Biophysique quantique

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

Microtubules reconnues par des anticorps anti-tubuline fluorescents (verts) dans une cellule eucaryote

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 confirment 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 série d'expériences, ayant fait l'objet de publications, illustre 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 pico-seconde) 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 phénomène non-classique, 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)

Le rôle dans la production de la conscience des phénomènes quantiques supposés s'exercer au niveau des microtubules neuronales

Stuart Hameroff et (Sir) Roger Penrose avaient présenté il y a une vingtaine d'années l'hypothèse selon laquelle la production des faits de conscience, dont la nature et l'origine demeurent largement encore inconnues, dérivaient d'activités se produisant aux niveaux profonds des neurones cervicaux. Seraient impliqués les microtubules. Celles-ci sont des fibres constitutives du cytosquelette ou « squelette des cellules » au même titre que d'autres filaments.

Or, dans la ligne de la découverte des vibrations quantiques dans les chromophores (dont sont évidemment dépourvus les neurones), des chercheurs japonais suivis par d'autres ont conclu que des phénomènes voisins se produisaient au niveau des microtubules neuronales. Ainsi se trouverait confortée l'hypothèse initiale de Hameroff et Penrose. Celle-ci était demeurée très contestée – d'autant plus que l'anesthésiologiste Stuart Hameroff s'était engagé ensuite dans des considérations considérées comme douteuses sur la vie après la mort.

Les auteurs de l'article référencé ci-dessous suggèrent que les ondes du cerveau identifiées depuis longtemps par les technique d'électro-encéphalographie dérivent de vibrations profondes au niveau des microtubules. L'origine de ces ondes était restée jusqu'ici non élucidée. Hameroff et Penrose avaient à l'époque suggérée que des phénomènes vibratoires au sein des tubulines modifiaient les réactions du neurone ainsi que celles des synapses. Ils participaient de ce fait à un grand nombre d'activités neurologiques, dont celles relatives à ce que l'on nomme la conscience chez l'homme et les animaux supérieurs. Mais Hameroff et Penrose n'avaient pu le prouver.

Roger Penrose vient, avec d'autres collègues, de reprendre ses hypothèses initiales à la lumière des phénomènes vibratoires quantiques mentionnés dans la première partie de cet article et se produisant dans diverses cellules, végétales et animales. D'autres chercheurs, dans le même esprit, suggèrent que l'anesthésie, qui fait disparaître la conscience, sans paralyser le reste des activité cérébrales, modifie également l'activité des microtubules.

Dès que l'on parle conscience, les esprits spiritualistes et religieux s'agitent, notamment aux Etats-Unis. La conscience ne serait-elle pas un don conféré par Dieu aux humains. Au contraire, selon l'hypothèse matérialiste, elle aurait émergé progressivement dans les cerveaux du fait de computations se complexifiant progressivement au fil de l'évolution. Pour Hameroff et Penrose, aujourd'hui, il parait clair que des vibrations quantiques dans les microtubules interviennent directement dans les fonctions neuronales et synaptiques. Elles connectent ainsi le cerveau aux processus auto-organisateurs pré-conscients qui constitueraient en profondeur la réalité quantique.

Les théistes pourront toujours suggérer, comme habituellement dans ces matières, que c'est en fait Dieu et non l'évolution qui a mis au point chez l'homme les processus générateurs de la conscience. Mais les scientifiques éviteront ces incursions métaphysiques. Ils ont devant eux suffisamment de travail pour étudier en finesse ce en quoi consistent effectivement les vibrations quantiques au sein des cellules. Il leur faut dorénavant montrer en effet qu'il ne s'agit pas d'une explication facile analogue – puisque nous avons évoqué l'anesthésie – à la " vertu dormitive" de l'opium ” .

Penrose, Hameroff et Bandyopadhyay ont exploré leurs hypothèses lors d'une session intitulée “Microtubules and the Big Consciousness Debate” lors d'un colloque de 3 jours organisé à Amesterdam les 16-18 janvier 2014 . Nous pourrons en reparler
(voir http://www.brakkegrond.nl/programma/1253/Penrose_Bandyopadhyay_Hameroff/
Lezing_Microtubuli_het_grote_debat_over_het_bewustzijn/#eng )

Résumé de l'article Consciousness in the universe : A review of the ‘Orch OR’ theory

The nature of consciousness, the mechanism by which it occurs in the brain, and its ultimate place in the universe are unknown. We proposed in the mid 1990's that consciousness depends on biologically ‘orchestrated’ coherent quantum processes in collections of microtubules within brain neurons, that these quantum processes correlate with, and regulate, neuronal synaptic and membrane activity, and that the continuous Schrödinger evolution of each such process terminates in accordance with the specific Diósi–Penrose (DP) scheme of ‘objective reduction’ (‘OR’) of the quantum state. This orchestrated OR activity (‘Orch OR’) is taken to result in moments of conscious awareness and/or choice. The DP form of OR is related to the fundamentals of quantum mechanics and space–time geometry, so Orch OR suggests that there is a connection between the brain's biomolecular processes and the basic structure of the universe. Here we review Orch OR in light of criticisms and developments in quantum biology, neuroscience, physics and cosmology. We also introduce a novel suggestion of ‘beat frequencies’ of faster microtubule vibrations as a possible source of the observed electro-encephalographic (‘EEG’) correlates of consciousness. We conclude that consciousness plays an intrinsic role in the universe.

Références :
* Stuart Hameroff and Roger Penrose, Consciousness in the universe :
A review of the ‘Orch OR’ theory, Physics of Life Reviews, Aug. 20, 2013
*Microtubules http://fr.wikipedia.org/wiki/Microtubule