Les plantes sont-elles quantiques?

Un débat de longue date sur la façon dont la photosynthèse «quantique» est peut-être enfin arrivé à son terme.

Les particules subatomiques obéissent à un étrange ensemble de règles mathématiques lorsqu’elles se déplacent. Ils ne peuvent prendre que des valeurs définies de certaines propriétés (un peu comme prendre des positions sur un escalier), mais ils peuvent prendre plusieurs valeurs en même temps ou s’emmêler de telle sorte que leurs valeurs deviennent plus corrélées que ne le permettraient autrement les probabilités normales. Les scientifiques se demandent depuis longtemps quels rôles cette étrangeté quantique pourrait jouer en biologie, notamment pour augmenter l’efficacité de la photosynthèse. Cette ligne de recherche est passée à la vitesse supérieure après une expérience controversée de 2007 qui a révélé que quelque chose appelé cohérence quantique semblait jouer un rôle clé dans la façon dont les plantes produisent de l’énergie. Mais une nouvelle revue des expériences a démontré que la photosynthèse n’est probablement pas aussi quantique que le pensaient les scientifiques.

« Il y a beaucoup d’effets quantiques bien établis et bien compris en biologie – des effets normaux que les gens ont compris et vus depuis des années », Richard Cogdell, professeur à l’Université de Glasgow et auteur de la nouvelle revue, a déclaré Gizmodo. «L’idée qu’il y a des effets quantiques inattendus et étranges, comme si les choses se trouvaient à deux endroits à la fois, par exemple –il n’y a vraiment aucune preuve de cela. « 

En 2007, un document publié dans Nature a lancé le débat. Une équipe de scientifiques de l’Université de Californie, de Berkeley, de l’Université de Washington à Saint Louis et du Lawrence Berkeley National Lab a effectué des mesures d’un complexe trouvé dans certaines photosynthèses bactérie appelée complexe Fenna – Matthews – Olson. Ce complexe est composé de molécules de pigments et de protéines et agit comme une sorte de fil reliant la partie de collecte de lumière d’une cellule au centre où se produit la photosynthèse. L’équipe a refroidi le complexe à -321 degrés Fahrenheit (-196 degrés Celsius) et a mesuré sa réaction aux impulsions laser. Ils ont repéré un schéma d’oscillations qu’ils considéraient comme la preuve que le complexe incorporait une cohérence quantique, prenant essentiellement une superposition de plusieurs états électroniques à la fois, pour trouver la voie la plus efficace pour transférer de l’énergie.

Ce travail a déclenché une vague de recherches en biologie quantique, essayant de comprendre où l’étrangeté quantique apparaît en biologie et comment ces effets se manifestent de manière significative. Mais depuis, les chercheurs se sont demandé si la cohérence quantique était réellement responsable des oscillations révélatrices, et si la photosynthèse – dans laquelle un organisme convertit l’énergie de la lumière en carburant chimique – aurait réellement besoin de cohérence pour atteindre son efficacité. Le plus remarquable parmi ces chercheurs est peut-être Dwayne Miller de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière en Allemagne. Miller est l’auteur correspondant du nouvelle revue sur le sujet publié dans la revue Science Advances.

Les chercheurs ont combiné les preuves des expériences passées pour plaider contre la cohérence électronique. Ils ont noté que les vibrations atomiques peuvent également adopter un comportement corrélé et produire des observations similaires, qui sont difficiles à séparer. Ils ont également noté que les expériences menées à la température dite ambiante – la plage de températures moins extrême à laquelle la photosynthèse se produirait réellement – démontrent que les cohérences quantiques dans le complexe FMO ne dure que quelques dizaines de femtosecondes (c’est ne pas assez long pour qu’il ait un impact significatif sur l’efficacité du transfert d’énergie). Ils concluent que le le processus de transfert d’énergie n’est qu’un processus de «saut» incohérent, où les excitations causées par saut du soleil entre les molécules, plutôt qu’un processus gouverné par l’étrangeté de la mécanique quantique.

Fondamentalement, le complexe protéine-pigment ne se résume pas à lui-même dans une expérience de laboratoire ultra-froid; il est assis dans une chauve-sourish de matériel cellulaire à much températures plus élevées. Tous ces facteurs de complication ensemble ont clairement montré que, «Bien que la biologie quantique soit vraiment formidable et excitante, c’est trop beau pour être vrai pour les systèmes réels», a déclaré Amy Stevens, professeure adjointe de chimie à l’Université de la Saskatchewan, qui n’a pas participé à cette revue.

Un autre scientifique non impliqué dans l’étude, le professeur de chimie Shaul Mukamel de l’Université de Californie à Irvine, a convenu que cet article pourrait très bien être le clou du cercueil pour l’interprétation quantique des oscillations.

Graham Fleming, professeur de chimie à l’Université de Californie à Berkeley et l’un des auteurs de l’article de 2007, a déclaré à Gizmodo dans un e-mail qu’il n’avait aucun commentaire spécifique sur la nouvelle revue. Cependant, il a commencé à analyser les spectres vibrationnels de ces molécules et a pointé Gizmodo vers un article récent démontrant un nouveau spectrostechnique copique. Il a expliqué que la vibration mentionnée dans le nouvel examen n’a pas pu recréer leurs observations d’un autre complexe photosynthétique de collecte de lumière. Mais Miller a répondu à Gizmodo que le papéritif Fleming discute toujoursJe ne montre pas que le processus de transfert d’énergie est un processus cohérent quantique.

Ce n’est pas la fin de la ligne pour la biologie quantique, car il existe encore des endroits où des manifestations macroscopiques de la mécanique quantique pourraient apparaître dans les systèmes biologiques. Il existe des preuves que les processus quantiques pourraient être derrière navigation d’oiseaux, par exemple. D’autres se demandent s’ils jouent un rôle dans comment nous sentons. « Ce sont encore des questions importantes qui devraient être explorées », a déclaré Mukamel à Gizmodo.

Quant à la photosynthèse, il semble qu’elle n’ait rien de particulièrement mystique. Du moins, rien à part des milliards d’années d’évolution qui ont permis à la vie de se développer à partir de l’énergie récoltée d’une étoile proche.