Article. L'optimisation de la
fonction chlorophylienne à partir de processus
quantiques naturels
par Jean-Paul Baquiast
et Christophe Jacquemin - 20/02/2010
Les
biologistes s'intéressent de plus en plus à
la façon dont des organismes vivants peuvent
tirer parti des processus quantiques pour accomplir
des fonctions essentielles. Certains de ces organismes
mettent-ils en œuvre les modes de calcul que
les physiciens espèrent réaliser dans
les ordinateurs dits quantiques?
Un court rappel pourrait être utile. La mémoire
d’un ordinateur classique est faite de composants
élémentaires (les bits pour binary digits)
qui peuvent, en fonction de la charge électrique
ou magnétique qu'ils reçoivent, représenter
soit un 1 soit un 0. La machine calcule sur le mode
binaire en manipulant ces bits. Un ordinateur classique
ayant trois bits de mémoire peut stocker uniquement
trois nombres binaires. À partir d'eux, il
peut représenter 8 nombres mais pas davantage.
Il s'agit donc d'un processus relativement lent et
supposant, pour les calculs importants, d'importantes
quantités de mémoire.
Le calculateur quantique est tout différent.
Il exploite les propriétés quantiques
de la matière : superposition et intrication
d'états quantiques. Pour réaliser un
ordinateur quantique, il faut produire des particules
en état de superposition, nommés les
q.bits et les maintenir un temps suffisant dans cet
état avant qu'elles n'interfèrent avec
la matière ordinaire dite macroscopique et
ne redeviennent de simples particules (phénomène
que l'on nomme la décohérence). Un ordinateur
quantique travaille sur un jeu de q.bits. Un q.bit
peut représenter soit un 1, soit un 0, soit
une superposition d’un 1n et d’un 0. L’ordinateur
quantique calcule en manipulant ces distributions.
Un ordinateur quantique ayant trois q.bits peut stocker
16 valeurs. Avec un nombre plus grand de q.bits, il
pourrait entreprendre des calculs importants en des
temps très cours. Malheureusement, il reste
très difficile de maintenir en état
de superposition plusieurs particules quantiques,
autrement dit de les isoler les unes des autres et
de la matière ordinaire. De petits éléments
de calculateurs quantiques ont déjà
été assemblés par les physiciens,
mais le nombre des q.bits dont ils disposent ne dépasse
pas aujourd'hui, sauf erreur, 7. Cela ne permet pas
de réaliser d'importants calculs.
Dans
la nature, l'utilisation des propriétés
des particules quantiques par des organismes végétaux
et animaux reste encore assez largement hypothétique.
Mais les indices de l'existence de telles solutions
se multiplient actuellement. Il ne s'agit pas pour
les organismes de créer des calculateurs proprement
dit, mais plutôt d'explorer dans un temps aussi
réduit que possible, lorsque les voies possibles
sont nombreuses, les chemins les plus courts, permettant
par exemple à un influx électrique ou
magnétique émis par une source d'atteindre
une cible, telle qu'une protéine.
Si la source émet un q.bit et que celui-ci
maintient sa cohérence le temps nécessaire,
il pourra en état de superposition explorer
plusieurs chemins à la fois. Le chemin le plus
court obtenu, le q.bit redeviendra une particule normale
et pourra modifier la protéine de façon
tout à fait ordinaire. En l'absence de la solution
« quantique », la source générera
un grand nombre de particules ordinaires, qui exploreront
les chemins vers les cibles de façon aléatoire
(stochastique). Un chemin finira par être trouver,
mais ce sera après avoir consommé beaucoup
de particules et sans qu'un itinéraire optimisé
ait pu être identifié.
Plusieurs
auteurs avaient depuis longtemps suggéré
que de tels processus pouvaient expliquer les phénomènes
encore largement incompris intéressant le fonctionnement
du cerveau, le codage de l'information génétique
et même les origines de la vie. Ce schéma
théorique était cependant jusqu'à
ces dernières années considéré
comme impossible, car les cellules vivantes constituent
des milieux chauds et humides incapables, en principe,
de conserver la cohérence d'un q.bit le temps
nécessaire pour qu'il puisse interagir. Les
calculateurs quantiques « physiques »,
on le sait, opèrent à de très
basses températures, incompatibles avec la
vie.
Comment
par ailleurs les organismes vivants auraient-ils pu
«découvrir» les propriétés
des particules quantiques, de sorte à sélectionner
des sources et des cibles capables d'émettre
et de recevoir des q.bits? Pour les darwiniens, la
réponse est simple dans son principe. On peut
faire l'hypothèse qu'il existe un grand nombre
de processus naturels émettant des particules
quantiques à température ambiante, processus
encore inconnus aujourd'hui pour la plus grande part.
Certains de ceux-ci auraient pu être découverts
par des organismes fussent-ils primitifs, par hasard,
à la suite de mutations favorables. Dans ce
cas, ils auraient été conservés
et transmis héréditairement au sein
des espèces ayant bénéficié
des gains de productivité ainsi apportés
dans la compétition avec leurs rivales. Voilà
pour le principe. Reste à en donner des preuves
expérimentales.
Un
calculateur quantique "vert"?
Nous
avions signalé précédemment des
travaux de recherche dont les auteurs pensaient avoir
mis en évidence de tels processus, notamment
chez les oiseaux. Un nouvel exemple d'un mécanisme
de ce genre vient d'être identifié par
une équipe dirigée par le biologiste
Gregory Scholes de l'université de Toronto.
Il a fait l'objet d'une publication dans la revue
Nature (voir lien ci-dessous).Le cas concerne le monde
des végétaux, et plus particulièrement
la fonction chlorophyllienne. Celle-ci permet aux
plantes marines et terrestres d'utiliser, grâce
à des molécules hautement spécialisées
mises au point par l'évolution dès le
début de la vie sur Terre, les photons de la
lumière comme source d'énergie afin
de transformer l'eau et le CO2 en hydrates de carbone,
rejetant de l'O2 en sous-produit. Dans le cas étudié,
il s'agit d'une petite algue verte marine, la Chroomonas
(photo). Celle-ci dispose d'organes piégeant
les photons, nommés des antennes. Les antennes
comportent un tissu de molécules pigmentaires
qui captent la lumière à différentes
longueurs d'onde. Plus vite l'énergie lumineuse
traversera l'antenne en activant les molécules
adéquates, plus vite elle pourra être
utilisée pour produire de l'énergie.
On
pensait jusque là que le parcours des photons
se faisait au hasard, avec une certaine perte de temps
et d'énergie. Mais l'équipe de Toronto
a pu montrer, en utilisant des techniques très
précises, que les antennes coordonnent le plus
efficacement possible les transferts d'énergie
le long de plusieurs pigments moléculaires.
L'équivalent de q.bits sont produits et sondent
l'état des chemins possibles. Ils déterminent
celui qui est le plus rapide et qui permet de minimiser
la perte d'énergie. La cohérence quantique
est maintenue à cette fin le temps nécessaire,
soit 400 femtosecondes (4 × 10-13 seconde) le
tout à la température de 21°C. Il
s'agit d'un temps très court mais suffisant,
les distances à parcourir étant infimes.
L'expérimentation
devra être poursuivie et ses conclusions confirmées.
Il faudra en particulier déterminer comment
un environnement biologique peut permettre à
un q.bit, qu'il s'agisse d'un photon ou d'une autre
particule, de maintenir sa cohérence le temps
adéquat, à température ordinaire.
Mais si les résultats annoncés sont
bien ce qu'ils sont, on peut pronostiquer qu'en découleront
de véritables révolutions scientifiques
et technologiques. Ceci d'abord dans la recherche
et l'analyse de processus de même nature existant
dans les nombreux organes biologiques dont, comme
nous l'avons indiqué, beaucoup de comportements
restent mystérieux. Mais aussi dans la réalisation
de calculateurs quantiques biologiques ou fonctionnant
selon des principes biologiques. Nous aurons l'occasion
d'en reparler.
Après
tout, il n'y aurait là rien d'étonnant.
Il aurait été curieux de penser que
la vie qui s'est développée en utilisant
initialement les ressources de la géochimie,
comme le rappelle magistralement un ouvrage que nous
présenterons prochainement, Life ascending
de Nick Lane (Norton) n'aurait pas pu aussi tirer
partie des ressources infiniment plus répandues,
si l'on peut dire, du monde quantique.
Pour
en savoir plus
Article
de Nature (abstract)
Article
de Natura-sciences
Retour
au sommaire
Automates
Intelligents s'enrichit du