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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

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