Vật lý mới ẩn giấu bên trong sự sống (Phần 2)

Nằm ngoài sự tác động của con người nhưng quá trình tiến hóa sinh học trong tự nhiên lại tuân theo những quy luật riêng biệt. Nhiệm vụ của nhiều ngành khoa học là khám phá các bí ẩn đó.

Bức tranh miêu tả sự tiến hóa sinh học trong cuốn “Kunstformen der Natur” xuất bản năm 1904 của nhà sinh vật học người Đức Ernst Haeckel (1834–1919). Nguồn: Public Domain. Narcomedusae

Một khái niệm mới về các hệ động lực

Kể từ thời của Isaac Newton, thuyết nhị nguyên cơ bản đã phổ biến. Mặc dù các trạng thái vật lý phát triển theo thời gian, các định luật vật lý cơ bản thường được coi là bất biến. Giả thiết này là cơ sở của động lực học Hamilton, tính khả tích của quỹ đạo hay tính “ergodicity”. Nhưng các định luật bất biến lại không phù hợp với các hệ sinh học trong đó các cấu trúc động lực học của thông tin phụ thuộc vào các mạng lưới hóa học biến đổi thời gian. Và khi thông tin xuất hiện – ví dụ như khi bật các gene – cơ chế của nó lại có thể phụ thuộc vào các lực vật lý mang tính hệ thống cũng như các tín hiệu hóa học mang tính cục bộ.

Quá trình tiến hóa sinh học với sự đa dạng, mới lạ không có điểm dừng, cũng như không thể dự đoán thì trái ngược hoàn toàn với cách thay đổi theo thời gian của những hệ thống ngoài sự sống. Tuy nhiên, sinh học không phải là hỗn loạn và vẫn có quy luật, lấy ví dụ như mã di truyền phổ quát ở đó bộ ba nucleotide CGT là các mã cho axit amin arginine. Không có trường hợp ngoại lệ nào khác với quy luật đó,  nhưng sẽ là sai lầm nếu coi nó như một quy luật tự nhiên giống như định luật hấp dẫn. Gần như chắc chắn là sự phân công từ CGT tới arginine đã từ hàng triệu năm trước, tiến hóa từ một số quy tắc sớm hơn và đơn giản hơn. Sinh học có rất nhiều những ví dụ như thế.

Có thể mô tả thực tế hơn về sự thay đổi trong hệ thống sinh học là sự thay đổi của các quy tắc động lực học theo trạng thái của hệ thống. học thuyết. Các cơ chế động lực phụ thuộc trạng thái mở ra một thế giới mới về hành vi nhưng nó còn xa lạ với các lý thuyết toán học chính thống. Ví dụ hãy xem xét trò đánh cờ. Trong cờ vua, tiêu chuẩn hệ thống là đóng và có các quy tắc cố định. Từ trạng thái ban đầu, người chơi có thể tự do di chuyển đến một tập hợp các trạng thái khác, mặc dù rất lớn nhưng bị các quy tắc bất biến ràng buộc. Và tập hợp các trạng thái khả dĩ này chỉ là một tập con của tất cả các cấu hình có thể có của các quân cờ trên bàn cờ. Mặc dù có thể có một số lượng lớn các trạng thái có thể xảy ra nhưng thực tế là số lượng các trạng thái không thể có còn lớn hơn nữa. Một ví dụ trạng thái không thể xảy ra là khi tất cả các con mã đứng ở các ô vuông cùng màu trên bàn cờ.

Bây giờ hãy tưởng tượng trò chơi cờ vua sửa đổi theo đó các quy tắc phụ thuộc vào trạng thái tổng thể của bàn cờ – một tiêu chí mang tính hệ thống hoặc “từ trên xuống”. Ví dụ đơn giản như nếu bên trắng thắng một quân, thì bên đen có thể được phép di chuyển các con tốt cả về phía sau cũng như về phía trước. Trong phiên bản mở rộng này, chúng ta có một hệ thống mở và các trạng thái mới sẽ phát sinh, đơn giản là không thể sử dụng các quy tắc cố định của cờ vua ban đầu nữa. Trò chơi tưởng tượng này giúp chúng ta hình dung trong sinh học, các sinh vật cũng là những hệ thống mở, có thể thực hiện những điều khác biệt, không thể có bởi các hệ thống phi sự sống.

Để tìm hiểu hệ quả của các hệ động lực phụ thuộc vào trạng thái với thông thu nhận từ trên xuống, nhóm nghiên cứu tại Đại học Bang Arizona đã sử dụng mô hình tế bào automat (cellular automaton  – CA) một chiều. Một CA tiêu chuẩn là một chuỗi các ô vuông có thể trống hoặc được tô đen. Chúng ta xác định một quy tắc cố định để cập nhật trạng thái của mỗi ô theo trạng thái hiện có và trạng thái của các ô lân cận gần nhất. Hệ thống có 256 quy tắc cập nhật có thể có. 

Để chơi trò chơi CA người ta chọn một trạng thái (cấu hình) ban đầu biểu diễn dưới dạng một chuỗi các bit, 0 hoặc 1 — sau đó áp dụng quy tắc cập nhật lặp đi lặp lại để cho hệ thống tiến hóa. Một số quy tắc cập nhật dẫn đến kết quả buồn tẻ nhưng một số ít tạo ra các mô hình ngày càng phức tạp. Tiếp theo các nhà nghiên cứu đã kết nối hai trò CA tiêu chuẩn, một đại diện cho sinh vật và một CA khác đại diện cho môi trường.

Sau đó, họ cho phép quy tắc cập nhật cho sinh vật thay đổi ở mỗi lần lặp lại. Để xác định quy tắc nào trong số 256 quy tắc cần áp dụng ở một bước nhất định họ đã nhóm các ô CA của sinh vật thành các bộ ba liền kề — 000, 010, 110, v.v. — và so sánh tần số tương đối của mỗi bộ ba so với trong CA môi trường. Cách tiếp cận này khiến cho quy tắc cập nhật phụ thuộc vào cả trạng thái của sinh vật, làm cho nó tự quy chiếu, và trạng thái của môi trường, tạo nên một hệ thống mở.

Adams và Walker đã chạy hàng nghìn mô phỏng trên máy tính để tìm kiếm các mẫu thú vị. Họ muốn tìm ra những quá trình tiến hóa có tính không kết thúc (sinh vật không sớm quay trở lại trạng thái ban đầu) và tính đổi mới. Sự đổi mới được hiểu là trạng thái của CA sinh vật nhận được có thể không thể xảy ra nếu áp dụng bất kỳ quy tắc nào trong số 256 quy tắc cố định từ bất kỳ trạng thái bắt đầu nào. Nó tương tự như có cả bốn con mã đứng ở các ô vuông cùng màu trên bàn cờ. Những sự tiến hóa mở và sáng tạo thường hiếm khi xảy ra, nhưng đã xuất hiện, dù mất rất nhiều thời gian tính toán. Và Adams và Walker đã khám phá ra rằng các hệ động lực học phụ thuộc trạng thái có thể dẫn đến sự phức hợp và đa dạng dù chỉ sử dụng các mô hình đơn giản. Kết quả này cho thấy chỉ xử lý các bit thông tin là không đủ, mà cần thay đổi các quy tắc xử lý thông tin mới có thể mô phỏng đầy đủ được sự phong phú của sinh học.

Sự sống trong cách nhìn lượng tử

Nếu cần có những lý thuyết vật lý mới cho sinh học, chẳng hạn như các quy tắc động lực học phụ thuộc vào trạng thái, thì lý thuyết sẽ áp dụng ở đâu giữa các phân tử và tế bào sự sống? Các mô hình CA có thể có tính gợi ý nhưng chúng là giả định và không thực; chúng không cho chúng ta biết cách làm sau tìm kiếm và đo lường được các hiện tượng mới. Tuy nhiên Vật lý đã có một ví dụ quen thuộc về động lực học phụ thuộc vào trạng thái, đó là cơ học lượng tử.

Xét một hệ cô lập, một trạng thái lượng tử thuần túy được mô tả bởi một hàm sóng kết hợp và chúng tiến hóa theo cách có thể dự đoán được, theo toán học là tiến hóa đơn nhất. Nhưng khi chúng ta thực hiện một phép đo, trạng thái thay đổi đột ngột và một hiện tượng xảy ra thường được gọi là sự sụp đổ của hàm sóng. Trong một phép đo lý tưởng, hệ sẽ rơi vào một trạng thái riêng tương ứng của đại lượng đang được đo lường. Khi đó quy tắc tiến hóa đơn nhất được thay thế bằng quy tắc Born, cho phép dự đoán xác suất tương đối của các kết quả đo. Và cơ học lượng tử bao hàm sự không xác định hoặc không chắc chắn. Điều đó đánh dấu sự chuyển đổi từ lượng tử sang cổ điển. Liệu cơ học lượng tử có thể chỉ cho chúng ta điều gì giúp giải thích sự sống không?

Trong các bài giảng Dublin nổi tiếng, Schrödinger đã dùng cơ học lượng tử để giải thích tính ổn định của việc lưu trữ thông tin di truyền. Trước khi Crick và Watson làm sáng tỏ cấu trúc của DNA, Schrödinger đã suy luận rằng thông tin phải được lưu trữ ở cấp độ phân tử trong cái mà ông gọi là “tinh thể không tuần hoàn”, một mô tả dễ hiểu về loại polyme axit nucleic. Tuy nhiên khả năng các hiện tượng lượng tử có thể đóng một vai trò phổ biến trong các cơ thể sống thì vẫn còn bỏ ngỏ.

Trong những thập kỷ tiếp theo một giả định chung cho rằng trong môi trường ấm áp, ồn ào của sự sống thì các hiệu ứng lượng tử sẽ giảm đi và cách tiếp cận “quả bóng và keo dính” của hóa cổ điển đủ để giải thích sự sống. Tuy nhiên, trong khoảng một thập kỷ trở lại đây, người ta bắt đầu quan tâm đến khả năng rằng các hiện tượng lượng tử có thể có vai trò quan trọng trong sự sống chẳng hạn như hiện tượng chồng chất, sự liên kết và hiệu ứng đường hầm. Mặc dù vẫn còn nhiều hoài nghi nhưng lĩnh vực mới của sinh học lượng tử hiện đang được nghiên cứu mạnh mẽ. Các nghiên cứu tập trung vào các chủ đề đa dạng như vận chuyển năng lượng kết hợp trong quang hợp, la bàn từ trường của chim và phản ứng khứu giác của ruồi.

Việc khảo sát các đặc tính lượng tử của vật chất sống trên quy mô nano đưa ra những thách thức đáng kể. Các hệ thống quan trọng đối với hoạt động của sự sống có thể chỉ bao gồm ít bậc tự do, khác xa với trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, và còn liên kết chặt chẽ với môi trường nhiệt của chúng. Nhưng chính ở đây, trong lĩnh vực cơ học thống kê lượng tử không cân bằng chúng ta có thể kỳ vọng sự xuất hiện của vật lý mới.

Một số thí nghiệm liên quan là phép đo độ dẫn điện tử qua các phân tử hữu cơ. Gần đây, Gábor Vattay và các đồng nghiệp đã tuyên bố rằng nhiều phân tử quan trọng về mặt sinh học, chẳng hạn như sucrose và vitamin D3, có đặc tính dẫn điện tử độc đáo liên quan đến điểm chuyển tiếp quan trọng giữa chất cách điện và chất dẫn kim loại vô định hình. Vattay và các đồng nghiệp đã viết, “Những phát hiện chỉ ra sự tồn tại của một cơ chế vận chuyển điện tích phổ biến trong vật chất sống”. Trong khi những phát hiện của họ không cho thấy sự liên quan trực tiếp của tính lượng tử trong việc giải thích sự sống, họ đã gợi ý rằng lĩnh vực các phân tử lớn, nơi được điều chỉnh lượng tử, là nơi người ta có thể phát hiện ra sự xuất hiện của vật lý mới mà Schrödinger và những người cùng thời với ông đã nghi ngờ.

Sự va chạm của các ý tưởng

Nhà vật lý lý thuyết John Archibald Wheeler từng nói rằng tiến bộ lớn trong khoa học bắt nguồn từ sự xung đột của các ý tưởng hơn là từ sự tích lũy ổn định của các sự kiện. Lý sinh nằm ở giao điểm của hai lĩnh vực khoa học lớn: khoa học vật lý và khoa học đời sống. Mỗi lĩnh vực đi kèm với từ vựng riêng và những khung khái niệm đặc biệt của riêng nó. Lĩnh vực trước bắt nguồn từ các khái niệm cơ học, lĩnh vực sau là các khái niệm thông tin. Cuộc đụng độ sau đó đặt ra một biên giới mới của khoa học trong đó thông tin, hiện được hiểu chính thức như một đại lượng vật lý – hay đúng hơn là một tập hợp các đại lượng – chiếm một vai trò trung tâm và do đó là cơ sở cho việc thống nhất vật lý và sinh học.

Những tiến bộ to lớn trong sinh học phân tử trong vài thập kỷ qua có thể phần lớn là do việc áp dụng các khái niệm cơ học vào hệ sinh học – tức là vật lý xâm nhập vào sinh học. Thật kỳ lạ là điều ngược lại đang xảy ra. Nhiều nhà vật lý, đặc biệt là những nhà nghiên cứu cơ học lượng tử cơ bản, ủng hộ việc đặt thông tin vào trung tâm của vật lý, trong khi những người khác phỏng đoán rằng vật lý mới ẩn náu trong thế giới đáng chú ý và khó hiểu của các sinh vật sinh học. Sinh học đang định hình trở thành biên giới lớn tiếp theo của vật lý. □

Nguyễn Quang dịch