La mécanique quantique est la Physique qui s'applique à l'infiniment petit. Cela n'a pas empêché l'un des fondateurs de cette discipline de se fendre d'une allocution qui abordait sous un éclairage teinté de philosophie : « What is life ? » (qu'est-ce que la vie ?, PDF). Il s'agit d'Erwin Schrödinger, plus connu par les étudiants pour son équation fondamentale et du grand public en raison du mauvais traitement qu'il faisait à un chat (ou pas).

Dans un sens, tout est quantique : la matière et les interactions. Il reste à comprendre comment la gravitation s'intègre dans ce cadre. En attendant, on utilise la mécanique quantique pour décrire la structure des atomes, des molécules, puis des solides, sans oublier les ondes électromagnétiques. Pour l'instant toutefois, la chimie et la biologie se sont passées de mécanique quantique.

Est-ce que la Vie utilise pourtant spécifiquement les étranges propriétés de la mécanique quantique, comme la cohérence (et décohérence) ainsi que l'effet tunnel ? Au sein d'un article dans Nature Physics, des chercheurs ont regardé les indices de la manifestation des propriétés quantiques dans les phénomènes biologiques comme la photosynthèse, les capteurs de lumières, les sensations magnétiques et même le sens olfactif. Les preuves actuelles restent d'après eux ambigües lorsque l'on compare aux autres processus biochimiques. Il n'y a pas d'influence quantique pure et nette.

Les chercheurs ont utilisé un critère spécifique pour déterminer si quelque chose était purement quantique ou non. Comme vous le savez déjà peut-être, la grosse différence de la mécanique quantique par rapport à son parent, la physique classique, est que tout le formalisme repose sur l'usage d'une variable qui n'est pas vraiment intuitive et tangible. L'état quantique donné par la fonction d'onde dans l'équation de Schrödinger est une description à la fois physique et mathématique d'un système puisqu'il comprend la probabilité des résultats d'une mesure.

Votre désorientation sera encore pire si l'on vous rappelle que ces états peuvent être des « superpositions » (d'où le « pied de nez » à la réalité qu'a fait Erwin Schrödinger avec son célèbre chat « superposé vivant et mort »). Nous parlons de la combinaison dans la variable étudiée de résultats mutuellement exclusifs. Il peut s'agir de la polarisation de la lumière ou encore d'une caractéristique typique des électrons et d'atomes : le spin (qui se nomme ainsi, car cela s'apparente à un critère de rotation).

Prenons maintenant le cas de la photosynthèse. Elle est fondamentale à la vie sous la forme que nous la connaissons. Cette réaction de transformation est incroyablement efficace. Le rendement atteint pas loin de 100 %. On cherche actuellement à comprendre comment la Nature arrive à un tel rendement (afin de l'imiter).

On s'est demandé si ce rendement ne devait pas à l'exploitation de phénomènes quantiques. On a remarqué qu'il y avait a priori une cohérence entre des électrons dans les molécules de pigmentation durant le processus de transfert. Ces électrons éloignés spatialement se comportent comme « un ». L'hypothèse du rôle de l'intrication quantique dans le processus de la photosynthèse fait son petit bonhomme de chemin.

Jusqu'à aujourd'hui, on n'a pourtant observé aucune intrication quantique dans un organisme vivant. Même si la photosynthèse avait pour caractéristique une intrication quantique, il n'est pas certain que cela soit l'explication de la redoutable efficacité de la photosynthèse. Il se pourrait tout aussi bien que ce rendement de la photosynthèse soit un épiphénomène de l'adaptation évolutive.

Prenons aussi l'exemple de la détection du champ magnétique terrestre par les animaux. De nombreuses espèces animales se fondent sur le champ magnétique terrestre pour la navigation, en particulier des oiseaux. On ne connaît toujours pas bien les détails de ces mécanismes ; on pense en effet que les espèces ont chacune leur « recette ». Certains oiseaux semblent détecter le champ magnétique terrestre avec les cellules rétiniennes qui mesure l'intensité de la lumière. Le comportement de ces cellules semble être influencé par les champs magnétiques. Voilà une étrange mise en relation biologique entre la lumière et le magnétisme.

Le phénomène impliquerait le choc des photons sur des électrons qui sont intriqués. Le choc sur l'un va déclencher la décohérence sur l'autre, et cela envoie au final un signal au système nerveux de l'animal. Reste que le modèle explicatif pose un souci, car il est difficile de maintenir a priori une intrication durablement. En laboratoire, nous n'y arrivons pas : si la Nature le fait bien, comment y arrive-t-elle ?

Un autre phénomène quantique déroutant est l' « effet tunnel ». Il se produit lorsqu'une particule ne peut pas avec la physique classique franchir une barrière de potentiel (pas assez d'énergie), mais que cela est rendu possible (en probabilités) par la mécanique quantique. On utilise cet effet tunnel dans de nombreuses applications à présent.

Des expériences semblent montrer que l'effet tunnel joue un rôle dans la photosynthèse et dans les interactions enzymatiques. Plus spécifiquement, on pense que cela jouerait pour sentir avec notre nez. Ce ne serait pas seulement la forme et la taille des molécules qui arrivent sur nos capteurs qui donnent une odeur, mais un transfert d'un électron de la molécule vers le récepteur de notre nez et ce transfert se ferait par effet tunnel.

Il faut déterminer à quel point la Nature tire parti des effets quantiques, par évolution. Ce n'est que le tout début actuellement.

Pour aller plus loin: Neill Lambert, Yueh-Nan Chen, Yuan-Chung Cheng, Che-Ming Li, Guang-Yin Chen, Franco Nori Quantum biology Nature Physics 9, 10 - 18 (2013) doi:10.1038/nphys2474