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 . 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. 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. độngvật. Ôngnói, từ lâu các nh vật 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