Các hiệu ứng của cơ học lượng tử – các định luật vật lý áp dụng ở quy mô cực nhỏ – cực kỳ nhạy cảm với các nhiễu loạn. Đây là lý do tại sao máy tính lượng tử phải được giữ ở nhiệt độ lạnh hơn không gian bên ngoài và chỉ những vật thể rất, rất nhỏ, chẳng hạn như nguyên tử và phân tử, thường hiển thị các tính chất lượng tử.

Theo tiêu chuẩn lượng tử, các hệ thống sinh học là môi trường khá thù địch: chúng ấm áp và hỗn loạn, và thậm chí các thành phần cơ bản của chúng – chẳng hạn như tế bào – được coi là rất lớn.

Nhưng một nhóm các nhà nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã phát hiện ra một hiệu ứng lượng tử rõ rệt trong sinh học sống sót qua những điều kiện khó khăn này và cũng có thể đưa ra một cách để não tự bảo vệ mình khỏi các bệnh thoái hóa như Alzheimer.

Kết quả, được công bố trên Tạp chí Hóa lý B không chỉ là một khám phá quan trọng đối với khoa học thần kinh, mà còn gợi ý các ứng dụng kỹ thuật mới cho các nhà nghiên cứu điện toán lượng tử và đại diện cho một cách suy nghĩ mới về mối quan hệ giữa sự sống và cơ học lượng tử.

“Tôi tin rằng công việc của chúng tôi là một bước nhảy vọt lượng tử cho sinh học lượng tử, đưa chúng ta vượt ra ngoài quang hợp và vào các lĩnh vực khám phá khác: điều tra ý nghĩa đối với xử lý thông tin lượng tử và khám phá các phương pháp điều trị mới cho các bệnh phức tạp”, Philip Kurian, tiến sĩ, điều tra viên chính và giám đốc sáng lập Phòng thí nghiệm Sinh học lượng tử tại Đại học Howard ở Washington, DC cho biết.

Siêu bức xạ photon đơn

Ngôi sao của nghiên cứu là tryptophan: một phân tử có liên quan nhiều nhất đến bữa tối gà tây nhưng cũng được tìm thấy trong nhiều bối cảnh sinh học. Là một axit amin, nó là một khối xây dựng cơ bản cho protein và các cấu trúc lớn hơn được tạo ra từ các protein đó, chẳng hạn như lông mao, trùng roi và trung tâm.

Một phân tử tryptophan đơn độc hiển thị một tính chất lượng tử khá chuẩn: nó có thể hấp thụ một hạt ánh sáng (gọi là photon) ở một tần số nhất định và phát ra một photon khác ở tần số khác. Quá trình này được gọi là huỳnh quang và thường được sử dụng trong các nghiên cứu để điều tra phản ứng protein.

Nhưng nghiên cứu cho thấy một điều kỳ lạ xảy ra khi nhiều, rất nhiều phân tử tryptophan được sắp xếp trong một mạng lưới đối xứng, giống như chúng nằm trong các cấu trúc lớn hơn như trung tâm – chúng phát huỳnh quang mạnh hơn và nhanh hơn so với khi chúng phát huỳnh quang độc lập. Hành vi tập thể được gọi là “siêu bức xạ”, và nó chỉ xảy ra với các photon đơn lẻ vì cơ học lượng tử.

Kết quả này cho thấy một hiệu ứng lượng tử cơ bản ở một nơi mà các hiệu ứng lượng tử thường không được mong đợi có thể tồn tại: một vật thể lớn hơn trong một môi trường ấm áp, “ồn ào”.

“Ấn phẩm này là kết quả của một thập kỷ làm việc nghĩ về các mạng này như là động lực chính cho các hiệu ứng lượng tử quan trọng ở cấp độ tế bào”, Kurian nói.

“Đó là một kết quả tuyệt vời”, Giáo sư Majed Chergui của Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (EPFL) ở Lausanne, Thụy Sĩ, người đứng đầu nhóm thử nghiệm cho biết. “Phải áp dụng rất chính xác và cẩn thận các phương pháp quang phổ protein tiêu chuẩn, nhưng được hướng dẫn bởi các dự đoán lý thuyết của các cộng tác viên của chúng tôi, chúng tôi đã có thể xác nhận một dấu hiệu tuyệt vời của siêu bức xạ trong một hệ thống sinh học quy mô micron.”

Tế bào thần kinh

Những mạng lưới tryptophan lớn này tồn tại trong các tế bào thần kinh, các tế bào tạo nên hệ thần kinh động vật có vú. Sự hiện diện của siêu bức xạ lượng tử trong các bó tế bào thần kinh giống như sợi có hai ý nghĩa tiềm năng lớn: bảo vệ chống lại các bệnh thoái hóa và truyền tín hiệu lượng tử trong não.

Các bệnh thoái hóa não như Alzheimer có liên quan đến mức độ stress oxy hóa cao – khi cơ thể mang một số lượng lớn các gốc tự do, có thể phát ra các hạt tia UV năng lượng cao, gây hại.

Tryptophan có thể hấp thụ ánh sáng cực tím này và tái phát ra nó ở mức năng lượng thấp hơn, an toàn hơn. Và, như nghiên cứu này cho thấy, các mạng tryptophan rất lớn có thể làm điều này thậm chí còn hiệu quả và mạnh mẽ hơn vì các hiệu ứng lượng tử mạnh mẽ của chúng.

“Sự bảo vệ ánh sáng này có thể chứng minh rất quan trọng trong việc cải thiện hoặc ngăn chặn sự tiến triển của bệnh thoái hóa”, Kurian nói. “Chúng tôi hy vọng điều này sẽ truyền cảm hứng cho một loạt các thí nghiệm mới để hiểu cách bảo vệ quang tăng cường lượng tử đóng vai trò như thế nào trong các bệnh lý phức tạp phát triển mạnh trong điều kiện oxy hóa cao.”

Hàm ý thứ hai cho siêu bức xạ trong não có liên quan đến cách các tế bào thần kinh truyền tín hiệu. Mô hình tiêu chuẩn cho tín hiệu tế bào thần kinh liên quan đến các ion di chuyển qua màng từ đầu này sang đầu kia của tế bào thần kinh, trong một quá trình hóa học mất vài mili giây cho mỗi tín hiệu. Nhưng các nhà nghiên cứu khoa học thần kinh chỉ mới nhận thức được rằng đây không thể là toàn bộ câu chuyện.

Siêu bức xạ trong não xảy ra dưới một pico giây – một phần tỷ mili giây. Các mạng tryptophan này có thể hoạt động như sợi quang lượng tử cho phép não xử lý thông tin nhanh hơn hàng trăm triệu lần so với các quá trình hóa học cho phép.

“Nhóm Kurian và các đồng nghiệp đã làm phong phú thêm sự hiểu biết của chúng tôi về các luồng thông tin trong sinh học ở cấp độ lượng tử”, Michael Levin, giám đốc Trung tâm Sinh học Tái tạo và Phát triển Tufts, người không liên quan đến công việc cho biết.

“Các mạng quang lượng tử như vậy rất phổ biến, không chỉ trong các hệ thống thần kinh mà còn rộng rãi trong suốt mạng lưới cuộc sống. Các tính chất đáng chú ý của phương thức xử lý thông tin và tín hiệu này có thể rất phù hợp với sinh học tiến hóa, vật lý và tính toán.

Thông tin lượng tử

Mặt lý thuyết của công trình này đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu về công nghệ lượng tử, bởi vì sự tồn tại của các hiệu ứng lượng tử mong manh trong một môi trường “lộn xộn” là mối quan tâm lớn đối với những người muốn làm cho công nghệ thông tin lượng tử trở nên linh hoạt hơn. Kurian nói rằng ông đã có cuộc trò chuyện với một số nhà nghiên cứu công nghệ lượng tử, những người đã rất ngạc nhiên khi tìm thấy mối liên hệ như vậy trong khoa học sinh học.

“Những kết quả mới này sẽ được cộng đồng lớn các nhà nghiên cứu quan tâm trong các hệ thống lượng tử mở và tính toán lượng tử, bởi vì các phương pháp lý thuyết được sử dụng trong nghiên cứu này được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đó để hiểu các mạng lượng tử phức tạp trong môi trường ồn ào”, Giáo sư Nicolò Defenu thuộc Viện Công nghệ Liên bang (ETH) Zurich ở Thụy Sĩ cho biết. Một nhà nghiên cứu lượng tử không liên quan đến công việc.

“Thật thú vị khi thấy một kết nối quan trọng giữa điện toán lượng tử và các hệ thống sống.”

Công trình cũng thu hút sự chú ý của nhà vật lý lượng tử Marlan Scully, một nhà tiên phong laser trong lĩnh vực quang học lượng tử và là một trong những chuyên gia hàng đầu về siêu bức xạ.

“Siêu bức xạ photon đơn hứa hẹn sẽ mang lại các công cụ mới để lưu trữ thông tin lượng tử, và công trình này cho thấy hiệu ứng của nó trong một bối cảnh hoàn toàn mới và khác biệt”, Scully nói. “Chúng tôi chắc chắn sẽ xem xét chặt chẽ các tác động đối với các hiệu ứng lượng tử trong các hệ thống sống trong nhiều năm tới”.

Theo: Quantum fiber optics in the brain enhance processing, may protect against degenerative diseases (phys.org)