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16 janvier 2009
par Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin

Processus quantiques interagissant avec des organismes biologiques

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
Voir notre entretien avec JohnJoe Mac Fadden :
Article paru dans 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

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