Trong một thời gian dài, giới khoa học vẫn tin rằng các hệ thống sinh học, với bản chất hỗn loạn và phức tạp của mình, hoàn toàn không thích hợp để duy trì hay vận hành các hiện tượng lượng tử tinh tế (những hiệu ứng vốn đòi hỏi môi trường cực kỳ ổn định, tĩnh lặng và lạnh giá).
Quan niệm phổ biến cho rằng chỉ ở cấp độ nguyên tử và phân tử, trong điều kiện phòng thí nghiệm tinh vi, cơ học lượng tử mới có thể phát huy tác dụng. Tuy nhiên, một nghiên cứu đột phá mới đây đang làm thay đổi hoàn toàn cái nhìn đó.
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 đứng đầu, cơ học lượng tử có thể không chỉ hiện diện mà còn đóng vai trò trung tâm trong mọi dạng sống trên Trái Đất, từ vi khuẩn đơn giản cho tới thực vật, động vật và cả con người.
Công trình của Kurian hé lộ rằng sự sống không những thích nghi được với thế giới lượng tử mà còn sử dụng nó như một công cụ tính toán ưu việt, vượt xa bất kỳ hệ thống nhân tạo nào mà loài người từng phát minh.
Nguồn cảm hứng cho bước ngoặt này có thể được truy ngược về tận năm 1944, khi nhà vật lý huyền thoại Erwin Schrödinger, một trong những người đặt nền móng cho cơ học lượng tử đã xuất bản tác phẩm "What is Life?" (Cuộc sống là gì?).
Dựa trên nền tảng vật lý, triết học và sinh học, Schrödinger đặt ra những câu hỏi sâu sắc về nguồn gốc và bản chất của sự sống. Ông tiên đoán rằng các nguyên lý vật lý sâu hơn đang điều khiển các quá trình sinh học, điều mà đến nay, hơn 80 năm sau, Kurian và cộng sự đang chứng minh bằng thực nghiệm và mô hình lý thuyết tiên tiến.
Trong nghiên cứu đăng 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 và từ đó mở rộng hiểu biết về giới hạn tính toán sinh học ở cấp độ vũ trụ.
Một trong những điểm nổi bật trong phát hiện của Kurian là vai trò của tryptophan, một axit amin phổ biến trong các protein sinh học như một thành phần chủ chốt trong việc tạo ra và duy trì các hiệu ứng lượng tử trong cơ thể.
Tryptophan hấp thụ tia cực tím năng lượng cao phát sinh từ quá trình hô hấp tế bào, sau đó tái phát xạ năng lượng ở bước sóng thấp hơn, nhờ vậy bảo vệ tế bào khỏi tổn thương do gốc tự do.
Tuy nhiên, điều đặc biệt là khi các phân tử tryptophan này kết hợp lại thành mạng lưới trong các cấu trúc như vi ống, lông mao, thụ thể xuyên màng, hoặc thậm chí cả tế bào thần kinh, chúng thể hiện hiện tượng “siêu bức xạ” lượng tử: một cơ chế phát sáng đồng bộ và cực kỳ nhanh, chỉ trong khoảng một phần triệu micro giây (picosecond).
Tốc độ này vượt xa mọi cơ chế tín hiệu sinh hóa thông thường, vốn mất đến hàng mili giây để hoàn thành một xung thần kinh.
Điều này dẫn đến một kết luận gây sửng sốt: sinh vật nhân chuẩn, tức 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 đúng, điều này đồng nghĩa với việc toàn bộ sinh quyển trên Trái Đất , từ rễ cây, nấm mốc, sinh vật phù du đến động vật có vú, đều sở hữu tiềm năng thực hiện các phép tính lượng tử một cách tự nhiên mà không cần máy móc hỗ trợ.
Quan trọng hơn, vì những 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, nên chúng mới là “bộ não lượng tử” nguyên thủy của Trái Đất , chịu trách nhiệm cho phần lớn năng lực tính toán của hành tinh này.
Giáo sư Marco Pettini từ Đại học Aix-Marseille (Pháp) nhận xét rằng nghiên cứu này mở ra cánh cửa chưa từng có giữa vật lý lượng tử và sinh học, nối liền các lĩnh vực tưởng chừng rời rạc như vật lý vật chất ngưng tụ, lý thuyết thông tin lượng tử, vũ trụ học và quang học sinh học.
Các hiện tượng từng chỉ có thể quan sát trong các phòng thí nghiệm lạnh giá với điều kiện chân không giờ đây được chứng minh là có thể tồn tại – và thậm chí là phổ biến – trong “súp nóng” sinh học ấm áp, nơi hàng tỷ sinh vật đang cùng nhau xử lý thông tin một cách tinh vi và hiệu quả.
Tác động của nghiên cứu không chỉ dừng lại ở sinh học. Các nhà khoa học trong lĩnh vực công nghệ lượng tử cũng đang đặc biệt quan tâm đến phát hiện này, bởi nó chỉ ra rằng các hệ thống sinh học đã giải quyết được một trong những thách thức 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 duy trì qubit (đơn vị thông tin lượng tử) ngay trong điều kiện phức tạp, dao động, và không đồng nhất.
Như giáo sư Nicolò Defu từ ETH Zurich nhận xét, mối liên hệ ngày càng rõ nét giữa sự sống và công nghệ lượng tử có thể dẫn đến những đột phá mang tính 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 khác trong nghiên cứu của Kurian là việc đưa ra một giới hạn xử lý thông tin mới cho sự sống dựa trên carbon, đồng thời liên hệ nó với giới hạn tính toán của toàn bộ vật chất trong vũ trụ.
Đây không chỉ là một cách đo hiệu suất sinh học, mà còn là một nỗ lực lượng hóa mối liên hệ giữa vật lý cơ bản và quá trình tiến hóa sinh học. Việc đưa ra mối liên hệ giữa tốc độ tín hiệu lượng tử và tốc độ ánh sáng, giữa mật độ khối lượng năng lượng trong vũ trụ và khả năng lưu trữ thông tin sinh học, cho thấy một bức tranh thống nhất hơn về vai trò của sự sống trong cấu trúc vũ trụ.
Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh ngày càng có nhiều nghiên cứu tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất , và mô hình của Kurian có thể trở thành công cụ 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 ngoại lệ kỳ lạ trong thế giới vật lý mà trở thành một biểu hiện trực tiếp của những quy luật lượng tử sâu xa. Khi sự sống tiến hóa, nó không đơn giản là thích nghi với môi trường vật lý, mà là một phần không thể tách rời của những nguyên tắc chi phối toàn bộ vũ trụ.
Lấy link