Science : la biologie quantique sous-explorée (et comment peut-elle fournir des indices sur la raison pour laquelle nous sommes vivants) ?

Si nous prenions quelques minutes pour réfléchir à ce qu'est la physique quantique, que diriez-vous ?

Beaucoup de gens répondraient qu'il s'agit de formules compliquées qui expliquent des processus très complexes liés aux particules subatomiques, à la gravité, à l'énergie, au mouvement des galaxies, aux trous noirs et à tout ce qui concerne l'espace-temps et la taille de l'univers.

Un peu comme Albert Einstein. Et ce ne serait pas une réponse farfelue.

Après tout, le père de la théorie de la relativité a jeté les bases de la physique statistique et de la mécanique quantique, qui font partie de la physique moderne, laquelle est très différente de la physique proposée par Isaac Newton il y a plusieurs siècles.

Mais il existe une branche moins explorée qui ne nécessite pas d'aller très loin pour comprendre de quoi il s'agit.

En fait, il est ici, sur notre planète, parmi nous.

Le physicien théoricien irako-britannique Jim Al Khalili l'a soulevée en 2015 par une question lors d'une conférence : et si le monde quantique jouait un rôle important dans le fonctionnement d'une cellule vivante ?

Une chose aussi minuscule peut-elle nous aider à comprendre pourquoi nous sommes en vie ?

Pendant de nombreuses années, la communauté scientifique a été catégorique : la biologie était une science tellement complexe qu'elle n'avait rien à voir avec le monde quantique.

Une idée qui, aujourd'hui, est considérée comme erronée. En réalité, la mécanique quantique joue un rôle si important dans les processus biologiques qu'elle est vitale pour la photosynthèse des plantes ou la respiration cellulaire.

Cette branche de la science est connue sous le nom de biologie quantique.

Et le comprendre ouvrirait la porte à d'innombrables réponses et connaissances que nous ne saisissons pas encore complètement, qu'il s'agisse de comprendre le fonctionnement des mutations, de créer de nouveaux médicaments ou d'améliorer l'informatique quantique.

"Dans une certaine mesure, nous sommes en train de résoudre un important mystère", dit à BBC Mundo Vladimiro Mujica, chimiste à l'Université centrale du Venezuela et docteur en chimie quantique de l'Université d'Uppsala en Suède.

Récemment, l'université d'État de l'Arizona, où M. Mujica travaille actuellement, a reçu une subvention d'un million de dollars de la Fondation Keck, conjointement avec l'université de Californie à Los Angeles et l'université Northwestern à Chicago, pour étudier la biologie quantique pendant les trois prochaines années.

L'idée est de comprendre autant que possible l'étendue de cette branche, qui révolutionne la façon dont nous comprenons la relation entre les processus quantiques et la vie elle-même.

Mais qu'est-ce que la biologie quantique ?

Commençons par le début. La mécanique quantique :

La physique moderne s'appuie principalement sur deux branches qui étudient la relativité et le monde quantique. La première étudie des domaines tels que le mouvement des galaxies et des planètes ; la seconde étudie les systèmes atomiques et subatomiques qui sont si petits que nous ne pouvons pas les voir à l'œil nu.

Un monde géant et un monde minuscule.

Le côté évident est que la chimie, la biologie et la biochimie font partie de la matière. Et cette matière est constituée d'atomes et de molécules.

Ainsi, si la physique quantique étudie ce monde atomique, elle décrit également la biologie.

"Les processus biologiques sont en fait des systèmes quantiques, car la physique (quantique) décrit le comportement de la matière au niveau microscopique", explique M. Mujica.

C'est une conclusion qui se lit très simplement. Mais cela n'a pas toujours été aussi évident.

Et il y a une bonne raison : les processus biologiques sont en fait très complexes. Les systèmes quantiques, quant à eux, ont besoin de "stabilité", ce que les scientifiques appellent la cohérence des ondes.

La conclusion de la communauté scientifique était alors que les processus biologiques étaient si "bruyants" qu'ils ne présentaient pas cette stabilité. En gros, ils détruisaient la cohérence.

Et c'est pourquoi, tout au long du XXe siècle, les scientifiques ont séparé la mécanique quantique de la biologie. Ils ne lui ont pas accordé beaucoup d'intérêt.

Mais peut-être manquait-il quelque chose que les scientifiques ne comprenaient pas tout à fait ou qui ne correspondait pas tout à fait. Peut-être y avait-il une méthode où tout cela était appliqué dans les processus biologiques.

Pas insignifiant ?

On sait déjà que la matière est constituée de particules. Certains sont des protons et des neutrons, et d'autres sont connus sous le nom de particules élémentaires, comme les électrons et les photons.

Ces particules fonctionnent au niveau biologique. Par exemple, la photosynthèse chez les plantes est alimentée par le transfert d'électrons dans les molécules.

Mais il y a un problème : comment cet électron voyage. Si nous avions une ampoule électrique, l'électron passerait par un fil de cuivre qui devient très chaud et fait que la lumière s'allume.

Mais les plantes n'ont pas ce fil de cuivre. En fait, la biologie a de "mauvais" conducteurs d'énergie, selon Mujica, et une augmentation brutale de la température entraînerait la mort pure et simple de la cellule.

Donc l'électron aurait besoin de ce quelque chose qui manque aux scientifiques pour comprendre. Un processus simple et ne nécessitant pas trop d'énergie pour permettre à la particule de voyager sans tuer la cellule.

Ce processus existe réellement, et il s'appelle l'effet tunnel.

Un exemple : si nous avons une balle de tennis d'un côté d'un terrain et que nous devons l'amener de l'autre côté, nous la lançons simplement d'un bout à l'autre.

Mais si le terrain comporte un mur très haut au milieu, la balle doit être lancée très haut et par-dessus le mur, sinon elle rebondit. C'est ainsi que fonctionne la physique classique.

Mais c'est différent en physique quantique. Si la balle de tennis était en fait un électron, il y a un moyen pour elle de traverser le mur et non de le franchir. Et cela se produit parce que les particules se déplacent sous forme d'ondes.

L'effet tunnel, c'est comme "si tu ouvrais un trou dans la barrière et que tu te glissais à travers". Et l'avantage est qu'il est si simple et si bon marché qu'il est utilisé par les systèmes biologiques pour utiliser le moins d'énergie possible.

Les scientifiques appellent ces événements "non triviaux". C'est en gros comment la mécanique quantique modifie les processus biologiques.

Ce n'est pas nouveau. Des physiciens comme l'Autrichien Erwin Schrödinger avaient déjà abordé cette question et d'autres sujets de la physique quantique dans la première moitié du 20e siècle, préparant ainsi le terrain pour que quelqu'un d'autre fasse de nouvelles découvertes.

Des processus différents

Mais l'effet tunnel n'est pas le seul mécanisme quantique à l'œuvre dans les processus biologiques.

Il en existe d'autres, comme la direction dans laquelle la particule tourne, appelée spin. Et tous ces effets agissent de différentes manières à différents stades des processus biologiques.

Par exemple, la photosynthèse se déroule en trois étapes. La première est la capture du photon (la particule qui transporte le rayonnement électromagnétique, comme la lumière du soleil) par la plante.

La seconde est celle où les électrons absorbent l'énergie du photon et passent à un état d'énergie plus élevé, en traversant les molécules et en s'appuyant sur l'effet tunnel.

Enfin, l'électron est utilisé pour une réaction chimique qui aboutit à la libération d'oxygène. Et c'est ce qui permet à des êtres comme les humains de respirer.

Dans toutes ces étapes, la mécanique quantique est présente.

Mais imaginez maintenant que l'électron tourne sur son propre axe (spin), et que ce mouvement peut être vers la droite ou vers la gauche. Selon la direction du spin, l'électron traversera ou non le tunnel.

Pour simplifier, pensez à une vis qui, une fois insérée dans la fente, ne peut être vissée que dans le bon sens. Mais si vous essayez dans l'autre sens, soit elle ne passera pas, soit vous l'endommagerez.

C'est ce qu'on appelle la chiralité, du grec kheir, qui signifie main. Lorsqu'un objet est chiral, il a un autre objet qui est le reflet, comme la main droite avec la main gauche.

Cela signifie que le spin va de pair avec la chiralité.

"Vous disposez donc maintenant d'un mécanisme privilégié qui protège le transport électronique de tout bruit extérieur. Ainsi, un effet qui n'était pas censé être important l'est maintenant", résume M. Mujica.

Et comprendre cela est très important pour la science. On sait désormais que l'effet tunnel, le spin et la chiralité sont liés non seulement à la photosynthèse, mais aussi à la synthèse des protéines, à la façon dont les organismes respirent ou à la connexion entre les neurones.

Même dans les mutations, transformations du matériel génétique qui se produisent par le changement aléatoire d'une molécule dans notre corps.

Différentes applications

Mais alors, à quoi ça sert ?

Les scientifiques essaient juste de comprendre la véritable dimension de la biologie quantique. Après tout, il a longtemps été considéré comme sans importance et ce n'est qu'il y a une dizaine d'années que ce domaine scientifique a recommencé à émerger.

Une branche qui peut en bénéficier est la pharmacologie, où la chiralité joue un rôle important.

L'informatique quantique en est un autre. "À ce stade, nous essayons de trouver de bons systèmes pour faire du traitement quantique", explique M. Mujica. "Il existe déjà des ordinateurs quantiques, mais ils sont très limités. Ce sont des jouets très avancés et extrêmement coûteux", ajoute-t-il.

Mais nombre de ces applications ne verront pas le jour au cours des trois années que Mujica et ses autres collègues consacreront à l'étude de la biologie quantique. Ils la considèrent davantage comme une science qui aura des effets importants à plus long terme.

Ce qui est clair maintenant, c'est le rôle crucial que joue la physique quantique pour nous aider à comprendre le fonctionnement de processus biologiques très importants qui rendent la vie possible.

Il ne s'agit donc pas tant de regarder vers le haut pour d'autres planètes, mais aussi de regarder en profondeur ce que nous avons sur notre propre planète.