Buzz
Khám phá này không chỉ làm sáng tỏ cách thức hoạt động của sự sống ở cấp độ vi mô, mà còn mở ra cơ hội ứng dụng các công nghệ lượng tử trong sinh học, như cảm biến lượng tử sinh học, mạng truyền thông siêu tốc và thậm chí là phương pháp chữa trị thông qua việc tái tạo tín hiệu lượng tử tự nhiên.
Trước đây, giới khoa học đã cho rằng các hệ thống sinh học với tính phức tạp và hỗn loạn của chúng không thể duy trì hay phát huy các hiện tượng lượng tử tinh vi, vốn yêu cầu môi trường cực kỳ ổn định, tĩnh lặng và lạnh giá.
Quan niệm lâu nay cho rằng cơ học lượng tử chỉ có thể xuất hiện trong môi trường phòng thí nghiệm với điều kiện nguyên tử và phân tử tinh vi. Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây đã làm thay đổi hoàn toàn quan điểm này.
Theo nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Sinh học Lượng tử (QBL) của Đại học Howard, do nhà vật lý lý thuyết Philip Kurian dẫn đầu, cơ học lượng tử không chỉ hiện diện mà còn đóng vai trò chủ chốt trong tất cả các dạng sống trên Trái Đất, từ vi khuẩn đơn giản cho đến thực vật, động vật và con người.
Công trình của Kurian chỉ ra rằng sự sống không chỉ có khả năng thích ứng với thế giới lượng tử mà còn sử dụng nó như một công cụ tính toán vượt trội, mạnh mẽ hơn bất kỳ hệ thống nhân tạo nào mà con người từng tạo ra.
Nguồn cảm hứng cho phát hiện này có thể được truy ngược về năm 1944, khi nhà vật lý vĩ đại Erwin Schrödinger, người có ảnh hưởng lớn trong lĩnh vực cơ học lượng tử, đã công bố cuốn sách "What is Life?" (Cuộc sống là gì?).
Dựa trên nền tảng vật lý, triết học và sinh học, Schrödinger đã đặt ra những câu hỏi sâu sắc về nguồn gốc và bản chất của sự sống. Ông dự đoán rằng các nguyên lý vật lý sâu sắc hơn đang điều khiển các quá trình sinh học, điều mà sau hơn 80 năm, Kurian và nhóm nghiên cứu của ông đã chứng minh qua các thí nghiệm và mô hình lý thuyết hiện đại.
Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances, nhóm QBL đã phát hiện các đặc tính quang học lượng tử độc đáo trong các sợi tế bào xương, một trong những cấu trúc cơ bản của cơ thể sống, qua đó mở rộng hiểu biết về khả năng tính toán sinh học ở cấp độ vũ trụ.
Một trong những phát hiện đáng chú ý trong nghiên cứu của Kurian là vai trò của tryptophan, một axit amin quan trọng trong các protein sinh học, như một thành phần then chốt giúp tạo ra và duy trì các hiệu ứng lượng tử trong cơ thể.
Tryptophan hấp thụ tia cực tím có năng lượng cao từ quá trình hô hấp tế bào, sau đó phát xạ lại năng lượng ở bước sóng thấp hơn, giúp bảo vệ tế bào khỏi những tổn thương do gốc tự do.
Điều thú vị là khi các phân tử tryptophan kết hợp lại thành các mạng lưới trong các cấu trúc như vi ống, lông mao, thụ thể xuyên màng, hoặc thậm chí trong tế bào thần kinh, chúng tạo ra hiện tượng 'siêu bức xạ' lượng tử: một cơ chế phát sáng đồng bộ và cực kỳ nhanh, chỉ trong vòng một phần triệu giây (picosecond).
Tốc độ này vượt xa mọi cơ chế tín hiệu sinh hóa thông thường, vốn mất đến hàng mili giây để truyền đạt một xung thần kinh.
Điều này dẫn đến một kết luận đáng kinh ngạc: tất cả các sinh vật có nhân tế bào, từ vi khuẩn cho đến con người, đều có khả năng sử dụng mạng lưới các phân tử sinh học để xử lý và truyền đạt thông tin ở cấp độ lượng tử, với tốc độ và hiệu suất vượt trội.
Nếu điều này đúng, có nghĩa là toàn bộ sinh quyển trên Trái Đất, từ rễ cây, nấm mốc, sinh vật phù du đến động vật có vú, đều có khả năng thực hiện các phép toán lượng tử một cách tự nhiên mà không cần sự trợ giúp của máy móc.
Quan trọng hơn, vì các sinh vật không có hệ thần kinh – như thực vật và vi sinh vật – đã tồn tại hàng tỷ năm trước khi con người xuất hiện, chúng chính là 'bộ não lượng tử' nguyên thủy của Trái Đất, đóng vai trò chủ chốt trong năng lực tính toán của hành tinh này.
Giáo sư Marco Pettini từ Đại học Aix-Marseille (Pháp) cho rằng nghiên cứu này mở ra một cánh cửa chưa từng có giữa vật lý lượng tử và sinh học, kết nối các lĩnh vực tưởng chừng không liên quan như vật lý vật chất ngưng tụ, lý thuyết thông tin lượng tử, vũ trụ học và quang học sinh học.
Những hiện tượng mà trước đây chỉ có thể quan sát trong các phòng thí nghiệm lạnh giá với điều kiện chân không giờ đây đã được chứng minh có thể tồn tại – và thậm chí phổ biến – trong môi trường sinh học ấm áp, nơi hàng tỷ sinh vật đang đồng thời xử lý thông tin một cách tinh vi và hiệu quả.
Tác động của nghiên cứu này không chỉ giới hạn trong sinh học. Các nhà khoa học trong lĩnh vực công nghệ lượng tử cũng đặc biệt chú ý đến phát hiện này, vì nó chỉ ra rằng các hệ thống sinh học đã giải quyết được một trong những vấn đề lớn nhất của điện toán lượng tử: tính ổn định trong môi trường 'ồn ào'.
Thay vì phải cô lập và làm lạnh vật chất đến gần độ không tuyệt đối, sinh vật sống lại cho thấy cách thức duy trì qubit (đơn vị thông tin lượng tử) ngay cả trong những điều kiện phức tạp, dao động và không đồng nhất.
Như giáo sư Nicolò Defu từ ETH Zurich nhận xét, sự liên kết ngày càng rõ rệt giữa sự sống và công nghệ lượng tử có thể mang đến những đột phá cách mạng trong thiết kế hệ thống lượng tử mở và phần cứng tính toán sinh học thế hệ mới.
Một điểm đáng chú ý trong nghiên cứu của Kurian là việc xác định một giới hạn mới về khả năng xử lý thông tin của sự sống dựa trên carbon, đồng thời liên kết nó với giới hạn tính toán của toàn bộ vật chất trong vũ trụ.
Đây không chỉ là một phương pháp đo lường hiệu suất sinh học mà còn là một nỗ lực để lượng hóa mối quan hệ giữa vật lý cơ bản và tiến hóa sinh học. Việc kết nối tốc độ tín hiệu lượng tử với tốc độ ánh sáng, và giữa mật độ khối lượng năng lượng trong vũ trụ với khả năng lưu trữ thông tin sinh học, mở ra một cái nhìn thống nhất hơn về vai trò của sự sống trong cấu trúc vũ trụ.
Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các nghiên cứu ngày càng nhiều về sự sống ngoài Trái Đất, và mô hình của Kurian có thể trở thành công cụ quan trọng để đánh giá tiềm năng tính toán và mức độ tiến hóa của sự sống trên các ngoại hành tinh.
Từ góc nhìn này, vị trí của sự sống trong vũ trụ không còn là một ngoại lệ kỳ lạ trong vật lý, mà trở thành một biểu hiện trực tiếp của những quy luật lượng tử sâu sắc. Khi sự sống tiến hóa, nó không chỉ đơn giản là thích nghi với môi trường vật lý mà còn là một phần không thể tách rời của những nguyên tắc điều khiển toàn bộ vũ trụ.
