Article.
Avancées récentes en biologie
quantique
Jean-Paul Baquiast
- 01/11/2011
Sources
:
- Michael Brooks. "Quantum Life, the weirdness
inside us" http://www.newscientist.com/article/mg21128321.500-quantum-life-the-weirdness-inside-us.html?full=true#bx283215B1;
nous en avons adapté ici certains passages.
- Voir aussi Automates Intelligents. Du côté
des labos. "Processus quantiques interagissant
avec des organismes biologiques" http://www.automatesintelligents.com/labo/2009/jan/algueverte.html
Nous
avons indiqué dans un article précédent
(Comment les cerveaux se représent-ils le monde
(http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2011/121/mcrbis.htm)
qu'un nouveau courant de recherche, dit "quantum
interaction" était apparu, visant à
mettre en évidence dans le fonctionnement du
cerveau cognitif des processus proches du formalisme
utilisé par les physiciens quantiques pour traduire
le résultat de leurs observations.
Convenons
d'appeler cerveau cognitif celui qui interprète
les messages des sens afin d'en extraire des représentations
du monde extérieur. Ces représentations
servent de base à des prescriptions destinées
à guider les comportements. Elles permettent
aux individus de s'adapter au monde, par exemple en
détectant des patterns ou constantes utiles à
la survie (tel fruit est indigeste et donc être
évité, tel animal est un prédateur
qu'il faut fuir...). Elles sont utilisées à
tous moments, soit sur le mode inconscient soit dans
le cadre de mécanismes décisionnels plus
complexes liés à ce que l'on nomme la
conscience supérieure. Elles sont ensuite, en
cas de succès, transmises et retraitées
au niveau de la société. Il en résulte
des règles sociales faisant l'objet d'une mise
à l'épreuve et d'un sélection au
regard de leur efficacité pour la survie collective.
Ces
processus sont inhérents à toutes les
espèces animales. Chez l'homme, le développement
du cerveau cognitif leur a donné un rôle
essentiel dans la construction du langage et des connaissances
verbalisées. Or le courant de recherche se rattachant
à la quantum interaction montre que le raisonnement
utilisé par le cerveau est plus proche des méthodes
de la logique quantique que de celles de la logique
mathématique employée par les sciences
macroscopiques. Il fait systématiquement appel
à la façon dont les physiciens quantiques
se représentent les entités quantiques:
principe de superposition d'état et création
d'interférences, intrication, représentation
probabiliste (fonction d'onde), intervention de l'observateur
(décohérence), etc.
Il
serait donc réducteur de considérer que
seuls les postulats de la logique classique et plus
généralement de la logique quotidienne
dite rationnelle — par exemple le principe d'identité:
A est A et ne peut être non-A, une proposition
ne peut à la fois être "vraie"
ou "fausse" — sont les seuls acceptables.
Cela ne devrait pas surprendre le bon sens. Chacun d'entre
nous reconnaît qu'il raisonne spontanément
d'une façon confuse, alambiquée, contradictoire
– ce qui souvent n'empêche pas d'obtenir
des résultats aussi pertinents que ceux découlant
de raisonnements logiques ou mathématiques négligeant
la complexité de monde observé.
La
proximité du raisonnement spontané ou
empirique avec la logique quantique, comme nous l'indiquions
dans l'article, n'aurait rien d'étonnant, puisque
nous sommes de facto immergés dans le monde quantique
d'une façon qui, en principe, devrait influencer
chacun des atomes qui nous constituent. Il serait donc
logique que nos organes sensoriels ou notre cerveau
soient le siège d'interférence avec des
entités quantiques d'une façon qui contribuerait
à la construction de leurs représentations
du monde. Mais il ne suffit pas de le supposer. Il faudrait
mettre en évidence les domaines où une
telle influence se ferait sentir.
Le
programme de recherche correspondant rencontre des difficultés
considérables. Elles tiennent à la non-compatibilité
des deux mondes, le microscopique et le macroscopique,
rendant les expérimentations très difficiles.
En simplifiant, nous dirions que le monde quantique
s'exprime à notre niveau par ce que le calcul
quantique appelle des q.bits ou bits quantiques. Certains
mathématiciens doutent de la pertinence d'un
tel concept. Cependant, pour la grande majorité
des physiciens, Il s'agit de particules qui ne conservent
leurs propriétés (superposition d'états.
intrication) que si elles n'interfèrent pas avec
des atomes du monde macroscopique. Cette interférence
provoque leur « décohérence »,
ce qui « réduit leur fonction d'onde »
et les transforme en particules du monde macroscopique.
Elles se comportent alors comme toute particule ordinaire
dans le monde de la physique et de la chimie quotidienne.
Or
pour montrer leur influence sur les entités du
monde macroscopique, une cellule vivante, un neurone,
par exemple, il faudrait en principe saisir le moment
très fugitif où elles interagissent avec
cette entité avant d'être victime de décohérence.
Jusqu'à présent, dans les projets de calculateurs
quantiques, les physiciens n'ont réussi à
manipuler qu'un très petit nombre de particules
quantiques, maintenues en état de superposition
grâce à des conditions rigoureuses: isolement
magnétique, température proche du zéro
absolu, et ce dans de courtes fractions de seconde.
...
Précisons
que nous évoquons ici l'influence d'un bit quantique
isolé et maintenu en état de superposition.
Les physiciens savent depuis longtemps mesurer et utiliser
les effets sur la matière vivante de flux de
particules quantiques, par exemple ceux des rayons cosmiques.
Mais ils se placent alors au plan statistique des grands
nombres, qui est celui de la physique et de la biologie
macroscopiques. Il ne s'agit plus de bits quantiques
isolés, mais pourrait-on dire de champs.
Recherches
récentes en biologie quantique
Quelles
que soient les difficultés de telles recherches
sur les bits quantiques, elles se développent
rapidement aujourd'hui. Moins dans le domaine des calculateurs
quantiques, qui semblent ne plus guère progresser,
mais dans le domaine de la biologie. Elles semblent
pouvoir expliquer ce que les biologistes considèrent
depuis longtemps comme de véritables mystères.
Un
des domaines explorés est celui de l'odorat.
L'article cité de Michael Brooks mentionne les
recherches de la chercheuse Jennifer Brookes de Harvard
(http://wordpress.jenniferbrookes.org/),
consacrées au sens de l'odorat ou olfaction.
Elle montre l'inadéquation des hypothèses
traditionnelles expliquant comment les molécules
chimiques provenant du monde extérieur déclenchent
des réponses adaptées des cellules olfactives,
afin de permettre aux individus de discriminer entre
les odeurs. Selon ces hypothèses traditionnelles,
les récepteurs olfactifs fonctionnent comme des
serrures qui ne s'ouvrent que confrontées à
la bonne clef. Celle-ci correspondrait à la forme
particulière de chaque molécule. Il y
aurait ainsi environ 400 récepteurs olfactifs
différents, pouvant en principe identifier un
même nombre de molécules différentes.
Mais l'humain serait capable de distinguer environ 100.000
odeurs différentes. Le chien reconnaît,
avec il est vrai un tissu olfactif bien plus développé,
un nombre encore plus grand de molécules odorifères.
Ce
résultat, selon les hypothèses traditionnelles,
résulte du travail de construction du cerveau,
au niveau des aires du cortex olfactif. Le cerveau a
subi des évolutions qui lui permettent de reconstruire
des objets complexes à partir d'une ou plusieurs
entrées sensorielles différentes, éventuellement
contradictoires. Le même travail, a plus grande
échelle, est accompli chez l'homme par le cortex
visuel. Cependant, dans le cas de l'odorat, la discrimination
presque instantanée entre des milliers d'odeurs
supposerait un cerveau extraordinairement performant.
Une autre hypothèse ne s'impose-t-elle pas? En
1996, le biophysicien Luca Turin a suggéré
que l'effet tunnel pouvait expliquer les performances
du cerveau, que ce soit au niveau du cortex olfactif
ou du cortex associatif. Très utilisé
en électronique aujourd'hui, l'effet tunnel résulte
du fait que, conformément aux principes de la
mécanique quantique, quand un électron
est confiné dans un atome, il possède
une grande étendue d'énergies possibles.
Il existe donc une certaine probabilité pour
qu'il franchisse la barrière d'énergie
qui devrait normalement lui interdire de s'échapper
de l'atome.
L'hypothèse
de Turin est que, lorsqu'une molécule odorante
est logée dans un récepteur, un électron
peut s'en échapper et traverser la molécule
de part en part, provoquant à sa sortie une cascade
de signaux que le cerveau interprète comme une
odeur. Ceci ne peut se produire que s'il existe une
correspondance exact entre le niveau d'énergie
quantifiée de l'électron et la fréquence
vibratoire naturelle de la molécule odorante.
Ainsi une sensation d'odeur peut être générée
sans que la molécule n'ait, telle une clef dans
une serrure, à correspondre exactement à
la configuration du récepteur olfactif.
Cette hypothèse a été récemment
démontrée dans le cadre d'une série
d'expériences que nous ne détaillerons
pas ici (Voir Physical Review Letters http://prl.aps.org/abstract/PRL/v98/i3/e038101
ainsi que Proceedings of the National Academy of
Sciences http://www.pnas.org/content/early/2011/02/08/1012293108.abstract.
Elles tendent à prouver que sans l'effet tunnel
et donc sans recours à la physique quantique,
divers cas particuliers de discrimination entre odeurs,
observables tant chez l'homme que chez une certaine
espèce de mouche, ne seraient pas explicables.
D'autres
processus biologiques semblent tout aussi inexplicables
à moins de faire appel aux propositions de la
mécanique quantique. C'est le cas de la production
d'adénosine triphosphate (ATP) dans les
mitochondries cellulaires. L'ATP est la molécule
qui, dans la biochimie de tous les organismes vivants
connus, fournit par hydrolyse l'énergie nécessaire
aux réactions chimiques du métabolisme.
Sans elle la vie n'existerait pas sous ses formes actuelles.
Les stocks d'ATP de l'organisme ne dépassent
pas quelques secondes de consommation. Elle doit donc
être renouvelée très rapidement.
Elle est produite en permanence à partir des
molécules de créatine. La créatine
recycle le phosphate libéré par hydrolyse
de la molécule d'ATP originale. Ceci permet de
conserver une énergie aussi facilement mobilisable
que l'ATP, sans pour autant épuiser les réserves
d'ATP. Mais le cycle de renouvellement doit être
très rapide. Or le calcul a montré que
cette rapidité, indispensable à la vie,
ne se produirait pas dans les conditions de la chimie
ordinaire. Il semble, selon une hypothèse présentée
par le physicien Vlatko Vedral, de l'Université
d'Oxford, que la rapidité du cycle découle
de l'état de superposition des électrons
impliqués dans le processus. Ceux-ci peuvent
se trouver sur plusieurs sites à la fois, accélérant
ainsi le processus de production de l'ATP.
L'intervention d'électrons se comportant comme
de véritables bit quantiques dans la production
de l'ATP n'est pas encore prouvée sans discussion.
Mais elle est de plus en plus considérée
comme probable, d'autant plus qu'il ne s'agirait pas
du seul cas où de tels bits quantiques joueraient
un rôle dans des mécanismes fondamentaux
pour le développement de la vie. Dans notre article
cité en exergue, nous avions présenté
les hypothèses proposées par Graham Fleming
de l'Université de Berkeley. En étudiant
le cycle de la photosynthèse dans la bactérie
sulfureuse marine Chlorobium tepidum, il avait
détecté des signaux caractéristique
d'interférences quantiques au sein des centres
responsables de la photosynthèse chez de telles
bactéries refroidies à 77 degrés
Kelvin (Voir Nature http://www.nature.com/nature/journal/v446/n7137/abs/nature05678.html)
En 2010 le même phénomène avait
été détecté à température
ordinaire dans les protéines photosynthétiques
d'algues marines, (Voir Nature http://www.nature.com/nature/journal/v463/n7281//full/nature08811.html).
Un
tel processus impliquant des électrons dotés
de propriétés quantiques se produit comme
dans le cas de la production d'ATP, avec des rendements
hors de portée de la biochimie classique. C'est
ce qui aurait fait son succès aux origines de
la vie. 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. 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%. La raison de ces performances découle
de 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.
Ceci expliquerait pourquoi les plantes, même lorsque
la lumière est faible, peuvent transformer en
énergie plus de 90 % des photons qu'elles reçoivent.
Par fort ensoleillement, elles sont obligées
d'en évacuer la moitié, sinon elles périraient
par surchauffe. Inutile de dire que reproduire de tels
processus est l'enjeu de la photosynthèse artificielle.
Mais aucun mécanisme probant n'a pu encore être
mis au point. Serait-il possible d'envisager le recours
à des bits quantiques jouant le rôle d'explorateurs
dans le champ des possibles ?
D'autres exemples aussi surprenants tirés de
l'observation de la nature suggèrent le rôle
d'effets quantique dans les organes sensoriels ou cérébraux
de divers animaux. Aujourd'hui, l'étude du sens
de l'orientation des oiseaux, si efficace qu'il
reste encore en partie incompréhensible, semble
de démontrer. En 2004, Thorsten Ritz de l'University
de Calfornie avait suggéré que les oiseaux
possédent un organe sensoriel contenant des particules
dont le spin enregistrerait les variations du champ
magnétique terrestre, produisant des signaux
que leur cerveau pourrait détecter. Mais le mécanisme
nécessaire n'avait pas été découvert.
Récemment le Pr. Marshall Stoneham de l' University
College London, malheureusement décédé
au début de l'année, a suggéré
(Voir arxiv, A new model for magnetoreception http://arxiv.org/abs/1003.2628
) que les oiseaux « voient » à
proprement parler les variations du champ magnétique.
Ils utilisent pour cela une propriété
permettant de détecter la polarisation de la
lumière qui est également présente
dans l'oeil humain, mais qui n'a pas été
développé chez l'homme pour l'orientation.
Il s'agit de l'effet dit de la brosse de Haidinger (http://en.wikipedia.org/wiki/Haidinger%27s_brush)
se traduisant par l'apparition de zones de différentes
couleurs dans le champ visuel.
Cet
effet chez l'homme résulte d'une propriétés
des cônes, l'une des deux espèces de cellules
photoréceptrices. Ceux-ci sont dotés d'une
molécule dite lutein sensible à la lumière
bleue. Le champ magnétique pourrait produire
une distorsion de cette nature dans le champ visuel
de l'oiseau. Elle changerait avec les orientations du
champ. Mais pour cela, il faudrait que les états
quantiques impliqués durent assez longtemps pour
affecter simultanément un nombre minimum de molécules
photoréceptrices. Des photons quantiques maintenus
en état de cohérence le temps suffisant
grâce à un dispositif encore hypothétique
présent dans l'oeil, pourraient permettre ce
résultat.
Commentaires
Les observations et les hypothèses relatées
ici semblent concordantes: elles feraient soupçonner
dans la nature l'existence d'un continent inexploré
considérable, comparable selon le mot d'un chercheur
à la partie immergée d'un iceberg. Il
sous tendrait ce que nous croyons être les réalités
actuelles, celles du monde biologique macroscopique.
Certes, il ne s'agit encore que d'indices dispersés,
sur lesquels l'accord est loin d'être général.
Mais si l'ensemble se confirmait, d'autres recherches
seraient certainement entreprises et le phénomène
apparaîtrait beaucoup plus répandu qu'il
ne l'est actuellement. Il pourrait aussi apporter des
solutions à bien des aspects de la vie qui restent
encore mystérieux, par exemple son étonnante
résilience aux agressions ou le fonctionnement
du système nerveux, y compris celui du cerveau
dit conscient.
Comment
aujourd'hui pourrait-on décrire le phénomène?
En simplifiant, on dirait que les organismes vivants
se comportent comme des calculateurs quantiques relativement
simples. Un calculateur quantique génère
en tout petits nombres, non sans difficultés
techniques pour les laboratoires en charge de sa réalisation,
des bits quantiques dont il exploite les propriétés,
notamment la superposition et l'intrication. Il peut
ainsi réaliser dans des temps très réduits
une grande quantité d'opérations élémentaires,
par exemple la mise en facteur d'un nombre très
grand. Une fois l'opération accomplie, le résultat
du calcul est utilisé par le mathématicien
comme s'il provenait d'un calcul ordinaire. Mais le
temps gagné et l'avalanche de résultats
jusque là impossibles à obtenir devraient
révolutionner l'exercice des mathématiques.
Les organismes biologiques impliqués dans les
observations relatées ici font un peu de même.
Ils ont spécialisé certains de leurs organes
dans des tâches difficiles ou impossibles à
réaliser avec des processus physiques ou chimiques
traditionnels. Ces organes spécialisés
sont capables d'utiliser des particules quantiques le
temps de leur faire effectuer des opérations
essentielles aux fonctions vitales basiques: se procurer
de l'énergie, se doter d'organes sensoriels élémentaires,
impossibles ou difficiles autrement. Mais, le résultat
de l'opération obtenu, les organismes biologiques
en question ne s'enferment pas dans les facilités
permises par les processus quantiques. Ils les dépassent
et, sous la pression de la compétition, accomplissent
des performances bien plus complexes, relevant de la
biochimie macroscopique. Ils se comportent comme le
feront les mathématiciens utilisant les futurs
calculateurs quantiques. Les mathématiciens ne
se contenteront pas des performances de ces calculateurs.
Ils continueront à perfectionner les algorithmes
et les applications de la mathématique ordinaire.
On serait tenté de supposer que les organismes
biologiques procèdent de la même façon,
n'utilisant que par défaut les processus quantiques.
Mais ce faisant, ne risque-t-on pas de passer à
côté précisément du corps
immergé de l'iceberg, qui serait l'intrication
à tous les niveaux de particules quantiques et
de composants biochimiques ordinaires. Pour progresser
dans cette dernière hypothèse, il faudrait
poser et tenter de résoudre un grand nombre de
questions. Nous en suggérons ici un échantillon,
rédigé dans le désordre et sans
plan de recherche précis:
- à quel moment dans l'histoire de la vie seraient
apparus les processus quantiques venus en soutien du
développement de cette même vie? dès
les époques prébiotiques, chez les premiers
procaryotes, chez les premiers eucaryotes, chez les
premiers multicellulaires?
- cette apparition était-elle « inévitable »,
compte tenu de l'évolution des systèmes
géologiques et biophysiques. S'est-elle au contraire
produite une seule fois, « par hasard »?
Sous quelles pressions évolutionnaires a-t-elle
été exploitée par les premiers
systèmes vivants?
-
pourquoi ces premières réalisations, ayant
prouvé leur succès dans des phases cruciales
de l'histoire de la vie, ne se sont-elles pas étendues
beaucoup plus largement? Auraient-elles été
supplantées par des processus biochimiques macroscopiques
plus efficaces ? Au contraire, seraient-elles restées
actives, dans des domaines très importants mais
restés cryptés pour nous?
- dans la suite de la question précédente,
existe-t-il des applications vitales auxquelles les
processus quantiques auraient servi et continuent de
servir de support, autres que celles identifiées
ici (fonction chlorophyllienne, odorat, navigation)?
Autrement dit, ne pourrait-on pas suspecter que ces
processus soient intervenus et interviennent encore
dans de très nombreuses fonctions et dans les
organes associés qu'ils conviendrait dorénavant
d'identifier: métabolisme, perceptions sensorielles,
transmissions nerveuses, fonctionnement du cerveau,
reproduction et sexualité, langages intra et
interspécifiques, tâches d'ingénierie
variées, etc.
- pourquoi en ce cas seraient-ils jusque ici restés
invisibles à nos yeux? Soit du fait du manque
de culture quantique de nos intelligences, soit parce
qu'ils auraient été masqués par
les constructions de la biologie et de la culture macroscopiques
qui s'y sont superposés ?
- au plan le plus basique, souvent évoqué
par les chercheurs, en quoi consistent les outils biologiques
naturels capables d'obtenir et de traiter en les protégeant
du bruit atomique, autrement dit de la décohérence,
des bits quantiques que les techniques les plus perfectionnées
de nos sociétés technologiques ont encore
le plus grand mal à obtenir et manipuler? Question
qui n'est pas subsidiaire, ces outils naturels seraient-ils
susceptibles d'être découverts et exploités
par la science et la technologie moderne? Et pourquoi
ne les recherche-t-on pas plus activement ?
- Existe-t-il d'autres particules que les photons et
électrons qui soient utilisées par les
« processeurs quantiques » biologiques.
L'omniprésence de celles-ci s'expliquent puisque
ce sont eux qui transportent dans l'univers l'énergie
indispensable à la vie. Mais d'autres particules
ne pourraient-elles pas, y compris épisodiquement,
avoir joué un rôle dans l'évolution?
On pourrait penser au neutrino accompagnant des émissions
de rayons cosmiques, malgré son caractère
fortement allusif.
Nous terminerons ce petit inventaire de questions en
évoquant un problème souvent mentionné.
Aujourd'hui, il suscite des hypothèses dont les
unes ont déjà donné lieu, ou pourraient
donner lieu, à des recherches scientifiques,
mais dont les autres relèvent d'une sorte de
métaphysique New Age: les neurones, faisceaux
de neurones et aires cérébrales du cerveau
supérieur, dit conscient, utilisent-ils et de
quelle façon des particules quantiques pour produire
les performances de notre cerveau ? Comment, si les
réponses à ces questions étaient
positives, les tissus nerveux auraient-ils acquis de
telles propriétés?
Le bon sens suggère qu'il n'y aurait rien d'étonnant
à ce que les fonctions des organes sensoriels
primaires, faisant appel au quantique comme dans le
cas de l'odorat mentionné dans la première
partie de cet article, aient trouvé un prolongement
dans la construction des premiers organes centralisateurs
et coordinateurs apparus simultanément, c'est-à-dire
dans les systèmes nerveux et cerveaux primitifs.
Il y a une continuité naturelle entre les neurones
des aires sensorielles, ceux des cortex associés
et ceux du reste du cerveau, y compris le cortex frontal
généralement considéré comme
responsable de l'intelligence et de la conscience. Ce
serait donc en ce cas tous les mécanismes neurologiques
qui pourraient relever de la recherche de solutions
quantiques leur conférant leurs performances.
Mais qu'en serait-il des traitements relevant de la
conscience dite supérieure, notamment ceux relatif
au moi, à qui l'on prête des qualités
telles que le libre arbitre ?
Nous pensons qu'une première voie permettant
de répondre à cette question difficile
serait de soutenir les efforts de scientifiques tels
qu'Alain Cardon. Celui-ci a entrepris de modéliser
des systèmes de conscience artificielle faisant
appel aux logiques et informatiques classiques. Il serait
possible sur ces bases de se demander si de tels modèles
seraient ou non rendus plus performants par l'introduction
de calculateurs quantiques et des algorithmes correspondants.
En cas d'expériences positives, nous pourrions
parier sans risque que les neurologues et neuro-psychologues
découvriraient alors, à leur vive surprise,
des opérateurs quantiques plus ou moins puissants
à l'oeuvre depuis des temps immémoriaux
dans les cerveaux biologiques. .
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