Các nhà khoa học Đức và Israel nghiên cứu vai trò của hiệu ứng spin lượng tử trong quá trình chuyển hóa năng lượng

Các hiện tượng vật lý lượng tử đang thể hiện vai trò ngày càng rõ rệt trong các tiến trình sinh học phức tạp, đặc biệt là những hoạt động liên quan đến việc hấp thụ ánh sáng và truyền dẫn năng lượng hiệu quả. Trong khuôn khổ một dự án nghiên cứu đa ngành đầy tham vọng, các chuyên gia từ Đại học Münster, Đại học Ulm của Đức và Đại học Hebrew tại Jerusalem của Israel đã hợp tác để làm sáng tỏ cách thức các hiệu ứng lượng tử này điều phối sự di chuyển của các electron trong các hệ thống sống. Nghiên cứu này mang tên "Hiệu ứng spin lượng tử là nền tảng của các quá trình sinh học năng lượng", đã nhận được khoản tài trợ tài chính lên tới hơn hai triệu euro từ Quỹ Volkswagen thông qua chương trình chuyên biệt mang tên "NEXT — Sinh học lượng tử".

Giáo sư Martin Plenio, một trong những học giả hàng đầu tham gia dự án, nhấn mạnh rằng các quá trình sinh học cơ bản như quang hợp diễn ra với tốc độ cực nhanh, vượt xa những gì mà các định luật vật lý cổ điển có thể giải thích một cách thỏa đáng. Nhóm nghiên cứu liên ngành đang nỗ lực xác định vai trò chính xác của vật lý lượng tử trong việc tối ưu hóa và đẩy nhanh các quy trình sống còn này của tự nhiên. Trọng tâm của nghiên cứu nằm ở spin của electron — một mô-men động lượng nội tại tạo ra mô-men từ tính, có khả năng tác động trực tiếp đến tốc độ di chuyển của chính hạt electron đó trong môi trường sinh học.

Cường độ của các tương tác từ tính này phụ thuộc chặt chẽ vào cấu trúc không gian của các phân tử sinh học, đặc biệt là tính bất đối xứng gương hay còn gọi là tính thủ tính (chirality). Các phân tử có tính thủ tính hoạt động giống như một bộ lọc spin tinh vi, cho phép các electron có định hướng spin khác nhau đi qua với mức độ dễ dàng khác nhau. Hiện tượng này được giới khoa học gọi là hiệu ứng chọn lọc spin do tính thủ tính (CISS). Khám phá này thiết lập một mối liên kết trực tiếp giữa tính đối xứng thủ tính và spin của electron, mở ra những hiểu biết sâu sắc về bản chất đồng thủ tính của sự sống trên Trái Đất.

Những nghiên cứu liên quan đến hiệu ứng CISS trước đây đã chứng minh tính ứng dụng tiềm năng của nó trong lĩnh vực spintronics và giúp hiểu sâu hơn về các quá trình chọn lọc spin trong hệ thống sinh học. Các nhà khoa học tại Đại học Hebrew ở Jerusalem trước đó cũng đã thiết lập được rằng spin của electron có ảnh hưởng trực tiếp đến sự vận chuyển proton trong môi trường thủ tính. Điều này mở ra một hướng đi mới trong việc giải mã các cơ chế vận hành ở cấp độ phân tử mà trước đây vốn chỉ được xem xét dưới góc độ hóa học thuần túy.

Quá trình vận chuyển proton này liên quan mật thiết đến sự kích thích của các phonon thủ tính, giúp tăng tốc độ di chuyển của proton — một yếu tố then chốt trong quá trình chuyển hóa năng lượng của tế bào. Phát hiện quan trọng này đã chính thức đưa việc nghiên cứu vận chuyển proton từ một lĩnh vực thuần túy hóa học sang địa hạt của các quá trình lượng tử phức tạp. Sự kết hợp giữa vật lý và sinh học này hứa hẹn sẽ mang lại những bước đột phá trong việc hiểu rõ cách thức sự sống duy trì và tối ưu hóa năng lượng ở cấp độ cơ bản nhất.