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Du côté
des labos
Processus
quantiques interagissant avec des organismes biologiques
Par Jean-Paul Baquiast 16/01/2009
algues vertes
Un
article de Mark Anderson dans la revue en ligne Discover "Is
Quantum Mechanics Controlling Your Thoughts?"du
13/01/2009 apporte de nouvelles perspectives concernant les
possibles interactions du monde quantique avec le monde biologique.
Des effets quantiques pourraient être responsables de
la photosynthèse, de la perception des odeurs voire
du fonctionnement de neurones associés à la
conscience.
Nous avons plusieurs fois dans cette revue évoqué
les hypothèses relatives à l'interaction
entre des particules quantiques et des structures biologiques
du monde macroscopique, susceptible de jouer un rôle
dans la production d'un certain nombre de mécanismes
encore mal compris, tels la photosynthèse, les mutations
génétiques et, pourquoi pas, le déroulement
des échanges entre neurones participant à
l'élaboration des processus cognitifs au sein
du cerveau. Nous avions en particulier cité les travaux
du biologiste britanniques JohnJoe Mac Fadden qui avait
bâti une série d'hypothèses complètes
à cet égard.
Mais
il faut reconnaître que ces hypothèses avaient
été accueillies avec scepticisme. La raison
de principe toujours évoquée en était
que les particules quantiques ne peuvent pas conserver leur
état dans un milieu macroscopique constitué
de millions d'atomes et molécules. A plus forte
raison est-ce le cas dans des milieux biologiques humides
et chaud. Elles décohèrent immédiatement,
sous l'effet du « bruit thermique ». C'est
pour faire face à ces difficultés que les
chercheurs s'efforcent, en vue de construire des ordinateurs
quantiques, d'isoler le plus longtemps possible des
« bits quantiques » de toutes interactions.
Mais on sait qu'ils y arrivent à grand peine
et pour un très petit nombre de particules à
la fois.
On
peut supposer cependant que, dans la nature, les interactions
entre particules quantiques et le monde matériel sont
bien plus nombreuses, sinon même la règle. Ce
serait grâce à ces interactions que se serait
construit ce monde matériel, avec ses multiples complexités.
Mais encore faut-il le démontrer, sur quelques exemples
indiscutables. C'est précisément ce que serait
en train de faire une équipe des universités
de Californie à Berkeley et de Washington à
St Louis, sous la direction du Pr Graham Fleming (photo).
Il s'est attaqué à la compréhension de
la photosynthèse. On sait que ce processus, ayant évolué
au sein des premiers organismes unicellulaires marins, les
algues vertes, leur a permis d'utiliser l'énergie solaire
pour produire des sucres et rejeter de l'oxygène à
partir de l'eau et du CO2 omniprésents aux origines
de la vie. Non seulement la photosynthèse a permis
le développement de végétaux marins et
terrestres de grande taille mais, grâce à l'oxygène
rejeté, a favorisé le développement d'animaux
multicellulaires colonisant les milieux terrestres en se nourrissant
de végétaux – avant pour certains d'entre
eux de s'entredévorer. L'espèce la plus représentative
de ces animaux est comme nul ne l'ignore, l'homo sapiens.
La
photosynthèse est aujourd'hui considérée
comme l'un des processus les plus économiques
et les plus écologiques pour produire de l'énergie
et des hydrates de carbone. Malheureusement, les tentatives
pour la domestiquer obligent encore à passer par
l'intermédiaire de colonies d'algues
ou autres petits organismes élevés dans des
éprouvettes – en dehors de l'agriculture,
évidemment. Le Professeur Graham Flemming n'en
est pas à envisager des usines reproduisant les mécanismes
de la photosynthèse à partir de l'énergie
solaire. Ses recherches se situent bien plus en amont. Elles
visent à comprendre la raison du très haut
rendement énergétique du rayonnement solaire
interagissant avec des protéines biologiques au sein
des organismes photosynthétiques.
Les
bactéries vertes sulfureuses
Pour
cela il conduit des expériences utilisant des bactéries
photosynthétiques sulfureuses marines (green sulfur
bacteria, photo bip.cnrs-mrs.fr). Il envoie
des flash laser dans une boite contenant des protéines
de la bactérie et observe les résultats avec
une optique très précise (au milliardième
de mètre).
La
protéine est dotée d'un réseau
moléculaire qui connecte les capteurs solaires extérieurs
de la bactérie, les chlorosomes, avec les organites
internes de la cellule produisant de l'énergie,
là où se réalisent des réactions
biochimiques à peu près identifiées
aujourd'hui. Ce ne sont pas ces réactions qui suscitent
l'intérêt, mais le rendement des transferts
d'électron. Or, contrairement à la transmission
d'énergie dans les systèmes physiques,
où le rendement est inférieur à 20%,
l'opération s'accomplit dans l'organisme
photosynthétique avec des rendements supérieurs
à 95%. Le secret de l'opération résiderait
dans la physique quantique.
Dans
un système macroscopique classique, l'électron
se déplace au hasard des canaux de connexion, en les
explorant l'un après l'autre. Dans un système
quantique, il explore simultanément les différents
canaux disponibles jusqu'à trouver le plus efficace.
Ceci fait, sa fonction d'onde s'effondre, ce qui permet quasi
instantanément l'établissement d'une liaison
physique classique, qui par définition se révèle
rétroactivement la voie plus efficace. Un processus
analogue à celui se produisant dans un calculateur
quantique permet ainsi à l'organisme photosynthétique,
que ce soit une bactérie ou une feuille, de trouver
à partir d'une recherche instantanée au hasard,
le meilleur chemin possible pour assurer au sein du milieu
interne la transmission de l'énergie solaire.
D'ores
et déjà, d'autres chercheurs cherchent à
reproduire ce dispositif quantique dans des cellules solaires
photovoltaïques organiques. Rappelons également
à titre de curiosité biologique qu'une limace
de mer, l'Elysia, ne les a pas attendus (photo). Elle a réussi
à incorporer des mécanismes photosynthétiques
dans des excroissances vertes qui lui donnent l'allure d'une
algue – ce qu'elle n'est évidemment pas. On retrouve
là à petite échelle le vieux mythe de
l'homme-arbre, vivant grâce à des feuilles biologiques
s'étant développées sur son corps.
Nous
n'examinerons pas dans le cadre de cet article les extrapolations
de ces recherches, appliquées à d'autres mécanismes
biologiques, génétiques, sensoriels ou cognitifs.
Pour
en savoir plus
Article
de Discover : http://discovermagazine.com/2009/feb/13-is-quantum-mechanics-controlling-your-thoughts
Entretien
avec JohnJoe Mac Fadden :
http://www.automatesintelligents.com/interviews/2002/mai/mcfadden.html
Article
de Nature :
http://www.nature.com/nature/journal/v446/n7137/abs/nature05678.html
Nature 446(7137): 782-6. Engel, G. S.; Calhoun, T. R.;
Read, E. L.; Ahn, T. K.; Mancal, T.; Cheng, Y. C.; Blankenship,
R. E.; Fleming, G. R. 2007. Evidence for wavelike energy
transfer through quantum coherence in photosynthetic systems.
The photosynthetic complexes of green sulphur bacteria maximize
efficient energy transfer by creating coherent quantum waves.
"Photosynthetic complexes are exquisitely tuned to
capture solar light efficiently, and then transmit the excitation
energy to reaction centres, where long term energy storage
is initiated. The energy transfer mechanism is often described
by semiclassical models that invoke 'hopping' of excited-state
populations along discrete energy levels. Two-dimensional
Fourier transform electronic spectroscopy has mapped these
energy levels and their coupling in the Fenna–Matthews–Olson
(FMO) bacteriochlorophyll complex, which is found in green
sulphur bacteria and acts as an energy 'wire' connecting
a large peripheral light-harvesting antenna, the chlorosome,
to the reaction centre." (Engel et al. 2007:782)
Sur
la limace de mer photovoltaïque Elysia, voir
http://bacterioblog.over-blog.com/article-3671077-6.html
