La biologie quantique pourra-t-elle apporter une réponse aux grandes questions de la vie ?

Comment un rouge-gorge peut-il s'orienter et voler vers le Sud ? La réponse pourrait être plus étrange qu'il n'y paraît. Ouvrez vos manuels de physique quantique. Jim Al Khalili nous présente le monde émergent et extrêmement étrange de la biologie quantique, un domaine qu'Einstein a appelé autrefois : « une action fantôme à distance ». La biologie quantique aiderait les oiseaux à naviguer, et les effets quantiques pourraient expliquer l'origine de la vie.

Permettez-moi de vous présenter
un domaine émergent de la science.

Un domaine encore spéculatif,
mais extrêmement excitant.

C'est un domaine qui évolue rapidement.

La biologie quantique pose
une question très simple :

la mécanique quantique,
cette théorie bizarre et fabuleuse

du monde subatomique,
des atomes et des molécules,

qui sous-tend
la physique moderne et la chimie,

cette mécanique quantique joue-t-elle
un rôle dans les cellules vivantes ?

En d'autres mots : y-a-t-il des processus,
des mécanismes ou des phénomènes

dans les organismes vivants
qui ne peuvent pas être expliqués

sans la main salvatrice
de la mécanique quantique ?

La biologie quantique existe
depuis le début des années 30.

Mais ce n'est que ces dernières décennies
que des expériences minutieuses

ont pu être réalisées dans les labos
de biochimie, grâce à la spectroscopie.

Elles montrent des preuves nettes
et solides qu'il y a des mécanismes précis

dont l'explication exige
la mécanique quantique.

La biologie quantique réunit
les physiciens, les biochimistes,

et les biologistes moléculaires.

C'est un domaine multi-disciplinaire
et inter-disciplinaire.

J'ai une formation en physique quantique.
Je suis physicien nucléaire.

Ça fait plus de 30 ans

que j'essaye de comprendre
la mécanique quantique.

Un de ses fondateurs, Niels Bohr,
dit ceci à son propos :

« Quiconque n'est pas choqué
par la théorie quantique

ne la comprend pas. »

Je suis relativement ravi
d'être toujours surpris.

C'est un signe encourageant.

J'étudie donc les structures
les plus petites dans l'Univers,

les briques de la réalité.

Pour vous donner un ordre de grandeur,

si nous prenons un objet usuel,
une balle de tennis par exemple,

et que nous passons
à des échelles plus petites,

la pointe d'une aiguille, une cellule,
une bactérie, et enfin une enzyme,

on arrive dans le monde nanométrique.

Vous devez avoir entendu parler
de la nanotechnologie.

Un nanomètre est un milliardième de mètre.

Mon domaine d'expertise
est le noyau atomique.

Le petit point à l’intérieur de l’atome.

Leur échelle est encore plus petite.

Voilà le domaine
de la mécanique quantique.

Les physiciens et les chimistes
ont eu le temps

pour le comprendre et s'y habituer.

Les biologistes, par contre,
s'en tirent à bon compte,

avec leurs modèles de molécules
des boules et bâtons.

(Rires)

Les boules représentent les atomes,
les bâtons, les liens entre eux.

S'ils ne peuvent pas les créer
en laboratoire,

ils utilisent des ordinateurs
très puissants

pour simuler ces énormes molécules.

Voici une protéine formée
de 100 000 atomes.

Pas besoin de la mécanique quantique
pour l'expliquer.

La mécanique quantique a été développée
dans les années 20.

C'est un groupe de puissantes et
très belles règles et idées mathématiques

qui expliquent le monde
de l'infiniment petit.

C'est un monde totalement différent
de notre monde réel,

fait de milliards d'atomes.

C'est un monde construit
sur la probabilité et le hasard.

C'est un monde flou.

C'est un monde de fantômes

où les particules peuvent aussi
se comporter comme des ondes.

Si nous envisageons la mécanique
ou la physique quantique,

comme une base fondamentale de la réalité,

il devient envisageable qu'elle soit
à la base de la chimie organique.

Elle nous donne les règles qui nous disent

comment les atomes forment ensemble
des molécules organiques.

De la chimie organique,
en passant à une échelle plus complexe,

devient la biologie moléculaire.
Ça nous conduit à la vie elle-même.

Ce n'est donc pas surprenant.

C'est presque évident.

Vous pensez sans doute que tout dépend
de la mécanique quantique, in fine.

Comme tout le reste
de ce qui nous entoure.

Les objets inanimés aussi,
qui sont fait de milliards d'atomes.

Il y a un stade quantique ultime

qui nous oblige à plonger dans l'étrange.

Mais au jour le jour, on n'y pense pas.

Parce que lorsqu'on réunit ensemble
des milliards d'atomes,

l'étrangeté quantique disparaît.

La biologie quantique ne traite pas de ça.

La biologie quantique
n'est pas si évidente.

Bien sûr, la mécanique quantique
sous-tend la vie à son niveau moléculaire.

La biologie quantique s'intéresse
aux idées peu banales et contre-intuitives

de la mécanique quantique,

et cherche à vérifier
si elles jouent un rôle important

dans la description
des processus de la vie.

Mon image favorite pour exprimer

combien le monde quantique
est contre-intuitif, est la suivante :

Voici un skieur quantique.

Il semble intact, et en parfaite santé.

Cependant, il semble avoir skié
des deux côtés de l'arbre en même temps.

Quand vous remarquez de telles traces,

vous pensez qu'il s'agit
d'un tour de magie.

Mais dans le monde quantique,
ça arrive tout le temps.

Les particules sont polyvalentes,

être à deux endroits en même temps,

se comporter de manières différentes
simultanément.

Les particules peuvent se comporter
comme des ondes.

C'est presque de la magie.

Ça fait presque un siècle
que les physiciens et les chimistes

essayent de s'habituer à ce monde étrange.

Je ne reproche jamais aux biologistes

de ne pas vouloir s'intéresser
à la mécanique quantique.

Cette étrangeté est très fragile.

Et nous, physiciens, nous nous appliquons
avec persévérance

pour l'entretenir dans nos labos.

On refroidit nos systèmes
à des températures proches du zéro absolu.

Nos expériences ont lieu sous vide,

et dans un milieu isolé et prémuni
contre les perturbations extérieures.

C'est aux antipodes
de l'environnement chaud,

désordonné et bruyant
des cellules vivantes.

La biologie, ou tout du moins,
la biologie moléculaire,

semble s'être bien débrouillée
pour décrire les phénomènes de la vie

en termes de chimie,
de réactions chimiques.

Il s'agit de réactions chimiques
réductrices et déterministiques

qui montrent, en gros, que la vie
est faite des mêmes éléments que le reste.

Si nous nous passons de la mécanique
quantique dans le monde macro,

nous pouvons par conséquent
nous en passer en biologie aussi.

Un jour, une personne a eu un avis
différent sur la question.

Erwin Schrödinger,
qui a donné son nom à un chat célèbre,

était un physicien autrichien.

C'est un des fondateurs de la mécanique
quantique, dans les années 20.

En 1944, il a publié un livre intitulé :
« Qu'est-ce que la vie ? » ,

qui a joué un rôle influent.

Ce livre a influencé Francis Crick
et James Watson,

les découvreurs de la structure
en double-hélice de l'ADN.

Pour paraphraser un passage du livre :

au niveau moléculaire, les organismes
vivants ont un ordre particulier,

une structure qui leur est propre
et qui est très différente

du désordre aléatoire thermodynamique
des atomes et des molécules

présents dans la matière inorganique
d'une complexité semblable.

En réalité, la matière vivante
semble se comporter

comme les matières inorganiques,
portées au zéro absolu,

là où les effets quantiques
jouent un rôle important.

Il y a quelque chose de propre
à cette structure, à cet ordre,

dans toute cellule vivante.

Schrödinger a spéculé sur cette base

que la mécanique quantique
pourrait influencer la vie.

C'est une idée très hypothétique
et très ambitieuse.

En fait, elle n'a pas vraiment pris.

Mais comme je vous l'ai précisé,

ces 10 dernières années,
l'émergence de nouvelles expériences

pointe du doigt en direction
de certains phénomènes biologiques

qui nécessitent la mécanique quantique.

Je vais vous en présenter
quelques-uns des plus enthousiasmants.

Le premier est le phénomène plus connu
dans le monde quantique :

l'effet tunnel.

La boîte sur la gauche montre
la diffusion d'une onde

d'un objet quantique,
une particule telle un électron.

Ce n'est pas exactement
une balle qui rebondit sur un mur.

C'est une onde qui a une probabilité
d'être capable de traverser une barrière,

un peu comme un spectre traverse les murs.

On constate une petite lueur faible
dans la boîte de droite.

L'effet tunnel suggère qu'une particule
peut atteindre une barrière imperméable,

et peut, par un subterfuge
proche de la magie,

disparaître d'un côté
et ré-apparaître de l'autre.

Une image pour bien expliquer ça :
pour lancer une balle au-dessus d'un mur,

on doit lui donner suffisamment d'énergie
pour passer au-delà.

Dans le monde quantique,
inutile de la lancer au-dessus du mur,

on peut l'envoyer sur le mur.
Il y a une probabilité non-nulle

qu'elle disparaîtra d'un côté,
et ré-apparaîtra de l'autre.

Ce n'est pas de la spéculation.

Nous sommes tous « heureux »,

(Rires)

ça nous est familier.

(Rires)

L'effet tunnel est un phénomène
très courant.

C'est la raison pour laquelle
le soleil brille, d'ailleurs.

Les particules entrent en fusion,

le soleil transforme l’hydrogène en hélium
grâce à l’effet tunnel.

Dans les années 70 et 80, on a découvert

que l’effet tunnel survient aussi
dans les cellules vivantes.

Les enzymes sont les ouvrières de la vie
qui catalysent les réactions chimiques.

Ce sont des molécules qui accélèrent
les réactions chimiques dans les cellules

de manière importante.

Le processus est resté un grand mystère
jusqu’à ce qu’on découvre

que les enzymes ont évolué
pour devenir capables

de transférer des particules subatomiques,
des électrons ou des protons,

d’une partie d’une molécule
à une autre, en utilisant l’effet tunnel.

C’est efficace et rapide.
Ça fait disparaître, ...

Un proton peut disparaître d’un endroit
et ré-apparaître ailleurs.

Les enzymes participent à ce processus.

Ces recherches ont été conduites
dans les années 80,

par l’équipe de Judith Klinman,
à Berkeley.

D’autres équipes en Angleterre
ont confirmé

que les enzymes utilisent l’effet tunnel.

Des recherches que mon équipe a réalisées,

je suis physicien nucléaire,

mais j'ai réalisé que je pouvais très bien

appliquer les outils de la mécanique
quantique à d’autres domaines.

Une des questions
que nous investiguons,

est de voir si l’effet tunnel joue
un rôle dans les mutations de l’ADN.

Ce n’est pas une idée originale.
Elle date du début des années 60.

Deux brins d’ADN,
la structure en double-hélice,

tiennent ensemble avec un petit échellon.

Ça ressemble à une échelle enroulée.

Ces échelons sont en fait
des liens d’hydrogène,

des protons, qui agissent
comme de la colle entre les brins.

Ces protons tiennent ensemble
les grandes molécules,

les nucléotides.

Agrandissons l’image davantage.

C'est une simulation informatique.

Les deux boules blanches
au milieu sont des protons.

Vous constatez qu’il s’agit
d’un lien double d’hydrogène.

Un des deux préfère être d’un côté,
et l’autre de l’autre,

des brins qui constituent
la partie verticale,

que l’on ne voit pas maintenant.

Il arrive que ces deux protons
sautent de l’autre côté.

Regardez les deux boules blanches :

elles peuvent sauter de l’autre côté.

Quand deux brins d’ADN se séparent,

et entament ainsi
le processus de réplication,

et quand les 2 protons
ne sont pas à la bonne place,

ça peut entraîner une mutation.

Ce phénomène est connu depuis 50 ans.

La question centrale est :

quelle est la probabilité
que cette mutation ait lieu ?

Quels en sont les mécanismes ?

Sautent-ils de l’autre côté
comme un ballon au-dessus d’un mur,

ou peuvent-ils traverser
le tunnel quantique

même si leur énergie
est insuffisante ?

Les premiers indices pointent
vers l’effet tunnel.

Mais nous ne savons pas encore
quelle est son importance.

C’est une question ouverte.

C’est hypothétique certes,

mais cette question est vitale.

En effet, si la mécanique quantique joue
un rôle dans les mutations,

ça aura des implications importantes

dans la compréhension
de certains types de mutations,

par exemple, celles qui transforment
une cellule saine en cellule cancéreuse.

Un autre exemple de la mécanique
quantique en biologie

s’appelle la cohérence quantique.

La photosynthèse est un des processus
les plus importants en biologie.

Les plantes et les bactéries,
utilisent la lumière du soleil

comme source d’énergie
pour créer de la biomasse.

La cohérence quantique définit l’idée

que les entités quantiques
sont polyvalentes.

C’est notre skieur quantique.

C’est objet qui se comporte
comme une onde.

Il ne bouge pas dans une seule direction,
ou dans une autre.

Au contraire, il peut suivre des chemins
multiples simultanément.

Il y a quelques années,

une publication a bouleversé
le monde de la science

en montrant des résultats d’expériences

qui indiquent la présence
de cohérence quantique dans les bactéries

qui réalisent la photosynthèse.

L'idée principale est que le photon,
la particule de lumière,

le quanta de lumière capté
par la molécule de chlorophylle,

est transmis à ce qu'on appelle
le centre réactionnel,

pour y être transformé
en énergie chimique.

Le quanta a plusieurs chemins
pour y arriver.

Il suit plusieurs chemins simultanément,

pour optimiser le trajet

pour atteindre le centre réactionnel,

sans perte de chaleur.

La cohérence quantique
est à l'œuvre dans une cellule.

Une idée extraordinaire,

qui se voit appuyée de plus en plus
par des publications.

Chaque semaine, un nouveau document
vient confirmer cette hypothèse.

Mon dernier exemple
est aussi le plus beau, le plus magique.

C'est aussi extrêmement spéculatif

mais je ne peux pas m'empêcher
de le partager avec vous.

Les rouges-gorges européens
font des migrations de la Scandinavie

jusqu'à la Méditerranée, chaque automne.

Comme beaucoup d'animaux marins
et d'insectes,

ils s'orientent avec l'aide du champ
magnétique terrestre.

En dépit de la faiblesse du champ
magnétique de la Terre,

d'un facteur 100,
par rapport à un aimant sur votre frigo.

celui-ci influence la chimie
d'organismes vivants.

Il n'y a pas de doute :
un couple d'ornithologues allemands,

Wolfgang et Roswitha Wiltschko,
ont confirmé dans les années 70,

que les rouges-gorges trouvent leur chemin
grâce au champ magnétique terrestre,

qui leur donne la direction,
une sorte de boussole interne.

Le mystère est le suivant :
comment font-ils ?

La seule théorie aujourd'hui,

on ne sait pas si elle est correcte,
mais elle a le mérite d'exister,

cette théorie dit que le rouge-gorge
s'oriente grâce à l'intrication quantique.

A l'intérieur de la rétine du rouge-gorge,

il y a une protéine appelée cryptochrome,

qui est photo-sensible.

Dans le cryptochrome,
il y a une paire d'électrons intriqués.

L'intrication quantique est le fait

que deux particules
très éloignées l'une de l'autre,

peuvent néanmoins rester en contact.

Même Einstein a détesté ce concept.
Il a surnommé ça :

« action fantôme à distance ».

(Rires)

Si Einstein était en désaccord,
nous pouvons être mal à l'aise.

Deux électrons intriqués quantiquement
dans une seule molécule

mènent une danse très sensible

à la direction prise
par les oiseaux en vol,

par rapport au champ magnétique terrestre.

On ne sait pas
si cette explication est correcte.

Mais ce serait cool

que la mécanique quantique
aide les oiseaux à s'orienter.

La biologie quantique vient de naître.

C'est très hypothétique.

Mais je suis persuadé que ses fondations
scientifiques sont solides.

Je crois aussi que,
dans les prochaines décennies,

nous allons constater
qu'elle est omniprésente dans notre vie,

et que la vie utilise des subterfuges
propres au monde quantique.

Observez bien !

Merci.

(Applaudissements)