Vật lý lượng tử - đối tượng nghiên cứu mới của các nhà sinh hóa pot

Vật lý lượng tử - đối tượng
nghiên cứu mới của các nhà
sinh hóa
Tích điện là một tính chất của các electron mà hầu như người nào cũng
biết, nhưng còn có một tính chất nữa, đó là tính quay, lại ít được biết tới hơn
và được coi là một lĩnh vực nghiên cứu riêng biệt đặc thù của các nhà vật lý.
Trạng thái quay của electron diễn ra theo một trong hai hướng đối lập nhau,
quay lên trên và quay xuống dưới. Hiện nay, các nhà sinh hóa đang bắt đầu
phân tích tính quay của electron thành thừa số để áp dụng vào các mô phỏng
phản ứng sinh hóa trên máy tính của họ nhằm làm cho chúng chính xác hơn.
Từ lâu, các nhà sinh hóa đã sử dụng máy tính để lập mô hình về việc những
phân tử sinh họclớn, phức hợp sẽ phản ứng với nhau như thế nào, nhưng một nhà
nghiêncứu ngườiMỹ cho rằng để đạt được một tầm hiểubiết cơ bản hơnvề việc
các phản ứng diễn ra như thế nào, thì nên tính tới tínhquaycủa electron.Là người
luôn trăn trở về nhữngvòng xoaycủaelectron, nhà nghiêncứu Jorge H. Rodriguez
ở trường Đại học Purdue, cho rằng việc phân tích tính quaythành thừasố để thể
hiện cácmô hình phân tử có thể tiết kiệm cho ngành công nghiệp dượcphẩm thời
gian vàtiền của.Ông cho rằngtrong khi chúng ta buộc phải hài lòng với việcquan
sát quátrình hóahọc diễn ra ở các sinhvật sống và sau đó mô tả nó màkhôngcó
những hiểu biết hoàn chỉnh, thì chúng ta cần phát triểnnhững công cụ tính toáncó
thể dự đoán điều gì sẽ xảy ra giữa các phân tử trước khi diễnra phản ứng hóahọc.
Lĩnh vực mà Rodriguez đặc biệt quantâm là một dạng proteinkim loại gồm
hemoglobin và chlorophyll và những phản ứng của chúng ở thực vật và độngvật.
Ôngnói, từ lâu các nhàvật lý đã biếtrằng,theonhững quy luật củacơ chế lượng tử,
có mộtsố phản ứng hóa học trong cơ thể sinh vật bị “cấm khôngxảy ra”, ví dụ như
sự liên kết oxy của hemoglobin trong phổikhi ta thở.Nhưng tuyvậychúng vẫn
diễn ra.Vì vậy, donhữngphản ứng này liên quantới tính xoaycủa electron,nên
nhóm nghiên cứu của ông quyết địnhkhảo sát sâu hơn về chúng. Ôngtiếp tục giải
thích,thế giới tự nhiênluôn thể hiệnsự cân bằng và chúng ta cóthể thấy bằng
chứng củanó vừa ở tính tích điện vừa ở tính xoay.Ví dụ, các electroncủa vòng
xoay đốilập rấtdễ cặp với nhaukhichúng xoayquanhnhân.Điều này cho phép

những vòng xoaycủa chúngcân bằng với nhau, giốngnhư sự tích điện âmvà
dươnggiữacác protonvà electron. Thậm chí khita có hàng trăm electron hình
thành nên mộtđám mây dày đặcxung quanh một phân tử phức, ta vẫn thấy sự cân
bằngở cả sự tích điện vàxoay.Nhưng đôikhi các electronở các proteinkimloại
(metalloprotein)dườngnhư lại không tuân theoquy luật này. Như ở trường hợp
của hemoglobin,tự nhiên dường như bảo toàncân bằng ở sự tích điện trongkhi lại
chia sẻ sự bảo toàn này ở sự xoay.
Tại trungtâm của hemoglobin làsự chuyển hóa - sắtkim loại, nơi mà một số
electroncó thể bay xungquanhhạt nhân mà khôngbị kết đôi. Khi mộttế bào hồng
cầu tiếp xúc với oxytrong phổi củacon người, hemoglobin của nó có thể hấp thụ
oxy bằng một số electronkhôngkết đôi, chuyển chúng tới những nơicòn lại trong
cơ thể. Nhưng trong quá trình này, sự xoay tích lũy thay đổi theo mộtcáchmà
khôngthể bảo toàn được sự cân bằng,việc nàydường như làkhông thể diễn ra
theo quanđiểmcủa mộtnhà vật lý. Rodriguezgiải thích,quá trìnhphản ứng hóa
học này rất thiết yếu cho sự sống,nhưngcác nhàvật lý còn hoài nghi về việc nó có
thể xảy ra như thế nào. Sự tích điện giữa các electrontrong oxy và hemoglobin
được liên kết là cân bằng ở giaiđoạn cuối, điều này rất có ý nghĩa đối với các nhà
hóa học. Nhưngvòng xoayđiệntích của toàn bộ quá trìnhkhôngđược bảo toàn,
khiếncho mộtnhà vật lý khó hiểu với hiện tượngnày. Tấtnhiên, các nhà khoahọc
còn cầnphải tìm hiểu nhiều hơn về thế giới tự nhiên ở mức độ vô cùng bé.
Vì rất nhiều phản ứng được coi là không được phép xảy raliên qua tới phân tử
sinh họcvà các kim loại chuyển tiếp,những loại mà có thể bật về trước và saugiữa
những trạng thái xoaykhác nhau dưới những điều kiện nào đó, Rodriguezgiả thiết
rằng chính tính thay đổi ở trạng thái xoay đã làm ảnh hưởng tới mức độ củanhững
phản ứng này.
Nhóm của ôngđang sử dụng mộtsiêu máy tínhmà ôngcho biết sẽ nhanhchóng
tạo ra được những mô hình các phântử rất quan trọng, những mô hình mà sau đó
có thể “phản ứng” với mô hình khác trong các mô phỏngđể dự đoán mộtcách
chínhxác điều gì sẽ xảy rakhi chúng phản ứng với nhautrongthế giới vật lý. Ông
giảithích, nhómnghiên cứu đang ở thời điểm phát triển những công cụ tínhtoán

để phân tích quá trình phụ thuộc vào tínhxoaycủa các phântử sinh họcvà ứng
dụngchúng vào một số trường hợpthử nghiệm quantrọng.Nhưngnhữngphương
pháp củanhómdựa trên các cáchtiếp cận rất hợp lý cho bấtcứ một hệ phântử
nào. Vì vậy, hơnhàng trăm metaloprotein có ích lợi về khoahọc và thực tiễncó thể
được nghiên cứu trong tương lai bằng nhữngphương pháp do nhóm phát triển.
Nhóm đang tạo ra một lĩnh vực mới để cố tìm hiểucác quy trình sinh hóa ở mức độ
cơ bản nhất, đó là các cơ chế lượng tử. Đây sẽ là một bước tiến quan trọngnhất để
biến lĩnhvực hóa sinh thành một ngành khoahọcdự báo thay vì là mộtngành
khoa họcmô tả.
Ứng dụng dân sự của bom
hạt nhân
Vũ khí hạt nhân là phát minh đáng sợ của con người, nhưng nó không
chỉ có tính hủy diệt mà còn được ứng dụng vào những mục đích hòa bình.
Dưới dây là những ứng dụng dân sự của bom hạt nhân được coi là khả thi
trong quá khứ.
Tạo một hố khổng lồ
Nếu cómột điều mà giới khoa họcchứng minh vũ khí hạt nhân có khả năng
thực hiện, thì đó là sự tạo ra một hố khổng lồ.EdwardTeller,nhà vật lý ở
Livermore Lab - Viện thí nghiệm quốcgia vànổi tiếnglà cha đẻ của bomhydrogen,
viết năm 1963:"Sự bàn luận về những ứng dụnghòa bìnhcủa chất nổ hạt nhân đã
sinh ra một số ý tưởngcụ thể chắc chắn có thể thực hiện được và từ đó cũng tạora
một số khả năng đầy hứa hẹn mà hiện nayđược coi là giấc mơ.Nóitóm lại với một
sự việcđơngiản: chúngta cóthể tạo ra mộthố khổng lồ trên trái đất- nếu như bất
cứ ai muốn làm điều đó".
Những cái hố khổng lồ rất hữu dụng chocông nghiệp khai thác mỏ,tạo thành
một bể chứa, hoặc thậmchí mở ra mộtkênh Panama mới.
Tạo ra một kênh Panama mới
Kênhđào Panamalà kỳ công của con người ở đầuthế kỷ XX, nhưngnó thật
sự quá nhỏ. Trongnhiềuthập niên qua con người đã nghĩ đến các kế hoạch xây
dựng một con kênh mới tolớn hơn,thích hợp cho những tàu chở dầu khổng lồ

cũng như những phương tiện giao thông ngoại cỡ khác lưu thông. Tổng thốngMỹ
John F.Kennedycó ýtưởng sử dụng chất nổ hạt nhân để "đào" một conkênh như
thế.
Một tài liệu giảimật của Ủy ban Năng lượng nguyêntử Mỹ có viết:
"Memorandum về anninh quốc giasố 152(ngày 30/4/1962,đề tài: Chínhsách
kênhđào Panamavà nhữngmối quan hệ với Panama)được ký bởi Tổngthống
Kennedy vẫn cònhiệu lực". Nhất là trongmemorandumcóghi: Chủ tịch của Ủy
ban Năng lượngnguyên tử sẽ thànhlập trongkhuônkhổ Chương trình Plowshare
một nghiên cứuđể xác định trongkhoảng 5 năm tới tính khả thi, giácả và những
yếu tố khác liên quanđến cácphươngphápđào kênhbằngchấtnổ hạt nhân.
Thăm dò khí tự nhiên
Một trong những kế hoạch quan trọngnhất trong chươngtrìnhPlowsharelà
ý tưởng tăng cường sản lượng khí tự nhiên. Vào giữa thập niên60 thế kỷ trước,
các nhà khoa họcMỹ bắt đầu quantâm đến việcsử dụng chất nổ hạt nhân để khai
thác khí tự nhiên bằng cách làm đứtđoạn nhữngnúi đá chôn giấu khí tự nhiên để
nó dễ thấm ra ngoài hơn.
Năm 1967,tờ Time đã đề cập nỗ lực đầu tiên trong lĩnh vực này- đó là Dự án
Gasbugy ở New Mexico. Công việckhai thác khí tự nhiên lên đến đỉnhđiểm vào
năm 1973vớivụ nổ 3 quả bomhạtnhân33 kilotonở RioBlanco, Colorado. Vấn đề
là việckhai thác đã tạora một mức phóngxạ thấp. Sau đó phươngpháp đã gây
tranh cãi nhiềuở Mỹ, mặc dù cácnhà khoahọc tuyên bố rằng mức phóng xạ không
gây hại đến sứckhỏe công chúng.
Khai thác mỏ dầu đá phiến
Để đối phó với giá dầu, người ta bắt đầu nghĩ đến việc biến những phiến đá
do trầmtíchtạo thànhở miền Tây nước Mỹ thành nhiên liệulỏng, gọi là dầu đá
phiếnsét. Vấnđề làchi phí và năng lượngcần để thựchiện ý tưởng và chiết lấy
kerogen.Giải pháp là sử dụng chất nổ nhiệt hạch. Năm 1970, nhà vậtlý Milo
Nordyke trong chương trìnhPlowshare ở Livermore Labđã đưa ra kế hoạch
"Phươngpháp chất nổ hạt nhân để kích thích tạo sản lượng hydrocarbon từ những
cấu tạo có dầumỏ".

Xử lý chất thải hạt nhân
Một trong những ứng dụng chất nổ hạt nhân kỳ lạ được đề nghị làgiúp chôn
giữ chất thảihạt nhân.Ý tưởng xuất hiện trongmột bài báo năm 1973trêntờ
Sciencelà của Viện Thí nghiệm Lawrence Livermore. Theo ýtưởng lạ lùng này,
người ta sẽ cho nổ một quả bom hạt nhân để tạo ra cái hố khổng lồ ngay bên dưới
cơ sở xử lý chất thải hạt nhân. Sau đó chất thải phóng xạ được trút xuống cái hố
ngầm này (sẽ đầy sau 25 năm).
Nhà vật lý Milo Nordykecho biết các nhà khoa học của chươngtrình
Plowshaređã thiết kế một loạtnhững quả bom chứarất ít chất liệu cókhả năng
phân rã hạt nhân (gây phóng xạ nguy hiểm cho con người). Nhưng bất chấp sự
thành công về kỹ thuật củachương trình Plowshare, Nordyke vẫn không thấy
những quả bom hạt nhân này được sử dụngtrong thực tế. Bởi vì, theoNordyke,
việc dunghòagiữa vấn đề môi trường và sự sử dụngbom hạtnhânlà điều vôcùng
khókhăn.
Chuyến bay chở người vào không gian
Nếu như không sử dụng được bom hạtnhântrên trái đất thì chúngtacó thể
dùngchúng để đi vào vũ trụ. Dự án Orion của Mỹ - được lãnh đạo bởiFreeman
Dyson cùngvới những nhà khoa học ưu tú khác - nhằm xây dựng một chiếc tàu vũ
trụ phóng đi bằng vũ khí nguyên tử. Ý tưởng(điênrồ) là một chiếc tàu chở cả một
thành phố đầy người được phóng vào vũ trụ bởi 1.000 quả bom hạt nhân!Dự án
Orionđã được giải mật trên trangwebcủaNASA.
Bảo vệ trái đất trước sự va chạm của tiểu hành tinh
Nhiều nhà khoahọc vẫnchưa chắc rằng vũ khí hạt nhân cóphải là cách tốt
nhất để bảo vệ trái đất trước sự va chạmcủa tiểu hànhtinh hay không, nhưng
NASA tin rằng trongmột số tình huốngthìbom hạt nhân có thể bảo vệ trái đất khỏi
sự diệtvong vì tiểu hànhtinh