La nature est-elle quantique ?



La théorie quantique décrit magnifiquement la matière à l’échelle des atomes. Mais concerne-t-elle l’ensemble de la nature? La biologie des organismes vivants? Et pourquoi pas notre cerveau? Petit tour d’horizon des recherches qui nous font vibrer.

Jusqu’à un certain point, la biologie peut être comprise en termes de chimie et de physique classiques. Mais à tous les niveaux ? En physique se produisent de subtils effets quantiques qu’on ne peut comprendre en ces termes. Pourquoi n’en serait-il pas de même pour les systèmes biologiques ? », écrivait Brian Josephson 1, professeur de physique à Cambridge, en paraphrasant les idées d’Erwin Schrödinger. Lequel s’est d’ailleurs penché très tôt, avec Werner Heisenberg ou Niels Bohr, sur la spécificité des systèmes vivants, dont la mécanique quantique pourrait expliquer certaines propriétés. Plus encore, ses réflexions sur la structure génétique ont été déterminantes pour les travaux de Francis Crick, le codécouvreur de la forme torsadée de l’ADN. Schrödinger a notamment signé en 1944 un essai qui a eu une très grande influence sur la recherche après-guerre : Qu’est-ce que la vie ? Il y détaille par exemple pourquoi un organisme a besoin d’atomes en grand nombre pour échapper aux effets de l’indétermination quantique.

L’EXPÉRIENCE DU CORPS VERT

Plusieurs décennies plus tard, la biologie quantique s’impose comme une évidence dans les laboratoires. Prenons la photosynthèse. La chlorophylle, ce pigment vert de la famille des protéines chromophores, se révèle une excellenteantenne collectrice de lumière. Elle est capable d’entrer en résonance avec certaines longueurs d’onde lumineuse et de transformer l’énergie électromagnétique en énergie électro- chimique. Avec d’ailleurs un niveau d’efficacité et des rendements, parfois supérieurs à 95 %, qui font pâlir d’envie toute la communauté scientifique. Les premières observations datent de 2007. Lorsque des chercheurs de l’université de Berkeley qui étudiaient la photosynthèse purent suivre« à la trace » l’excitation énergétique provoquée par une brève impulsion lumineuse se propageant en cascade dans les chromophores dans un état de « superposition » pure- ment quantique. « Un peu comme si l’excitation pouvait “sentir” le bon chemin sans avoir à les visiter tous un par un », résume à sa façon Gregory Engel, l’un des auteurs de l’étude. Cette cohérence quantique a été confirmée en 2013 par Alexandra Olaya-Castro, une chercheuse d’origine colombienne. « Le transfert d’énergie dans les macromolécules impliquées dans la captation de la lumière est assisté par desmouvements particuliers des chromophores », a-t-elle expliqué lors d’une conférence TED. « Nous avons trouvé que les propriétés de certaines vibrations qui assistent le transfert d’énergie durant la photosynthèse ne peuvent jamais être décrites par des lois classiques. » Ailleurs, en 2010, une autre équipe avait révélé que des superpositions quantiques sur- viennent dans certaines algues, à des températures ordinaires. Problème : comme au temps du corps noir, les observations des chercheurs défient les attentes de la théorie.