5:45 - lundi décembre 5, 2016

« Percer les secrets du vivant grâce à la biologie quantique »

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Les percées scientifiques à même de bouleverser nos sociétés seront au cœur de la prochaine conférence internationale Falling Walls, qui se tiendra à Berlin le 9 novembre. Sciences et Avenir est partenaire de cet événement, visible en direct sur notre site. Parmi les 16 scientifiques de renommée mondiale (le physicien américain Neil Gershenfeld, du Massachusetts Institute of Technology de Cambridge, le biochimiste néo-zélandais Rob Knight, de l’université de Californie à San Diego, la spécialiste en cybersécurité britannique Sadie Creese, de l’université d’Oxford…) qui vont intervenir tout au long de la journée, en 15 minutes chrono, l’intitulé de l’intervention consacrée à la  » biologie quantique » est parmi les plus curieux. En primeur pour notre magazine, Birgitta Whaley, qui dirige le Berkeley Quantum Information and Computation Center de l’université de Californie, a accepté d’expliquer en quoi les  » mécanismes quantiques à l’oeuvre chez les organismes vivants » pouvaient révolutionner le monde. D’autant qu’ils ne sont qu’une cinquantaine de scientifiques à travers la planète à poursuivre ces travaux fondamentaux.

Quand on évoque l’information quantique, on pense en premier lieu à la physique et aux particules de matière ou de lumière. Or, vous travaillez sur le vivant ?

Nous étudions tout un éventail d’organismes, des plantes vertes aux bactéries, qu’il s’agisse d’unicellulaires ou de feuilles. Mais aussi des oiseaux ou d’autres animaux. Nous voulons apporter la preuve qu’il existe un comportement quantique chez ces organismes vivants, à toute petite échelle, impliquant des  » grains de lumière » (photons).

Avez-vous découvert ce comportement quantique ?

Oui, il est tout à fait évident que des effets quantiques sont au coeur, en particulier, de ce qu’on appelle la photosynthèse. Nous les observons dans les premiers stades de ce mécanisme essentiel à la vie qui permet l’absorption de la lumière, puis sa transformation en énergie électronique, les électrons déclenchant ensuite les réactions chimiques qui permettent la formation de glucides [constituants essentiels des êtres vivants].

Outre la connaissance fondamentale, pourquoi est-ce important de comprendre ce mécanisme ?

Parce qu’il est essentiel à la production de nourriture et donc à notre vie. Mais imaginez aussi que nous parvenions à réaliser une photosynthèse artificielle qui capture l’énergie solaire aussi bien que le font les plantes, dont le processus a été hautement optimisé après 3,6 milliards d’années d’évolution. Ce ne serait plus 15 % de rendement que l’on obtiendrait, comme cela se pratique avec le photovoltaïque aujourd’hui, mais presque 100 % !

Qu’ont donc réussi à faire les plantes, et pas nous ?

Chez les plantes vertes, des récepteurs composés de chlorophylle sont capables d’absorber des photons alors même que la lumière reçue est très faible. Chacun d’eux ne reçoit en moyenne qu’un photon toutes les dix secondes. Il faut que la plante soit vraiment très efficace pour réaliser cette absorption avec si peu de lumière. Il y a même des bactéries marines qui n’absorbent qu’un photon (dans l’infrarouge) toutes les vingt minutes.

Qu’est-il important de mesurer ?

Les détails de ce processus d’absorption, en particulier sa dynamique… Nous connaissons très bien la chlorophylle, nous savons quelle partie de la molécule absorbe le photon et à quel niveau. Le problème vient de ce que cette chlorophylle est enchâssée dans un échafaudage complexe de protéines- pigments qui se mettent à leur tour à vibrer, à entrer en rotation… Nos expériences suggèrent fortement que ces vibrations oeuvrent en conjonction avec l’excitation électronique déclenchée par l’arrivée du photon. Elles aident au transfert des électrons qui déclencheront ultérieurement des réactions chimiques. Ce mécanisme d’absorption, facilité par des effets quantiques, peut avoir jusqu’à 99 % d’e. cacité. Un photon arrive, un électron est produit. Finement réglé, il répond à une nécessité de survie de l’organisme.

Quel genre d’appareillages utilisez-vous pour les mesures ?

Nous employons des faisceaux laser pulsés, qui permettent de préciser la dynamique d’excitation des molécules. Par exemple, avec trois pulses qui se succèdent [arrivée de photons d’une certaine fréquence], nous pouvons voir, lors du premier, la molécule réceptrice amorcer son passage vers un état  » excité », puis, lors du deuxième pulse, la molécule devenir entièrement excitée, le troisième pulse permettant d’apporter des précisions sur la durée de cette excitation.

Cela ne semble pas évident…

En biologie, vous ne savez pas où s’arrête le système quantique et où commence son environnement. La plupart des spécialistes haussent les épaules en disant que tout cela est trop compliqué, qu’ils ne veulent même pas en entendre parler !

Dans combien de temps pensez-vous comprendre ce qui se passe ?

Peut-être dans vingt ans… Mais d’ici à dix ans, grâce à la biologie synthétique, nous devrions pouvoir élaborer une structure qui fasse progresser notre compréhension.

COMPORTEMENT

Fascinante intelligence spatiale des oiseaux

La migration des oiseaux et leur capacité à déterminer la bonne direction à prendre sont aussi un domaine  » très tendance » en biologie quantique ! Birgitta Whaley le trouve d’autant plus fascinant que  » les effets quantiques ne sont pas du tout évidents. Est peut-être impliquée ici ce qu’on nomme l’intrication quantique » [deux objets qui peuvent être spatialement séparés mais doivent être traités globalement, comme un seul]. La lumière est en effet absorbée par une molécule à l’arrière de la rétine de chaque oeil de l’oiseau, qui produit puis transfère un électron.

On se demande alors quel est le comportement quantique des deux électrons (entre eux) qui pénètrent dans le cerveau de l’oiseau, ce qui lui délivre un message particulier. Mais il ne s’agit pour l’instant que  » d’une belle hypothèse et il nous faudrait des données expérimentales ».

Lire l’article complet : Sciences et Avenir

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