Sự tiến hóa sinh học và lý thuyết tai biến

Hình ảnh một tế bào trong quá trình tự sửa chữa sau khi bị tổn thương. Nguồn: cedars-sinai.org

Lý thuyết lượng tử và vũ trụ học với sinh học

Nhiều thế kỷ trước các cơ thể sống được xem như là một loại vật chất có ma thuật (magic matter), song có thể đó chỉ là vật chất như mọi vật chất với những tính chất đột sinh mà chúng ta chưa nắm được quá trình phát triển.

Những hiện tượng lượng tử: tính gián đoạn, hiện tượng đường hầm (tunnelling), tính chồng chất (superposition), hiện tượng liên đới lượng tử (quantum entanglement) đã dẫn đến những kết quả quan trọng (ví dụ đã được ứng dụng trong các máy tính lượng tử) đã và sẽ phải được ứng dụng vào sinh học. Sự sống đã để gần 3,5 tỷ năm để tiến đến hiện trạng ngày nay chắc đã phải trải nghiệm qua những hệ quả tinh diệu của lượng tử.

Hiện nay sinh học đang phát triển ở mức phân tử cho nên lý thuyết lượng tử không thể không đóng vai trò quan trọng vào sinh học. Viên gạch cơ bản trong sinh học là acid nucleic DNA gồm hai dãy polynucleotide xoắn quanh nhau và nối liền nhau bởi các cặp cơ sở (base pairs): A(Adenine), T (Thymine), G (Guanine), C (Cytosine), T đi cặp với A còn G đi cặp với C (hình 4a).

Hình 7. Mô hình cấu trúc DNA

Nhờ hiệu ứng đường hầm trong lý thuyết lượng tử mà có thể xảy ra trường hợp T không đi cặp với A mà có thể đi cặp với G, điều này  dẫn đến hiện tượng  đột biến (mutation), như vậy thuyết lượng tử chắc chắn có đóng vai trò quan trọng trong sự tiến hóa sinh học.

Alexei Kornyshev (College Hoàng gia Anh) nghĩ rằng trong thế kỷ XXI nhiều điều kỳ diệu trong sinh học có thể chờ đón từ vật lý (lượng tử và cổ điển). Tuy nhiên Adrian Parsegian, một nhà lý-sinh học Mỹ cho rằng hiện nay cũng còn nhiều chướng ngại trong việc kết hợp vật lý học với sinh học thứ nhất vì độ phức tạp lớn của các cơ thể sống và thứ hai vì quan điểm và công cụ khác nhau từ hai phía nên khó lặp lại được một cộng tác hữu hiệu giữa nhà vật lý và nhà sinh học như trong trường hợp James D.Watson (sinh học) và Francis Crick (vật lý) khi đưa ra mô hình cấu trúc DNA. Tuy nhiên cũng cần nhắc đến trường hợp dưới đây của Roger Penrose và Stuart Hameroff.

Một đột sinh quan trọng: đột sinh ý thức (consciousness) từ hệ tế bào thần kinh. Lý thuyết lượng tử có thể có khả năng tìm ra mối liên quan giữa tinh thần (mind) và  não bộ (brain) và nói riêng là tìm hiểu sự đột sinh của ý thức. Một trong nhiều mô hình đã được Roger Penrose và Stuart Hameroff xây dựng để giải thích sự đột sinh của ý thức bằng một hiện tượng có tác động  vĩ mô lên não bộ.

Sau đây là sơ đồ đơn giản hóa mô hình ORCH-OR (Orchestrated Objective Reduction) của Roger Penrose và Stuart Hameroff. Như chúng ta biết khi tiến hành một phép đo thì hàm sóng của hạt lượng tử  chịu một phép co (collapse) gọi là SR (Subjective Reduction). Năm 1993, Henry Stapp đưa ra giả thuyết là nếu có những phép co lượng tử  trong não bộ thì đó là  một ví dụ của ý thức. Roger Penrose (một nhà vật lý lý thuyết) giả định một loại lượng tử trong não bộ, cô lập với môi trường, không co lại vì một phép đo nào cả mà tự co lại, phép co đó được gọi là OR (Objective Reduction). Song Penrose chưa làm sáng tỏ một điều là giá đỡ (support) của quá trình này là vật gì trong não bộ.

Stuart Hamaroff (một nhà gây mê) đã gợi ý về một số cấu trúc trong tế bào có thể đảm đương nhiệm vụ đó. Đó là các microtubules (thành phần quan trọng của cytoskeleton). Microtubule là những ống hình trụ rỗng trong tế bào nối liền với nhau bằng những protein liên kết (MAP-Microtubule Associated Proteins). Hameroff cho rằng các electron tồn tại trong các tubulin (protein cấu tạo nên microtubule) có thể liên kết với nhau trong trạng thái một ngưng tụ Bose-Einstein (Bose-Einstein condensate), các ngưng tụ trong những microtubules của một neuron có thể nối liền với các neuron khác nhờ hiệu ứng đường hầm. Hameroff giả định rằng hiệu ứng đường hầm cho phép một thực thể lượng tử như các condensate nói trên lan truyền đến nhiều neuron khác và trải rộng trong một vùng lớn của não bộ như một thực thể lưọng tử thống nhất. Chính hiện tương OR của thực thể lượng tử kết hợp này được chỉ huy hiệp đồng như trong một bản hòa tấu nhờ các MAP sẽ tạo ra ý thức. Vì thế mô hình của Penrose - Hameroff được đặt tên là ORC-OR (Orchestrated Objective Reduction – Phép co Khách quan hiệp tấu). Mô hình của Penrose và Hameroff là một gợi ý dùng lý thuyết lượng tử vào sinh học cụ thể là tiếp cận một trong những vấn đề lớn của sinh học: sự đột sinh của ý thức từ hệ tế bào thần kinh. Mô hình ORC-OR của Penrose & Hameroff là một mô hình được nhiều nhà vật lý chú ý song cũng là một mô hình chưa có được một kiểm nghiệm thực tế nào và chịu nhiều sự phê phán từ phía các nhà triết học và khoa học khác.

Hình 8 . Sơ đồ vùng trung tâm của neuron cho ta thấy những microtubule nối liền với nhau bởi các MAP.
 

Tự tổ chức (self-organization) trong vũ trụ

Các tác giả Jerzy Jurkiewicz, Renate Loll and Jan Ambjorn đã công bố một bài viết lý thú lấy tên là“Vũ trụ lượng tử tự tổ chức” (The Self- organizing Quantum Universe). Lẽ dĩ nhiên ở đây các tác giả không dùng lý thuyết động học vi mô (kinetics theory) để xây dựng nên vũ trụ lượng tử tự tổ chức mà phải sử dụng thuyết lượng tử và hấp dẫn. Song điều đáng nói ở đây là ý tưởng về hiện tượng tự tổ chức của vũ trụ được lấy từ ý tưởng về hiện tượng tự tổ chức trong sinh học, từ ý tưởng đột sinh trong lý thuyết phức hợp (complexity).

Các tác giả đã lấy các “tế bào” cơ bản là những đơn hình (simplex) thỏa mãn điều kiện nhân quả tương tác với nhau qua hấp dẫn và lượng tử. Các tế bào này sẽ tự sắp xếp (tự tổ chức) để tạo nên vũ trụ mà chúng ta quan sát được. Những tế bào hay “nguyên tử” mà các tác giả sử dụng là những tam giác suy rộng bốn chiều. Các tác giả đã gán cho mỗi đơn hình một mũi tên thời gian hướng từ quá khứ đến tương lai sau đó dán dính chúng với nhau sao cho mũi tên thời gian chung không thay đổi hướng  nhằm bảo đảm tính nhân quả của vũ trụ tạo thành. Lý thuyết này được các tác giả gọi là Tam giác hóa Động học Nhân quả (Causal Dynamical Triangulations - Tam giác hóa Động học Nhân quả). Lý thuyết Tam giác hóa Động học Nhân quả có nội dung tương đồng với Hấp dẫn Lượng tử  Vòng (Loop Quantum Gravity) của Lee Smolin. Có thể nói các tam giác suy rộng 4 chiều này cũng  là một loại phân tử “DNA” của vũ trụ. Một chi tiết đáng chú ý là Jurkiewicz, một trong ba tác giả, là Giám đốc bộ môn lý thuyết các hệ phức hợp tại Viện Vật lý thuộc Đại học Jagiellonian ở Krak.

Hình 9.  Các tế bào đơn hình thỏa mãn điều kiện nhân quả tự tổ chức thành vũ trụ

Theo Leonard Susskind, những biến đổi sinh học sẽ khó lòng tạo nên một cơ thể sống như con người nếu không có yếu tố quan trọng sau này: đó là con số khổng lồ trong phong cảnh các thiết kế sinh học (the enormity of the landscape of biological designs). Danh từ phong cảnh (landscape) lấy từ lý thuyết dây (string theory).

Các thiết kế sinh học được mã hóa trong các phân tử DNA, gồm hai dãy polynucleotide xoắn quanh nhau và nối liền nhau bởi các cặp cơ sở A, G, C & T. Trong một cơ thể mỗi phân tử DNA có thể chứa nhiều triệu cặp cơ sở. Số khả năng chọn cặp cơ sở xác định nên phong cảnh sinh học và số khả năng đó vô cùng lớn. Một trăm triệu cặp cơ sở có thể cho ta 4100000000 cách sắp xếp.

Giả sử ta chỉ có một nghìn thậm chí một triệu thiết kế thử hỏi xác suất để một thiết kế đó tạo nên một cơ thể có trí tuệ là bao nhiêu? Hoàn toàn không đáng kể. Song nếu số thiết kế đó là 4100 000 000 tổ hợp thì tình huống đã khác vì xác suất đó đã trở lớn hơn nhiều. Như vậy nguyên lý đầu tiên của tiến hóa sinh học – thậm chí còn cơ bản hơn cả nguyên lý chọn lọc tự nhiên - đó là quy mô khổng lồ của phong cảnh các thiết kế sinh học, theo ý kiến của Leonard Susskind, một nhà vật lý lý thuyết dây.

Ta quay trở lại các “DNA” của vũ trụ. Theo lý thuyết dây (string theory), không thời gian ngoài bốn chiều thông thường còn có 6 hoặc 7 chiều dư (extra dimensions).

Như vậy ngoài 4 chiều không thời gian những chiều dư (10 – 4 = 6 chiều) đã cuộn lại (compắc hóa) thành một đa tạp 6D có cấu trúc nhất định mang tên đa tạp Calabi-Yau do đòi hỏi bởi một số điều kiện vật lý.

Hình 10. Trên hình là bức tranh phong cảnh biểu diễn năng lượng theo 2 thông số. Đa tạp các chiều dư (đa tạp Calabi-Yau) được biểu diễn tại đáy các thung lũng ứng với một chân không bền (ổn định) tương đối.

Không gian các chiều dư (extra dimensions) có thể có nhiều dạng (nhiều tôpô): hình cầu, hình xuyến, hai hình xuyến giao nhau tạo nên những tay quai (handles), và v.v... Ngoài ra phải kể đến những thông số như độ dài tay quai, tiết diện tay quai, vị trí các màng, số thông lượng quấn quanh các vòng... (xem hình 10).

Các kiểu compắc hóa dẫn đến 10 500 phương án, số phương án này còn lớn hơn cả số nguyên tử trong toàn vũ trụ! Điều này dẫn đến một phong cảnh (danh từ của Leonard Susskind) có đồi núi với 10 500 thung lũng ứng với chân không.

Đa tạp Calabi-Yau giống như cột sống của phân tử DNA và các thông số nói trên được sắp xếp theo vô số khả năng (tương tự như trong một phân tử sinh học DNA).

Nếu  các chi tiết của DNA xác định các tính chất sinh học của một cơ thể sống, thì các thông số nói trên (và các yếu tố khác) xác định các tính chất của vũ trụ.

Khi bàn đến mối tương đồng với tái sinh (reproduction) và đột biến (mutation), thì lý thuyết lạm phát vũ trụ sẽ vào cuộc. Trong quá trình lạm phát  nhiều vũ trụ sẽ được tạo ra với những định luật vật lý, những hằng số khác nhau giống như cây rẽ nhánh của sự sống (tree of life). Như vậy thuyết lạm phát trong vũ trụ chính là hiện tượng tương tự của tái sinh và đột biến trong sinh học.

Kết luận

Dường như việc nghiên cứu tách rời hai vương quốc sống và không sống chỉ là một biểu hiện của sự hạn chế nhận thức của chúng ta trong một giai đoạn của lịch sử khoa học. Tuy rằng hiện nay chúng ta chưa đủ khả năng để hiểu hết bí mật lớn của sự sống song những cơ sở ban đầu dựa trên lý thuyết động học vi mô (kinetics theory), lý thuyết phức hợp (complexity theory), lý thuyết tai biến (catastrophe theory), lý thuyết lượng tử để nghiên cứu các cấu trúc phát tán (dissipative), các quá trình tự tổ chức (self-organization) cũng cho phép chúng ta có được những tiếp cận ban đầu từ nhiều phía hoặc định tính hoặc ít nhiều định lượng đến bí mật lớn này.

Hơn nữa như chúng ta thấy theo quan điểm vũ trụ toàn ảnh của Bohm và Pribram thì hai vương quốc của vật chất sống và không sống liên thông với nhau.

Tất cả những điều nói trên cho phép chúng ta kết luận rằng giữa hai vương quốc của vật chất sống và không sống dường như không tồn tại một ma lực nào ngoại trừ những đột sinh (emergences) mà chúng ta chưa tìm ra được các quy luật hình thành.

Dường ý đồ của Chúa tuy vẫn là một “bông hoa còn phong nhị nhưng đã hé một phần sắc hương”.□