TRÁI HAY PHẢI: KHI NGẪU NHIÊN CHỌN TAY THUẬN CHO SỰ SỐNG

Nhiều phân tử tồn tại ở hai dạng là ảnh gương của nhau mà không thể chồng khít lên nhau, giống như bàn tay trái và bàn tay phải. Các nhà hóa học gọi đó là tính bất đối xứng quang học (chirality), và hai dạng là đồng phân đối quang (enantiomer). Ở sinh vật, axit amin và đường chủ yếu xuất hiện ở một trong hai dạng. Sự bất đối xứng này hình thành như thế nào, và vì sao một tay được chọn, vẫn chưa được hiểu đầy đủ.

Một ý tưởng cho rằng nó xảy ra một cách tự phát, từ một hỗn hợp raxemic — lượng hai tay bằng nhau — trong điều kiện xa trạng thái cân bằng hóa học. Các thí nghiệm đã cho thấy sự cân bằng gương có thể bị nghiêng: trong các tinh thể natri clorat được nuôi trong khi khuấy, trong một phản ứng gọi là phản ứng Soai, hoặc trong các chuỗi axit amin ngắn hình thành từ một phản ứng tiền sinh học.

Công thức chọn phe của Frank

Lý thuyết có ảnh hưởng nhất bắt nguồn từ F. C. Frank năm 1953. Nó cần hai thành phần:

Tự xúc tác: mỗi phân tử giúp tạo ra thêm các phân tử cùng tay.
Cạnh tranh: một phân tử trái và một phân tử phải gặp nhau và triệt tiêu lẫn nhau.

Vượt qua một ngưỡng, trạng thái 50/50 trở nên bất ổn và hỗn hợp nghiêng về một tay. Trong phiên bản tất định kinh điển của mô hình, ngay cả một lượng dư ban đầu rất nhỏ cũng quyết định bên thắng, lần nào cũng vậy.

Nhưng hóa học thực tế diễn ra từng phản ứng một. Khi có ít phân tử — như có thể đã xảy ra trong môi trường tiền sinh học — ngẫu nhiên đóng một vai trò. Các mô phỏng trước đây từng gợi ý rằng tay khởi đầu với lượng dư không phải lúc nào cũng thắng.

Đưa ngẫu nhiên vào con số

Leonardo Silva-Dias và Christoph Weber, Đại học Augsburg (Đức), đã lấy một phiên bản tiêu chuẩn của mô hình Frank (mô hình Kondepudi–Nelson) và tìm ra các công thức giải tích cho tác động của tính ngẫu nhiên trong đó. Phép đơn giản hóa then chốt của họ: tổng lượng phân tử bất đối xứng ổn định nhanh hơn nhiều so với sự cân bằng giữa trái và phải, nên bài toán thu gọn về một biến duy nhất — độ mất cân bằng bất đối xứng (chiral imbalance).

Bức tranh hiện ra là một viên bi lăn trên một địa hình có hai thung lũng — mỗi thung lũng ứng với một tay — ngăn cách bởi một ngọn đồi, tức trạng thái 50/50. Những cú hích ngẫu nhiên đẩy viên bi đi lung tung. Họ kiểm tra mọi công thức bằng mô phỏng máy tính của các phản ứng, mỗi trường hợp lấy trung bình trên 50.000 lần chạy.

Ba hiệu ứng của những con số nhỏ

1. Thiểu số có thể thắng. Xác suất kết thúc ở một tay nhất định tăng đều theo lượng dư ban đầu, từ 0 đến 1, đi qua đúng một nửa khi điểm xuất phát cân bằng. Luôn có khả năng tay ban đầu hiếm hơn chiếm ưu thế. Trong các hệ nhỏ, khả năng đó chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm xuất phát giữa hai thung lũng. Trong các hệ lớn hơn, điều quan trọng là lượng dư so với độ lớn điển hình của các dao động ngẫu nhiên, vốn thu nhỏ khi số phân tử tăng.

2. Ngẫu nhiên làm mọi thứ nhanh hơn. Thời gian cần để chọn một tay tăng theo kích thước của hệ và giảm khi lượng dư ban đầu tăng. Những cú hích ngẫu nhiên giúp viên bi rời đỉnh đồi nhanh hơn. Với nguồn gốc sự sống, điều này có ý nghĩa: nếu việc chọn lựa cần một dòng năng lượng liên tục, dòng đó phải kéo dài ít nhất bằng thời gian chọn lựa.

3. Lựa chọn có thể lật ngược. Khi các phân tử được tạo ra nhanh từ nguyên liệu thô và sự cạnh tranh giữa hai tay yếu, viên bi có thể nhảy qua ngọn đồi — hỗn hợp đổi tay. Chiều cao ngọn đồi tăng tỉ lệ với số phân tử, và tốc độ nhảy giảm theo hàm mũ với chiều cao đó. Vì vậy những lần đổi tay mờ dần khi hệ lớn lên.

Ba đường biểu diễn độ mất cân bằng bất đối xứng theo thời gian, với 1.000, 2.500 và 5.000 phân tử.

Với 1.000 phân tử, hỗn hợp đổi tay hết lần này đến lần khác; với 2.500, nó đổi một lần; với 5.000, nó đứng yên. — Hình 7, Silva-Dias & Weber (2026), arXiv:2610.13523.

Chuyện của quy mô

Các tác giả kết luận rằng dao động đóng hai vai trò khác nhau: chúng định hình tay nào được chọn trước và nhanh đến đâu, và về sau có thể làm lựa chọn đó mất ổn định. Phân tích của họ cũng đặt ra một ràng buộc cho các kịch bản về nguồn gốc sự sống: việc chọn lựa phải xảy ra trong khi các điều kiện ngoài cân bằng còn kéo dài.

Công trình chỉ xét một sơ đồ phản ứng, trong một hệ được trộn đều và không có cấu trúc không gian. Các tác giả chỉ ra những con đường khác dẫn đến tính bất đối xứng — chẳng hạn các polyme tách thành giọt và tạo trạng thái tinh thể lỏng — và đề xuất mở rộng cách tiếp cận sang các trường hợp đó.