- Daniel Gonzalez Capa
- BBC Nouvelles Monde
il y a une heure
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La biologie quantique peut ouvrir la porte à de nouvelles connaissances.
Si vous preniez quelques minutes pour réfléchir à ce qu’est la physique quantique, que diriez-vous ?
Beaucoup de gens répondraient que ce sont des formules complexes qui expliquent des processus très complexes liés aux particules subatomiques, à la gravité, à l’énergie, au mouvement des galaxies, aux trous noirs et à tout ce qui concerne l’espace-temps et la taille de l’univers.
Quelque chose comme Albert Einstein. Et ce ne serait pas une réponse exagérée.
En fin de compte, le père de la relativité a jeté les bases de la physique statistique et de la mécanique quantique, qui font partie d’une physique moderne très différente de la physique proposée par Isaac Newton il y a des siècles.
Mais il existe une branche moins étudiée qui ne vous oblige pas à aller très loin pour savoir de quoi il s’agit.
En fait, il est ici, sur notre planète, parmi nous.
Le physicien théoricien irako-britannique Jim Al Khalili l’a soulevé en 2015 avec une question lors d’une conférence : et si le monde quantique jouait un rôle important dans le fonctionnement d’une cellule vivante ?
Une si petite chose peut-elle nous aider à comprendre pourquoi nous sommes en vie ?
Depuis de nombreuses années, la communauté scientifique affirme catégoriquement que la biologie est une science tellement complexe qu’elle n’a rien à voir avec le monde quantique.
Une idée aujourd’hui considérée comme fausse. En fait, la mécanique quantique joue un rôle si important dans les processus biologiques qu’elle est vitale pour la photosynthèse des plantes ou la respiration cellulaire.
Cette branche de la science est connue sous le nom de biologie quantique.
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La physique quantique peut-elle expliquer le fonctionnement d’une cellule ?
Et le comprendre ouvrirait la porte à d’innombrables réponses et idées que nous ne comprenons pas encore pleinement, qu’il s’agisse de comprendre le fonctionnement des mutations, de créer de nouveaux médicaments ou d’améliorer l’informatique quantique.
“Dans une certaine mesure, nous résolvons un mystère important”, a déclaré Vladimiro Mujica, chimiste à l’Université centrale du Venezuela et docteur en chimie quantique à l’Université d’Uppsala en Suède, à BBC Mundo.
Photo publiée avec l’aimable autorisation de l’Université d’État d’Arizona
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Vladimiro Mujica, un scientifique vénézuélien qui a étudié la relation entre la physique quantique et les processus biologiques.
Récemment, l’Arizona State University, où M. Mujica travaille actuellement, a reçu une subvention de 1 million de dollars de la Fondation Keck, ainsi que de l’Université de Californie à Los Angeles et de la Northwestern University à Chicago, pour étudier la biologie quantique au cours des trois prochaines années.
L’idée est de comprendre autant que possible la portée de cette branche, qui révolutionne la façon dont nous comprenons la relation entre les processus quantiques et la vie elle-même.
Mais qu’est-ce que la biologie quantique ?
Recommençons. Mécanique quantique:
La physique moderne repose principalement sur deux branches qui étudient la relativité et le monde quantique. Le premier étudie des domaines tels que le mouvement des galaxies et des planètes ; la seconde examine les systèmes atomiques et subatomiques qui sont si petits que nous ne pouvons pas les voir à l’œil nu.
Monde géant et petit monde.
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La mécanique quantique étudie les mondes atomique et subatomique.
Le côté évident est que la chimie, la biologie et la biochimie font partie de la matière. Et cette matière est composée d’atomes et de molécules.
Ainsi, si la physique quantique étudie ce monde atomique, elle décrit aussi la biologie.
“Les processus biologiques sont en fait des systèmes quantiques car la physique (quantique) décrit le comportement de la matière à un niveau microscopique”, explique Mujica.
C’est une conclusion très simple. Mais cela n’a pas toujours été aussi évident.
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Les lois de Newton ne s’appliquent pas à la physique quantique.
Et il y a une bonne raison : les processus biologiques sont en fait très complexes. Les systèmes quantiques, en revanche, ont besoin de “stabilité”, ce que les scientifiques appellent la cohérence des ondes.
À l’époque, la communauté scientifique avait conclu que les processus biologiques étaient si “bruyants” qu’ils ne montraient pas cette stabilité. En principe, ils ont détruit la séquence.
Ainsi, tout au long du XXe siècle, les scientifiques ont séparé la mécanique quantique de la biologie. Ils ne lui prêtaient pas beaucoup d’attention.
Mais peut-être qu’il manquait quelque chose que les scientifiques n’ont pas entièrement compris ou n’ont pas entièrement répondu. Peut-être y avait-il une méthode dans laquelle tout cela était appliqué dans les processus biologiques.
N’est-ce pas insignifiant ?
Nous savons déjà que la matière est composée de particules. Certains sont des protons et des neutrons, tandis que d’autres sont appelés particules élémentaires, comme les électrons et les photons.
Ces particules agissent au niveau biologique. Par exemple, la photosynthèse chez les plantes est alimentée par le transfert d’électrons dans les molécules.
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La photosynthèse est l’un des meilleurs exemples de la physique quantique dans les processus biologiques.
Mais il y a un problème : comment cet électron voyage. Si nous avions une ampoule, l’électron passerait par un fil de cuivre qui chauffe beaucoup et fait s’allumer la lumière.
Mais les plantes n’ont pas ce fil de cuivre. En fait, la biologie a de “mauvais” conducteurs d’énergie, selon Mujica, et une élévation soudaine de la température entraînerait la mort directe de la cellule.
L’électron aura donc besoin de ce que les scientifiques ne peuvent pas comprendre. Procédé simple et ne nécessitant pas trop d’énergie pour permettre à la particule de se déplacer sans tuer la cellule.
Ce processus existe réellement et s’appelle l’effet tunnel.
Exemple : si nous avons une balle de tennis d’un côté du court et que nous devons la déplacer de l’autre côté, nous la lançons simplement d’un bout à l’autre.
Mais si le terrain a un mur très haut au milieu, la balle doit être lancée très haut par-dessus le mur, sinon elle rebondira. C’est ainsi que fonctionne la physique classique.
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Mais en physique quantique, c’est différent. Si la balle de tennis est en fait un électron, il y a un moyen pour qu’elle passe à travers le mur, pas au-dessus. Et cela se produit parce que les particules se déplacent sous forme d’ondes.
L’effet tunnel est comme “ouvrir un trou dans la barrière et glisser à travers”. Et l’avantage est qu’il est si simple et si bon marché qu’il est utilisé par les systèmes biologiques pour consommer le moins d’énergie possible.
Les scientifiques appellent ces événements “non triviaux”. C’est essentiellement ainsi que la mécanique quantique modifie les processus biologiques.
Ce n’est pas nouveau. Des physiciens comme l’Autrichien Erwin Schrödinger travaillaient déjà sur ce sujet et sur d’autres sujets en physique quantique dans la première moitié du XXe siècle, ouvrant ainsi la voie à quelqu’un d’autre pour faire de nouvelles découvertes.
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Les travaux d’Erwin Schrödinger sont essentiels pour l’étude de la physique quantique.
Différents processus
Mais l’effet tunnel n’est pas le seul mécanisme quantique qui fonctionne dans les processus biologiques.
Il y en a d’autres, comme la direction dans laquelle tourne une particule appelée spin. Et tous ces effets agissent différemment à différentes étapes des processus biologiques.
Par exemple, la photosynthèse se déroule en trois étapes. Le premier est la capture d’un photon (la particule qui transporte le rayonnement électromagnétique, comme la lumière du soleil) de la plante.
La seconde est celle où les électrons absorbent l’énergie des photons et passent à un état d’énergie plus élevé, traversant les molécules et s’appuyant sur l’effet tunnel.
Enfin, l’électron est utilisé pour une réaction chimique qui libère de l’oxygène. Et cela permet à des êtres comme les humains de respirer.
La mécanique quantique est présente dans toutes ces étapes.
Mais imaginons maintenant que l’électron tourne autour de son propre axe et que ce mouvement puisse être à droite ou à gauche. Selon le sens de rotation, l’électron traversera ou non le tunnel.
Pour simplifier, considérons une vis qui, une fois insérée dans la fente, ne peut être vissée que dans le bon sens. Mais si vous essayez autrement, cela ne fonctionnera pas ou vous l’endommagerez.
C’est ce qu’on appelle la chiralité, du grec kheir, qui signifie main. Lorsqu’un objet est chiral, il a un autre objet qui est le reflet, comme la main droite avec la main gauche.
Cela signifie que le spin va de pair avec la chiralité.
“Vous disposez donc désormais d’un mécanisme privilégié qui protège le transport électronique de tout bruit extérieur. Donc l’effet qui n’aurait pas dû être important maintenant est », résume Mujica.
Et comprendre cela est très important pour la science. Nous savons déjà que l’effet tunnel, la rotation et la chiralité sont liés non seulement à la photosynthèse, mais aussi à la synthèse des protéines, à la façon dont les organismes respirent ou à la relation entre …
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