Các nhà khoa học có thể đã phát hiện ra một manh mối ở cấp độ lượng tử cho một trong những bí ẩn lâu đời nhất của sinh học: tại sao sự sống lại ưu tiên áp đảo một "bàn tay" phân tử (tính đối quang) thay vì hình ảnh phản chiếu của nó. Một nghiên cứu mới chỉ ra rằng spin của electron – một đặc tính lượng tử tinh vi – là yếu tố có thể giúp giải thích hiện tượng đồng nhất tính đối quang (homochirality), tức sự ưu tiên của sự sống đối với một phiên bản "thuận tay" của các phân tử chủ chốt.

Khi các electron di chuyển qua các phân tử là hình ảnh phản chiếu của nhau, spin của chúng dường như tương tác với mỗi dạng phân tử theo những cách khác biệt đôi chút. Những khác biệt nhỏ đó có thể trở nên quan trọng trong các quá trình như phản ứng hóa học và vận chuyển electron.

Mặc dù các phân tử trông giống hệt nhau về mặt hóa học khi chúng ở trạng thái tĩnh hoặc không phản ứng, sự mất cân bằng liên quan đến spin này có thể mang lại cho một dạng phân tử một lợi thế lặp đi lặp lại, giúp một "bàn tay" duy nhất trở nên chiếm ưu thế trong sinh học. Kết quả này gợi ý rằng vật lý lượng tử có thể đã đóng một vai trò bất ngờ trong việc định hình nền tảng phân tử của sự sống.

Manh mối lượng tử về tính "thuận tay"

Một nhóm các nhà khoa học đã tìm ra một cơ chế vật lý có thể giúp giải quyết một câu hỏi lớn chưa có lời giải trong khoa học: tại sao sự sống lại dựa vào một phiên bản "thuận tay" của nhiều phân tử trong khi loại bỏ hoàn toàn phiên bản còn lại.

Trong một nghiên cứu mới do Giáo sư Yossi Paltiel từ Trung tâm Khoa học nano và Công nghệ nano tại Đại học Hebrew và Giáo sư Ron Naaman từ Viện Weizmann dẫn đầu, các nhà khoa học cho thấy spin của electron – một đặc tính lượng tử cơ bản – có thể khiến các phân tử đối quang (mirror-image molecules) hành xử khác nhau khi chúng tham gia vào các quá trình động, mặc dù hai dạng này về cơ bản là giống nhau.

Nhiều phân tử mà sự sống phụ thuộc vào tồn tại ở hai dạng phản chiếu nhau, được gọi là các đồng phân đối quang (enantiomers). Từ góc độ hóa học, chúng gần như giống hệt nhau. Tuy nhiên, sinh học ưu tiên mạnh mẽ một phiên bản: các axit amin hầu như luôn xuất hiện ở một dạng, trong khi các loại đường thường xuất hiện ở dạng đối diện.

Mô hình này, gọi là tính đồng nhất đối quang, đã thách thức các nhà khoa học trong hơn 100 năm qua. Các giả thuyết trước đây chưa giải thích đầy đủ lý do tại sao sự ưu tiên phân tử tương tự lại trở nên phổ biến như vậy trên khắp các hệ thống sống. Những phát hiện mới gợi ý rằng câu trả lời có thể không nằm ở các phân tử khi chúng ở trạng thái nghỉ, mà xuất hiện khi các electron di chuyển qua chúng.

Spin phá vỡ quy luật gương

Giáo sư Yossi Paltiel, Giáo sư Ron Naaman và các cộng sự đã phát hiện ra rằng khi các electron di chuyển qua các phân tử bất đối xứng (chiral molecules), spin của electron tương tác với cấu trúc của phân tử theo cách không hoàn toàn khớp giữa hai dạng phản chiếu.

Kết quả là:

Hai dạng phân tử có thể tạo ra các mức độ phân cực spin khác nhau.

Những khác biệt đó có thể ảnh hưởng đến hiệu quả tham gia của mỗi dạng trong các quá trình vật lý và hóa học.

Kết quả này thách thức một giả định phổ biến rằng các phân tử đối quang phải có tác động tương đương nhau về kích thước, chỉ khác biệt về hướng hoặc dấu (chiều quay). Nghiên cứu đã kết hợp lý thuyết, thực nghiệm và các tính toán tiên tiến để truy nguyên sự mất cân bằng này đến cách các spin của electron sắp xếp bên trong mỗi cấu trúc phân tử.

Hai đồng phân đối quang vẫn có cùng năng lượng. Tuy nhiên, khi chúng chuyển động hoặc tham gia vào quá trình vận chuyển, hành vi liên quan đến spin của chúng không còn là hình ảnh phản chiếu hoàn hảo. Sự khác biệt đó có thể tạo ra những thay đổi đo lường được trong cách chúng hoạt động. Hiệu ứng này đặc biệt quan trọng vì nó xuất hiện trong các quá trình động – bao gồm vận chuyển electron và tương tác với môi trường từ tính – thay vì các đặc tính tĩnh của phân tử.

Những chệch hướng nhỏ có thể định hình sự sống

Các phát hiện đưa ra một con đường khả thi để giải thích cách một "bàn tay" phân tử trở nên phổ biến trong sinh học.

Nếu một đồng phân đối quang liên tục tương tác hiệu quả hơn với môi trường xung quanh dưới các điều kiện được định hình bởi spin electron, thì ngay cả một lợi thế rất nhỏ cũng có thể tích lũy theo thời gian dài. Cuối cùng, sự thiên lệch lặp đi lặp lại đó có thể giúp tạo ra một sự ưu tiên sinh học rộng rãi đối với một dạng phân tử duy nhất.