La physique quantique appliquée à la biologie (et bientôt au biomagnétisme ?)

Introduction à la biologie quantique

 Le physicien Paul Davies s’intéresse de près au rôle des lois quantiques dans le vivant. Dans une revue parue en 2009, il confesse que nombre de physiciens considèrent la vie comme une sorte de miracle par lequel des « molécules stupides » parviennent à coordonner leurs réactions pour engendrer ces systèmes extrêmement complexes capables de percevoir, se déplacer et se reproduire (Physics world, juillet 2009, p 24-28). La biologie contemporaine ne peut plus ignorer la physique quantique affirme avec force Davies pour qui l’hypothèse quantique pourrait expliquer par quel mystère le monde prébiotique est parvenu à engendrer la vie au terme d’une histoire de trois milliards d’années. Si cette hypothèse s’avérait exacte, alors l’origine de la vie serait moins le fait du hasard et plutôt le résultat d’un long procès dont le « miracle » tiendrait en fait à l’intervention de processus quantiques permettant aux molécules de tester des chemins et de trouver celui qui mène au vivant. Pour le dire autrement, le monde prébiotique aurait utilisé des processus similaires à ceux imaginés pour construire un ordinateur quantique. Cette fascinante hypothèse est partagée par quelques physiciens de renom. Mais il faudra théoriser cette affaire avant de bien comprendre un réel dont la connaissance est pour l’instant lacunaire pour ne pas dire embryonnaire. Ce qui ne nous interdit pas de réfléchir une fois de plus sur le grand tournant qui se dessine en biologie.

 En fait, depuis plus d’un siècle, les sciences du vivant se sont pensées dans le cadre de la chimie. Plus précisément, la biologie contemporaine est une biologie chimique. Solidement ancrée sur deux spécialités largement développées dans les laboratoires, la chimie organique et la biologie moléculaire. Néanmoins, quelques scientifiques qu’on dira dissidents ont envisagé l’implication de phénomènes physiques dans le vivant mais cette orientation théorique est restée extrêmement marginale. Quelques savants ont misé sur le magnétisme avant la guerre de 39 mais c’est à la fin des années 1960 que grâce à l’impulsion de Frölich, les recherches en « biologie physique » ont pris un essor modeste mais avéré. Une précision importante ; la biologie physique étudie expérimentalement ou théoriquement des processus descriptibles par des formalismes physiques. Qui peuvent être quantiques comme la cohérence et l’effet tunnel, ou électromagnétique ou autres comme par exemple les vibrations et propagations qu’on trouve dans les phénomènes désignés comme phonons et solitons. Ces derniers ayant fait l’objet des travaux précurseurs de Frölich. Il ne faut donc pas confondre la biologie physique et la biophysique. La seconde consiste à étudier par des techniques physiques (rayons X. résonance magnétique nucléaire…) les structures biomoléculaires. La première consiste à étudier des phénomènes physiques se produisant au sein des biomolécules, des cellules et même des organismes. Et peut-être pourrait-on envisager également la conscience.

 La biologie quantique a donc définitivement émergé comme spécialité selon les dires de Davies qui mentionne plusieurs études impliquant les solitons mais aussi les effets tunnels. Les solitons pourraient intervenir dans la genèse de comportements coordonnés des biomolécules. Il faut en effet que ces milliards de milliards d’atomes puissent fonctionner ensemble pour permettre aux cellules d’assurer leurs fonctions. L’effet tunnel est une curiosité de la mécanique quantique. On sait que dans le monde classique, un solide ne peut franchir une barrière dont l’énergie est supérieure à la sienne. Par exemple, une bille dotée d’une vitesse donnée au centre d’un bol ne peut sortir du récipient si son énergie cinétique est inférieure à l’énergie gravitationnelle correspondant à la hauteur du bol. Mais dans un système quantique, ce phénomène est possible. Une particule peut franchir une barrière énergétique dont le seuil est supérieur à sa propre énergie. Tout dépend si fonction d’onde ne s’annule pas au niveau du franchissement. Auquel cas, cette fonction indiquant la probabilité de présence, la particule peut sauter la barrière avec plus ou moins de succès. Davies mentionne alors une spéculation sur le rôle de l’effet tunnel dans la mutation des gènes (censés être à la base de l’adaptation). Un tel effet pourrait produire un « défaut d’appariement » entre les bases au moment des processus géniques et engendrer une substitution de base, G au lieu de A par exemple. Un autre processus impliquant l’effet tunnel pourrait concerner des protéines repliées avec une structure tridimensionnelle quasi-labyrinthique au sein duquel un proton pourrait trouver plus facilement sa route vers le centre actif s’il se servait de cet effet tunnel. Davies mentionne également des travaux portant sur le rôle de la cohérence dans la photosynthèse avec cependant une interrogation sur la température où se produit le phénomène (voir plus loin) ; et conclut que si l’intervention de la mécanique quantique dans le vivant est appuyée par des expériences et des théories, ce n’est pas pour autant que la biologie quantique fait consensus dans la communauté scientifique. C’est même l’inverse, un domaine réservé pour l’instant à une minorité. L’avenir dira s’il s’agit de curiosités de savants étudiant des « phénomènes exotiques » où si comme le pensent certains, avec l’auteur de ces lignes, une révolution scientifique se prépare.

Révolution quantique en biologie : l’exemple de la cohérence dans la photosynthèse

 Récemment, les ordinateurs quantiques ont été à la une à l’occasion de l’attribution du prix Nobel de physique. Le principe de ces calculateurs est d’utiliser des interférences quantiques liées aux superpositions d’états. Ce qui permet d’effectuer des opérations rapides tout en dépassant les limites de l’information binaire. Un système quantique cohérent peut occuper un état situé entre le 0 et le 1. Néanmoins, la cohérence est détruite avec une extrême rapidité dès lors que le système est couplé au monde classique, ne serait-ce qu’avec quelques atomes de matière placés à la pointe d’une aiguille. Ce n’est qu’aux températures proches du zéro absolu que les cohérences quantiques pourraient être utilisées. Pourtant, les systèmes vivants évoluant à des températures positives semblent pouvoir se servir des cohérences quantiques. Ces phénomènes ont été observés par exemple en étudiant les biomolécules liées à la photosynthèse ; ils pourraient constituer une première pierre pour un nouvel édifice théorique, celui de la biologie quantique, pressentie comme nouveau paradigme par quelques observateurs attentifs, mais largement inconnue du grand public et même des étudiants en biologie. Cela fait des décennies que la physique quantique est invoquée comme « chaînon manquant ontologique » sans pour autant que le lien ait été établi entre ce monde quantique au comportement étrange et le monde biologique classique que nous percevons, mesurons et dans lequel nous vivons en y interagissant. Finalement, le classique chaînon manquant permettant de passer du monde prébiotique au monde animé, serait un « chaînon ontologique quantique ». Mais avant d’éclaircir cette question des origines, il faudra beaucoup de résultats expérimentaux ainsi que des avancées théoriques inédites. La biologie quantique semble prendre un essor soudain, un siècle après la physique quantique.

Les travaux des physiciens sur la cohérence quantique ont été couronnés par le Nobel en 2012. Ce qu’on sait moins, c’est que dans le domaine de la biologie, des études sur la cohérence sont en cours et que des premiers résultats ont été obtenus expérimentalement en 2007 dans le laboratoire dirigé par Graham Flemming, soit une dizaine d’années après premiers succès de la cohérence publiés par Serge Haroche et David Wineland. La cohérence quantique est un phénomène difficile à expérimenter et à comprendre car elle défie les notions de la physique classique. Il se produit une cohérence lorsqu’un photon interagit avec au moins deux atomes pendant un laps de temps extrêmement réduit ce qui limite les possibilités de l’observer. Pendant ce court espace de temps, le système quantique est dans deux états et lorsque la décohérence se produit, un transfert « réel » d’énergie se produit. Un photon est émis et la cohérence est supprimée au profit d’un phénomène classique. La cohérence peut être observée avec plus de succès lorsque la température est basse. C’est dans de telles conditions, à 77 degrés Kelvin (environ moins 200 degrés Celsius) que Fleming a observé cette cohérence en utilisant des molécules extraites de bactéries. Ces résultats n’ont rien d’inattendus car ils se situent dans le prolongement des études de décohérences menées par les physiciens et ne permettent pas d’émettre des hypothèses sur un éventuel rôle de la cohérence quantique dans les systèmes biologiques. Mais ce n’était que partie remise puisque trois ans plus tard, Greg Scholes est parvenu à observer la cohérence quantique dans des molécules particulières extraites d’algues. Ces expériences ont été menées à température ambiante, ce qui montre que ce processus quantique est envisageable dans n’importe quel système vivant.

 Scholes et ses collaborateurs ont utilisé une protéine particulière, « l’antenna », extraite de cryptophytes, algues marines utilisant cette protéine qui, bien qu’étant distincte de l’universelle chlorophylle, joue un rôle équivalent en permettant de transférer l’énergie lumineuse vers les dispositifs de carbosynthèse. En l’espace de quelques fractions de secondes, ces algues peuvent capter une proportion non négligeable de l’énergie lumineuse pour la diriger vers les centres de synthèse des carbohydrates. Pour réaliser ce phénomène, on imagine aisément que le photon doit trouver le plus rapidement possible son chemin, sinon il repart dans l’environnement. Et justement, cette possibilité est permise par la cohérence quantique. L’énergie passe ainsi par plusieurs chemins possibles dans la molécule avant de se décider pour emprunter le chemin accessible le plus direct. C’est étrange à concevoir mais c’est ainsi que fonctionne la cohérence quantique. Imaginez que vous rentrez du Cap Ferret pour rejoindre le centre de Bordeaux un dimanche ensoleillé. Vous pouvez emprunter plusieurs chemins en jouant sur une combinaison de portions de route. Vous testez chaque parcours puis vous revenez à la case départ pour prendre celui qui vous mènera à bon port dans le délai le plus court. Bien évidemment, c’est impossible à réaliser et tout ce que vous pouvez faire, c’est éventuellement contacter un de vos amis pour qu’il vous dise s’il est coincé ou pas dans un bouchon près de Bordeaux, ce qui ne vous garantit aucunement que lorsque vous passerez au même endroit, l’état de la circulation sera le même. Par contre, l’énergie du photon peut, à l’échelle quantique, tester les chemins dans la molécule de transfert et choisir le plus rapide pour aller vers les centres moléculaires de la carbosynthèse. Ces processus de cohérence quantique, bien qu’obtenus dans des conditions expérimentales créées en laboratoire, n’en sont pas moins tangibles d’un point de vue biologique, selon les dires de Scholes.

 Les recherches sur les effets quantiques en biologie constituent actuellement l’un des champs les plus prometteurs car les résultats commencent à tomber tandis que le schéma théorique est très loin d’être élucidé, comme le conclut Fleming, co-auteur d’une petite revue sur ce sujet et spécialiste de ce domaine très pointu nécessitant la maîtrise des expériences microphysiques sur des macromolécules biologiques ainsi qu’une bonne connaissance des formalismes quantiques. Selon Fleming, si le 20ème siècle a vu se développer des questionnements sur le « fonctionnement quantique » des systèmes biologiques, ce n’est que récemment que les phénomènes quantiques dans les biomolécules ont pu être observés (G.R. Fleming et al., New Journal of Physics, 13, 2011). Des molécules essentielles à la communication cellulaire, comme par exemple les canaux ioniques, sont soupçonnés d’utiliser des processus quantiques. L’étendue de ces phénomènes est assez large, autant sur le plan des molécules étudiées qu’au niveau des processus quantiques impliqués et pour la plupart échappant au sens commun. Ce que l’on peut comprendre aisément car les concepts et formules de la mécanique quantiques ne représentent pas un monde classique. Et pourtant, ce monde classique émerge du monde quantique, telle une tapisserie dont les mailles sont non seulement invisibles mais tissées avec des lois défiant l’entendement classique. Des travaux récents ont même montré que l’espace et le temps découlent des lois de la physique quantique. Alors autant miser sur l’hypothèse d’un monde vivant dont les éléments moléculaires sont pour une part soumis aux règles du monde quantique. Ce qui supposerait une double description du vivant, mécaniste, chimique et moléculaire lorsqu’on développe les techniques d’analyse moléculaire, mais quantique si l’on utilise des dispositifs ajustés à l’observation des phénomènes quantiques comme peuvent l’être la cohérence, la non séparabilité, l’effet tunnel et les interférences. Avec deux corpus théoriques complémentaires, celui de la chimie organique et celui de la physique.