướng theo chiều từ trường. "Điểm đen" (cụm từ viết trong ngoặc kép v́ không biết có phải là màu đen như chim nhận thức hay không) trong H́nh 8 là nơi có nồng độ (a) cao nhất. Khi đường hướng tâm như đường z2 tạo một góc Ø với từ trường th́ do ảnh hưởng của từ trường nồng độ (a) giảm và nồng độ (b) tăng. Khi từ trường đổi hướng th́ "điểm đen" di chuyển theo đường viền vơng 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 tŕ trạng thái (a) và (b). Nếu hai electron nửa đường đứt gánh th́ vướng víu lượng tử sụp đổ. Trạng thái (a) và (b) hỗn loạn, kết quả là chim bay lạc lối. 

H́nh 8:  Nhăn cầu của chim và từ trường B. Spin của electron đều hướng vào tâm O của nhăn cầu và tạo góc Ø với hướng từ trường B. Khi góc Ø = 0° (đường z1), các electron spin ở vùng vơng 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 Ø với từ trường, tại điểm cắt với vơng mạc trạng thái (a) giảm và trạng thái (b) tăng. (Mô phỏng theo H́nh 5 trong [15])

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 đă t́m 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 c̣n được tiếp tục nghiên cứu. Ngày nay, nhóm Schulten tập trung khảo sát phân tử cryptochrome, tiếp tục cuộc hành tŕnh t́m 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 [11]. 

3.4 Quang hợp

Richard Feynman (Nobel Vật lư, 1965), một thiên tài vật lư của thế kỷ 20, khi nh́n vào một thân cây ông có một ư 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 nh́n cây, ngỡ rằng chất liệu của cây đi từ ḷng 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 ư tưởng khái quát của một nhà vật lư về quang hợp.

Quả đất sẽ không c̣n 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 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 tŕnh 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 h́nh hài. Động vật ăn thực vật, hay ăn cả động vật để duy tŕ ḍng chảy nguyên tố carbon và cũng là nguồn cội bao trùm mọi sinh linh trên quả đất. Tôi đă đề cập đề tài này trong một bài viết năm 2014 [12].

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 b́nh 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 th́ 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 lư tưởng 100% là bởi những giới hạn từ bản chất vật liệu sử dụng và những quy luật vật lư kiềm chế cơ chế chuyển hoán. Pin mặt trời dùng silicon hiện rất phổ cập trên thị trường, nhưng chỉ có hiệu suất lư 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 tŕnh 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 b́nh thường, đám rong rêu đầm lầy, vi khuẩn các loài không ngờ lại là những bộ máy chuyển hoán năng lượng vô cùng lư tưởng. Chính v́ con số lư tưởng này mà trong một thập niên qua quang hợp trở nên những đề án nghiên cứu hấp dẫn cho các nhà vật lư. Nhưng sự kỳ diệu của quang hợp không dừng ở con số 99%. Quang hợp c̣n có đặc tính lượng tử. Chúng ta hăy t́m hiểu ở phần kế tiếp.

Năm 2007, Flemming và các cộng sự (Đại học Califonia, Berkeley) đă làm một thí nghiệm [17] trên vi khuẩn lưu huỳnh xanh (green sulfur bacterial). Vi khuẩn này t́m 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 th́ phận sự của chúng là phải t́m đến các trung tâm phản ứng để phản ứng quang hợp (công thức bên trên) xảy ra. Hạt nắng th́ 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 t́m kiếm trung tâm phản ứng đối với hạt nắng như một chàng lăng tử say rượu ngông nghênh đi t́m 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 ḷng ṿng trong cái mê cung khổng lồ của vi khuẩn, ngơ ngác t́m 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 đă đi vào vi khuẩn, gần như tức thời t́m 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, th́ quả nhiên đây là một đại nghịch lư. Tuy nhiên, trong tư duy "lưỡng tính" của cơ học lượng tử "hạt cũng là sóng và sóng cũng là hạt" th́ hạt nắng không c̣n 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 ḿnh 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 đă biến thành sóng? Chúng ta cần chứng cứ thực nghiệm, v́ một ngàn lời dự đoán không bằng một lần "thực mục sở thị". Greg Engel, cậu học tṛ của giáo sư Flemming, sau nhiều đêm thức trắng làm thí nghiệm đă nh́n thấy tín hiệu của hạt nắng trong vi khuẩn đă 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 tŕnh 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 H́nh 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 đă tiếp tay sóng nắng t́m trung tâm phản ứng trong một sát na cũng như máy tính lượng tử rà soát những giải đáp khả dĩ và t́m 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 ḷng biển sâu biết làm thuật toán lượng tử để sống c̣n 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 th́ hời hợt cho rằng các ông nhà báo lại "phịa chuyện" nên cùng nhau vỗ bàn cười ra nước mắt. Cười th́ vẫn cười nhưng các chuyên gia lượng tử trong tinh thần cầu thị đă đề cử Lloyd t́m hiểu thực hư. Sau một thời gian, Lloyd cùng các đồng nghiệp ngỡ ngàng trước kết quả của nhóm Flemming v́ 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 ṿng 5 năm kể từ bài báo của nhóm Flemming (2007), các nhóm nghiên cứu khác tiếp tục t́m ra nhiều kết quả tương tự cho rong rêu và lá rau spinach. Không c̣n ǵ để ngờ vực, Lloyd với tư cách là một nhà vi tính lượng tử tích cực nhập cuộc t́m hiểu quang hợp từ góc nh́n của vật lư. Thí nghiệm của nhóm Flemming thực hiện ở nhiệt độ rất thấp (-196 °C) để duy tŕ "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 b́nh thường (20 – 30 °C) [18-19]. 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 lư 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. V́ 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 tṛ Greg Engel là tín hiệu "kết hợp lượng tử" đă giúp sóng nắng t́m 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 tŕ. Dù trong tế bào rất ồn ào, nhộn nhịp, nhưng kết hợp lượng tử không bị đánh sụp gợi lên sự ṭ ṃ của các chuyên gia vi tính lượng tử v́ đó là một nghịch lư 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 ǵ ảnh hưởng mà c̣n gia tăng sự bền bỉ cho kết hợp lượng tử để hạt/sóng nắng có đủ thời gian t́m ra trung tâm phản ứng [20].

Tương tự, Lloyd và cộng sự cũng tính toán độ ảnh hưởng của sự ồn ào và dao động đến quy tŕnh 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 t́m 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 đă "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 ḥa nhập tối đa với điều kiện sống của môi trường xung quanh [21]. Thật kỳ diệu. Trong khi máy tính lượng tử nhân tạo bị đặt trong "lănh cung" tối  tăm, lạnh lẽo, cô lập với thế giới bên ngoài th́ 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? Nh́n 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 t́m hiểu cơ chế quang hợp qua những mô h́nh 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 "lănh cung" tối tăm, lạnh lẽo. Các chuyên gia pin mặt trời cũng t́m 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 đă xuất hiện. Được biết cơ quan NASA, công ty Martin Lockheed và Google đă chi 15 triệu đô-la cho một cỗ máy tính lượng tử của hăng D-Way (Canada) có tốc độ xử lư 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, băi rong rêu vô tư dao động theo làn gió trên cái ao nhà, đám lục b́nh vật vờ trôi theo ḍng nước và những con vi khuẩn tranh thủ sống dưới ḷng biển sâu, có vô số "máy tính" tí hon đang ngày đêm làm con toán lượng tử nhanh hơn con người để duy tŕ sự sống trên một hành tinh xanh.

4.       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, th́ 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 đă có lời giải đáp thỏa đáng trên lư 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 đă đi vào cuộc sống. Cơ học lượng tử rất thật, rất b́nh 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 đă 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 lư 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 ư hoàn thành một công việc nhất định. Không như các vật chất vô tri như ḥn đá, việc thành h́nh của các thực thể động thực vật là phương pháp có trật tự "từ dưới lên". Nh́n 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 h́nh thành các bộ phận sinh học (tim, phổi, ruột, mắt, mũi, tai, năo …) 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 ḥa, 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 lăo bệnh tử" cũng đi từ các vi hạt, nguyên tử và phân tử. Chúng sống th́ ta sống, chúng chết th́ ta chết. V́ 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. Những phân tử nước nhảy múa loạn xạ làm gia giảm áp suất trong xy-lanh, piston di động tới lui 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 đă xác nhận những ǵ mà Schrödinger đă tiên đoán từ 70 năm trước. Đó là 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 b́nh 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 t́m 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 gă đàn ông đứng bên cạnh nếu gă không dở tṛ 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. V́ vậy, vật thể to phải hành xử theo một quy luật vật lư khác. Đó là nhiệt động học và cơ học Newton.

Nguyên lư của cơ học Newton đă được đề cập ở trên. Nhiệt động học tổng kết những nguyên lư cơ bản về cân bằng năng lượng, chuyển hoán năng lượng, năng lượng của phản ứng hóa học và đặt ra nền tảng lư thuyết cho đầu máy hơi nước. Nhiệt động học là một bộ môn "b́nh 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 th́ 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 th́ phân tử càng hỗn loạn làm gia tăng áp suất trong bong bóng. Khi hạ nhiệt th́ 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 H́nh 9, một thực thể vật lư 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 ṭa nhà, cỗ đại bác, tảng đá, quả táo nằm ở Tầng 1. Newton từng nh́n quả táo rơi do sức hút quả đất. Một lực tác động vào một ṭa nhà như khi bị động đất th́ ṭa nhà sụp đổ, hoặc một động lực tạo bởi thuốc nổ th́ cỗ đại bác bắn đạn đi xa. Những điều mà định luật Newton đă 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 lư 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.

 

H́nh 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 H́nh 10.1, LOTE trang 297)

 

Hệ thống sinh học là một thực thể có sự kết hợp hài ḥa 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". Hăy nh́n xem động vật như một thí dụ, tạo hóa đă 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 đă 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. Hăy 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 băo 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 ḍng xoáy mănh 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 ră 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 ḥa 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, th́ trật tự được văn 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 đ̣i hỏi. Tầng 3 v́ 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 h́nh hài có sự sống mà ta có thể nh́n thấy ở Tầng 1.

Sự sống quả thật trên bờ ŕa giữa cái "kỳ bí" của trật tự lượng tử (Tầng 3) và cái gọi là "b́nh 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 tŕnh 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 ư thức của con người dưới cái nh́n lượng tử. Những nỗ lực của các khoa học gia đă 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 lư 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 t́m 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 đă 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 đă kéo dài 30 năm, từ gay gắt đến ôn ḥa [22].  Những người trong phe phi lượng tử dùng những lư 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) [23] 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 t́m một lư thuyết mới trong khi những lư 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 ǵ đến việc chui hầm" (Tunnelling is a fact of life, but life has no special effect on tunnelling). Trường phái trung dung th́ ôn tồn bảo: vâng, việc chui hầm lượng tử có đấy nhưng có hay không có enzyme th́ nó vẫn xảy ra [24]. 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 lư luận và dữ liệu thực nghiệm của Turin chưa đủ thuyết phục. Để phá tan sự nghi ngờ của phe phản biện c̣n lưu luyến khôn nguôi với lư thuyết h́nh dạng, Turin và cộng sự đă công phu thiết kế và tiến hành một thực nghiệm quan trọng [25]. 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, h́nh 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 đă cho thấy sự dao động, không phải h́nh 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 th́ nó phát ra mùi sáp đèn cầy. Những dữ liệu thực nghiệm càng lúc càng chứng tỏ loài vật có mũi lượng tử. Lư thuyết Turin trên đà thắng thế.

Trong khi nghiên cứu về enzyme và khứu giác có sự phân chia rơ rệt giữa hai phe lượng tử và phi lượng tử, th́ các nhà khoa học chuyên về khả năng định hướng của động vật lại bổ sung cho nhau v́ 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 [11]. 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 đă tồn tại từ năm 1978. Từ một lư 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 tṛ Greg Engel nh́n thấy tín hiệu bước đi lượng tử của hạt/sóng nắng đi t́m trung tâm phản ứng quang hợp trong phân tử lục tố xuất hiện trên màn h́nh của máy ḍ, cậu đă đánh dấu một mốc ngoặt vô cùng quan trọng trong sinh học. Những tín hiệu ẩn tàng đó đă có sẵn từ một thuở xa xăm mà bây giờ con người mới đột nhiên t́m thấy, không những được phát đi từ con vi khuẩn, mà c̣n từ lá cây và đám rong rêu đầm lầy măi măi đong đưa trong muôn ngàn hạt nắng. Không c̣n nghi ngờ ǵ nữa, những chuyên gia đầu ngành của vi tính lượng tử và pin mặt trời ùa vào nhập cuộc. Họ muốn t́m hiểu tại sao những sinh thực vật b́nh 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 hoán gần 100% năng lượng mặt trời thành hóa năng để tồn tại. Einstein cho đến cuối đời không tin vào thuyết lượng tử, đă từng cảm khái thốt lên, "Thượng đế không chơi tṛ xí ngầu". Nhưng các loài sinh thực vật nhỏ bé kia chứng tỏ ông sai, v́ chúng chơi tṛ xí ngầu đă lâu lắm rồi, càng lúc càng giỏi trong 4 tỷ năm tiến hóa.

Tác giả Al-Khalili và McFadden đă dành ra một chương nói về "Tinh thần" (Mind) bàn về những cơ chế về "Ư thức" (Consciousness) trong bộ năo con người. Với 100 tỷ neuron (tế bào năo) bộ năo 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 ḍng điện năo 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 ḍng tư tưởng trôi nổi theo đời người, những kư 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 tŕnh sinh học trong bộ năo. Từ những năm 80 của thế kỷ trước, một nhà vật lư lư thuyết đă cho rằng ư 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 năo 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 t́nh huống mà hiệu ứng lượng tử có thể xuất hiện. Nhưng sự tương quan giữa "Ư thức" và lượng tử rất mờ nhạt gần như không hiện hữu. Có hay không cuộc hôn phối giữa "Ư thức" và lượng tử? Al-Khalili và McFadden có chăng quá chủ quan khi ép uổng "Ư 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 năo con người cũng như sự thành h́nh của ư thức. Chúng ta vẫn chưa hiểu rơ bộ năo đă 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 ư thức. Sự hiểu biết của con người đứng khựng trước cái cổng bí ẩn của bộ năo vĩ đại. Mà khi ta chỉ biết mơ màng về một sự việc th́ 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 ṣng phẳng lành mạnh trong việc truy t́m chân lư. Mọi người đều b́nh đẳng trước mọi dữ liệu khoa học chân chính. Từ một cái nh́n bao quát về những thành tựu sinh học trong nửa thế kỷ qua, dù có những ư kiến dị biệt ta có thể nhận định rằng sự can dự lượng tử vào các quy tŕnh 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 song hành trong hài ḥa. 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 đă được đề cập, đứng ở trên bờ ŕa giữa sự "kỳ bí" ở mức vi mô và cái "b́nh 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 c̣n 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 cơi vi mô, sự sống cũng trên bờ ŕa giữa kỳ bí lượng tử và b́nh 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 ư 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 t́m hiểu nguốc gốc của ư thức, có lẽ trước hết ta phải hiểu cấu trúc của năo bộ con người và cơ chế hoạt động của mạng neuron. Những điều mà cho đến nay vẫn c̣n mờ mịt mông lung v́ chúng quá phức tạp để hiểu rơ bằng các quy luật vật lư kể cả thuyết lượng tử. Ư thức hay nói một cách tâm linh hơn là "linh hồn", nơi gặp nhau giữa thần học, triết học và khoa học. Từ thời xa xưa, người ta tin ư 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 t́nh, ta sẽ đẩy khoa học đến bờ vực của "ngụy khoa học".

Ư 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 mă sự kỳ diệu đó. Nhưng, sự hiểu biết con người th́ 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 ǵ?" chỉ đếm được trên đầu ngón tay mà những quy tŕnh 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, th́ 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 ǵ?". Không phải v́ sự bất lực của khoa học mà bởi v́ 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. Hăy 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 ră đuôi ṇng 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 đă 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 t́m 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 đă 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 vơng mạc của mắt. Tín hiệu vơng mạc cần được đưa lên năo qua giây thần kinh để năo 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 năo, nhưng người ta vẫn chưa biết năo xử lư 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 năo.

Sự hiểu biết của con người về sinh học v́ 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 b́nh minh của sinh học lượng tử". Nếu có ai bảo "Ta đă làm chủ được thiên nhiên" th́ đó chỉ là biểu hiện sự vô minh của con người. Loài người c̣n quăng đường rất dài, dài lắm để t́m 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 tŕ giải mă bao điều kỳ diệu của thiên nhiên. Vài ngàn năm sau, nếu con người c̣n 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 nh́n lại những trải nghiệm của ḿnh Isaac Newton đă cảm nhận sâu sắc,

"Tôi không biết tôi được nh́n 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 ṣ lóng lánh hơn b́nh thường, trong khi một đại dương bao la của chân lư đang trải dài trước mắt tôi, chưa bao giờ được khám phá".

Thiên nhiên măi măi là một bí ẩn.

 

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 đă lập ra mô h́nh xoắn đôi của phân tử di truyền DNA xác định được các mă di truyền trong DNA và mở ra một thời đại mới về sinh học và di truyền học. Watson, Crick và Wilkin đă đoạt giải Nobel (1962) cho công tŕnh 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 lư người Pháp, Louis de Broglie, đă 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,

       l= h/mv = h/(2mE)1/2

l 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 l = 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 l của trái bóng golf là 4,9 x 10-34 m. Đây là con số cực kỳ nhỏ và vô nghĩa.

4.    A. Aspect, P. Grangier and G. Roger, Phys. Rev. Lett., 47 (1981) 460 & 49 (1982) 91.

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

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

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

8.    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 kư 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,

l = 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, 

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

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

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

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

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

       12.     http://erct.com/2-ThoVan/TruongVTan/Nhung-baihoc-tu-thiennhien.htm

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

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

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

16.     Di chuyển từ một phân tử này đến phân tử kia trong mắt chim nghe rất gần nhưng đối với electron th́ 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 th́ khoảng cách đó sẽ là 200 km.

17.     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.

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

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

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

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

22.     P. Ball, Nature, 431 (2004) 396. 

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

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

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

 

© "Khi phát hành lại bài này cần phải có sự đồng ư của tác giả 
và ghi rơ nguồn lấy từ www.erct.com"