Photosynthèse et mécanique quantique

Publié par Michel le 16/04/2007 à 00:00
Source: PhysicsWeb
Illustration: Gregory S. Engel, UC Berkeley
Les ordinateurs quantiques et les brins d'herbe ont de façon surprenante plus de choses en commun qu'on pourrait le penser. Des physiciens américains viennent de montrer que les électrons concernés dans les réactions de photosynthèse "échantillonnent" différents itinéraires (au point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) des niveaux d'énergie) plus ou moins de la même façon que le font les ordinateurs quantiques (au moins en théorie) pour effectuer des recherches dans des bases de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) non triées. Les chercheurs prétendent que leur découverte pourrait expliquer pourquoi la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et...) possède une efficacité que les batteries solaires artificielles sont bien loin d'égaler.


Visualisation de la façon dont l'énergie atteint le "centre de réaction"
lors de la photosynthèse, en "échantillonnant" différents itinéraires
pendant son passage à travers la chlorophylle.
Des "battements quantiques" peuvent être mesurés par spectroscopie

Sans discussion possible la réaction chimique la plus commune sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), la photosynthèse, permet aux plantes d'exploiter l'énergie du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) en convertissant le dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un...) et l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) en hydrates de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) riches en énergie. La plupart du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) le phénomène se produit dans les molécules de chlorophylle, qui sont disposées de façon telle que des molécules voisines possèdent différents niveaux d'énergie. Quand le Soleil éclaire une de ces molécules, un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) est momentanément excité avant de transmettre son énergie à une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) voisine de niveau d'énergie légèrement moins élevé. De cette façon l'énergie s'écoule "en cascade" de niveau en niveau jusqu'à atteindre un "centre de réaction" crucial où la photosynthèse se produit réellement.

Les scientifiques supposaient que l'énergie s'écoulait un peu au hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon...), essentiellement selon une suite de sautillements incohérents entre les niveaux. Mais ce mécanisme n'expliquait pas comment l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de...) est transférée aussi rapidement au centre de réaction, ce qui permet à la photosynthèse d'avoir un rendement de 95% ou plus. Gregory Engel et ses collègues de l'université de Berkeley (L'université de Californie, Berkeley (encore appelée UCB, Cal, Berkeley, ou UC Berkeley) est le...) en Californie pensent désormais avoir trouvé la réponse, et celle-ci a à voir avec la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...).

Leur équipe a utilisé une technique de spectroscopie électronique 2D pour tracer les niveaux d'énergie des électrons à travers un certain type de chlorophylle. Les physiciens ont découvert des variations régulières du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) durant quelques centaines de femtosecondes, qu'ils ont interprétés comme autant de "battements quantiques" reliant de manière cohérente tous les niveaux d'énergies entre eux. Selon Engel, l'excitation est capable de trouver l'itinéraire optimal vers le centre de réaction sans aucun gaspillage d'énergie dû à des tentatives au hasard: "c'est un peu comme si l'excitation pouvait 'sentir' le bon chemin sans avoir à les visiter tous un par un," indique-t-il.

Il se trouve que l'informaticien (On nommait dans les années 1960-1980 informaticien ou informaticienne une personne...) Lov Grover a utilisé une méthode analogue en 1997 en développant l'"algorithme de Grover", qui s'est avéré être la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) la plus rapide possible dans une base de données (En informatique, une base de données (Abr. : « BD » ou...) non triée en calcul quantique. "Dans le cas de la photosynthèse, l'énergie recherche l'itinéraire optimal à suivre pour parvenir à l'endroit où elle sera utile," note Roseanne Sension de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) du Michigan.

Certains scientifiques ont toutefois quelques doutes sur les conclusions d'Engel, notamment parce que l'expérience a été effectuée à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de 77 K que les chercheurs ont choisi précisément parce qu'à cette température le comportement des électrons est amplifié de sorte qu'il soit plus facile de réussir l'expérience. Mais les chercheurs insistent sur le fait que le processus de transfert d'énergie demeurerait le même à des températures plus ordinaires, ce dont, par exemple, n'est pas convaincue R. Sension.

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