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 l'interprétation des rayonnements lumineux.) 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 codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) non triées. Les chercheurs prétendent que leur découverte pourrait expliquer pourquoi la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus...) 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 croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus...), la photosynthèse, permet aux plantes d'exploiter l'énergie du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique,...) en convertissant le dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la...) et l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) en hydrates de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) riches en énergie. La plupart du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) 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 électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) 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 peut exister à l'état libre, et 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 de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un événement.), 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 manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du...) 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 premier campus de l'Université de Californie. Il est situé à Berkeley, en Californie, sur la rive est de...) en Californie pensent désormais avoir trouvé la réponse, et celle-ci a à voir avec la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique...).

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 sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...) 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 exerçant un métier dans l'informatique. La variété et le peu de rapport des métiers en...) 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 de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) la plus rapide possible dans une base de données (En informatique, une base de données (Abr. : « BD » ou « BDD ») est un lot d'informations stockées dans un dispositif informatique. Les technologies existantes permettent d'organiser et...) 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 production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) 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 étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert...) 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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