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11 décembre 2013
par Jean-Paul Baquiast

Le maintien de la cohérence quantique dans les cellules biologiques photosynthétiques


Bactéries photosynthétiquesNous nous sommes plusieurs fois fait l'écho d'hypothèses selon lesquelles les phénomènes quantiques ont été indispensables, au coeur des systèmes biologiques, pour permettre l'apparition puis le développement de la vie(1).

Mais ces hypothèses restent difficiles à prouver, vu le caractère élusif de tels phénomènes. Pour les mettre en évidence, il faut manipuler des particules quantiques ou qbits. Or celles-ci, en interaction avec des particules ordinaires, celles de la physique dite macroscopique, perdent immédiatement leur caractère quantique. Il s'agit du phénomène bien connu dit de décohérence, qui notamment rend très difficile encore la construction de calculateurs quantiques. Dans le domaine des cellules biologiques, la difficulté est accrue, car celles-ci constituent un milieu chaud et humide particulièrement propice à la décohérence d'éventuelles particules quantiques pouvant y apparaître.

Les chercheurs n'ont pas renoncé cependant à tenter d'analyser différents phénomènes biologiques pouvant difficilement s'expliquer sans appel à la physique quantique. C'est le cas notamment de la photosynthèse qui a permis, aux origines de la vie, à certains êtres vivants d'utiliser la lumière solaire pour obtenir l'énergie et le carbone nécessaires à leur développement.

La revue Biosciences vient de publier l'article de trois chercheurs, Jessica M. Anna et Gregory D. Scholes de l' Université de Toronto, Rienk van Grondelle de l'Université Vrije à Amsterdam(2) . Ils présentent des résultats récents qui, sans permettre de prouver indiscutablement le rôle des phénomènes quantiques dans le développement de la vie, semblent apporter des arguments nouveaux et solides en faveur de cette hypothèse.

Pour ce faire, ils utilisent une technique dite "2-D electronic spectroscopy" qui envoie des impulsions laser de très courte durée (1 milliardième de milliardième de seconde) sur les molécules de protéines permettant à des bactéries et à des algues photosynthétiques de capturer la lumière. Ces molécules, ainsi excitées, réémettent instantanément de la lumière dans différentes longueurs d'onde. L'article de Biosciences décrit ce dispositif, que nous ne résumons pas ici. Nous nous bornerons à remarquer une nouvelle fois que si l'on veut se faire une idée même sommaire de ce qu'est le vivant, il faut se placer à des échelles de temps et de dimension qui sont restées longtemps inaccessibles, et dont d'ailleurs beaucoup échappent encore à l'observation.

Concernant la photosynthèse, les auteurs de l'article expliquent que l'on ne pourrait pas comprendre comment l'énergie lumineuse capturée par le mécanisme qu'ils décrivent pourrait être transportée d'une molécule à l'autre par des entités discrètes se mouvant au hasard entre elles. Il faut pour cela faire appel à la mécanique quantique. Pour celle-ci, les particules ne sont pas des particules ordinaires, telles de petites billes, mais plutôt des ondes réparties dans l'espace et interférant entre elles comme des vagues dans la mer.

Ce mécanisme n'est pas détectable dans les conditions de la physique macroscopique, mais les résultats expérimentaux obtenus par l'équipe montre que des réseaux de molécules peuvent à l'intérieur de la cellule servir d' "antennes" quantiques permettant de capturer les photons lumineux en restant "cohérentes". Elles conservent alors leurs propriétés quantiques et peuvent échanger de l'énergie à des vitesses et dans des régions de l'espace interne de la cellule inaccessibles autrement. Ainsi enrichies d'énergie, ces cellules peuvent utiliser le C02 de l'atmosphère pour construire des organismes complexes.

Une origine encore mystérieuse

Cependant, les chercheurs estiment que le schéma de principe qu'ils pensent avoir mis en évidence s'est transformé de différentes façons au cours de l'évolution des espèces, si bien qu'il n'est pas possible d'en déduire un mécanisme simple et reproductible permettant pour le moment d'exploiter la cohérence quantique dans des bio-organismes artificiels. Ils ont indiqué une direction, mais de nombreuses recherches seront encore nécessaires pour obtenir des technologies solaires permettant une photosynthèse à grande échelle.

Ajoutons pour notre part qu'aussi utiles en pratique que soient de telles recherches, elles ne permettent pas encore de comprendre, concernant l'étude des origines de la vie, comment certaines molécules biologiques ont pu acquérir leurs propriétés photosynthétiques, soit seules, soit au sein des organismes primitifs, archeae, procaryotes puis eucaryotes.

De même, comme toujours lorsque l'on réfléchit aux origines de la vie, on pourrait se demander si ces propriétés sont apparues, par hasard et une fois, avant de se répandre – ou si leur émergence était quasiment obligée – et pourrait dans ce cas se retrouver sous des formes voisines sur d'autres planètes favorables à la vie, sans mentionner les cas où elle se produirait encore sur Terre sans avoir été détectée(3).

Notes
(1) Voir notamment sur Automates Intelligents : JohnJoe McFadden Quantum Evolution, The new science of life
Cet ouvrage de plus de 10 ans a été actualisé récemment par son auteur. Voir "Quantum biology: Current status and opportunities. Paper presented at the International Interdisciplinary Workshop. University of Surrey; 2012.; p. 17-18. September 2012, Surrey, United Kingdom." 
(2) Bioscience
( 3) Sur les lasers ultrarapides soit quelques centièmes de femtosecondes, voir Nature photonics
(1 femtoseconde = 1000 attosecondes ; 1 attoseconde = 1 milliardième de miiliardième de seconde).

N.B.
Concernant les recherches évoquées par cet article, rappelons que Bernard Dugué, qui nous envoie régulièrement des contributions, avait publié un texte éclairant en octobre 2012.

© Automates Intelligents 2013

 





 

 

 

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