Nghiên cứu mới về nguồn gốc của sự sống trong vũ trụ: Cơ học lượng tử

Liệu cơ học lượng tử - một lĩnh vực mà Albert Einstein từng mô tả hài hước là "ma mị" - có thể ảnh hưởng đến chúng ta theo một cách rất cá nhân? Hoàn toàn có thể. Nghiên cứu lý thuyết đang bắt đầu gợi ý rằng các hiệu ứng lượng tử có thể gây đột biến trong DNA của con người. Nếu đúng, điều này có thể thay đổi cách chúng ta hiểu về bệnh ung thư, bệnh di truyền và thậm chí cả nguồn gốc của sự sống.

Các nhà khoa học từng cho rằng các hệ thống sinh học quá ấm, ẩm ướt và hỗn loạn để trải nghiệm các hiệu ứng lượng tử kỳ lạ như đường hầm proton, trong đó dạng sóng của hạt lan rộng ra, cho phép nó lướt qua một hàng rào năng lượng mà bình thường vốn chặn đường đi của nó. Nói chung, xung quanh càng nhiều nhiệt và hỗn loạn thì hiệu ứng lượng tử càng nhỏ; vì vậy, trong nhiều năm, các nhà khoa học đã nghĩ rằng trong cơ thể con người thì các hoạt động lượng tử sẽ quá nhỏ so với vật chất.

Nhưng bạn không thể tìm thấy những gì bạn không tìm kiếm. Khi các nhà vật lý lượng tử bắt đầu khám phá thế giới sinh học lộn xộn và phức tạp, họ đang phát hiện ra cơ học lượng tử đang hoạt động, ngay cả trong DNA của chúng ta. Chào mừng đến với thế giới của sinh học lượng tử.

Sơ lược về điểm đột biến

Chuỗi xoắn kép mang tính biểu tượng của DNA được hình thành bởi hai chuỗi phân tử cuộn nhờ các bit ở trung tâm kết nối giống như các mảnh ghép hình, mỗi mảnh có một trong bốn hình dạng khác nhau, được đặt tên bằng một chữ cái. Hình chữ T liên kết với hình chữ A và hình chữ G kết nối với hình chữ C, tạo thành cái được gọi là “cặp nhiễm sắc thể”. Các nhánh phân tử nhỏ này kết nối thông qua các lực hút yếu giữa các nguyên tử hydro của chúng, vốn có một proton và một electron.

Đôi khi, xảy ra lỗi và các chữ cái được ghép nối không chính xác - lỗi mà chúng tôi gọi là điểm đột biến. Các điểm đột biến có thể cộng lại và gây ra các vấn đề với DNA, đôi khi dẫn đến ung thư hoặc các vấn đề sức khỏe khác. Thường là kết quả của những lỗi trong quá trình sao chép DNA, điểm đột biến cũng có thể do tiếp xúc với tia X, bức xạ UV hoặc bất kỳ thứ gì kích thích các hạt nguyên tử di chuyển khỏi vị trí có trật tự của chúng.

Sinh học lượng tử

Trong 50 năm, các nhà nghiên cứu đã tranh luận liệu các proton chuyển đổi vị trí giữa các chuỗi liên kết yếu của DNA có thể gây ra điểm đột biến hay không. Câu trả lời dường như là không. Nhiều nghiên cứu đã kết luận rằng các trạng thái cặp bazơ trung gian được tạo ra bởi sự chuyển mạch proton rất không ổn định và chỉ tồn tại trong thời gian ngắn nên rất khó để được sao chép trong DNA. Nhưng một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Communications Physics phát hiện ra rằng những trạng thái này có thể diễn ra thường xuyên và ổn định, đồng thời các quá trình lượng tử có thể thúc đẩy sự hình thành của chúng.

Các nhà nghiên cứu đã lập mô hình chuyển proton giữa các liên kết hydro của cặp bazơ G:C trong một biển vô tận các hạt dao động giống như lò xo, đại diện cho môi trường tế bào hỗn loạn. Tính toán của họ cho thấy rằng việc chuyển proton thông qua đường hầm lượng tử có thể xảy ra rất nhanh đối với các kết nối G:C ở trung tâm của chuỗi xoắn DNA - trong vòng vài trăm femto giây, hay 0,000000000000001 giây (10 mũ -15 giây). Tốc độ như vậy nhanh hơn nhiều so với thang thời gian sinh học của chúng ta.

Sự chuyển đổi này xảy ra quá nhanh và thường xuyên đối với DNA của chúng ta đến mức nó “xuất hiện” giống như một tỷ lệ các proton luôn ghé thăm các hạt lân cận của chúng, giống như cách mà một hình ảnh trên màn hình có thể nhấp nháy nhanh đến mức khiến mắt chúng ta trông như đứng yên. Sự chuyển đổi cực nhanh này của các proton từ bên này sang bên kia của cây cầu có nghĩa là các cặp bazơ liên tục thay đổi giữa hình dạng ban đầu của chúng và hình dạng hơi khác một chút. Các dạng trung gian này có thể gây ra sự không phù hợp trong quá trình sao chép DNA, khi các chuỗi được mở, đọc và sao chép.

Thay vì ngăn cản các proton chui vào đường hầm, hơi ấm sinh học của chúng ta có thể hoạt động như một nguồn kích hoạt nhiệt, cung cấp cho các proton đủ năng lượng để bật sang phía bên kia. Thật vậy, sự chuyển proton thông qua đường hầm lượng tử có khả năng cao gấp bốn lần so với dự đoán của vật lý cổ điển. Những sự cố tưởng là hy hữu này hóa không chỉ phổ biến mà còn tồn tại lâu dài. Dựa trên các tính toán trước đây, các nhà nghiên cứu dự đoán rằng những thay đổi phân tử này phải ổn định đủ lâu để được nhân rộng - gây ra đột biến.

Có hai hạn chế chính với công việc. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu không xem xét kỹ các cặp bazơ A:T, lưu ý rằng đối với các liên kết này, trạng thái trung gian rất không ổn định và không có nhiều khả năng đóng vai trò trong đột biến DNA. Thứ hai, công việc mang nặng tính lý thuyết này sẽ phải dựa nhiều từ các thực nghiệm để xác nhận hoặc thách thức kết quả.

Nhiều điểm đột biến xuất hiện hơn ta tưởng

Dựa trên tính toán của nhóm, các điểm đột biến sẽ xuất hiện trong DNA của chúng ta thường xuyên hơn nhiều so với thực tế. Các nhà nghiên cứu cho rằng sự khác biệt này là do “cơ chế sửa chữa DNA hiệu quả cao” giúp tìm và khắc phục sai số xuất hiện từ điểm đột biến. Chẳng hạn, bộ máy sao chép DNA của chúng tôi bao gồm khả năng “hiệu đính”, trong đó các lỗi được phát hiện và sửa chữa - giống phần mềm máy tính tự chỉ sửa một lỗi đánh máy.

Các nhà nghiên cứu viết, sự dễ dàng tạo đường hầm proton và tuổi thọ của các trạng thái trung gian này thậm chí có thể phù hợp với các nghiên cứu về nguồn gốc sự sống, bởi vì tốc độ tiến hóa ban đầu có liên quan đến tốc độ đột biến của RNA sợi đơn. Do đó, mặc dù thế giới lượng tử có vẻ kỳ lạ và xa vời, nhưng nó có thể đã đóng một vai trò trong việc mang lại cho chúng ta sự sống - và cũng lấy đi sự sống.

Cội nguồn sự sống là quá trình phát triển tự nhiên từ vật chất vô cơ thông qua sự phức tạp hóa các hợp chất cacbon, hình thành các đại phân tử protein và các nucleic làm thành một hệ tương tác có khả năng tự nhân bản và tự đổi mới. Nghiên cứu về nguồn gốc sự sống là một trong những lĩnh vực được biết đến rất hạn chế mặc dù hầu hết những hiểu biết của con người về bộ môn sinh học và thế giới tự nhiên là dựa trên nó. Mặc dù công việc nghiên cứu về lĩnh vực này rất chậm nhưng nó luôn luôn thu hút sự chú ý của nhiều người bởi vì đây là một câu hỏi rất lớn và rất khó. Một số những sự kiện đã cho chúng ta biết một phần điều kiện tạo nên sự sống, nhưng cơ chế bên trong tạo nên sự sống vẫn là một điều bí ẩn.

Anh Tú (dịch)