Sự manh nha của thời đại sinh học lượng tử

Sinh học lượng tử (quantum biology hay Q-biology) là thuật ngữ dùng để ám chỉ ngành sinh học được xây dựng trên cơ sở các phương trình và định lý của vật lý lượng tử (quantum physics). Hiện nay, chúng ta vẫn chưa có sinh học lượng tử, nhưng nhiều nhà vật lý và sinh học cho rằng sinh học lượng tử sẽ được công nhận và phát triển trong tương lai không xa. Tiêu biểu cho lớp tư tưởng này là Jim Al-Khalili (vật lý lý thuyết) và Johnjoe McFadden (di truyền học phân tử).

Để minh họa cho ý tưởng sinh học lượng tử, mình xin trình bày một số ví dụ điển hình.

Cơ chế hoạt động của khứu giác (olfaction):

Tại sao mũi của chúng ta lại có thể ngữi được hàng vạn mùi khác nhau, và tại sao chúng ta ngữi được những mùi lần đầu biết đến mặc dù ta không biết gọi tên mùi đó là gì? Hiện nay, có hai giả thuyết nhằm giải thích hiện tượng này, và cả hai đều còn đang tranh cải.

Thuyết thứ nhất tên là “lý thuyết bám hóa học chuẩn.” Theo thuyết này, mũi chúng ta có những thụ thể mà mỗi thụ thể bám lên một phân tử mùi nhất định. Sự bám này gởi các tín hiệu đến não nhằm có những xử lý cao hơn. Thuyết này thường hay được chọn để trình bày trong các sách sinh lý học.

Thuyết thứ hai tên là “lý thuyết dao động” mà theo đó mũi sử dụng các cơ chế lượng tử (hiệu ứng đường hầm lượng tử) để cảm nhận sự dao động của các phân tử mùi. Vùng khứu nảy những dòng electron nhỏ lên phân tử mùi để đo lường dao động mà dòng electron đó tạo ra. Trên PLOS ONE 01/2013 có đăng một bài báo của Luca Turin miêu tả thí nghiệm của ông nhằm ủng hộ thuyết này. Al-Khalili và McFadden cho rằng lời giải đáp nằm ở cấu trúc tinh thể của các thụ thể mùi. Tuy nhiên, việc thu được các cấu trúc tinh thể này là hết sức bất khả thi. Điều có thể lý giải về mặt lý thuyết là do hiện tượng lượng tử.

Loài Chim Định Hướng Nhờ Từ Trường:

Vào mỗi mùa thu, loài chim cổ đỏ châu Âu Erithacus rubecula di cư từ Thụy Điển đến Địa Trung Hải nhờ sự định hướng từ trường. Giác quan kỳ diệu này nhờ vào một hóa chất tên là cryptochrome. Cryptochrome được tìm thấy ở nhiều loài chim và côn trùng, và cả ở con giòi (maggots). Al-Khalili và McFadden cho rằng khả năng này dựa trên hiện tượng rối rắm lượng tử (quantum entanglement). Hiện có nhiều bằng chứng ủng hộ giả thuyết này.

Cơ Chế Hoạt Động Của Enzyme và Hiện Tượng Quan Hợp:

Al-Khalili và McFadden đã đưa ra những lời giải thích đầy thuyết phục dựa trên cơ học lượng tử cho các hoạt động này ở tế bào. Ở sinh học thực vật, rối rắm lượng tử đóng một vai trò quyết định. Tuy nhiên, hiện những giả thuyết này vẫn còn đang tranh cãi.

Gene:

Al-Khalili và McFadden cho rằng gen được viết bởi các chữ cái lượng tử bởi vì các hiệu ứng lượng tử ẩn mình đằng sau các liên kết hydro, là các liên kết tạo nên cấu trúc xoắn đôi của DNA.

Mặc dù các hiệu ứng lượng tử thấm đẫm vào các cấu trúc phân tử của sinh vật, chúng ta vẫn không thể dùng các phương trình lượng tử để miêu tả hết mọi thứ.

Hai nhà khoa học tin tưởng rằng sinh học lượng tử thực sự là một ngành học mới, và thời đại của sinh học lượng tử sẽ sớm bùng nổ.

Hình: Lỗ khí khổng trên bề mặt lá. Liệu rối rắm lượng tử đóng một vai trò nào đó trong sinh học thực vật hay không?

Huy Vũ

Tư liệu đọc thêm: Life on the Edge: The coming of age of quantum biology