Vật lí đã truyền cảm hứng cho sinh học như thế nào ? Alexei Korrnyshev cho rằng các nhà vật lí và nhà sinh học hiện đang làm việc gần gũi với nhau hơn bao giờ hết, nhưng vẫn còn tồn tại những rào cản để hợp tác chặt chẽ hơn.
Tháng 7 năm 1997, Adrian Parsegian, một nhà sinh lí học tại Viện Y tế Quốc gia ở Mĩ và là cựu chủ tịch Hội Sinh lí học, đã cho ra một bài báo trên tờ Physics Today, trong đó ông phác họa những suy nghĩ của ông về những chướng ngại vật chủ yếu cho mối lương duyên giữa vật lí học và sinh học. Parsegian bắt đầu bài báo của ông với câu chuyện vui về một nhà vật lí trao đổi với người bạn đã qua trường lớp sinh học của ông.
Nhà vật lí: “Tôi muốn nghiên cứu não. Hãy nói với tôi đôi điều có ích đi nào”.
Nhà sinh học: “À, trước hết, não có hai bán cầu”.
Nhà vật lí: “Thôi đi! Anh nói với tôi nhiều quá rồi đấy!”.
Parsegian tiếp tục liệt kê ra một vài lĩnh vực thuộc sinh học trong đó thông tin cung cấp từ phía các nhà vật lí đặc biệt được hoan nghênh. Nhưng kết luận chính của ông là các nhà vật lí thật sự phải học sinh học trước khi muốn đóng góp cho lĩnh vực đó. Ông còn cảnh báo rằng có thể như thế là không đủ cho một nhà vật lí có một người bạn là nhà sinh học đóng vai trò “người phiên dịch” để dịch một vấn đề thành ngôn ngữ vật lí.
Mặc dù được viết thật nhẹ nhàng và tao nhã, nhưng bài báo đó đã khiêu khích một phản ứng dữ dội từ phía Robert Austin, một nhà vật lí tại Đại học Princeton, ông cáo buộc rằng Parsegian ngăn cấm các nhà vật lí xử lí những vấn đề lớn trong sinh học. Quan điểm của tôi không nghiêng về Parsegian hay Austin và, theo quan điểm của tôi, mối quang học giữa các nhà vật lí học và nhà sinh học đã được cải thiện phần nào trong 12 năm qua kể từ khi bài báo của Parsegian xuất hiện lần đầu tiên. Tuy nhiên, tôi tin rằng các quan hệ đó vẫn bị tiêm nhiễm bởi một số niềm tin sai lầm đang cản trở các nhà vật lí và nhà sinh học làm việc gần gũi với nhau hơn.
Hơn cả đức tin?
Trở lại đầu những năm 1970, khi tôi còn là nghiên cứu sinh năm thứ nhất tại Viện Frumkin ở Moscow, tôi thường tham dự các buổi seminar lí thuyết do Benjamin Levich – học trò cũ của Lev Landau – chủ trì, ông được nhiều người biết tới là cha đẻ sáng lập của thủy động học hóa-lí. Mỗi khi một người thuyết trình nào đó say mê quá mức bảo chúng tôi với độ tin cậy 100% cách thức, nói ví dụ, các electron và nguyên tử hành xử trong một dung môi ở gần một điện cực, Levich sẽ cắt ngang buổi seminar bằng cách pha trò “Làm sao anh biết thế? Anh đã có mặt ở đó à?”
Gần bốn thập niên đã trôi qua, các nhà vật lí giờ đã có nhiều công cụ thực nghiệm để “đi tới đó”. Chẳng hạn, các nguồn synchrotron tia X hiện đại cho phép các nhà nghiên cứu nhìn vào cấu trúc tinh thể, khám phá cách thức các mẫu sinh vật đột biến và còn định vị được nơi ion hút bám trên ADN; trong khi các kĩ thuật như chụp ảnh huỳnh quang với độ chính xác nano mét (FIONA) cho phép chuyển động của các protein như myosin hay actin được theo dõi trong thời gian thực. Nhưng mặc dù những kĩ thuật này thường mang lại những kết quả đầy quyến rũ, nhưng chúng là không đủ nếu không có một phân tích lí thuyết sâu sắc của các thật sự “đang trông thấy”. Cho nên, đứng đầu trong số những quan niệm sai lầm này là “thấy là tin”. Một bức tranh đẹp có thể có một sự duyên dáng hấp dẫn, nhưng chỉ có thế là không đủ.
Niềm tin thứ hai gây nguy hại cho sự hợp tác là thói hình thức cho rằng một lí thuyết sinh học phải thật đơn giản – nó phải không có gì nhiều hơn các hàm mũ và logarithm (làm ơn đừng có hàm Bessel!). Nếu không thì công việc hãy để cho máy tính thực hiện. Quan điểm này được ủng hộ bởi Rod Philips ở Viện Công nghệ California, người đi đến tìm yêu mới của mình – sinh học – từ lí thuyết chất rắn. Tuy nhiên, tôi rất không tán thành với quan điểm đó và tôi thường tranh luận với ông về nó khi chúng tôi đều nghỉ phép tại Viện Vật lí Lí thuyết Kavli ở Santa Barbara. Như tôi thường vạch ra, James Watson và Francis Crick có thể chưa bao giờ giải mã được cấu trúc của ADN từ hình ảnh tán xạ tia X thu được bởi Rosalind Franklin và Maurice Wilkins nếu họ chẳng các công cụ toán học phát triển bởi Crick, William Cochran và Vladimir Vand một năm trước đó (1952 Acta. Crystollograph. 5 581). Thật vậy, các hàm Bessel nằm ngay trung tâm của phân tích đó.
Niềm tin thứ ba là các nhà sinh học sẽ không bao giờ đọc các bài báo khoa học chứa các công thức toán học. Như Don Roy Forsdyke, một nhà hóa sinh tại trường Đại học Queen ở Ontario, Canada, có lần bảo tôi, “Tư liệu sinh học thật vô bờ bến. Các nhà sinh học có quá nhiều báo để đọc và quá nhiều thí nghiệm để thực hiện. Họ sẽ gác qua một bên mọi bài viết trông khó khăn”. Nếu điều này đúng, và tôi nghĩ nó đúng, thì các nhà vật lí đang gặp rắc rối to rồi.
Điều này đưa chúng ta thẳng đến niềm tin kế tiếp, cho rằng nhà vật lí không thể nào công bố một bài báo lí thuyết quan trọng trên một tập san sinh học. Các nhà lí thuyết cần các phép đạo hàm toán học để chứng minh kết quả tìm kiếm của họ, nhưng bất kì bài báo nào có chứa đạo hàm sẽ bị từ chối. Nếu khi ấy bạn công bố bài báo trên một tập san vật lí, thì nó sẽ không được đọc bởi những người mà nó nhắm tới. Thật ra, những bài báo hay thuộc loại đó thỉnh thoảng vẫn được công bố và đọc, nhưng đây vẫn là một vấn đề khó khăn.
Cuộc cách mạng ADN
Các nhà vật lí muốn đơn giản hóa và thống nhất mọi thứ, càng nhiều càng tốt, trong khi các nhà sinh học thì phản đối phương pháp giản hóa luận và vui vẻ với sự đa dạng hóa và phức tạp. Cho nên, niềm tin thứ năm của nhà sinh học là các nhà vật lí quá dốt nát về tính đa dạng để mang lại cho chúng bất cứ thứ gì có ý nghĩa. Các nhà sinh học thừa nhận rằng nhà vật lí có thể mang lại, nói ví dụ, một kĩ thuật quang phổ mới hay các thiết bị đo lường lực, nhưng đó là vì họ không không hiểu tính đa dạng. Theo quan điểm của họ, sinh học chẳng có gì là chuyên nghiệp cả.
Niềm tin cuối cùng là các nhà sinh học nghĩ rằng các nhà vật lí đã thực hiện một đột phá to lớn – giải thích cấu trúc và chức năng của ADN – nhưng một cuộc cách mạng tương tự không có khả năng xảy ra lần nữa. Tuy nhiên, vấn đề then chốt là khám phá đó là sự “pha trộn” giữa Watson (một nhà sinh học) và Crick (một nhà vật lí), giúp họ tìm ra một ngôn ngữ chung và mang lại ý tưởng nhân bản ADN và các nguyên tắc sau đó của sinh học phân tử.
Tôi tin rằng chúng ta có thể trông đợi vào những đột phá khác thuộc loại này bởi vì vật lí học và toán học đã có một lịch sử cách mạng lâu dài không chỉ trong khoa học mà còn trong cuộc sống của chúng ta nữa.
Những sự hợp tác đầy ý nghĩa
Bất chấp tất cả những điều này, cảm giác của tôi là các nhà vật lí và nhà sinh học đang ngày càng hiểu nhau hơn. Ví dụ, hồi tháng rồi, cùng với Parsegian và Wilma Olson ở trường Đại học Rutgers, người là cựu chủ tịch Hội Sinh lí học, tôi đã tổ chức một cuộc hội thảo chủ đề “Từ nền vật lí được truyền cảm hứng bởi ADN đến nền sinh học được truyền cảm hứng bởi vật lí”. Có chừng 140 nhà nghiên cứu tham dự, cuộc hội thảo tổ chức tại Trung tâm Vật lí Lí thuyết quốc tế (ICTP), ở Trieste, Italy, được ICTP bảo trợ và Wellcome Trust đồng bảo trợ. Nhưng hội thảo ấy không chỉ dành các nhà vật lí có hứng thú với sinh học. Nó còn nhắm tới các nhà sinh học hứng thú với việc học hỏi những cái do các phương pháp vật lí mới và kiến thức hiện có có thể mang lại cho họ, đồng thời còn xác định cho các nhà vật lí những vấn đề mà nhà sinh học nghĩ rằng có thể thu lợi từ dữ liệu vào từ phía vật lí học.
Hội thảo có hơn 60 bài tham luận – chứng minh cho sự tác động lẫn nhau giữa vật lí học và sinh học – về mọi thứ từ cơ chế, cấu trúc, tương tác và sự kết tập ADN cho đến sự thu gọn ADN ở virus, tương tác ADN-protein và sự nhận dạng, ADN bị giam giữ (các lỗ và túi) và ADN thông minh (rô-bôt, kiến trúc nano, công tắc, bộ cảm biến và điện tử học ADN). Thông tin cụ thể các bạn có thể tìm đọc online.
Trích dẫn câu nói nổi tiếng của Rutherford rằng có vật lí học thì mọi thứ khác thuộc khoa học chỉ là trò sưu tập tem, Paul Selvin, một nhà vật lí tại trường Đại học Illinois, mới đây phát biểu rằng nếu như Rutherford còn sống cho đến ngày nay, ông ta sẽ phải nói rằng “mọi khoa học hoặc là sinh học, hoặc là công cụ sáng tạo cho sinh học, hoặc là chẳng đáng đồng tiền bát gạo”. Ngày nay, nói chung, sự kiêu ngạo hiếm gặp trên gương mặt của các nhà vật lí. Nhưng để vượt qua rào cản của chủ nghĩa hoài nghi, các nhà vật lí cần phải chứng minh (hay, tốt hơn nữa, truyền cảm hứng cho các nhà sinh học chứng minh) rằng sự hiểu biết sâu sắc từ vật lí học không chi áp dụng cho các hệ mô hình trong phòng thí nghiệm mà còn áp dụng tốt bên trong thế giới thật của tế bào.
Crick không những có trí tuệ lớn và rất nghiêm túc với sinh học, mà ông còn may mắn gặp được người hợp tác đúng lúc là Watson. Nhiều người trong chúng ta đang tìm cách thực hiện công việc quan trọng thuộc về sinh học sẽ không thể nào thực hiện công việc ấy một mình trừ khi chúng ta tìm sự được sự hưởng ứng thích hợp. Tương lai thật triển vọng – và những cuộc gặp như hội thảo tổ chức ở Trieste hồi tháng rồi có lẽ sẽ tạo ra sự khác biệt. Như nhà vật lí Cambridge, Stephen Hawking, có lần nói, “Những khám phá vĩ đại nhất của thế kỉ 21 sẽ xuất hiện ở nơi chúng ta chẳng ngờ đến”. Tương tự, tôi thật sự bị thuyết phục rằng những bất ngờ và khám phá lớn trong sinh học sẽ bắt nguồn từ vật lí học.
Tác giả Alexei Kornyshev là nhà lí thuyết vật chất hóa đặc tại trường Imperial College London, đang nghiên cứu ở ranh giới của vật lí học, hóa học và sinh học.
Hình Kèm Theo
hi.jpg (12.6 KB, 4 lần tải)
Id: dtntdateh012
Pass: dtntdateh
Tháng 7 năm 1997, Adrian Parsegian, một nhà sinh lí học tại Viện Y tế Quốc gia ở Mĩ và là cựu chủ tịch Hội Sinh lí học, đã cho ra một bài báo trên tờ Physics Today, trong đó ông phác họa những suy nghĩ của ông về những chướng ngại vật chủ yếu cho mối lương duyên giữa vật lí học và sinh học. Parsegian bắt đầu bài báo của ông với câu chuyện vui về một nhà vật lí trao đổi với người bạn đã qua trường lớp sinh học của ông.
Nhà vật lí: “Tôi muốn nghiên cứu não. Hãy nói với tôi đôi điều có ích đi nào”.
Nhà sinh học: “À, trước hết, não có hai bán cầu”.
Nhà vật lí: “Thôi đi! Anh nói với tôi nhiều quá rồi đấy!”.
Parsegian tiếp tục liệt kê ra một vài lĩnh vực thuộc sinh học trong đó thông tin cung cấp từ phía các nhà vật lí đặc biệt được hoan nghênh. Nhưng kết luận chính của ông là các nhà vật lí thật sự phải học sinh học trước khi muốn đóng góp cho lĩnh vực đó. Ông còn cảnh báo rằng có thể như thế là không đủ cho một nhà vật lí có một người bạn là nhà sinh học đóng vai trò “người phiên dịch” để dịch một vấn đề thành ngôn ngữ vật lí.
Mặc dù được viết thật nhẹ nhàng và tao nhã, nhưng bài báo đó đã khiêu khích một phản ứng dữ dội từ phía Robert Austin, một nhà vật lí tại Đại học Princeton, ông cáo buộc rằng Parsegian ngăn cấm các nhà vật lí xử lí những vấn đề lớn trong sinh học. Quan điểm của tôi không nghiêng về Parsegian hay Austin và, theo quan điểm của tôi, mối quang học giữa các nhà vật lí học và nhà sinh học đã được cải thiện phần nào trong 12 năm qua kể từ khi bài báo của Parsegian xuất hiện lần đầu tiên. Tuy nhiên, tôi tin rằng các quan hệ đó vẫn bị tiêm nhiễm bởi một số niềm tin sai lầm đang cản trở các nhà vật lí và nhà sinh học làm việc gần gũi với nhau hơn.
Hơn cả đức tin?
Trở lại đầu những năm 1970, khi tôi còn là nghiên cứu sinh năm thứ nhất tại Viện Frumkin ở Moscow, tôi thường tham dự các buổi seminar lí thuyết do Benjamin Levich – học trò cũ của Lev Landau – chủ trì, ông được nhiều người biết tới là cha đẻ sáng lập của thủy động học hóa-lí. Mỗi khi một người thuyết trình nào đó say mê quá mức bảo chúng tôi với độ tin cậy 100% cách thức, nói ví dụ, các electron và nguyên tử hành xử trong một dung môi ở gần một điện cực, Levich sẽ cắt ngang buổi seminar bằng cách pha trò “Làm sao anh biết thế? Anh đã có mặt ở đó à?”
Gần bốn thập niên đã trôi qua, các nhà vật lí giờ đã có nhiều công cụ thực nghiệm để “đi tới đó”. Chẳng hạn, các nguồn synchrotron tia X hiện đại cho phép các nhà nghiên cứu nhìn vào cấu trúc tinh thể, khám phá cách thức các mẫu sinh vật đột biến và còn định vị được nơi ion hút bám trên ADN; trong khi các kĩ thuật như chụp ảnh huỳnh quang với độ chính xác nano mét (FIONA) cho phép chuyển động của các protein như myosin hay actin được theo dõi trong thời gian thực. Nhưng mặc dù những kĩ thuật này thường mang lại những kết quả đầy quyến rũ, nhưng chúng là không đủ nếu không có một phân tích lí thuyết sâu sắc của các thật sự “đang trông thấy”. Cho nên, đứng đầu trong số những quan niệm sai lầm này là “thấy là tin”. Một bức tranh đẹp có thể có một sự duyên dáng hấp dẫn, nhưng chỉ có thế là không đủ.
Niềm tin thứ hai gây nguy hại cho sự hợp tác là thói hình thức cho rằng một lí thuyết sinh học phải thật đơn giản – nó phải không có gì nhiều hơn các hàm mũ và logarithm (làm ơn đừng có hàm Bessel!). Nếu không thì công việc hãy để cho máy tính thực hiện. Quan điểm này được ủng hộ bởi Rod Philips ở Viện Công nghệ California, người đi đến tìm yêu mới của mình – sinh học – từ lí thuyết chất rắn. Tuy nhiên, tôi rất không tán thành với quan điểm đó và tôi thường tranh luận với ông về nó khi chúng tôi đều nghỉ phép tại Viện Vật lí Lí thuyết Kavli ở Santa Barbara. Như tôi thường vạch ra, James Watson và Francis Crick có thể chưa bao giờ giải mã được cấu trúc của ADN từ hình ảnh tán xạ tia X thu được bởi Rosalind Franklin và Maurice Wilkins nếu họ chẳng các công cụ toán học phát triển bởi Crick, William Cochran và Vladimir Vand một năm trước đó (1952 Acta. Crystollograph. 5 581). Thật vậy, các hàm Bessel nằm ngay trung tâm của phân tích đó.
Niềm tin thứ ba là các nhà sinh học sẽ không bao giờ đọc các bài báo khoa học chứa các công thức toán học. Như Don Roy Forsdyke, một nhà hóa sinh tại trường Đại học Queen ở Ontario, Canada, có lần bảo tôi, “Tư liệu sinh học thật vô bờ bến. Các nhà sinh học có quá nhiều báo để đọc và quá nhiều thí nghiệm để thực hiện. Họ sẽ gác qua một bên mọi bài viết trông khó khăn”. Nếu điều này đúng, và tôi nghĩ nó đúng, thì các nhà vật lí đang gặp rắc rối to rồi.
Điều này đưa chúng ta thẳng đến niềm tin kế tiếp, cho rằng nhà vật lí không thể nào công bố một bài báo lí thuyết quan trọng trên một tập san sinh học. Các nhà lí thuyết cần các phép đạo hàm toán học để chứng minh kết quả tìm kiếm của họ, nhưng bất kì bài báo nào có chứa đạo hàm sẽ bị từ chối. Nếu khi ấy bạn công bố bài báo trên một tập san vật lí, thì nó sẽ không được đọc bởi những người mà nó nhắm tới. Thật ra, những bài báo hay thuộc loại đó thỉnh thoảng vẫn được công bố và đọc, nhưng đây vẫn là một vấn đề khó khăn.
Cuộc cách mạng ADN
Các nhà vật lí muốn đơn giản hóa và thống nhất mọi thứ, càng nhiều càng tốt, trong khi các nhà sinh học thì phản đối phương pháp giản hóa luận và vui vẻ với sự đa dạng hóa và phức tạp. Cho nên, niềm tin thứ năm của nhà sinh học là các nhà vật lí quá dốt nát về tính đa dạng để mang lại cho chúng bất cứ thứ gì có ý nghĩa. Các nhà sinh học thừa nhận rằng nhà vật lí có thể mang lại, nói ví dụ, một kĩ thuật quang phổ mới hay các thiết bị đo lường lực, nhưng đó là vì họ không không hiểu tính đa dạng. Theo quan điểm của họ, sinh học chẳng có gì là chuyên nghiệp cả.
Niềm tin cuối cùng là các nhà sinh học nghĩ rằng các nhà vật lí đã thực hiện một đột phá to lớn – giải thích cấu trúc và chức năng của ADN – nhưng một cuộc cách mạng tương tự không có khả năng xảy ra lần nữa. Tuy nhiên, vấn đề then chốt là khám phá đó là sự “pha trộn” giữa Watson (một nhà sinh học) và Crick (một nhà vật lí), giúp họ tìm ra một ngôn ngữ chung và mang lại ý tưởng nhân bản ADN và các nguyên tắc sau đó của sinh học phân tử.
Tôi tin rằng chúng ta có thể trông đợi vào những đột phá khác thuộc loại này bởi vì vật lí học và toán học đã có một lịch sử cách mạng lâu dài không chỉ trong khoa học mà còn trong cuộc sống của chúng ta nữa.
Những sự hợp tác đầy ý nghĩa
Bất chấp tất cả những điều này, cảm giác của tôi là các nhà vật lí và nhà sinh học đang ngày càng hiểu nhau hơn. Ví dụ, hồi tháng rồi, cùng với Parsegian và Wilma Olson ở trường Đại học Rutgers, người là cựu chủ tịch Hội Sinh lí học, tôi đã tổ chức một cuộc hội thảo chủ đề “Từ nền vật lí được truyền cảm hứng bởi ADN đến nền sinh học được truyền cảm hứng bởi vật lí”. Có chừng 140 nhà nghiên cứu tham dự, cuộc hội thảo tổ chức tại Trung tâm Vật lí Lí thuyết quốc tế (ICTP), ở Trieste, Italy, được ICTP bảo trợ và Wellcome Trust đồng bảo trợ. Nhưng hội thảo ấy không chỉ dành các nhà vật lí có hứng thú với sinh học. Nó còn nhắm tới các nhà sinh học hứng thú với việc học hỏi những cái do các phương pháp vật lí mới và kiến thức hiện có có thể mang lại cho họ, đồng thời còn xác định cho các nhà vật lí những vấn đề mà nhà sinh học nghĩ rằng có thể thu lợi từ dữ liệu vào từ phía vật lí học.
Hội thảo có hơn 60 bài tham luận – chứng minh cho sự tác động lẫn nhau giữa vật lí học và sinh học – về mọi thứ từ cơ chế, cấu trúc, tương tác và sự kết tập ADN cho đến sự thu gọn ADN ở virus, tương tác ADN-protein và sự nhận dạng, ADN bị giam giữ (các lỗ và túi) và ADN thông minh (rô-bôt, kiến trúc nano, công tắc, bộ cảm biến và điện tử học ADN). Thông tin cụ thể các bạn có thể tìm đọc online.
Trích dẫn câu nói nổi tiếng của Rutherford rằng có vật lí học thì mọi thứ khác thuộc khoa học chỉ là trò sưu tập tem, Paul Selvin, một nhà vật lí tại trường Đại học Illinois, mới đây phát biểu rằng nếu như Rutherford còn sống cho đến ngày nay, ông ta sẽ phải nói rằng “mọi khoa học hoặc là sinh học, hoặc là công cụ sáng tạo cho sinh học, hoặc là chẳng đáng đồng tiền bát gạo”. Ngày nay, nói chung, sự kiêu ngạo hiếm gặp trên gương mặt của các nhà vật lí. Nhưng để vượt qua rào cản của chủ nghĩa hoài nghi, các nhà vật lí cần phải chứng minh (hay, tốt hơn nữa, truyền cảm hứng cho các nhà sinh học chứng minh) rằng sự hiểu biết sâu sắc từ vật lí học không chi áp dụng cho các hệ mô hình trong phòng thí nghiệm mà còn áp dụng tốt bên trong thế giới thật của tế bào.
Crick không những có trí tuệ lớn và rất nghiêm túc với sinh học, mà ông còn may mắn gặp được người hợp tác đúng lúc là Watson. Nhiều người trong chúng ta đang tìm cách thực hiện công việc quan trọng thuộc về sinh học sẽ không thể nào thực hiện công việc ấy một mình trừ khi chúng ta tìm sự được sự hưởng ứng thích hợp. Tương lai thật triển vọng – và những cuộc gặp như hội thảo tổ chức ở Trieste hồi tháng rồi có lẽ sẽ tạo ra sự khác biệt. Như nhà vật lí Cambridge, Stephen Hawking, có lần nói, “Những khám phá vĩ đại nhất của thế kỉ 21 sẽ xuất hiện ở nơi chúng ta chẳng ngờ đến”. Tương tự, tôi thật sự bị thuyết phục rằng những bất ngờ và khám phá lớn trong sinh học sẽ bắt nguồn từ vật lí học.
Tác giả Alexei Kornyshev là nhà lí thuyết vật chất hóa đặc tại trường Imperial College London, đang nghiên cứu ở ranh giới của vật lí học, hóa học và sinh học.
(theo Physics World, tháng 7/2009)
Hình Kèm Theo
Id: dtntdateh012
Pass: dtntdateh
