Un grand pas en avant dans la compréhension quantique des processus biologiques
Le projet PAPETS (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) s'est intéressé à deux processus biologiques fondamentaux: la photosynthèse (le processus via lequel les végétaux verts utilisent la lumière du soleil pour fabriquer des nutriments à partir de gaz carbonique et d'eau) et l'olfaction (la capacité de détecter et différencier les odeurs). Le fait de comprendre la photosynthèse au niveau le plus fondamental pourrait conduire à des cellules solaires d'un meilleur rendement, et de meilleures techniques de détection des odeurs pourraient déceler des impuretés ou de la pollution dans les aliments, l'eau, les cosmétiques ou les produits pharmaceutiques. Les leçons de la nature «Contrairement à la vue, l'ouïe ou le toucher, le sens de l'odorat est difficile à reproduire efficacement de manière artificielle», explique le Dr Yasser Omar, de l'Instituto de Telecomunicações au Portugal, qui coordonne le projet PAPETS. «Nous avons pu démontré que les vibrations d'une molécule sont une indication de son odeur, et nous estimons que ceci pourrait impliquer un effet tunnel au niveau des électrons.» Ces découvertes résultent d'expériences scientifiques et d'études rigoureuses sur le comportement de la Drosophile. Elles ont été présentées lors de plusieurs expositions scientifiques, contribuant à expliquer des concepts complexes à un large public. «Nos expositions ont apporté une explication guidée et interactive de l'idée que notre sens de l'odorat utilise les vibrations des molécules odorantes pour distinguer les parfums», explique le Dr Omar. «Nous faisons sentir aux visiteurs des parfums avec la même structure, mais ayant diverses proportions d'isotopes de l'hydrogène. Ces molécules sont identiques, mais vibrent avec des fréquences différentes. Les visiteurs capables de différencier les molécules contenant des isotopes différents, pouvaient donc reconnaître des substances de formes très semblables mais aux vibrations différentes: ils 'sentaient' les vibrations!» Une autre avancée du projet a été l'étude d'un mécanisme vibronique expliquant comment l'énergie est transportée dans les complexes photosynthétiques. Elle a mis en évidence son rôle essentiel dans la séparation de charges par les dispositifs photovoltaïques organiques, et ses résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications de décembre 2016. «Ceci ouvre la possibilité que le concept de couplage vibratoire, qui découle de l'étude de la photosynthèse, permette d'améliorer les cellules solaires», explique M. Omar. Les chercheurs ont aussi étudié comment les organismes photosynthétiques utilisent des antennes particulièrement adaptées à la collecte d'énergie solaire. L'énergie de la lumière collectée est rapidement transférée au sein de l'antenne, qui reste fonctionnelle en dépit des fluctuations de son environnement. Ils ont ainsi pu enregistrer, pour la première fois, ce processus en action. Ces informations sans équivalent pourraient à terme servir à concevoir des antennes solaires artificielles. L'apport de la physique quantique Ces avancées révolutionnaires ont été possibles grâce à l'usage de la physique quantique, en particulier du principe de 'superposition'. Ce principe stipule qu'une particule peut être décrite comme ayant simultanément deux états. La superposition est un concept déroutant pour le profane, mais elle s'appuie sur des données scientifiques solides. «La superposition améliore le rendement du transport d'énergie», souligne M. Omar. «C'est ainsi qu'un exciton, une quasi-particule quantique transportant de l'énergie, peut traverser plus vite le complexe photosynthétique car il peut emprunter simultanément deux trajets. Ce qui surprend est d'observer ces effets quantiques dans des complexes biologiques, qui sont des systèmes bruités, humides et de grande taille. La superposition est un état fragile, et l'on s'attend à ce qu'elle soit détruite par l'environnement.» Le projet PAPETS s'est achevé en novembre 2016. Il a contribué à développer la compréhension du rôle des effets quantiques dans des processus biologiques comme la photosynthèse. Les informations acquises ont d'importantes applications pratiques. La frontière entre la biologie et la physique quantique reste un domaine riche de découvertes à venir.
Mots‑clés
PAPETS, photosynthèse, énergie, biologique, quantum, superposition, eau, gaz carbonique
