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Phénomènes quantiques dans les organismes vivants


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#1 solito de solis

solito de solis

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Posté 10 février 2014 - 12:54

Un article publié ce mois-ci dans la revue "automates intelligents" (la lettre mensuelle est gratuite à recevoir par inscription)

Phénomènes quantiques dans les organismes vivants
Jean-Paul Baquiast - 19/01/2014


Nous avons plusieurs fois mentionné les hypothèses selon lesquelles des mécanismes fondamentaux du monde vivant ne se produiraient pas sans l'intervention de phénomènes quantiques. Ceux-ci, par leurs propriétés fondamentales (superposition d'état, non localité notamment) rempliraient dans le vivant des rôles essentiels, que les atomes et molécules du monde dit macroscopique ne pourraient pas assurer. On a souvent dit que le milieu biologique, chaud et humide, ne pouvait permettre aux particules quantiques de conserver leur "cohérence", c'est-à-dire de ne pas devenir des particules comme les autres au contact de la matière ordinaire. Mais un nombre croissant d'expériences confirme qu'il n'en est rien. La biologie quantique paraît une réalité dont aujourd'hui encore on n'étudierait qu'un nombre limité d'exemples. 

Deux séries d'expériences, ayant fait l'objet de publications, illustrent cette constatation. Elles ne concernent pas des phénomènes nouveaux, car les domaines en cause avaient été évoqués depuis quelques années. Il s'agit de la fonction chlorophyllienne dans les cellules végétales et des vibrations se produisant à l'intérieur des microtubules des neurones cervicaux, susceptible de jouer un rôle dans la production de la conscience. Ce sont les mécanismes quantiques supposés les produire qui se précisent aujourd'hui. 

La fonction chlorophyllienne

Les processus grâce auxquels les cellules végétales recueillent et utilisent la lumière afin de fabriquer les molécules de la chimie organique dont elles ont besoin semblent n'avoir pas d'équivalents dans la physique classique. Les macromolécules qui jouent ce rôle sont composées de chromophores (responsables de la couleur verte) attachés aux protéines de la cellule et constituant le premier stade de la photosynthèse. Elles capturent les photons de la lumière solaire et transfèrent l'énergie associée vers le reste de la cellule.

Aujourd'hui des chercheurs de l'University Collège London pensent avoir identifié des processus quantiques assurant l'efficacité de cette fonction, dont il n'existerait pas d'équivalents dans la physique classique. Selon leurs observations, les vibrations des chromophores responsables du transfert d'énergie ne pourraient pas se produire classiquement. Leur efficacité dépendrait de mécanismes quantiques. 
Les vibrations moléculaires résultent de mouvements périodiques des atomes dans une molécule. Quand deux chromophores vibrent à l'unisson, une résonance apparaît et des échanges efficaces d'énergie peuvent se produire. Dans certaines conditions que nous ne décrirons pas ici, des unités discrètes d'énergie, autrement dit des unités quantiques, sont échangées. Ceci en un très court temps (inférieur à la picoseconde) et à température ambiante.

Mais ne s'agit-il pas de processus de la physique classique ? Les chercheurs montrent qu'il n'en est rien. En physique classique les probabilités de trouver les chromophores dans certaines positions et impulsions seraient positives, autrement dit il serait possible de prévoir ces positions et impulsions. Or l'expérience montre que ceci n'est pas possible. Les chromophores ne peuvent être identifiés en position et impulsion que d'une façon probabiliste, autrement dit collective, ce qui rend impossibles les prédictions individuelles. Il s'agit donc bien d'un mécanisme quantique, correspondant à l'échange cohérent d'un quantum d'énergie. Une superposition d'états quantiques, non prédictible en physique classique, s'établit entre excitations et transfert de charge à l'intérieur du chromophore. 

D'autres processus quantiques proches ont été identifiés. Nous nous bornerons à les évoquer. Il s'agit des changements structurels qu'enregistrent les chromophores associés à la vision lors de l'absorption de photons ou de la reconnaissance d'une protéine par une autre lors de l'olfaction. Pour explorer plus en profondeur ces phénomènes indispensables au fonctionnement des organismes supérieurs, il faudrait examiner les dynamiques vibratoires associées. Elles constituent clairement, selon les chercheurs, des phénomènes non classiques, c'est-à-dire relevant de la physique quantique. Les théories proposées sont très complexes et ne peuvent être présentées et moins encore discutées ici. On se bornera à retenir la conclusion générale qui s'en dégage: les organismes biologiques trouvent leurs origines dans la physique quantique. Ceci pourrait contribuer à l'idée que la vie serait universelle dans l'univers, car cette physique n'est pas associée nécessairement aux conditions observées sur la Terre par des organismes comme les nôtres, qui se sont développées en exploitant les propriétés déterministes de la physique macroscopique. Elle pourrait dominer dans d'autres planètes.

Résumé de l'article publié par Nature Communications 

Advancing the debate on quantum effects in light-initiated reactions in biology requires clear identification of non-classical features that these processes can exhibit and utilize. Here we show that in prototype dimers present in a variety of photosynthetic antennae, efficient vibration-assisted energy transfer in the sub-picosecond timescale and at room temperature can manifest and benefit from non-classical fluctuations of collective pigment motions. Non-classicality of initially thermalized vibrations is induced via coherent exciton–vibration interactions and is unambiguously indicated by negativities in the phase–space quasi-probability distribution of the effective collective mode coupled to the electronic dynamics. These quantum effects can be prompted upon incoherent input of excitation. Our results therefore suggest that investigation of the non-classical properties of vibrational motions assisting excitation and charge transport, photoreception and chemical sensing processes could be a touchstone for revealing a role for non-trivial quantum phenomena in biology.


Reference:
Edward J. O’Reilly, Alexandra Olaya-Castro, "Non-classicality of the molecular vibrations assisting exciton energy transfer at room temperature", Nature Communications, 2014, DOI : 10.1038/ncomms4012 (open access)

 


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