Đọc "The 5th miracle" (*)
của Paul Davies

Trương Văn Tân

"Con người đến từ đâu?" hay "Sự sống là gì?" là những câu hỏi đơn giản nhưng hơn 2.000 năm qua nó đã làm cho người ta băn khoăn và nỗ lực tìm lời giải đáp. Những câu hỏi đó khơi gợi lên nhiều cảm xúc sâu xa đi vào tâm linh con người. Từ lâu, con người đã biết "Tôi tư duy nên tôi hiện hữu" nhưng không tìm được câu trả lời về nguồn gốc hiện hữu của mình. Đối với những người không dễ dàng tin vào sự an bài cho rằng Thượng Đế tạo ra muôn loài, thì hành trình tìm kiếm nguồn gốc sự hiện hữu của mọi sinh linh trên quả đất dù khó khăn nhưng càng lúc càng sôi động theo các bước tiến khoa học. Nếu ta xuất phát từ một thắc mắc rằng: một tảng đá và các tồn tại sống như động thực vật kể cả con người có các nguyên tố cấu tạo (ôxy, hydro, nitơ, cacbon, phospho, lưu huỳnh, kim loại v.v…) giống nhau, thì tại sao tồn tại sống là vật có khả năng chuyển hóa (metabolism) để sống còn và khả năng sinh sôi nẩy nở để duy trì nòi giống? Ở con người, sản phẩm đỉnh cao của sự sống, những hành động hay biểu cảm như chạy, nhảy, đi, đứng, cười, nói, la, hét, suy tư, hỉ, nộ, ái, ố, tham, sân, si… xuất hiện. Con người "hữu tình" hoàn toàn khác biệt với tảng đá "trơ" (non-living) dù rằng giống nhau ở yếu tố cấu tạo. Những sách giáo khoa sinh học dạy rằng sự sống xuất hiện trên quả đất đã nhiều tỷ năm nhưng không dạy sự sống được bắt đầu ra sao. Đơn giản là chúng ta chưa có câu trả lời cho câu hỏi này.

Nếu nguồn gốc của sự sống không phải từ phép mầu của Thượng Đế thì nguồn gốc này hẳn chứa nhiều việc rất kỳ bí mà trong nhiều năm qua đã có rất nhiều nhà khoa học bao gồm sinh học, hóa học, vật lý, toán học thậm chí thiên văn học đổ xô vào nhiều công trình nghiên cứu để truy tìm câu trả lời. Các thành quả nghiên cứu nay đã có câu trả lời dứt khoát, hay đang tiến gần đến câu trả lời, hay vẫn còn mù mịt chưa có lời giải đáp. Trong sự tò mò tìm câu trả lời, tôi đọc quyển "The 5th miracle: The search for the origin and meaning of life" (Phép mầu thứ 5: Truy tìm nguồn gốc và ý nghĩa của sự sống) của tác giả Paul Davies.

Giáo sư Paul Davies là nhà vật lý lý thuyết và vật lý thiên văn đã từng giảng dạy tại Anh (Đại học Cambridge) và Úc (Đại học Adelaide, Đại học Macquarie). Ông được biết đến cho những công trình nghiên cứu về hiện tượng hấp dẫn lượng tử. Ngoài ra, ông viết hơn 20 quyển sách về khoa học đại chúng. Ông là một trong những tác giả hiếm hoi hàng đầu trên thế giới về bộ môn này.

Đặc tính của tồn tại sống và định luật thứ hai

Trong cuộc truy tìm nguồn gốc và ý nghĩa của sự sống, tác giả Davies tiếp cận vấn đề từ góc nhìn vật lý và đưa ra những đặc tính của vật thể/tồn tại/cơ cấu sống để phân biệt với vật thể "trơ". "Tự quản" (autonomy) là một đặc tính trung tâm của các tồn tại sống. Từ đặc tính "tự quản", tồn tại sống mới có khả năng "sinh sản" tự sao chép bản thân tạo ra thế hệ kế tiếp và "chuyển hóa" (metabolism) bằng cách biến các quy trình hóa học phóng thích và sử dụng năng lượng cho việc tự nuôi dưỡng, di động, sinh sản và xây dựng bản thân.

Khác với vật thể "trơ" từ một mớ hỗn độn của các phân tử, hay nhiều lắm là các tinh thể khoáng chất có trật tự thô sơ được hình thành theo những quy luật vật lý đã biết, tồn tại sống có quá trình xây dựng bản thân bằng một trật tự cực kỳ tinh vi với sự sắp xếp "từ dưới lên", từ các phân tử sinh học (protein), tế bào, mô có chức năng nhất định ở mức vi mô đến hình hài của các động thực vật ở mức vĩ mô tuyệt đối theo mệnh lệnh của thông tin di truyền. Điều này giống một đống gạch đá bừa bãi tự thân đã dựng lên một tòa lâu đài kỳ vĩ với những căn phòng được trang trí diễm lệ và có đầy đủ chức năng. Theo nhà sinh vật Monod [1], những hoạt động "tự quản" hoàn toàn tự chủ, tự phát có định hướng nội tại trong một quy trình chính xác, chặt chẽ và "độc lập tự do" trước những tác nhân ngoại tại. Hạt cát, tảng đá, hòn núi không có những đặc tính này. Trật tự tinh vi của cơ cấu động thực vật là kết quả của một quá trình phát triển kỳ diệu của tồn tại sống mà từ vài ngàn năm trước con người đã nhận thức và ngưỡng mộ dù mơ hồ. Nhưng động lực và quy luật nào đã dẫn đến sự tự quản, khả năng sinh sản, và các quy trình chuyển hoá của tồn tại sống. Cho đến thời điểm hiện tại, không ai biết.

Khi nghiên cứu khoa học xuất hiện và khi con người biết chế tác các loại kính hiển vi để nhìn vào các cấu trúc nhỏ, trật tự vi mô của vật thể sống đã mang đến nhiều sự kinh ngạc. Ta chỉ có thể kết luận rằng tồn tại sống là vật thể kỳ lạ. Trước sự kỳ lạ này tác giả Davies đặt ra một câu hỏi: việc xây dựng và phát triển của các tồn tại sống - từ điểm xuất phát hỗn độn của các phân tử tiến đến một cấu trúc có độ trật tự cực kỳ chính xác - phải chăng là một điều nghịch lý theo quan điểm nhiệt động học? Định luật thứ hai nhiệt động học cho rằng trong một hệ thống cô lập sự hỗn độn (entropy) gia tăng. Nó là định luật cơ bản của thiên nhiên không có gì có thể đi ngược lại. Khi đề cập đến sự quan trọng của định luật thứ hai, nhà vật lý học người Anh Arthur Eddington không một chút khách khí phát biểu dứt khoát rằng, "Nếu lý thuyết của bạn đi ngược lại định luật thứ hai của nhiệt động học, tôi chỉ có thể cho bạn sự vô vọng; nó không là gì cả và sẽ sụp đổ trong sự sỉ nhục tột cùng". Như vậy, việc xây dựng và phát triển của các tồn tại sống với một trật tự vô cùng chính xác có phải là một nghịch lý của định luật thứ hai? Điều này không thể. Có một thời kỳ khi đứng trước cấu trúc toàn bích của tồn tại sống, các nhà khoa học tiền bối như Helmholtz, Eddington, thậm chí Schrödinger, nghi ngờ rằng định luật thứ hai không thể áp dụng vào hệ thống sinh học. Tác giả Davies qua nhiều thí dụ của các quy trình sinh học chứng minh rằng các tồn tại sống là một hệ thống không cô lập mà là hệ thống mở liên thông với môi trường xung quanh và luôn luôn tuân thủ theo định luật thứ hai. Như vậy, các tồn tại sống đã vượt qua và đáp ứng yêu cầu của cửa ải vật lý khó khăn này. Nhưng điều này không có nghĩa định luật thứ hai có thể giải thích về nguồn gốc sự sống. Nó hoàn toàn bất lực. Nó chỉ thiết lập chuẩn mực về sự hỗn độn và trật tự. Mà ở đây, chúng ta đang truy tìm nguồn cội làm nổ ra trật tự đó.

Thí nghiệm Miller - Urey

Trong một thời gian dài hàng ngàn năm, con người từng mang niềm tin cho rằng sự sống đã xuất hiện một cách tự phát. Đến năm 1862, Louis Pasteur phá vỡ niềm tin này bằng một loạt thí nghiệm chứng tỏ rằng chỉ có vật sống mới có thể sinh ra vật sống; vật trơ (sterile) mãi mãi là vật trơ (trang 83). Cùng thời, Darwin xuất bản quyển sách lừng danh "Nguồn gốc các loài". Dù Darwin loại trừ sự hiện diện của Thượng Đế trong quá trình tiến hóa bởi sự chọn lọc tự nhiên, nhưng ông không có lời giải thích cho biết tồn tại sống đầu tiên đã xuất hiện như thế nào.

Qua nhiều năm tháng, việc truy tìm nguồn gốc của tồn tại sống từ những thực thể trơ không những không nguôi ngoai mà càng gay gắt. Năm 1952, cậu học trò Stanley Miller là nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của giáo sư Harold Urey nảy ra ý định tổng hợp axit amin, một hợp chất hóa học dẫn đến việc thành hình phân tử sinh học protein, mô phỏng theo các điều kiện của quả đất nguyên thủy. Miller cho vào hệ thống thực nghiệm các loại khí hydro (H₂), ammonia (NH₃), mêtan (CH₄), hơi nước mà Miller nghĩ rằng dồi dào trong khí quyển quả đất 3,8 tỷ năm trước. Sau đó, một tia lửa được kích hoạt trong hệ thống phản ứng mô phỏng ánh sáng mặt trời và tia sét. Một tuần sau, Miller tìm thấy nhiều hợp chất hữu cơ trong đó có axit amin trong dung dịch phản ứng. Miller và Urey hy vọng những hợp chất này tương tự như "súp" nguyên thủy mà từ đó sự sống được thành hình. Những năm sau đó, người ta lập lại thí nghiệm với các nguồn năng lượng khác nhau như đèn tử ngoại hay nhiệt để thay cho tia lửa. Hóa ra, thí nghiệm tổng hợp axit amin dễ như trở bàn tay.

Như vậy, phải chăng từ vài hợp chất đơn giản cộng với năng lượng, con người có thể tạo ra sự sống từ ống nghiệm? Tuy nhiên, niềm vui này đến quá sớm. Theo thời gian, hào quang của thí nghiệm Miller – Urey từ từ tan biến. Những dữ liệu địa chất cho thấy ammonia và mêtan không phải là loại khí dồi dào trong bầu khí quyển của quả đất ban sơ như Miller đã ức đoán. Khí hydro là loại khí nhẹ, chúng nhanh chóng bay đi trước khi phản ứng xảy ra. Nhưng dù cho axit amin có trữ lượng dồi dào, sự kết hợp của các đơn vị axit để tạo thành protein, một phân tử sinh học chính yếu, là một hành trình vô cùng gian nan như sẽ được đề cập ở phần sau. Một đặc điểm quan trọng khác là các axit amin được tổng hợp nhân tạo trong ống nghiệm cho thấy có hai dạng trái (như bàn tay trái) và phải (như bàn tay phải) (Hình 1). Axit amin dạng trái hay dạng phải đều có hóa tính giống nhau nhưng sắp xếp hình học 3 chiều khác nhau. Bàn tay trái không thể mang găng tay phải và ngược lại. Axit amin thiên nhiên trong tồn tại sống chỉ hiện hữu ở dạng trái. Chưa ai biết tại sao, nhưng đặc tính hình học rất quan trọng trong việc thành hình phân tử protein.

Hình 1: Axit amin ở dạng trái và phải. (Nguồn: Google)

"Phần cứng" và "phần mềm"

Ba thập niên vừa qua, cộng đồng khoa học đã bỏ nhiều công sức vào các công trình nghiên cứu về công nghệ nano chế tạo nhiều loại vật liệu và thiết bị nano. Thật ra, công nghệ nano đã xuất hiện trong thiên nhiên từ nhiều tỷ năm ở các thực thể động thực vât. Tác giả Davies ví tế bào như chiếc máy nano. Chiếc máy này có đầy đủ công cụ như kéo, kẹp, máy bơm, ống dẫn, van, dây xích, mô-tô và hành xử như một nhà máy sản xuất đồ vật. Như chiếc máy tính, tế bào được thành hình bởi "phần cứng" lẫn "phần mềm". "Phần cứng" máy tính là cái vỏ bọc, bàn phím, màn hình, linh kiện điện tử được làm bởi chật liệu plastic, kim loại, thủy tinh và "phần mềm" là các lập trình điều khiển được cài trong con chip và bộ nhớ. Sự kết hợp giữa "phần cứng" và "phần mềm" làm cho máy tính hoạt động.

Trong tồn tại sống, "phần cứng" là phân tử protein. Chúng là vật liệu có chức năng xây dựng (collagen trong xương, sụn, gân, da), xúc tác (enzym), chuyển tải (sắc tố đỏ trong máu), nội tiết tố (hormone), màng tế bào, dự trữ, miễn dịch, kháng thể. Tồn tại sống cần vài triệu protein khác nhau để có những chức năng này. Màng tế bào là "phần cứng" tế bào từ protein giống như cái vỏ plastic của chiếc máy tính. "Phần mềm" trong tế bào là phân tử DNA chứa các mã di truyền (gen). DNA là phân tử sinh học, hay nói đúng hơn là pôlime (cao phân tử) sinh học, mang các mã di truyền. Các phân tử sinh học như protein hay DNA cũng "trơ" như các phân tử thông thường khác. Chúng không phải là tồn tại sống. Như chiếc máy tính, khi "phần mềm" DNA ở trong "phần cứng" tế bào thì những hoạt động "sống" xuất hiện. Tế bào chứa DNA là chiếc máy nano tự thân hoạt động.

Mã di truyền là nhóm hóa học có gốc bazơ trong phân tử DNA; có bốn gốc bazơ: adenine (A), guanine (G), cytosine (C) và thymine (T). Phân tử DNA là pôlime kép có hình dạng chiếc thang xoắn mà các thanh ngang là hai gốc bazơ nối liền, đơn vị của mã di truyền (Hình 2). DNA rất dài chứa vài mươi triệu chiếc thanh ngang. Mã di truyền biểu hiện đặc điểm về màu sắc, tính chất, vóc dáng, bệnh tật v.v... của tồn tại sống. Chúng là những khúc đoạn dài ngắn khác nhau của phân tử DNA chứa những trình tự các bazơ A/G/T/C và mã đại diện cho các axit amin (có 20 loại axit amin) để tạo ra các loại phân tử protein cần thiết cho vật thể sống. Trong "phần mềm" tin học người ta dùng ngôn ngữ nhị phân 0/1 để số hóa mọi thông tin. Mã di truyền trong DNA đã được "số hóa" bằng ngôn ngữ "tứ phân" A/G/T/C của bốn gốc bazơ. Tàng trữ thông tin bằng mã di truyền là một đặc tính của sự sống. Không những chỉ được tàng trữ, mã di truyền còn được sao chép, truyền tải và kế tục cho thế hệ sau.

Hình 2: Phân tử DNA có cấu trúc chiếc thang xoắn
hình thành bởi pôlime kép được nối bởi những cặp gốc bazơ.
(Nguồn: Google)

DNA và protein là cặp bài trùng cho sự sống. DNA như một người chỉ đạo, khi cần thiết sẽ phát lệnh cho tế bào "Làm protein!". Để thực hiện việc này DNA cần trợ tá là phân tử mRNA (m = messenger, người đưa tin). Phân tử mRNA tiếp nhận các mã đại diện cho axit amin từ DNA và đưa tin đến phân tử tRMA (t = transfer, thuyên chuyển). Một phân tử tRMA mang trên "vai" một phân tử axit amin thực hiện đúng như mệnh lệnh của DNA và hành xử như chiếc xe tải đi vào "nhà máy" (phân tử ribosome) rồi dỡ hàng (axit amin). Đoàn xe tRMA cứ thế nối tiếp nhau dỡ hàng những axit amin khác nhau; chúng lần lượt nối kết vào nhau theo một thứ tự trong nhà máy ribosome để tạo nên phân tử protein khổng lồ có chức năng định trước. Có hàng ngàn "nhà máy" ribosome trong tế bào sản xuất hàng chục ngàn protein khác nhau (trang 107).

Đọc đến đây tôi hoang mang không hiểu nhân tố nào kích động DNA phát lệnh cho tế bào để có một quá trình chế tạo protein theo một trật tự xảy ra trong một đám đông hỗn loạn tRNA mang 20 loại axit amin khác nhau để tạo nên một sản phẩm có chức năng định trước. Ngoài ra, sự kết hợp của axit amin tạo thành protein không những từ phản ứng hóa học mà còn tùy vào sự ráp nối theo hình dạng của phân tử axit amin. Như chìa khóa và lỗ khóa, chúng chỉ ráp vào nhau khi có hình dạng tương thích. Nếu axit amin là hỗn hợp có hai dạng trái và phải (Hình 1) thì quá trình ráp nối sẽ cực kỳ hỗn loạn và sự sống không bao giờ xuất hiện. Axit amin thiên nhiên vì vậy chỉ có duy nhất dạng trái. Có phải chăng đây chỉ là sự ngẫu nhiên phát sinh từ sự cần thiết của tồn tại sống hay có những yếu tố khác? Tác giả Davies tin rằng, ngoài sự ngẫu nhiên và cần thiết, ta cần phải có yếu tố thứ ba. Mà yếu tố thứ ba đó là gì? Tác giả e dè không diễn tả mà chỉ để độc giả suy luận.

Nghịch lý "con gà và quả trứng"

Sự sống chỉ xuất hiện khi có "phần mềm" DNA và "phần cứng" tế bào. Đây là một tiền đề. "Phần mềm" DNA chỉ là vật thể không sống, vô dụng nếu không có "phần cứng" tế bào bao bọc và cho những tiện nghi. Ngược lại, tế bào chỉ là cái vỏ không hồn nếu không có DNA. Nếu mang sự so sánh tế bào chứa DNA với chiếc máy tính có "phần cứng" và "phần mềm" đi ngược thời gian đến thuở ban sơ 3,8 tỷ năm trước để tìm nguồn gốc của sự sống thì một câu hỏi nảy sinh: cái nào xuất hiện trước, "phần cứng" tế bào hay "phần mềm" DNA? Chúng ta đi vào luẩn quẩn của "con gà và quả trứng".

Tiếp tục với ý tưởng mô phỏng địa cầu thuở ban sơ của Miller – Urey, một số nhà khoa học đã đưa ra nhiều giả thuyết và thực hiện một số thí nghiệm. Một trường phái cho rằng phân tử RNA xuất hiện trước vì có thể làm cả hai việc vừa mang mã di truyền vừa "đeo" theo mình axit amin tạo ra protein. Trường phái khác chứng minh ngược lại là protein phải xuất hiện trước. Trường phái thứ ba bởi Cairns-Smith đi xa hơn cho rằng cái đầu tiên không phải RNA/DNA mà cũng không phải protein. Phân tử RNA/DNA chẳng qua là nơi tàng trữ mã di truyền. Như vậy, nơi tàng trữ không nhất thiết phải là một dạng đặc thù hóa học như phân tử RNA/DNA, việc này cũng như thông tin vi tính ngày nay có thể chứa trong băng từ tính, đĩa mềm, đĩa cứng hay USB. Theo Cairns-Smith, vật chất mang khả năng tàng trữ mã di truyền có thể là tinh thể đất sét (clay) đầy trên vỏ địa cầu. Tinh thể này bền chắc, không mong manh như RNA/DNA. Đất sét cũng được biết là một chất xúc tác tốt trong nhiều phản ứng hóa học. Nhờ đặc tính xúc tác, tinh thể đất sét chứa mã di truyền có thể chuyển thành phân tử hữu cơ từ đó tạo thành đơn bào thô sơ. Đây là một giả thuyết thông minh nhưng không có thí nghiêm thực chứng. Có thể Cairns-Smith đã làm thí nghiệm nhưng không ra kết quả, đành chọn sự im lìm.

Điều này cho thấy các nhà hóa học trong nhiều năm đã nỗ lực tìm kiếm sự sống từ ống nghiệm nhưng cuối cùng vẫn loanh quanh trong lẩn quẩn "gà và trứng". Giống như "big bang" của vũ trụ, sự ra đời của tồn tại sống đầu tiên vẫn là điều kỳ bí. Chỉ cần một tồn tại sống đầu tiên xuất hiện thì quá trình tiến hóa của Darwin vào cuộc. Tất cả mọi thứ sau đó sẽ xuôi buồm thuận gió. Ta chỉ cần một cơ cấu khiêm tốn vừa đủ độ phức tạp (complexity) để kích hoạt tiến hóa Darwin. Nhưng làm sao để có cơ cấu khiêm tốn đầu tiên? Khi nghe câu hỏi này, các nhà khoa học thường vò đầu rồi thì thầm như niệm chú, trả lời, "Chỉ là sự ngẫu nhiên mà thôi". Tác giả Davies không bằng lòng với sự ngẫu nhiên mà phải là một yếu tố khác, "Có gì khác hơn hay chỉ là ngẫu nhiên?".

Hỗn độn và chất lượng

Trong vị trí của một nhà vật lý, tác giả Davies quan sát tồn tại sống không chỉ trong phạm vi vật lý cổ điển như nhiệt động học mà còn vươn tới ngành tin học của thế kỷ 20 nơi mà thông tin đã được số hóa. Như đã đề cập, trong tin học người ta dùng ngôn ngữ nhị phân 0/1, phân tử DNA có ngôn ngữ "tứ phân" là bốn gốc bazơ. Nếu cách sắp xếp trình tự số 0 hay số 1 trong lập trình tin học hay bốn gốc bazơ A/T/G/C trong DNA càng nhiều thì máy tính hay DNA càng tàng trữ được nhiều thông tin, thao tác càng linh hoạt. Nói cách khác, theo tác giả Davies, một sắp xếp có trật tự như 0101010101 rất nhàm chán (trang 116) vì chỉ đại diện cho một thông tin, nhưng nếu ta đặt những số 0 và số 1 một cách hỗn độn (random) vô cùng không trật tự thì ta có càng nhiều thông tin. Thí dụ dãy số 0101010101 có 10 con số tạo thành từ số 0 và 1. Nếu ta sắp xếp 0 và 1 một cách hỗn độn ta sẽ có 1024 dãy số khác nhau. Dãy 0101010101 chỉ là một trong 1024 dãy số đó.

DNA cần chứa nhiều thông tin cho việc sản xuất các loại protein nhằm duy trì sự tinh vi và phức tạp của tồn tại sống để đáp ứng nhu cầu tự quản, sinh tồn và thích ứng. Mà để có rất nhiều thông tin, sự sắp xếp trình tự của bốn gốc bazơ A/T/G/C trong DNA càng phải cực kỳ hỗn độn. DNA sẽ có nhiều thông tin về số lượng, nhưng tồn tại sống cần nhiều thông tin về chất lượng để đáp ứng các nhu cầu khác nhau. Điều oái oăm là số lượng cao không bảo đảm chất lượng cao. Sự hỗn độn có thể chỉ tạo ra phần lớn thông tin rác. Chúng ta đứng trước một nghịch lý: cần hỗn độn để có nhiều thông tin chất lượng! Hỗn độn và chất lượng là hai yếu tố đối kháng mà tác giả Davies ví như ta đổ xuống sàn nhà những hạt đậu thành mẫu hình có sự sắp xếp định trước. Không có một quy luật khoa học nào có thể chấp nhận được điều này.

Nhưng trên thực tế DNA của muôn loài sinh linh chứa rất nhiều thông tin di truyền chất lượng và trải qua hàng tỷ năm vẫn tiếp tục tiến hóa. Vì không có một quy luật khoa học nào khả dĩ lý giải, tác giả Davies đưa ra một đề nghị táo bạo là DNA phải chăng là một vật thể của phép mầu (trang 120)! Ông vô tình hay cố ý quay lưng trước tư duy khoa học đưa ra một ý tưởng phảng phất lập luận "thiết kế thông minh" của phe "Sáng thế" [2].

Suy nghĩ của tác giả Davies

Nhiều nhà khoa học đương đại kể cả Monod [1] nghĩ rằng sự sống xuất hiện là hoàn toàn ngẫu nhiên, là định mệnh tình cờ như trúng lớn số độc đắc của trò chơi xổ số vũ trụ. Tác giả Davies có quan điểm ngược lại, vì tồn tại sống có sự tổ chức cấu trúc quá phức tạp và trật tự, chúng không thể là kết quả của sự tự phát ngẫu nhiên (trang 251). Ngoài ra ông cho rằng khái niệm về sự sống phải được khởi đầu từ những dạng thức hóa học và phản ứng hóa học để tạo ra thực thể sinh học có khả năng tự quản, sinh trưởng và tiến hóa là một suy luận đáng ngờ. Một mạng lưới hỗn độn của nhiều phản ứng hóa học khó có thể tạo ra sự sống. Protein là một phân tử được tạo thành bằng 20 loại axit amin khác nhau. Một phân tử protein nhỏ chứa khoảng 100 axit amin. Việc sắp xếp 100 axit amin từ 20 loại khác nhau là con số thiên hà. Ta sẽ có 10¹³⁰ cách sắp xếp (sau số 1 là 130 con số zero) hay 10¹³⁰ protein khác nhau [3], nhưng chỉ có một số nhỏ protein trong con số vô cùng to lớn này có chức năng sinh học hữu dụng cho tồn tại sống (trang 91). "Chức năng" được hiểu trong ngôn ngữ của tác giả Davies là "đặc thù" (specific). Tồn tại sống không những "tự quản" mà còn phải "đặc thù" có mục đích hoạt động hiểu theo Monod là "teleonomy", một từ đã được dịch ra tiếng Việt là "hướng đích" [1]. Để có một vài protein hữu dụng từ con số khổng lồ 10¹³⁰ hầu như bất khả thi nếu hiểu theo các quy luật khoa học. Xác suất xảy ra là vô cùng, vô cùng nhỏ. Nhưng đây chỉ nói đến một phân tử nhỏ protein.

Một tồn tại sống như con người có hàng triệu protein các loại, một loại có một chức năng đặc thù. Để phục vụ nhu cầu này, 20 loại axit amin có vô số cách sắp xếp để tạo ra protein theo yêu cầu. Theo sự tính toán của tác giả Davies thì có 10⁴⁰⁰⁰⁰ (sau số 1 là 40.000 con số zero) cách sắp xếp. Một con số khổng lồ chưa từng được biết đến. Nếu viết ra con số ta cần 20 trang giấy A4. Xác suất để tổng hợp được một protein đặc thù là 1 trên 10⁴⁰⁰⁰⁰. Một xác suất cực kỳ nhỏ, nhỏ đến mức giống như có một cơn gió lốc thổi qua nhà máy làm máy bay thổi tung các thứ linh kiện rồi chúng tự động ráp thành chiếc Boeing 747 bay vì vèo (trang 95). Nhưng tồn tại sống đã thực hiện được điều kỳ diệu này, vượt qua và đối lập mãnh liệt với những cảm nhận thường thức. Từ kịch bản này, tác giả Davies có lý do không tin vào hóa học như là cơ sở cho nguồn gốc sự sống và thêm một lần nữa ông gợi ý rằng phải có một tác nhân đứng trên mọi quy luật khoa học và can dự vào các hoạt động của tồn tại sống. Tác nhân đó là gì?

Trong toàn thể quyển sách, tác giả Davies rất thành công khi dùng định luật thứ hai và các nguyên lý chuyển hoán năng lượng (energy transformation) của nhiệt động học để lý giải tận tường các hoạt động của tồn tại sống như "phát triển", "sinh trưởng" và "chuyển hóa". Nhưng khi đứng trước điểm khởi đầu của sự sống ông không có một quy luật nào như một công cụ để diễn giải. Ông không phải người đầu tiên đứng trước bế tắc vì một lý do đơn giản: quy luật vật lý bất lực với sinh học. Hay nói như Einstein, "Ta có thể cảm nhận một cách tốt nhất rằng khi đề cập đến những vật có sự sống, vật lý học vẫn còn rất sơ khai". Bế tắc này là kẽ hở của hệ thống tri thức về sinh học. Kẽ hở đó là điều chưa giải thích được hay là điều bí ẩn kỳ diệu, hay chỉ đơn giản là "Trời sanh" nói theo kiểu bình dân ngắn gọn của người miền Tây Nam bộ. Vô hình trung, lập luận của tác giả Davies lọt vào cái bẫy "God of the gaps" (Thượng Đế của những kẽ hở). Thượng Đế tồn tại ở những kẽ hở sâu thẳm đó cho đến khi được ngọn đèn khoa học thắp sáng nhưng cũng có khả năng không bao giờ có ánh sáng khoa học vươn tới.

Trước những kẽ hở, tác giả Davies không bao giờ sử dụng những từ như "Thượng Đế" hay "Đấng Sáng tạo". Dường như ông rất ngần ngại chấp bút viết các từ này vào sách. Là một nhà khoa học, trước những bí ẩn của thiên nhiên ông khởi đầu ở Chương 1 với một tiền đề rằng, "Công việc của khoa học là giải quyết những bí ẩn mà không cần nhờ đến sự can thiệp của thần linh. Chỉ vì các nhà khoa học vẫn chưa biết đích xác sự sống khởi đầu ra sao không có nghĩa sự sống không thể có một nguồn gốc tự nhiên" (trang 31). Nhưng càng đi sâu vào sự truy tìm nguồn gốc của sự sống ở những chương sau, lý luận của tác giả Davies bị lung lạc "chân trong chân ngoài" ở đường ranh "Sáng thế" và "Khoa học". Trước điều chưa giải thích được bằng khoa học, nếu không phải là phép mầu thì ông cho rằng đó là những sự kiện đầy bí ẩn. Ông thuộc phe "Khoa học" ở bên này đường ranh, nhưng khi ông đứng khựng trước sự kiện sinh học không thể giải thích được bằng các quy luật vật lý thì ông tự mâu thuẩn, duy tâm tin rằng, "chúng ta đang thiếu vắng một thứ gì rất cơ bản của toàn thể vấn đề" (trang 17) hoặc "nếu không có một tác nhân từ ngoài", hoặc "nếu không có một nhà tổng hợp hóa học điêu luyện" (trang 92, trang 131). Một thứ gì rất cơ bản, một tác nhân từ ngoài, một nhà tổng hợp hóa học điêu luyện để giúp thiên nhiên, chúng là ai? Có thể ông nghĩ đến Thượng Đế nhưng ông đùn đẩy câu trả lời đến độc giả. Nhưng cũng có thể ông không muốn thiên hạ nhìn ông như là một người mang niềm tin "Sáng thế", ông hòa hoãn cho rằng khoa học cần một lý thuyết toàn diện thỏa mãn cho việc lý giải nguồn gốc của sự sống bao gồm cả các tri thức hiện có và "những ý tưởng mới và triệt để".

Tác giả Davies là một nhà khoa học uyên bác, ông tự nhận sinh học không phải là chuyên ngành của ông nhưng việc tìm hiểu cặn kẽ về sinh học trong nhiều năm để viết nên quyển sách là một điều đáng được trân trọng. Tuy nhiên, ông trích dẫn nhưng không giải thích những ý kiến trái chiều, ông hay lan man dông dài về một vấn đề khiến người đọc không nắm bắt được hướng chính của việc đang nghị luận và cũng không biết ông đang đứng ở vị trí nào. Ở chương cuối quyển sách với tựa đề, "A bio-friendly universe?" (Một vũ trụ thân thiện sinh học?), ông đã hé lộ đôi điều suy nghĩ của mình về nguồn gốc và ý nghĩa của sự sống như một tổng kết cho quyển sách. Ông không tin hóa học là nền tảng cội nguồn của sự sống. Ông cũng không tin những quy luật vật lý có thể giải thích được "sự sống là gì?".

Phản ứng hóa học trong thí nghiệm Miller- Urey hay những thí nghiệm tiếp theo "con gà và quả trứng" không mô phỏng được những gì đã xảy ra trên quả địa cầu của 3,8 tỷ năm trước. Thí nghiệm Miller – Urey từng tạo nên một không khí vô cùng sôi động kéo dài gần một thập niên trong cộng đồng nghiên cứu khoa học. Việc Miller phát hiện trong ống nghiệm của mình những axit amin từ kết quả phản ứng của các hợp chất vô cơ trong nỗ lực mô phỏng được thứ "súp" hỗn hợp tạo ra tồn tại sống của thuở ban sơ được xem như một kỳ tích. Không ít người lạc quan tếu cao hứng cho rằng vào một ngày đẹp trời nào đó sẽ có những vật thể sống bò ra từ ống nghiệm của Miller. Tiếc thay, bao nhiêu kỳ vọng vào hóa học sụp đổ trong việc truy tìm nguồn gốc vì những kết quả trong ống nghiệm chưa bao giờ cho đúng sản phẩm giống hệt thiên nhiên. Con người bó tay. Bộ môn "Sinh học phân tử" nâng cao tri thức về cấu trúc và hoạt động của các phân tử sinh học như DNA, RNA, protein ở mức vi mô nhưng nó lại cho nhiều câu hỏi hơn trả lời. Quy luật vật lý không thể giải thích được tại sao xác suất 1 trên 10¹³⁰ cho một protein nhỏ, hay 1 trên 10⁴⁰⁰⁰⁰ cho một vật thể sống lại có thể xảy ra để có sự nối kết hóa học tạo ra những protein mang nhiều chức năng hữu ích cho việc kế tục và duy trì sự sống.

Con số 10¹³⁰ hay 10⁴⁰⁰⁰⁰ cho thấy giữa đám hỗn độn của axit amin sẽ có vô số, vô số phản ứng hóa học làm nên protein. Việc này không xảy ra trên thực tế. Thiên nhiên không thích dò dẫm; thiên nhiên lách luật tìm đường tắt. Thực tế là tồn tại sống có đặc tính hướng đích đã "biết" chọn một vài phản ứng để tạo ra protein có chức năng mong muốn. Đặc tính này đến từ đâu? Đã có một số nhà khoa học suy đoán rằng nguyên tử hay phân tử sinh học từ bản chất có khuynh hướng tác động lên nhau để cùng hướng về sự sống (trang 253). Tác giả Davies bác bỏ suy đoán duy tâm này. Vì vậy, theo ông, cái kỳ bí của sự sống không dựa trên nền tảng hóa học mà nằm trong quy luật lô-gic của xử lý thông tin mà ông mơ hồ cho rằng tồn tại sống đã "biết" tận dụng từ thuở hồng hoang (trang 256). Thật sự, tôi nhận thấy tác giả Davies cũng không kém phần duy tâm như các nhà khoa học mà ông phê phán.

Tác giả Davies đã ví tế bào như chiếc máy tính có "phần cứng" và "phần mềm" mà tôi rất tâm đắc. Ông đã tập trung vào "phần mềm" DNA như một điểm nhấn trong biện luận của ông. Xuất phát từ quan điểm này, chúng ta sẽ hiểu tại sao ông phủ nhận vai trò của hóa học bởi lẽ hóa học liên quan đến phản ứng giữa các chất trơ không sống không chết tạo ra sản phẩm vô hồn cũng không sống không chết; trong khi sinh học nói về tồn tại sống không phân biệt kích thước lớn nhỏ nhưng chứa đầy thông tin. Đi sâu vào cốt lõi của vật chất là nguyên tử và phân tử. Đó là những thực thể cơ bản trong vũ trụ được các quy luật vật lý lượng tử mà chúng ta hằng yêu mến miêu tả chính xác việc "đi đứng" của chúng. Nhưng việc "đi đứng" không tạo ra bất kỳ thông tin sinh học nào dù là thông tin rác vô dụng. Các nguyên tử phân tử vốn bình phàm, dễ dàng được diễn tả hoàn toàn bằng ngôn ngữ của vật lý và hóa học, kết hợp lại với nhau thành tế bào. Ngôn ngữ đó lại không giải thích được những hoạt động và hành vi của tồn tại sống kỳ diệu từ các tế bào tạo nên. Dù tác giả Davies có một thái độ dè dặt của một nhà khoa học, tôi cảm thấy trước bế tắc của quy luật khoa học mạch văn của ông bàng bạc xuất hiện hình ảnh của Thượng Đế và đưa người đọc đến rất gần đường ranh phân chia giữa hai hệ phái "Khoa học" và "Sáng thế".

Nhìn tổng quát về việc tìm hiểu sự sống, quyển sách cho thấy quy luật cổ điển chỉ "thắng" được một trận. Đó là sự tuân thủ của tồn tại sống đối với định luật thứ hai. Còn lại là những hiện tượng vượt ra ngoài sự hiểu biết của con người. Chúng ta không hiểu tại sao DNA có thể mang thông tin vừa nhiều vừa chất lượng, protein có chức năng sinh học được tạo thành bằng một phản ứng trong vô vàn phản ứng, và thí nghiệm của các nhà hóa học trong điều kiện mô phỏng của quả đất ban sơ không bao giờ cho đúng kết quả phù hợp với thiên nhiên.

Điều chúng ta có thể tạm hiểu là sự sống không cúi đầu tuân phục trước kiềm chế của những giáo điều hay quy luật cổ điển. Nhưng nó vẫn lịch sự, không nổi loạn trước trật tự cũ và tuyệt đối tuân thủ quy luật đã biết (thí dụ, định luật thứ hai). Mặt khác, nó đã lách luật rất thành công, hay không chừng nó có một bộ luật đặc thù, cái mà Schrödinger gọi là "quy luật vật lý kiểu mới", cho sân chơi riêng của mình nhằm thoát ra khỏi vòng kim cô của trật tự cũ để xuất hiện, sinh trưởng rồi tiến hóa qua nhiều tỷ năm, tiếp tục tồn tại trên quả đất.

Cuối cùng thì các thông tin sinh học hiện hữu trong DNA trong dạng mã di truyền đến từ đâu? Các nhà khoa học đã làm thí nghiệm, đã tính toán, đã suy đoán, đã làm những thứ mà khoa học hiện đại cho phép nhưng vẫn quanh quẩn bên chiếc cối xay nghịch lý: đến từ đâu? Tác giả Davies đã nhiệt tình đề cao việc vận dụng khoa học để truy tìm nguồn gốc và ý nghĩa của sự sống, nhưng sự suy nghĩ của ông dường như chuyển dịch trong quá trình chấp bút từ biện luận có lô-gic khoa học ở vài chương đầu rồi lặng lẽ tiến đến đường ranh phân chia "Khoa học" và "Sáng thế" ở chương cuối. Ông nhắc lại đề nghị của Schrödinger hơn 70 năm trước về sự cần thiết của "quy luật vật lý kiểu mới" cho sinh học. Nhưng ông nhanh chóng nói rằng không cần phải là quy luật vật lý mà phải là "quy luật thông tin" hay "quy luật phần mềm tin học" để tìm hiểu nguồn gốc của thông tin sinh học hay mã di truyền mà ông tin rằng đó là một trong những yếu tố quan trọng truy tìm căn nguyên của sự sống (trang 258).

Lời kết

Dù không có câu trả lời cho câu hỏi "Sự sống là gì?", tác giả Davies tử tế mang đến cho người đọc một tổng quan về những công trình nghiên cứu trong 70 năm qua và đề nghị một số ý tưởng mới, dù đó chỉ là suy đoán hay giả thuyết, để hiểu rõ và truy tìm nguồn gốc và ý nghĩa sự sống. Ông xem mã di truyền là "phần mềm" được số hóa như là môt chìa khóa tiềm năng giải mã sự xuất hiện của vật thể "sống" từ các nguyên tố "trơ". Ông dành gần ¼ quyển sách bàn về nguồn gốc của sự sống mà ông cho rằng có thể từ ngoài hành tinh hay dưới sâu lòng đất. Cuốn sách xuất bản năm 1999 nhưng những thông tin và sự kiện khoa học đề cập trong sách vẫn là nguồn tham khảo quý giá cho sự hiểu biết tổng quát cũng như các công trình nghiên cứu khoa học.

Cho đến nay tri thức về sự sống không có bước đột phá, vẫn bình lặng trôi theo dòng thời gian và cũng không có những tiến triển mới kể từ ngày của thí nghiệm Miller – Urey (1952). Dù vậy, nhiệt tình tranh cãi của con người thuộc mọi trường phái không hề suy giảm. Những tranh luận về nguồn gốc, ý nghĩa và tiến hóa của sự sống, "Ta đến từ đâu?", vẫn tiếp diễn không những giữa phe "Sáng thế" và phe "Tiến hóa" mà còn ngay trong cộng đồng khoa học giữa các nhà hóa học, vật lý và sinh vật. Những cuộc tranh luận có lúc sôi động gay gắt có lúc ôn hòa điềm tĩnh vì nó không chỉ đơn giản là vấn đề của khoa học mà cũng là một phần sâu sắc của cảm xúc tâm linh. Rồi sau đó, mọi người trở về vị trí suy tư của mình, tạm thời đồng ý là có sự bất đồng quan điểm (agree to disagree). Nhưng nếu ta tin Thượng Đế đã an bài mọi chuyện, "Trời sanh" vậy cứ chấp nhận vậy, thì chắc chắn nghiên cứu khoa học sẽ biến thành một bộ môn vô vị và vô cùng ảm đạm, tri thức con người về sự vật quanh ta, về vũ trụ bao la sẽ muôn đời dậm chân tại chỗ.

T.V.T.

Melbourne, tháng 2 2019

(*) Paul Davies, The 5th miracle: The search for the origin and meaning of life, Simon & Schuster Paperbacks, New York 1999.

Ghi chú

1. Jacques Monod (Nobel Y học 1965), nguyên tác tiếng Pháp "Le hasard et la nécessité", Editions du Seuil, Paris 1970. Bản tiếng Anh, "Chance and necessity", New York, Alfred A. Knopf, 1971. Bản tiếng Việt của Hà Dương Tuấn và Đặng Xuân Thảo, "Ngẫu nhiên và tất yếu", Hà Nội, nxb Tri Thức, 2016.

2. Sáng thế (creationism): là niềm tin tôn giáo cho rằng vũ trụ và sự sống được sáng tạo bởi hành động của Thượng Đế. Tiến hóa (evolutionism): là niềm tin về sự tiến hóa theo quá trình tự nhiên của muôn loài sinh linh.

3. Protein chứa 100 đơn vị axit amin thành hình do sự kết nối giữa 20 axit amin khác nhau giống như chuỗi mắt xích có 100 mắt xích. Mỗi mắt xích là một axit amin. Số chuỗi mắt xích có được sẽ là 20¹⁰⁰ ≈ 10¹³⁰.