Physique quantique, photosynthèse et odorat

La physique quantique donne un aperçu étonnant des processus biologiques

Est-il possible, par exemple, qu'un objet soit à deux endroits différents en même temps ? Selon la physique quantique, c'est possible. Plus précisément, d'après le principe de "superposition", une particule peut être décrite comme ayant simultanément deux états distincts.

Bien que cela puisse ressembler à du vaudou pour le néophyte, la superposition s'appuie sur une science fiable. Les chercheurs du projet PAPETS étudient ce phénomène, ainsi que d'autres, à la limite entre la biologie et la physique quantique. Leur objectif est de déterminer le rôle de la dynamique vibrationnelle dans la photosynthèse et l'odorat.

La "superposition" quantique pour une photosynthèse plus efficace

Des effets quantiques dans un système biologique plus précisément dans un complexe de photosynthèse, ont été observés pour la première fois par Greg Engel et ses collaborateurs en 2007, aux États-Unis. Ces effets ont été reproduits dans différents laboratoires à une température de -193° Celsius environ et ensuite à température ambiante.

"Ce qui est surprenant et fascinant est que ces effets quantiques ont été observés dans des complexes biologiques, qui sont des systèmes grands, avec de l'eau, et du "bruit"", déclare le coordinateur du projet PAPETS, le Dr Yasser Omar, chercheur à l'Instituto de Telecomunicações et professeur à l'Universidade de Lisboa. "La superposition est un phénomène fragile et nous nous attendions à ce qu'elle soit détruite par l'environnement".

La superposition contribue à un transport d'énergie plus efficace. Un exciton, une quasi-particule quantique transportant de l'énergie, peut voyager plus vite le long du complexe photosynthétique en raison du fait qu'il peut exister simultanément en deux états. Lorsqu'il arrive à une bifurcation, il n'a pas besoin de choisir entre la gauche et la droite. Il peut suivre simultanément les deux voies.

"C'est comme un labyrinthe", explique le Dr Omar. "Seule une porte mène vers la sortie, mais l'exciton peut s'engager dans la voie de gauche et de droite en même temps. C'est plus efficace".

Le Dr Omar et ses collègues pensent que plusieurs facteurs facilitent la réalisation et le maintien de la superposition, notamment la dynamique de l'environnement vibratoire, dont le rôle est précisément ce que le projet PAPETS tente de comprendre et d'exploiter.

Quand la théorie et l'expérimentation se rejoignent

Les théories explorées par le projet PAPETS sont également testées dans des expériences, en vue d'être validées et d'obtenir des indications plus précises. Pour étudier le transport quantique en photosynthèse, par exemple, les chercheurs envoient des impulsions laser rapides dans des systèmes biologiques. Ils observent ensuite l'interférence le long du réseau de transport, une signature des phénomènes ondulatoires.

"C'est comme lancer des pierres dans un lac", explique le Dr Omar. "Vous voyez alors si les ondes qui se produisent s'élargissent ou s'annulent les unes les autres lorsqu'elles se rencontrent".

De nombreuses applications, comme de meilleures cellules solaires et une détection améliorée des odeurs

Bien que le projet PAPETS soit essentiellement de nature exploratrice, il génère aussi des données qui pourraient avoir des applications pratiques. Les chercheurs de PAPETS acquièrent une compréhension fondamentale de la façon dont fonctionne la photosynthèse et celle-ci pourrait servir à concevoir des cellules solaires plus efficaces.

L'odorat, la capacité de reconnaître et de distinguer les différentes odeurs, représente un autre domaine prometteur. Les expériences se concentrent sur le comportement des drosophiles. Jusqu'à présent, les chercheurs suspectent l'effet tunnel des électrons, associé aux vibrations internes d'une molécule, d'être la signature d'une odeur. Le Dr Omar compare cet effet tunnel à une balle de ping-pong au fond d'un bol qui remonterait la paroi du bol pour apparaître à l'extérieur de celui-ci.

Ce travail de recherche pourrait avoir des applications dans les secteurs de l'alimentaire, de l'eau, des cosmétiques ou des médicaments. Une meilleure détection artificielle des odeurs pourrait servir à détecter les impuretés ou la pollution, par exemple.

"Contrairement à la vue, à l'ouïe ou au toucher, le sens de l'odorat est difficile à reproduire artificiellement de façon très efficace", déclare le Dr Omar.

Le projet PAPETS, impliquant 7 partenaires, se déroule de septembre 2014 à août 2016 et la contribution financière de l'UE s'élève à 1,8 million d'euros.

Pour plus d'information voir: projet PAPETS