Lần đầu tiên các nhà khoa học quan sát thấy vi khuẩn sử dụng hiệu ứng lượng tử để tồn tại

Trong khi bạn vẫn phải vật lộn với bài toán con lắc ở chương trình vật lý phổ thông, thì loài vi khuẩn này đã trở thành những bậc thầy về cơ học lượng tử. Lần đầu tiên các nhà khoa học quan sát được trực tiếp quá trình thao túng lượng tử của vi khuẩn quang hợp Chlorobium tepidum, nhằm điều hòa dây chuyền sản sinh năng lượng bên trong tế bào của chúng.

Câu chuyện bắt đầu từ việc C. tepidum là một vi khuẩn kỵ khí. Điều đó có nghĩa là chúng không muốn làm bạn với oxy như những loài sinh vật khác. Thậm chí, sự có mặt của một nguyên tố có tính oxy hóa cao còn có thể phá hủy và làm bộ máy hóa học tinh vi bên trong tế bào của C. tepidum bị rỉ rét.

Để tự bảo vệ bản thân mình, C. tepidum đã bắn ra một proton từ cặp phân tử cysteine của nó, tạo ra hiệu ứng lượng tử làm xáo trộn năng lượng trong các phản ứng oxy hóa và dập tắt mối nguy hiểm tiềm tàng mỗi khi có mặt một phân tử oxy.

"Trước nghiên cứu này, nhiều nhà khoa học khác cũng đã phát hiện các dấu hiệu cho thấy các hệ thống sinh học sống có thể tạo ra hiệu ứng lượng tử. Họ đã đặt câu hỏi: Liệu điều này chỉ là hệ quả ngẫu nhiên của việc các bộ máy sinh học được xây dựng lên từ những phân tử nhỏ bé, hay chúng thực sự phục vụ một mục đích chủ quan của sinh vật?", Greg Engel, nhà hóa học đến từ Đại học Chicago cho biết.

Rõ ràng, đã có rất nhiều bằng chứng cho thấy các hiệu ứng lượng tử có thể xuất hiện trong các bộ máy tế bào sống. Chẳng hạn, một nghiên cứu gần đây cho thấy những thay đổi trong từ trường có thể ảnh hưởng đến spin của electron trong các protein nhạy cảm với ánh sáng được gọi là cryptochromes. Hiện tượng này có thể giải thích tại sao một số loài động vật có thể phát hiện ra từ quyển của Trái Đất và dùng nó để định vị và điều hướng di chuyển.

Tuy nhiên, nghi ngờ một tác động tinh vi của cơ chế lượng tử sinh học là một chuyện. Quan sát được ảnh hưởng của nó đến khả năng sinh tồn của một sinh vật lại là một cái gì đó rất khác. "Đây là lần đầu tiên chúng ta thấy các sinh vật có thể khai thác một cách tích cực những hiệu ứng lượng tử để phục vụ mục đích tồn tại của chúng", Engel nói.

Nghiên cứu được thực hiện bởi Engel và các đồng nghiệp tại Đại học Chicago và Đại học Washington ở St.Louis. Họ đã theo dõi quá trình biến đổi ánh sáng Mặt trời thành năng lượng trong tế bào vi khuẩn C. tepidum.

Chìa khóa của chuỗi phản ứng biến đổi này là một nhóm các protein và sắc tố được gọi là phức hợp Fenna-Matthews-Olson (FMO). Nó hoạt động như một chất xúc tác trung gian biến quang năng thành năng lượng hóa học.

Ban đầu, người ta cho rằng FMO dựa vào hiệu ứng lượng tử để thực hiện công việc của nó. Điều này phù hợp với bản chất sóng hạt, tạo điều kiện thuận lợi cho việc cho nhận electron giữa các phân tử và biến đổi năng lượng một cách hiệu quả.

Nhưng các nghiên cứu sau đó đã khiến một số nhà khoa học phải suy nghĩ lại về vai trò của hiện tượng lượng tử này. Trong đó, họ cho rằng hoạt động của FMO nếu có sự kết hợp lượng tử thực sự có thể làm chậm toàn bộ quá trình hấp thụ năng lượng chứ không phải xúc tác cho nó diễn ra nhanh hơn.

Trong lần khám phá mới nhất về sự kết hợp lượng tử trong FMO, các nhà nghiên cứu tình cờ nhìn thấy tác động của oxy lên toàn bộ hệ thống.

Sử dụng kỹ thuật quang phổ laser cực nhanh để nắm bắt chi tiết về hoạt động của phức hợp FMO, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra sự hiện diện của oxy có thể thay đổi cách năng lượng được 'điều khiển' từ quang năng thành hóa năng.

Họ tìm thấy một cặp phân tử cysteine ​​nằm ở cốt lõi của bộ máy chuyển đổi, hoạt động như một chất kích hoạt khi nó giải phóng một proton bất cứ khi nào chúng phản ứng với một phân tử oxy tình cờ có mặt.

Proton bị mất này ảnh hưởng trực tiếp đến các cơ chế lượng tử bên trong phức hợp FMO, làm xáo trộn năng lượng một cách hiệu quả khỏi các khu vực có thể bị ảnh hưởng bởi quá trình oxy hóa.

Trong khi điều đó có nghĩa là vi khuẩn C. tepidum tạm thời bị thiếu năng lượng, nhưng sự gián đoạn lượng tử này đã buộc tế bào phải nín thở cho đến khi nó được giải phóng khỏi tác dụng độc hại của oxy.

"Sự đơn giản của cơ chế này gợi ý nó cũng có thể được tìm thấy trong các sinh vật quang hợp khác tiến hóa hơn", Jake Higgins, tác giả chính của nghiên cứu mới là một nghiên cứu sinh tại Khoa Hóa học của Đại học Chicago, cho biết.

"Nếu có nhiều sinh vật có thể điều chỉnh các hiệu ứng cơ lượng tử trong phân tử của chúng để tạo ra những thay đổi lớn hơn về sinh lý học, thì có thể có một loạt các hiệu ứng hoàn toàn mới trong chọn lọc tự nhiên mà chúng ta chưa hề biết đến".

Điều này sẽ mở ra một thế giới sinh học hoàn toàn mới trong mắt chúng ta, một thế giới sinh học lượng tử đang chờ con người khám khá.

Tham khảo Sciencealert, Uchicago