« Biologie quantique » : différence entre les versions

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La '''biologie quantique''' est l'étude des applications de la [[mécanique quantique]] et de la [[chimie théorique]] aux objets et problèmes biologiques. De nombreux processus biologiques impliquent la conversion de l'[[énergie]] en des formes utilisables pour des transformations chimiques et sont de nature quantique. Ces processus impliquent des réactions chimiques, l'absorption de la [[lumière]], la formation d'états électroniques excités, le transfert d'énergie d'excitation et le transfert d'[[Électron|électrons]] et de [[Proton|protons]] (ions hydrogène) dans des processus chimiques tels que la [[photosynthèse]], l'[[olfaction]] et la [[respiration cellulaire]]<ref>{{Lien web |titre=Quantum Biology |url=http://www.ks.uiuc.edu/Research/quantum_biology/ |site=www.ks.uiuc.edu |consulté le=2021-01-06}}</ref>.
{{ébauche|biologie|physique}}
La '''biologie quantique''' est le champ d'étude du rôle des spécificités de la [[physique quantique]] (comme le [[spin]], l'[[intrication quantique]], l'[[effet tunnel]], ou les [[excitation (physique)|états excités]]) dans la [[biologie]].


La biologie quantique peut utiliser des calculs pour modéliser les [[Interaction biologique|interactions biologiques]] à la lumière des effets de la mécanique quantique<ref>{{Lien web |langue=en |titre=Quantum Biology: Powerful Computer Models Reveal Key Biological Mechanism |url=https://www.sciencedaily.com/releases/2007/01/070116133617.htm |site=ScienceDaily |consulté le=2021-01-06}}</ref>. La biologie quantique s'intéresse à l'influence des phénomènes quantiques non triviaux<ref>{{Article |prénom1=Jennifer C. |nom1=Brookes |titre=Quantum effects in biology: golden rule in enzymes, olfaction, photosynthesis and magnetodetection |périodique=Proceedings. Mathematical, Physical, and Engineering Sciences |volume=473 |numéro=2201 |date=2017-05 |issn=1364-5021 |pmid=28588400 |pmcid=5454345 |doi=10.1098/rspa.2016.0822 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28588400/ |consulté le=2021-01-06 |pages=20160822 }}</ref>, qui peuvent s'expliquer en réduisant le processus biologique à la [[Physique|physique fondamentale]], bien que ces effets soient difficiles à étudier et puissent être spéculatifs<ref>{{Lien web |langue=en |prénom=Jim |nom=Al-Khalili |titre=How quantum biology might explain life's biggest questions |url=https://www.ted.com/talks/jim_al_khalili_how_quantum_biology_might_explain_life_s_biggest_questions |consulté le=2021-01-06}}</ref>.
Pendant le {{XXe}} siècle, il était admis que la physique quantique n'avait pas de rôle spécifique en biologie, en dehors de son statut de substrat physique nécessaire aux processus [[biochimie|biochimiques]] classiques. [[Erwin Schrödinger]] dans son célèbre livre ''What is Life ?'' ne mentionnait la mécanique quantique que dans son rôle nécessaire pour la stabilité des molécules et des structures organiques. En effet, il était raisonnable de penser que les mécanismes typiquement quantiques, qui nécessitent des [[état quantique|états quantiques]] [[État_quantique#État_pur|purs]] et [[décohérence quantique|cohérents]] pour se manifester, ne pouvaient pas avoir lieu dans un environnement biologique, à haute température, non isolés, ce qui réduit en principe la mécanique quantique à ses manifestations [[physique classique|classiques]]<ref group="qe">{{p.|3}}</ref>.


== Histoire ==
Mais l'examen détaillé de certains mécanismes biologiques subtils, difficilement explicables avec la chimie classique (comme la [[photosynthèse]], l'[[olfaction]], ou la [[magnétoréception]]), montre de plus en plus que des effets et états purement quantiques peuvent trouver place et même jouer un rôle essentiel au sein de phénomènes biologiques<ref group="qe">{{p.|4}}</ref>. Par exemple, la quantité d'énergie fournie par l'action du [[champ magnétique terrestre]] sur une molécule au sein d'une cellule est un milliard de fois plus faible que celle nécessaire pour créer ou rompre la plus faible des [[liaison chimique|liaisons chimiques]], rendant difficile la compréhension de la [[magnétoréception]] dans le cadre de la biochimie classique<ref group="le">{{p.|4}}</ref>.
La biologie quantique est un domaine émergent ; la plupart des recherches actuelles sont théoriques et sujettes à des questions qui nécessitent des expérimentations supplémentaires pour pouvoir y répondre en se basant sur des preuves expérimentales. Bien que ce domaine n'ait reçu que récemment un afflux d'attention, il a été conceptualisé par les physiciens tout au long du XXe siècle. La biologie quantique a été considérée comme pouvant jouer un rôle essentiel dans l'avenir du monde médical<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Bey Hing |nom1=Goh |prénom2=Eng Siang |nom2=Tong |prénom3=Priyia |nom3=Pusparajah |titre=Quantum Biology: Does quantum physics hold the key to revolutionizing medicine? |périodique=Progress in Drug Discovery & Biomedical Science |volume=3 |numéro=1 |date=2020-11-10 |issn=2710-6039 |doi=10.36877/pddbs.a0000130 |lire en ligne=https://journals.hh-publisher.com/index.php/pddbs/article/view/349 |consulté le=2021-01-06 }}</ref>. Les premiers pionniers de la physique quantique ont vu des applications de la mécanique quantique dans les problèmes biologiques. Le livre d'[[Erwin Schrödinger]], ''What is Life ?'', publié en 1944, traite des applications de la mécanique quantique en biologie<ref>{{Ouvrage|langue=anglais|auteur1=Lynn Margulis & Dorion Sagan|titre=What Is Life?|passage=1|lieu=Berkeley|éditeur=University of California Press|date=1995|pages totales=|isbn=|lire en ligne=}}</ref>. Schrödinger a introduit l'idée d'un "cristal apériodique" qui contient des informations [[Génétique|génétiques]] dans sa configuration de [[Liaison covalente|liaisons chimiques covalentes]]. Il a en outre suggéré que les [[Mutation (génétique)|mutations]] sont introduites par des "sauts quantiques". D'autres pionniers comme [[Niels Bohr]], [[Pascual Jordan]] et [[Max Delbrück]] ont soutenu que l'idée quantique de [[Principe de complémentarité|complémentarité]] était fondamentale en sciences de la vie<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Leyla |nom1=Joaquim |prénom2=Olival |nom2=Freire |prénom3=Charbel N. |nom3=El-Hani |titre=Quantum Explorers: Bohr, Jordan, and Delbrück Venturing into Biology |périodique=Physics in Perspective |volume=17 |numéro=3 |date=2015-09-01 |issn=1422-6960 |doi=10.1007/s00016-015-0167-7 |lire en ligne=https://doi.org/10.1007/s00016-015-0167-7 |consulté le=2021-01-06 |pages=236–250 }}</ref>. En 1963, [[Per-Olov Löwdin]] a publié l'[[effet tunnel]] des protons décrit comme étant un autre mécanisme de mutation de l'ADN. Dans son article, il a déclaré qu'il existe un nouveau domaine d'étude appelé "biologie quantique"<ref>{{Ouvrage|langue=anglais|auteur1=P.O. Lowdin|titre=Quantum genetics and the aperiodic solid. Some aspects on the Biological problems of heredity, mutations, aging and tumours in view of the quantum theory of the DNA molecule. Advances in Quantum Chemistry.|volume=2|passage=213-360|lieu=|éditeur=Academic Press|date=1965|pages totales=|isbn=|lire en ligne=}}</ref>.


== Applications ==
{| class="wikitable"
{| class="wikitable"
|+ Effets quantiques pressentis pour certains phénomènes biologiques<ref group="qe">{{p.|10}}</ref>
|+ Effets quantiques pressentis pour certains phénomènes biologiques
! Phénomène biologique !! Effet quantique
! Phénomène biologique !! Effet quantique
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== Photosynthèse ==
=== Photosynthèse ===
[[Fichier:FMO Complex Simple Diagram.jpg|thumb|Diagramme du complexe FMO. La lumière excite les électrons dans une « antenne ». L'excitation est ensuite transférée à travers diverses protéines du complexe FMO vers le « centre de réaction » pour poursuivre la photosynthèse.]]
[[Fichier:FMO Complex Simple Diagram.jpg|thumb|Diagramme du complexe FMO. La lumière excite les électrons dans une "antenne". L'excitation est ensuite transférée à travers diverses protéines du complexe FMO vers le "centre de réaction" pour poursuivre la photosynthèse.]]
Les organismes qui subissent la photosynthèse absorbent initialement l'énergie lumineuse par le processus d'[[Excitation (physique)|excitation des électrons]] dans une antenne. Cette antenne varie d'un organisme à l'autre. Les bactéries peuvent utiliser des structures annulaires comme antennes, tandis que les plantes et autres organismes utilisent les [[pigment]]s de [[chlorophylle]] pour absorber les photons. Cette excitation électronique crée une séparation de charge dans un site de réaction qui est ensuite convertie en énergie chimique que la cellule peut utiliser. Cependant, cette excitation électronique doit être transférée de manière efficace et en temps voulu, avant que cette énergie ne soit perdue par [[fluorescence]] ou par un mouvement vibratoire thermique.
Les organismes qui subissent la photosynthèse absorbent l'énergie lumineuse par le processus d'excitation des électrons dans des structures appelées "antennes". Ces antennes varient selon les organismes. Par exemple, les bactéries ([[Cyanobacteria|cyanobactéries]]) utilisent des antennes en forme d'anneau, tandis que chez les [[Plante|plantes]] ce sont les pigments de [[chlorophylle]] qui absorbent les [[Photon|photons]]. La photosynthèse crée des [[Exciton|excitons]], qui fournissent une séparation de charge que les cellules convertissent en énergie chimique utilisable. L'énergie collectée dans les sites de réaction doit être transférée rapidement avant d'être perdue par [[fluorescence]] ou par mouvement vibratoire thermique.


Diverses structures sont responsables du transfert d'énergie des antennes vers un site de réaction. L'une des plus étudiées est le [[complexe Fenna-Matthews-Olson|FMO complexe]] dans les bactéries vertes du soufre. Les études [[Spectroscopie électronique|FT spectroscopie électronique]] montrent une efficacité supérieure à 99% entre l'absorption des électrons et leur transfert vers le site de réaction avec des intermédiaires de courte durée<ref>{{article|titre=La spectroscopie électronique bidimensionnelle révèle une diffusion d'énergie ultra rapide dans les chlorosomes |journal=Journal of the American Chemical Society |date=2012-07-18 |issn=1520-5126 |pmid=22690836 |pages=11611-11617 |volume=134 |numéro=28 |doi=10. 1021/ja3025627 |prénom1=Jakub |nom1=Dostál |prénom2=Tomáš |nom2=Mančal |prénom3=Ramūnas |nom3=Augulis |prénom4=František |nom4=Vácha |prénom5=Jakub |nom5=Pšenčík |prénom6=Donatas |nom6=Zigmantas}}</ref>. Ce rendement élevé ne peut s'expliquer par la mécanique classique telle qu'un modèle [[diffusion des ondes|diffusion]].
Diverses structures, telles que le [[complexe FMO]] des [[Chlorobi|bactéries vertes sulfureuses]], sont responsables du transfert de l'énergie des antennes vers un site de réaction. Les études en [[spectroscopie électronique]] FT sur l'absorption et le transfert d'électrons montrent une efficacité supérieure à 99 %<ref>{{Article |prénom1=Jakub |nom1=Dostál |prénom2=Tomáš |nom2=Mančal |prénom3=Ramūnas |nom3=Augulis |prénom4=František |nom4=Vácha |titre=Two-dimensional electronic spectroscopy reveals ultrafast energy diffusion in chlorosomes |périodique=Journal of the American Chemical Society |volume=134 |numéro=28 |date=2012-07-18 |issn=1520-5126 |pmid=22690836 |doi=10.1021/ja3025627 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22690836/ |consulté le=2021-01-06 |pages=11611–11617 }}</ref>, qui ne peut être expliquée par les modèles mécaniques classiques comme le modèle de diffusion. On les a donc remis en question et dès 1938, les scientifiques ont théorisé que la [[Cohérence (physique)|cohérence]] quantique était le mécanisme du transfert d'énergie d'excitation.

Les scientifiques ont récemment cherché des preuves expérimentales de ce mécanisme proposé de transfert d'énergie. Une étude publiée en 2007 a revendiqué l'identification de la cohérence quantique électronique<ref>{{Article |prénom1=Gregory S. |nom1=Engel |prénom2=Tessa R. |nom2=Calhoun |prénom3=Elizabeth L. |nom3=Read |prénom4=Tae-Kyu |nom4=Ahn |titre=Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems |périodique=Nature |volume=446 |numéro=7137 |date=2007-04-12 |issn=1476-4687 |pmid=17429397 |doi=10.1038/nature05678 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17429397/ |consulté le=2021-01-06 |pages=782–786 }}</ref> à -196 °C (77 [[Kelvin|K]]). Une autre étude théorique datant de 2010 a fourni la preuve que la cohérence quantique vit jusqu'à 300 [[femto]]<nowiki/>secondes (300<sup>-15</sup> s) à des températures biologiquement pertinentes (4 °C ou 277 K) . La même année, des expériences menées sur des algues [[Cryptophyta|cryptophytes]] photosynthétiques en spectroscopie d'écho de photons en deux dimensions ont confirmé la cohérence quantique à long terme<ref>{{Article |prénom1=Elisabetta |nom1=Collini |prénom2=Cathy Y. |nom2=Wong |prénom3=Krystyna E. |nom3=Wilk |prénom4=Paul M. G. |nom4=Curmi |titre=Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature |périodique=Nature |volume=463 |numéro=7281 |date=2010-02-04 |issn=1476-4687 |pmid=20130647 |doi=10.1038/nature08811 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20130647/ |consulté le=2021-01-06 |pages=644–647 }}</ref>. Ces études suggèrent qu'au cours de l'évolution, la nature a développé un moyen de protéger la cohérence quantique pour améliorer l'efficacité de la photosynthèse. Cependant, des études de suivi critiques remettent en question l'interprétation de ces résultats. La spectroscopie à molécule unique montre aujourd'hui les caractéristiques quantiques de la photosynthèse sans l'interférence d'un désordre statique, et certaines études utilisent cette méthode pour attribuer les signatures rapportées de la cohérence quantique électronique à la dynamique nucléaire se produisant dans les [[Chromophore|chromophores]]<ref>{{Article |prénom1=Roel |nom1=Tempelaar |prénom2=Thomas L. C. |nom2=Jansen |prénom3=Jasper |nom3=Knoester |titre=Vibrational beatings conceal evidence of electronic coherence in the FMO light-harvesting complex |périodique=The Journal of Physical Chemistry. B |volume=118 |numéro=45 |date=2014-11-13 |issn=1520-5207 |pmid=25321492 |doi=10.1021/jp510074q |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25321492/ |consulté le=2021-01-06 |pages=12865–12872 }}</ref>{{,}}<ref>{{Article |prénom1=Niklas |nom1=Christensson |prénom2=Harald F. |nom2=Kauffmann |prénom3=Tõnu |nom3=Pullerits |prénom4=Tomáš |nom4=Mančal |titre=Origin of long-lived coherences in light-harvesting complexes |périodique=The Journal of Physical Chemistry. B |volume=116 |numéro=25 |date=2012-06-28 |issn=1520-5207 |pmid=22642682 |pmcid=3789255 |doi=10.1021/jp304649c |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22642682/ |consulté le=2021-01-06 |pages=7449–7454 }}</ref>{{,}}<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Vytautas |nom1=Butkus |prénom2=Donatas |nom2=Zigmantas |prénom3=Leonas |nom3=Valkunas |prénom4=Darius |nom4=Abramavicius |titre=Vibrational vs. electronic coherences in 2D spectrum of molecular systems |périodique=Chemical Physics Letters |volume=545 |date=2012-08-30 |issn=0009-2614 |doi=10.1016/j.cplett.2012.07.014 |lire en ligne=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009261412008044 |consulté le=2021-01-06 |pages=40–43 }}</ref>{{,}}<ref>{{Article |prénom1=Vivek |nom1=Tiwari |prénom2=William K. |nom2=Peters |prénom3=David M. |nom3=Jonas |titre=Electronic resonance with anticorrelated pigment vibrations drives photosynthetic energy transfer outside the adiabatic framework |périodique=Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America |volume=110 |numéro=4 |date=2013-01-22 |issn=1091-6490 |pmid=23267114 |pmcid=3557059 |doi=10.1073/pnas.1211157110 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23267114/ |consulté le=2021-01-06 |pages=1203–1208 }}</ref>{{,}}<ref>{{Article |prénom1=Erling |nom1=Thyrhaug |prénom2=Karel |nom2=Žídek |prénom3=Jakub |nom3=Dostál |prénom4=David |nom4=Bína |titre=Exciton Structure and Energy Transfer in the Fenna-Matthews-Olson Complex |périodique=The Journal of Physical Chemistry Letters |volume=7 |numéro=9 |date=05 05, 2016 |issn=1948-7185 |pmid=27082631 |doi=10.1021/acs.jpclett.6b00534 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27082631/ |consulté le=2021-01-06 |pages=1653–1660 }}</ref>{{,}}<ref>{{Article |prénom1=Yuta |nom1=Fujihashi |prénom2=Graham R. |nom2=Fleming |prénom3=Akihito |nom3=Ishizaki |titre=Impact of environmentally induced fluctuations on quantum mechanically mixed electronic and vibrational pigment states in photosynthetic energy transfer and 2D electronic spectra |périodique=The Journal of Chemical Physics |volume=142 |numéro=21 |date=2015-06-07 |issn=1089-7690 |pmid=26049423 |doi=10.1063/1.4914302 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26049423/ |consulté le=2021-01-06 |pages=212403 }}</ref>{{,}}<ref name=":0">{{Article |prénom1=Adriana |nom1=Marais |prénom2=Betony |nom2=Adams |prénom3=Andrew K. |nom3=Ringsmuth |prénom4=Marco |nom4=Ferretti |titre=The future of quantum biology |périodique=Journal of the Royal Society, Interface |volume=15 |numéro=148 |date=11 14, 2018 |issn=1742-5662 |pmid=30429265 |pmcid=6283985 |doi=10.1098/rsif.2018.0640 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30429265/ |consulté le=2021-01-06 }}</ref>. Un certain nombre de propositions ont émergé pour tenter d'expliquer cette cohérence inattendue sur le long terme inattendue. Selon une proposition, si chaque site du complexe "ressent" son propre bruit environnemental, l'électron ne restera pas dans un minimum local en raison à la fois de la cohérence quantique et de l'environnement thermique, mais se dirigera vers le site de réaction par des "marches quantiques"<ref>{{Article |prénom1=Masoud |nom1=Mohseni |prénom2=Patrick |nom2=Rebentrost |prénom3=Seth |nom3=Lloyd |prénom4=Alán |nom4=Aspuru-Guzik |titre=Environment-assisted quantum walks in photosynthetic energy transfer |périodique=The Journal of Chemical Physics |volume=129 |numéro=17 |date=2008-11-07 |issn=1089-7690 |pmid=19045332 |doi=10.1063/1.3002335 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19045332/ |consulté le=2021-01-06 |pages=174106 }}</ref>{{,}}<ref>{{Article |langue=en |prénom1=M B |nom1=Plenio |prénom2=S F |nom2=Huelga |titre=Dephasing-assisted transport: quantum networks and biomolecules |périodique=New Journal of Physics |volume=10 |numéro=11 |date=2008-11-14 |issn=1367-2630 |doi=10.1088/1367-2630/10/11/113019 |lire en ligne=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/10/11/113019 |consulté le=2021-01-06 |pages=113019 }}</ref>{{,}}<ref>{{Lien web |langue=anglais |format=vidéo |auteur=Seth Lloyd |titre=Optimal Energy Transport in Photosynthesis (Speech). From Atomic to Mesoscale: The Role of Quantum Coherence in Systems of Various Complexities. Institute for Theoretical, Atomic and Molecular and Optical Physics, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts. |url=https://www.youtube.com/watch?v=YC28RzLeuFc |site= |date=10 mars 2014 |consulté le=30 septembre 2019}}</ref>. Une autre proposition est que le taux de cohérence quantique et l'effet tunnel des électrons créent un puits d'énergie qui déplace rapidement l'électron vers le site de réaction<ref>{{Article |prénom1=Mattia |nom1=Walschaers |prénom2=Jorge Fernandez-de-Cossio |nom2=Diaz |prénom3=Roberto |nom3=Mulet |prénom4=Andreas |nom4=Buchleitner |titre=Optimally designed quantum transport across disordered networks |périodique=Physical Review Letters |volume=111 |numéro=18 |date=2013-11-01 |issn=1079-7114 |pmid=24237498 |doi=10.1103/PhysRevLett.111.180601 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24237498/ |consulté le=2021-01-06 |pages=180601 }}</ref>. D'autres travaux ont suggéré que les symétries géométriques dans le complexe pourraient favoriser un transfert d'énergie efficace vers le centre de réaction, reflétant un transfert d'état parfait dans les réseaux quantiques<ref>{{Article |prénom1=Mattia |nom1=Walschaers |prénom2=Jorge Fernandez-de-Cossio |nom2=Diaz |prénom3=Roberto |nom3=Mulet |prénom4=Andreas |nom4=Buchleitner |titre=Optimally designed quantum transport across disordered networks |périodique=Physical Review Letters |volume=111 |numéro=18 |date=2013-11-01 |issn=1079-7114 |pmid=24237498 |doi=10.1103/PhysRevLett.111.180601 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24237498/ |consulté le=2021-01-06 |pages=180601 }}</ref>. En outre, les expériences avec des molécules de colorants artificiels jettent des doutes sur l'interprétation selon laquelle les effets quantiques ne durent pas plus de cent femtosecondes<ref>{{Article |prénom1=Alexei |nom1=Halpin |prénom2=Philip J. M. |nom2=Johnson |prénom3=Roel |nom3=Tempelaar |prénom4=R. Scott |nom4=Murphy |titre=Two-dimensional spectroscopy of a molecular dimer unveils the effects of vibronic coupling on exciton coherences |périodique=Nature Chemistry |volume=6 |numéro=3 |date=2014-03 |issn=1755-4349 |pmid=24557133 |doi=10.1038/nchem.1834 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24557133/ |consulté le=2021-01-06 |pages=196–201 }}</ref>.

En 2017, la première expérience de contrôle avec la protéine FMO originale en conditions ambiantes a confirmé que les effets quantiques électroniques sont éliminés en 60 femtosecondes, alors que le transfert global d'exciton prend un temps de l'ordre de quelques picosecondes (10<sup>-12</sup> s)<ref>{{Article |prénom1=Hong-Guang |nom1=Duan |prénom2=Valentyn I. |nom2=Prokhorenko |prénom3=Richard J. |nom3=Cogdell |prénom4=Khuram |nom4=Ashraf |titre=Nature does not rely on long-lived electronic quantum coherence for photosynthetic energy transfer |périodique=Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America |volume=114 |numéro=32 |date=08 08, 2017 |issn=1091-6490 |pmid=28743751 |pmcid=5559008 |doi=10.1073/pnas.1702261114 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28743751/ |consulté le=2021-01-06 |pages=8493–8498 }}</ref>. En 2020, une revue de la littérature basée sur une vaste gamme d'expériences de contrôle et de théories a conclu que les effets quantiques proposés ne tenaient pas, en raison de la longue durée de vie des cohérences électroniques dans le système FMO<ref>{{Article |prénom1=Jianshu |nom1=Cao |prénom2=Richard J. |nom2=Cogdell |prénom3=David F. |nom3=Coker |prénom4=Hong-Guang |nom4=Duan |titre=Quantum biology revisited |périodique=Science Advances |volume=6 |numéro=14 |date=04 2020 |issn=2375-2548 |pmid=32284982 |pmcid=7124948 |doi=10.1126/sciadv.aaz4888 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32284982/ |consulté le=2021-01-06 |pages=eaaz4888 }}</ref>. Les recherches sur la dynamique du transport suggèrent plutôt que les interactions entre les modes d'excitation électronique et vibratoire dans les complexes FMO nécessitent une explication semi-classique, semi-quantique du transfert de l'énergie d'excitation. En d'autres termes, alors que la cohérence quantique domine à court terme, une description classique est plus précise pour décrire le comportement à long terme des excitons<ref>{{Article |prénom1=S. F. |nom1=Huelga |prénom2=M. B. |nom2=Plenio |titre=Vibrations, quanta and biology |périodique=Contemporary Physics |volume=54 |numéro=4 |date=2013-07-01 |issn=0010-7514 |doi=10.1080/00405000.2013.829687 |lire en ligne=https://doi.org/10.1080/00405000.2013.829687 |consulté le=2021-01-06 |pages=181–207 }}</ref>.

Un autre processus de la photosynthèse qui a une efficacité de presque 100% est le transfert de charge, ce qui suggère à nouveau que des phénomènes de mécanique quantique sont en jeu<ref name=":0" />. En 1966, une étude sur la bactérie photosynthétique ''Chromatium'' a montré qu'à des températures inférieures à 100 K, l'oxydation du [[cytochrome]] est indépendante de la température, lente (de l'ordre de la milliseconde) et très faible en énergie d'activation. Les auteurs, Don DeVault et Britton Chase, ont postulé que ces caractéristiques du transfert d'électrons sont indicatives d'un effet tunnel quantique, selon lequel les électrons pénètrent une barrière potentielle bien qu'ils possèdent moins d'énergie que ce qui est classiquement nécessaire<ref>{{Article |prénom1=D. |nom1=DeVault |prénom2=B. |nom2=Chance |titre=Studies of photosynthesis using a pulsed laser. I. Temperature dependence of cytochrome oxidation rate in chromatium. Evidence for tunneling |périodique=Biophysical Journal |volume=6 |numéro=6 |date=1966-11 |issn=0006-3495 |pmid=5972381 |pmcid=1368046 |doi=10.1016/s0006-3495(66)86698-5 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/5972381/ |consulté le=2021-01-06 |pages=825–847 }}</ref>.

=== Mutations de l'ADN ===
L'[[acide désoxyribonucléique]], l'ADN, sert d'instruction pour la [[Biosynthèse des protéines|fabrication de protéines]] dans tout l'organisme. Il est constitué de 4 [[Nucléotide|nucléotides]] : guanine, thymine, cytosine et adénine<ref>{{Lien web |langue=anglais |auteur= |titre=DNA and Mutations |url=https://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/mutations_01 |site=evolution.berkeley.edu |date= |consulté le=}}</ref>. Le nombre et l'ordre dans lequel sont agencés ces nucléotides donne les "recettes" pour fabriquer les différentes protéines.

Chaque fois qu'une [[Cellule (biologie)|cellule]] se reproduit, elle doit copier ces brins d'ADN. Cependant, il arrive parfois qu'une mutation ou une erreur dans le code de l'ADN se produise tout au long du processus de copie du brin d'ADN. Le modèle de mutation de l'ADN de Lowdin explique une théorie du raisonnement qui sous-tend la mutation de l'ADN<ref name=":1">{{Article |prénom1=Frank |nom1=Trixler |titre=Quantum Tunnelling to the Origin and Evolution of Life |périodique=Current Organic Chemistry |volume=17 |numéro=16 |date=2013-08 |issn=1385-2728 |pmid=24039543 |pmcid=3768233 |doi=10.2174/13852728113179990083 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24039543/ |consulté le=2021-01-06 |pages=1758–1770 }}</ref>. Dans ce modèle, un nucléotide peut changer de forme par un processus d'effet tunnel quantique. De ce fait, le nucléotide modifié perdra sa capacité à s'apparier avec sa paire de bases d'origine et modifiera par conséquent la structure et l'ordre du brin d'ADN.

L'exposition aux rayons [[Ultraviolet|ultraviolets]] et à d'autres types de rayonnement peut provoquer une mutation et des dommages de l'ADN. Les radiations peuvent également modifier les liaisons des [[Pyrimidine|pyrimidines]] le long du brin d'ADN et les faire se lier à elles-mêmes pour créer un [[dimère]]<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Sung-Lim |nom1=Yu |prénom2=Sung-Keun |nom2=Lee |titre=Ultraviolet radiation: DNA damage, repair, and human disorders |périodique=Molecular & Cellular Toxicology |volume=13 |numéro=1 |date=2017-03-01 |issn=2092-8467 |doi=10.1007/s13273-017-0002-0 |lire en ligne=https://doi.org/10.1007/s13273-017-0002-0 |consulté le=2021-01-06 |pages=21–28 }}</ref>.

Chez de nombreux [[Prokaryota|procaryotes]] et plantes, ces liaisons sont réparées et les molécules retrouvent leur forme originale grâce à une [[enzyme]] de réparation de l'ADN, la [[photolyase]]. Comme son préfixe l'indique, la photolyase dépend de la lumière pour réparer le brin. La photolyase travaille avec son cofacteur FADH, le dinucléotide adénine flavinique, tout en réparant l'ADN. La photolyase est excitée par la lumière visible et transfère un électron au cofacteur FADH. Le FADH, maintenant en possession d'un électron supplémentaire, donne cet électron au dimère pour briser la liaison et réparer l'ADN. Ce transfert de l'électron se fait par effet tunnel entre l'électron du FADH et le dimère. Bien que la portée de l'effet tunnel soit beaucoup plus grande que ce qui est possible dans le vide, on dit que l'effet tunnel dans ce scénario est un "effet tunnel à super échange", et qu'il est possible grâce à la capacité de la protéine à augmenter le taux d'effet tunnel de l'électron<ref name=":1" />.

=== Théorie vibratoire de l'olfaction ===
L'olfaction, le sens de l'[[Olfaction|odorat]], peut être décomposée en deux parties : la réception et la détection d'un produit chimique, puis la façon dont cette détection est envoyée au cerveau et traitée par celui-ci. Ce processus de détection d'une substance odorante est toujours remis en question à l'heure actuelle. Une théorie appelée "théorie de la forme de l'olfaction" suggère que certains récepteurs olfactifs sont déclenchés par certaines formes de produits chimiques et que ces récepteurs envoient un message spécifique au [[cerveau]]<ref>{{Article |prénom1=H. L. |nom1=Klopping |titre=Olfactory theories and the odors of small molecules |périodique=Journal of Agricultural and Food Chemistry |volume=19 |numéro=5 |date=1971-09 |issn=0021-8561 |pmid=5134656 |doi=10.1021/jf60177a002 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/5134656/ |consulté le=2021-01-06 |pages=999–1004 }}</ref>. Une autre théorie (basée sur des phénomènes quantiques) suggère que les récepteurs olfactifs détectent la vibration des molécules qui les atteignent et que "l'odeur" est due à différentes fréquences vibratoires ; cette théorie est appelée à juste titre "théorie vibratoire de l'olfaction".

La théorie vibratoire de l'olfaction, créée en 1938 par Malcolm Dyson<ref>{{Article |langue=en |prénom1=G. Malcolm |nom1=Dyson |titre=The scientific basis of odour |périodique=Journal of the Society of Chemical Industry |volume=57 |numéro=28 |date=1938 |issn=1934-9971 |doi=10.1002/jctb.5000572802 |lire en ligne=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jctb.5000572802 |consulté le=2021-01-06 |pages=647–651 }}</ref> mais revigorée par Luca Turin en 1996<ref name=":2">{{Article |prénom1=L. |nom1=Turin |titre=A spectroscopic mechanism for primary olfactory reception |périodique=Chemical Senses |volume=21 |numéro=6 |date=1996-12 |issn=0379-864X |pmid=8985605 |doi=10.1093/chemse/21.6.773 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8985605/ |consulté le=2021-01-06 |pages=773–791 }}</ref>, propose que le mécanisme de l'odorat est dû aux récepteurs de la [[protéine G]] qui détectent les vibrations moléculaires dues à l'effet tunnel inélastique des électrons (effet tunnel où l'électron perd de l'énergie) à travers les molécules<ref name=":2" />. Après la liaison du produit chimique au récepteur, le produit chimique agirait alors comme un pont permettant le transfert de l'électron à travers la protéine. Au fur et à mesure du transfert de l'électron, ce pont serait généralement une barrière pour les électrons et perdrait son énergie en raison de la vibration de la molécule récemment liée au récepteur, ce qui permettrait de sentir la molécule<ref name=":2" />{{,}}<ref>{{Article |prénom1=Jennifer C. |nom1=Brookes |titre=Quantum effects in biology: golden rule in enzymes, olfaction, photosynthesis and magnetodetection |périodique=Proceedings. Mathematical, Physical, and Engineering Sciences |volume=473 |numéro=2201 |date=2017-05 |issn=1364-5021 |pmid=28588400 |pmcid=5454345 |doi=10.1098/rspa.2016.0822 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28588400/ |consulté le=2021-01-06 |pages=20160822 }}</ref>.

Bien que la théorie vibratoire ait fait l'objet d'une certaine preuve expérimentale de son concept<ref>{{Lien web |langue=en |titre=Odorant shape and vibration likely lead to olfaction satisfaction |url=https://phys.org/news/2012-09-odorant-vibration-olfaction-satisfaction.html |site=phys.org |consulté le=2021-01-06}}</ref>{{,}}<ref>{{Article |langue=anglais |auteur1=Linda Buck & Richard Axel |titre=A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor recognition |périodique=Cell |série=1 |volume=65 |date=1991 |issn= |lire en ligne=https://www.cell.com/cell/pdf/0092-8674(91)90418-X.pdf |pages=175-187 }}</ref>, les expériences ont donné lieu à de multiples résultats controversés. Dans certaines expériences, les animaux sont capables de distinguer les odeurs entre des molécules de fréquences différentes et de même structure<ref>{{Article |prénom1=Eric |nom1=Block |prénom2=Victor S. |nom2=Batista |prénom3=Hiroaki |nom3=Matsunami |prénom4=Hanyi |nom4=Zhuang |titre=The role of metals in mammalian olfaction of low molecular weight organosulfur compounds |périodique=Natural Product Reports |volume=34 |numéro=5 |date=05 10, 2017 |issn=1460-4752 |pmid=28471462 |pmcid=5542778 |doi=10.1039/c7np00016b |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28471462/ |consulté le=2021-01-06 |pages=529–557 }}</ref> ; d'autres expériences montrent que les personnes ne sont pas conscientes de distinguer les odeurs en raison de fréquences moléculaires distinctes<ref>{{Article |prénom1=Andreas |nom1=Keller |prénom2=Leslie B. |nom2=Vosshall |titre=A psychophysical test of the vibration theory of olfaction |périodique=Nature Neuroscience |volume=7 |numéro=4 |date=2004-04 |issn=1097-6256 |pmid=15034588 |doi=10.1038/nn1215 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15034588/ |consulté le=2021-01-06 |pages=337–338 }}</ref>. Cependant, cela n'a pas été réfuté, et il a même été démontré que cela avait un effet sur l'olfaction d'animaux autres que les humains, comme les mouches, les abeilles et les poissons.

=== Vision ===
La vision repose sur une énergie quantifiée afin de convertir les signaux lumineux en un potentiel d'action dans un processus appelé phototransduction. Dans la phototransduction, un photon interagit avec un [[chromophore]] dans un récepteur de lumière. Le chromophore absorbe le photon et subit une photoisomérisation. Ce changement de structure induit une modification de la structure du photorécepteur et les voies de transduction du signal qui en résultent conduisent à un signal visuel. Cependant, la réaction de photoisomérisation se produit à un rythme rapide, en moins de 200 femtosecondes<ref>{{Article |prénom1=Philip J. M. |nom1=Johnson |prénom2=Marwa H. |nom2=Farag |prénom3=Alexei |nom3=Halpin |prénom4=Takefumi |nom4=Morizumi |titre=The Primary Photochemistry of Vision Occurs at the Molecular Speed Limit |périodique=The Journal of Physical Chemistry. B |volume=121 |numéro=16 |date=04 27, 2017 |issn=1520-5207 |pmid=28358485 |doi=10.1021/acs.jpcb.7b02329 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28358485/ |consulté le=2021-01-06 |pages=4040–4047 }}</ref>, avec un rendement élevé. Les modèles suggèrent l'utilisation d'effets quantiques dans la mise en forme de l'état de base et des potentiels d'état excité afin d'atteindre cette efficacité<ref>{{Article |prénom1=R. W. |nom1=Schoenlein |prénom2=L. A. |nom2=Peteanu |prénom3=R. A. |nom3=Mathies |prénom4=C. V. |nom4=Shank |titre=The first step in vision: femtosecond isomerization of rhodopsin |périodique=Science (New York, N.Y.) |volume=254 |numéro=5030 |date=1991-10-18 |issn=0036-8075 |pmid=1925597 |doi=10.1126/science.1925597 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1925597/ |consulté le=2021-01-06 |pages=412–415 }}</ref>.

==== Applications de la vision quantique ====
Des expériences ont montré que les capteurs de la [[rétine]] de l'œil humain sont suffisamment sensibles pour détecter un seul photon<ref>{{Lien web |titre=The Human Eye and Single Photons |url=https://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html |site=math.ucr.edu |consulté le=2021-01-06}}</ref>. La détection d'un seul photon pourrait conduire à de multiples technologies différentes. Un domaine de développement est la communication et la [[cryptographie]] quantiques. L'idée est d'utiliser un système biométrique pour mesurer l'œil en utilisant seulement un petit nombre de points sur la rétine avec des flashs aléatoires de photons qui "lisent" la rétine et identifient l'individu<ref>{{Article |prénom1=M. |nom1=Loulakis |prénom2=G. |nom2=Blatsios |prénom3=C. S. |nom3=Vrettou |prénom4=I. K. |nom4=Kominis |titre=Quantum Biometrics with Retinal Photon Counting |périodique=Physical Review Applied |volume=8 |numéro=4 |date=2017-10-24 |doi=10.1103/PhysRevApplied.8.044012 |lire en ligne=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.8.044012 |consulté le=2021-01-06 |pages=044012 }}</ref>. Ce système biométrique permettrait seulement à un certain individu avec une carte rétinienne spécifique de décoder le message. Ce message ne pourrait être décodé par personne d'autre, à moins que l'espion ne devine la bonne carte ou ne puisse lire la rétine du destinataire du message<ref>{{Lien web |langue=en |titre=Quantum Biometrics Exploits the Human Eye’s Ability to Detect Single Photons |url=https://www.technologyreview.com/2017/04/25/152190/quantum-biometrics-exploits-the-human-eyes-ability-to-detect-single-photons/ |site=MIT Technology Review |consulté le=2021-01-06}}</ref>.

=== Activité enzymatique (biochimie quantique) ===
Les enzymes peuvent utiliser l'effet tunnel quantique pour transférer des électrons sur de longues distances. Il est possible que la conformation quaternaire des protéines ait évolué pour permettre un enchevêtrement et une cohérence quantiques soutenus<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Shireesh |nom1=Apte |titre=Quantum biology: Harnessing nano-technology’s last frontier with modified excipients and food ingredients |périodique=Journal of Excipients and Food Chemicals |volume=5 |numéro=4 |date=2016-10-13 |lire en ligne=https://jefc.scholasticahq.com/article/939-quantum-biology-harnessing-nano-technology-s-last-frontier-with-modified-excipients-and-food-ingredients |consulté le=2021-01-06 |pages=939 }}</ref>. Plus précisément, les enzymes peuvent augmenter le pourcentage de la réaction qui se produit par "tunnelisation" de l'hydrogène<ref name=":3">{{Article |prénom1=Zachary D. |nom1=Nagel |prénom2=Judith P. |nom2=Klinman |titre=Tunneling and dynamics in enzymatic hydride transfer |périodique=Chemical Reviews |volume=106 |numéro=8 |date=2006-08 |issn=0009-2665 |pmid=16895320 |doi=10.1021/cr050301x |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16895320/ |consulté le=2021-01-06 |pages=3095–3118 }}</ref>. La tunnelisation fait référence à la capacité d'une petite particule de masse à traverser les barrières énergétiques. Cette capacité est due au principe de complémentarité, selon lequel certains objets ont des paires de propriétés qui ne peuvent être mesurées séparément sans modifier le résultat de la mesure. Les électrons ont à la fois des propriétés d'onde et de particule, ils peuvent donc traverser les barrières physiques comme une onde sans enfreindre les lois de la physique. Des études montrent que les transferts d'électrons à longue distance entre centres [[Réaction d'oxydoréduction|redox]] par effet tunnel quantique jouent un rôle important dans l'activité enzymatique de la photosynthèse et de la respiration cellulaire<ref>{{Article |prénom1=Harry B. |nom1=Gray |prénom2=Jay R. |nom2=Winkler |titre=Electron tunneling through proteins |périodique=Quarterly Reviews of Biophysics |volume=36 |numéro=3 |date=2003-08 |issn=0033-5835 |pmid=15029828 |doi=10.1017/s0033583503003913 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15029828/ |consulté le=2021-01-06 |pages=341–372 }}</ref>{{,}}<ref>{{Article |prénom1=Zachary D. |nom1=Nagel |prénom2=Judith P. |nom2=Klinman |titre=Tunneling and dynamics in enzymatic hydride transfer |périodique=Chemical Reviews |volume=106 |numéro=8 |date=2006-08 |issn=0009-2665 |pmid=16895320 |doi=10.1021/cr050301x |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16895320/ |consulté le=2021-01-06 |pages=3095–3118 }}</ref>. Par exemple, des études montrent que l'effet tunnel des électrons à longue distance de l'ordre de 15-30 [[Ångström|Å]] (10<sup>-10</sup> m) joue un rôle dans les réactions redox des enzymes de la respiration cellulaire<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Neill |nom1=Lambert |prénom2=Yueh-Nan |nom2=Chen |prénom3=Yuan-Chung |nom3=Cheng |prénom4=Che-Ming |nom4=Li |titre=Quantum biology |périodique=Nature Physics |volume=9 |numéro=1 |date=2013-01 |issn=1745-2481 |doi=10.1038/nphys2474 |lire en ligne=https://www.nature.com/articles/nphys2474 |consulté le=2021-01-06 |pages=10–18 }}</ref>. Sans effet tunnel quantique, les organismes ne seraient pas capables de convertir l'énergie assez rapidement pour soutenir leur croissance. Même s'il existe de telles séparations entre les sites d'oxydoréduction au sein des enzymes, les électrons sont transférés avec succès, généralement indépendamment de la température (sauf dans des conditions extrêmes) et de la distance<ref name=":3" />, ce qui suggère la capacité des électrons à "creuser des tunnels" dans des conditions physiologiques. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si ce phénomène spécifique d'effet tunnel est également cohérent.

=== Magnétoréception ===
La [[magnétoréception]] désigne la capacité des animaux à se déplacer en utilisant l'inclinaison du [[champ magnétique terrestre]]<ref name=":4">{{Article |prénom1=P. J. |nom1=Hore |prénom2=Henrik |nom2=Mouritsen |titre=The Radical-Pair Mechanism of Magnetoreception |périodique=Annual Review of Biophysics |volume=45 |date=07 05, 2016 |issn=1936-1238 |pmid=27216936 |doi=10.1146/annurev-biophys-032116-094545 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27216936/ |consulté le=2021-01-06 |pages=299–344 }}</ref>. Une explication possible de la magnétoréception est le mécanisme de paires de [[Radical (chimie)|radicaux]] enchevêtrés<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Klaus |nom1=Schulten |prénom2=Charles E. |nom2=Swenberg |prénom3=Albert |nom3=Weller |titre=A Biomagnetic Sensory Mechanism Based on Magnetic Field Modulated Coherent Electron Spin Motion |périodique=Zeitschrift für Physikalische Chemie |volume=111 |numéro=1 |date=1978-01-01 |issn=2196-7156 |issn2=0942-9352 |doi=10.1524/zpch.1978.111.1.001 |lire en ligne=https://www.degruyter.com/view/journals/zpch/111/1/article-p1.xml |consulté le=2021-01-06 |pages=1–5 }}</ref>{{,}}<ref>{{Article |prénom1=Iannis K. |nom1=Kominis |titre=The radical-pair mechanism as a paradigm for the emerging science of quantum biology |périodique=Modern Physics Letters B |volume=29 |numéro=Supplement 1 |date=2015-12-01 |issn=0217-9849 |doi=10.1142/S0217984915300136 |lire en ligne=https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0217984915300136 |consulté le=2021-01-06 |pages=1530013 }}</ref>. Le mécanisme de paires de radicaux est bien établi dans la chimie du [[spin]]<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Christopher T. |nom1=Rodgers |titre=Magnetic field effects in chemical systems |périodique=Pure and Applied Chemistry |volume=81 |numéro=1 |date=2009-01-01 |issn=0033-4545 |issn2=1365-3075 |doi=10.1351/PAC-CON-08-10-18 |lire en ligne=https://www.degruyter.com/view/journals/pac/81/1/article-p19.xml |consulté le=2021-01-06 |pages=19–43 }}</ref>{{,}}<ref>{{Article |prénom1=Ulrich E. |nom1=Steiner |prénom2=Thomas |nom2=Ulrich |titre=Magnetic field effects in chemical kinetics and related phenomena |périodique=Chemical Reviews |volume=89 |numéro=1 |date=1989-01-01 |issn=0009-2665 |doi=10.1021/cr00091a003 |lire en ligne=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cr00091a003 |consulté le=2021-01-06 |pages=51–147 }}</ref>{{,}}<ref>{{Article |langue=en |prénom1=J. R. |nom1=Woodward |titre=Radical Pairs in Solution: |périodique=Progress in Reaction Kinetics and Mechanism |date=2019-02-27 |doi=10.3184/007967402103165388 |lire en ligne=https://journals.sagepub.com/doi/10.3184/007967402103165388 |consulté le=2021-01-06 }}</ref> et a été supposé s'appliquer à la magnétoréception en 1978 par Schulten ''[[et al.]]'' Le rapport entre les paires de [[Singulet|singulets]] et de triplets est modifié par l'interaction des paires d'électrons enchevêtrées avec le champ magnétique terrestre<ref name=":5">{{Article |prénom1=Roswitha |nom1=Wiltschko |prénom2=Margaret |nom2=Ahmad |prénom3=Christine |nom3=Nießner |prénom4=Dennis |nom4=Gehring |titre=Light-dependent magnetoreception in birds: the crucial step occurs in the dark |périodique=Journal of the Royal Society, Interface |volume=13 |numéro=118 |date=05 2016 |issn=1742-5662 |pmid=27146685 |pmcid=4892254 |doi=10.1098/rsif.2015.1010 |lire en ligne=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27146685/ |consulté le=2021-01-06 }}</ref>. En 2000, le [[cryptochrome]] a été proposé comme "molécule magnétique" pouvant abriter des paires de radicaux magnétiquement sensibles. Le cryptochrome, une flavoprotéine présente dans les yeux des [[Rouge-gorge|rouges-gorges]] européens et d'autres espèces animales, est la seule protéine connue pour former des paires de radicaux photo-induits chez les animaux<ref name=":4" />. Lorsqu'il interagit avec des particules de lumière, le cryptochrome passe par une réaction d'oxydoréduction, qui produit des paires de radicaux à la fois pendant la photo-réduction et l'oxydation. La fonction du cryptochrome varie d'une espèce à l'autre, mais la photoinduction de paires de radicaux se produit par exposition à la lumière bleue, qui excite un électron dans un chromophore<ref name=":5" />. La magnétoréception est également possible dans l'obscurité, le mécanisme doit donc reposer davantage sur les paires de radicaux générées pendant l'oxydation indépendante de la lumière.

Les expériences menées en laboratoire confirment la théorie de base selon laquelle les électrons des paires de radicaux peuvent être influencés de manière significative par des champs magnétiques très faibles, c'est-à-dire que seule la direction des champs magnétiques faibles peut affecter la réactivité des paires de radicaux et donc "catalyser" la formation de produits chimiques. On ne sait pas si ce mécanisme s'applique à la magnétoréception et/ou à la biologie quantique, c'est-à-dire si le champ magnétique terrestre "catalyse" la formation de produits biochimiques à l'aide de paires de radicaux, pour deux raisons. La première est qu'il n'est pas nécessaire que les paires de radicaux soient enchevêtrées, la caractéristique quantique clé du mécanisme des paires de radicaux, pour jouer un rôle dans ces processus. Il existe des paires radicales enchevêtrées et non enchevêtrées. Cependant, les chercheurs ont trouvé des preuves du mécanisme de magnétoréception des paires de radicaux lorsque les rouges-gorges, les [[Blattaria|cafards]] et les [[Fauvette|fauvettes]] de jardin européens ne pouvaient plus naviguer lorsqu'ils étaient exposés à une fréquence radio qui bloque les champs magnétiques<ref name=":4" /> et la chimie des paires de radicaux. Pour suggérer empiriquement l'implication de l'enchevêtrement, il faudrait concevoir une expérience qui pourrait perturber les paires de radicaux enchevêtrées sans perturber les autres paires de radicaux, ou vice versa, qui devrait d'abord être démontrée en laboratoire avant d'être appliquée aux paires de radicaux ''in vivo''.

=== Autres applications biologiques ===
On trouve d'autres exemples de phénomènes quantiques dans les systèmes biologiques comme la conversion de l'énergie chimique en mouvement<ref>{{Ouvrage|langue=anglais|auteur1=Raphael D. Levine|titre=Molecular Reaction Dynamics|passage=16-18|lieu=|éditeur=Cambridge University Press|date=2005|pages totales=|isbn=978-0-521-84276-1|lire en ligne=}}</ref> et les moteurs browniens dans de nombreux processus cellulaires<ref>{{Ouvrage|langue=anglais|auteur1=Harald Krug; Harald Brune; Gunter Schmid; Ulrich Simon; Viola Vogel; Daniel Wyrwa; Holger Ernst; Armin Grunwald; Werner Grunwald; Heinrich Hofmann|titre=Nanotechnology: Assessment and Perspectives|passage=197-240|lieu=|éditeur=Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K.|date=2006|pages totales=|isbn=978-3-540-32819-3|lire en ligne=}}</ref>.

== Notes et références ==
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== Vidéographie ==
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Version du 6 janvier 2021 à 18:43

La biologie quantique est l'étude des applications de la mécanique quantique et de la chimie théorique aux objets et problèmes biologiques. De nombreux processus biologiques impliquent la conversion de l'énergie en des formes utilisables pour des transformations chimiques et sont de nature quantique. Ces processus impliquent des réactions chimiques, l'absorption de la lumière, la formation d'états électroniques excités, le transfert d'énergie d'excitation et le transfert d'électrons et de protons (ions hydrogène) dans des processus chimiques tels que la photosynthèse, l'olfaction et la respiration cellulaire[1].

La biologie quantique peut utiliser des calculs pour modéliser les interactions biologiques à la lumière des effets de la mécanique quantique[2]. La biologie quantique s'intéresse à l'influence des phénomènes quantiques non triviaux[3], qui peuvent s'expliquer en réduisant le processus biologique à la physique fondamentale, bien que ces effets soient difficiles à étudier et puissent être spéculatifs[4].

Histoire

La biologie quantique est un domaine émergent ; la plupart des recherches actuelles sont théoriques et sujettes à des questions qui nécessitent des expérimentations supplémentaires pour pouvoir y répondre en se basant sur des preuves expérimentales. Bien que ce domaine n'ait reçu que récemment un afflux d'attention, il a été conceptualisé par les physiciens tout au long du XXe siècle. La biologie quantique a été considérée comme pouvant jouer un rôle essentiel dans l'avenir du monde médical[5]. Les premiers pionniers de la physique quantique ont vu des applications de la mécanique quantique dans les problèmes biologiques. Le livre d'Erwin Schrödinger, What is Life ?, publié en 1944, traite des applications de la mécanique quantique en biologie[6]. Schrödinger a introduit l'idée d'un "cristal apériodique" qui contient des informations génétiques dans sa configuration de liaisons chimiques covalentes. Il a en outre suggéré que les mutations sont introduites par des "sauts quantiques". D'autres pionniers comme Niels Bohr, Pascual Jordan et Max Delbrück ont soutenu que l'idée quantique de complémentarité était fondamentale en sciences de la vie[7]. En 1963, Per-Olov Löwdin a publié l'effet tunnel des protons décrit comme étant un autre mécanisme de mutation de l'ADN. Dans son article, il a déclaré qu'il existe un nouveau domaine d'étude appelé "biologie quantique"[8].

Applications

Effets quantiques pressentis pour certains phénomènes biologiques
Phénomène biologique Effet quantique
Vision, bioluminescence, odorat photorécepteurs, synthèse de la vitamine D. États électroniques excités.
Activités enzymatiques, notamment impliquées dans la respiration cellulaire et la photosynthèse. Effet tunnel de l'électron.
Magnétoréception. Spin de l'électron, paires radicalaires (en) intriquées.
Utilisation des photons dans la photosynthèse. Transfer d'énergie de l'électron impliquant la cohérence quantique.

Photosynthèse

Diagramme du complexe FMO. La lumière excite les électrons dans une "antenne". L'excitation est ensuite transférée à travers diverses protéines du complexe FMO vers le "centre de réaction" pour poursuivre la photosynthèse.

Les organismes qui subissent la photosynthèse absorbent l'énergie lumineuse par le processus d'excitation des électrons dans des structures appelées "antennes". Ces antennes varient selon les organismes. Par exemple, les bactéries (cyanobactéries) utilisent des antennes en forme d'anneau, tandis que chez les plantes ce sont les pigments de chlorophylle qui absorbent les photons. La photosynthèse crée des excitons, qui fournissent une séparation de charge que les cellules convertissent en énergie chimique utilisable. L'énergie collectée dans les sites de réaction doit être transférée rapidement avant d'être perdue par fluorescence ou par mouvement vibratoire thermique.

Diverses structures, telles que le complexe FMO des bactéries vertes sulfureuses, sont responsables du transfert de l'énergie des antennes vers un site de réaction. Les études en spectroscopie électronique FT sur l'absorption et le transfert d'électrons montrent une efficacité supérieure à 99 %[9], qui ne peut être expliquée par les modèles mécaniques classiques comme le modèle de diffusion. On les a donc remis en question et dès 1938, les scientifiques ont théorisé que la cohérence quantique était le mécanisme du transfert d'énergie d'excitation.

Les scientifiques ont récemment cherché des preuves expérimentales de ce mécanisme proposé de transfert d'énergie. Une étude publiée en 2007 a revendiqué l'identification de la cohérence quantique électronique[10] à -196 °C (77 K). Une autre étude théorique datant de 2010 a fourni la preuve que la cohérence quantique vit jusqu'à 300 femtosecondes (300-15 s) à des températures biologiquement pertinentes (4 °C ou 277 K) . La même année, des expériences menées sur des algues cryptophytes photosynthétiques en spectroscopie d'écho de photons en deux dimensions ont confirmé la cohérence quantique à long terme[11]. Ces études suggèrent qu'au cours de l'évolution, la nature a développé un moyen de protéger la cohérence quantique pour améliorer l'efficacité de la photosynthèse. Cependant, des études de suivi critiques remettent en question l'interprétation de ces résultats. La spectroscopie à molécule unique montre aujourd'hui les caractéristiques quantiques de la photosynthèse sans l'interférence d'un désordre statique, et certaines études utilisent cette méthode pour attribuer les signatures rapportées de la cohérence quantique électronique à la dynamique nucléaire se produisant dans les chromophores[12],[13],[14],[15],[16],[17],[18]. Un certain nombre de propositions ont émergé pour tenter d'expliquer cette cohérence inattendue sur le long terme inattendue. Selon une proposition, si chaque site du complexe "ressent" son propre bruit environnemental, l'électron ne restera pas dans un minimum local en raison à la fois de la cohérence quantique et de l'environnement thermique, mais se dirigera vers le site de réaction par des "marches quantiques"[19],[20],[21]. Une autre proposition est que le taux de cohérence quantique et l'effet tunnel des électrons créent un puits d'énergie qui déplace rapidement l'électron vers le site de réaction[22]. D'autres travaux ont suggéré que les symétries géométriques dans le complexe pourraient favoriser un transfert d'énergie efficace vers le centre de réaction, reflétant un transfert d'état parfait dans les réseaux quantiques[23]. En outre, les expériences avec des molécules de colorants artificiels jettent des doutes sur l'interprétation selon laquelle les effets quantiques ne durent pas plus de cent femtosecondes[24].

En 2017, la première expérience de contrôle avec la protéine FMO originale en conditions ambiantes a confirmé que les effets quantiques électroniques sont éliminés en 60 femtosecondes, alors que le transfert global d'exciton prend un temps de l'ordre de quelques picosecondes (10-12 s)[25]. En 2020, une revue de la littérature basée sur une vaste gamme d'expériences de contrôle et de théories a conclu que les effets quantiques proposés ne tenaient pas, en raison de la longue durée de vie des cohérences électroniques dans le système FMO[26]. Les recherches sur la dynamique du transport suggèrent plutôt que les interactions entre les modes d'excitation électronique et vibratoire dans les complexes FMO nécessitent une explication semi-classique, semi-quantique du transfert de l'énergie d'excitation. En d'autres termes, alors que la cohérence quantique domine à court terme, une description classique est plus précise pour décrire le comportement à long terme des excitons[27].

Un autre processus de la photosynthèse qui a une efficacité de presque 100% est le transfert de charge, ce qui suggère à nouveau que des phénomènes de mécanique quantique sont en jeu[18]. En 1966, une étude sur la bactérie photosynthétique Chromatium a montré qu'à des températures inférieures à 100 K, l'oxydation du cytochrome est indépendante de la température, lente (de l'ordre de la milliseconde) et très faible en énergie d'activation. Les auteurs, Don DeVault et Britton Chase, ont postulé que ces caractéristiques du transfert d'électrons sont indicatives d'un effet tunnel quantique, selon lequel les électrons pénètrent une barrière potentielle bien qu'ils possèdent moins d'énergie que ce qui est classiquement nécessaire[28].

Mutations de l'ADN

L'acide désoxyribonucléique, l'ADN, sert d'instruction pour la fabrication de protéines dans tout l'organisme. Il est constitué de 4 nucléotides : guanine, thymine, cytosine et adénine[29]. Le nombre et l'ordre dans lequel sont agencés ces nucléotides donne les "recettes" pour fabriquer les différentes protéines.

Chaque fois qu'une cellule se reproduit, elle doit copier ces brins d'ADN. Cependant, il arrive parfois qu'une mutation ou une erreur dans le code de l'ADN se produise tout au long du processus de copie du brin d'ADN. Le modèle de mutation de l'ADN de Lowdin explique une théorie du raisonnement qui sous-tend la mutation de l'ADN[30]. Dans ce modèle, un nucléotide peut changer de forme par un processus d'effet tunnel quantique. De ce fait, le nucléotide modifié perdra sa capacité à s'apparier avec sa paire de bases d'origine et modifiera par conséquent la structure et l'ordre du brin d'ADN.

L'exposition aux rayons ultraviolets et à d'autres types de rayonnement peut provoquer une mutation et des dommages de l'ADN. Les radiations peuvent également modifier les liaisons des pyrimidines le long du brin d'ADN et les faire se lier à elles-mêmes pour créer un dimère[31].

Chez de nombreux procaryotes et plantes, ces liaisons sont réparées et les molécules retrouvent leur forme originale grâce à une enzyme de réparation de l'ADN, la photolyase. Comme son préfixe l'indique, la photolyase dépend de la lumière pour réparer le brin. La photolyase travaille avec son cofacteur FADH, le dinucléotide adénine flavinique, tout en réparant l'ADN. La photolyase est excitée par la lumière visible et transfère un électron au cofacteur FADH. Le FADH, maintenant en possession d'un électron supplémentaire, donne cet électron au dimère pour briser la liaison et réparer l'ADN. Ce transfert de l'électron se fait par effet tunnel entre l'électron du FADH et le dimère. Bien que la portée de l'effet tunnel soit beaucoup plus grande que ce qui est possible dans le vide, on dit que l'effet tunnel dans ce scénario est un "effet tunnel à super échange", et qu'il est possible grâce à la capacité de la protéine à augmenter le taux d'effet tunnel de l'électron[30].

Théorie vibratoire de l'olfaction

L'olfaction, le sens de l'odorat, peut être décomposée en deux parties : la réception et la détection d'un produit chimique, puis la façon dont cette détection est envoyée au cerveau et traitée par celui-ci. Ce processus de détection d'une substance odorante est toujours remis en question à l'heure actuelle. Une théorie appelée "théorie de la forme de l'olfaction" suggère que certains récepteurs olfactifs sont déclenchés par certaines formes de produits chimiques et que ces récepteurs envoient un message spécifique au cerveau[32]. Une autre théorie (basée sur des phénomènes quantiques) suggère que les récepteurs olfactifs détectent la vibration des molécules qui les atteignent et que "l'odeur" est due à différentes fréquences vibratoires ; cette théorie est appelée à juste titre "théorie vibratoire de l'olfaction".

La théorie vibratoire de l'olfaction, créée en 1938 par Malcolm Dyson[33] mais revigorée par Luca Turin en 1996[34], propose que le mécanisme de l'odorat est dû aux récepteurs de la protéine G qui détectent les vibrations moléculaires dues à l'effet tunnel inélastique des électrons (effet tunnel où l'électron perd de l'énergie) à travers les molécules[34]. Après la liaison du produit chimique au récepteur, le produit chimique agirait alors comme un pont permettant le transfert de l'électron à travers la protéine. Au fur et à mesure du transfert de l'électron, ce pont serait généralement une barrière pour les électrons et perdrait son énergie en raison de la vibration de la molécule récemment liée au récepteur, ce qui permettrait de sentir la molécule[34],[35].

Bien que la théorie vibratoire ait fait l'objet d'une certaine preuve expérimentale de son concept[36],[37], les expériences ont donné lieu à de multiples résultats controversés. Dans certaines expériences, les animaux sont capables de distinguer les odeurs entre des molécules de fréquences différentes et de même structure[38] ; d'autres expériences montrent que les personnes ne sont pas conscientes de distinguer les odeurs en raison de fréquences moléculaires distinctes[39]. Cependant, cela n'a pas été réfuté, et il a même été démontré que cela avait un effet sur l'olfaction d'animaux autres que les humains, comme les mouches, les abeilles et les poissons.

Vision

La vision repose sur une énergie quantifiée afin de convertir les signaux lumineux en un potentiel d'action dans un processus appelé phototransduction. Dans la phototransduction, un photon interagit avec un chromophore dans un récepteur de lumière. Le chromophore absorbe le photon et subit une photoisomérisation. Ce changement de structure induit une modification de la structure du photorécepteur et les voies de transduction du signal qui en résultent conduisent à un signal visuel. Cependant, la réaction de photoisomérisation se produit à un rythme rapide, en moins de 200 femtosecondes[40], avec un rendement élevé. Les modèles suggèrent l'utilisation d'effets quantiques dans la mise en forme de l'état de base et des potentiels d'état excité afin d'atteindre cette efficacité[41].

Applications de la vision quantique

Des expériences ont montré que les capteurs de la rétine de l'œil humain sont suffisamment sensibles pour détecter un seul photon[42]. La détection d'un seul photon pourrait conduire à de multiples technologies différentes. Un domaine de développement est la communication et la cryptographie quantiques. L'idée est d'utiliser un système biométrique pour mesurer l'œil en utilisant seulement un petit nombre de points sur la rétine avec des flashs aléatoires de photons qui "lisent" la rétine et identifient l'individu[43]. Ce système biométrique permettrait seulement à un certain individu avec une carte rétinienne spécifique de décoder le message. Ce message ne pourrait être décodé par personne d'autre, à moins que l'espion ne devine la bonne carte ou ne puisse lire la rétine du destinataire du message[44].

Activité enzymatique (biochimie quantique)

Les enzymes peuvent utiliser l'effet tunnel quantique pour transférer des électrons sur de longues distances. Il est possible que la conformation quaternaire des protéines ait évolué pour permettre un enchevêtrement et une cohérence quantiques soutenus[45]. Plus précisément, les enzymes peuvent augmenter le pourcentage de la réaction qui se produit par "tunnelisation" de l'hydrogène[46]. La tunnelisation fait référence à la capacité d'une petite particule de masse à traverser les barrières énergétiques. Cette capacité est due au principe de complémentarité, selon lequel certains objets ont des paires de propriétés qui ne peuvent être mesurées séparément sans modifier le résultat de la mesure. Les électrons ont à la fois des propriétés d'onde et de particule, ils peuvent donc traverser les barrières physiques comme une onde sans enfreindre les lois de la physique. Des études montrent que les transferts d'électrons à longue distance entre centres redox par effet tunnel quantique jouent un rôle important dans l'activité enzymatique de la photosynthèse et de la respiration cellulaire[47],[48]. Par exemple, des études montrent que l'effet tunnel des électrons à longue distance de l'ordre de 15-30 Å (10-10 m) joue un rôle dans les réactions redox des enzymes de la respiration cellulaire[49]. Sans effet tunnel quantique, les organismes ne seraient pas capables de convertir l'énergie assez rapidement pour soutenir leur croissance. Même s'il existe de telles séparations entre les sites d'oxydoréduction au sein des enzymes, les électrons sont transférés avec succès, généralement indépendamment de la température (sauf dans des conditions extrêmes) et de la distance[46], ce qui suggère la capacité des électrons à "creuser des tunnels" dans des conditions physiologiques. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si ce phénomène spécifique d'effet tunnel est également cohérent.

Magnétoréception

La magnétoréception désigne la capacité des animaux à se déplacer en utilisant l'inclinaison du champ magnétique terrestre[50]. Une explication possible de la magnétoréception est le mécanisme de paires de radicaux enchevêtrés[51],[52]. Le mécanisme de paires de radicaux est bien établi dans la chimie du spin[53],[54],[55] et a été supposé s'appliquer à la magnétoréception en 1978 par Schulten et al. Le rapport entre les paires de singulets et de triplets est modifié par l'interaction des paires d'électrons enchevêtrées avec le champ magnétique terrestre[56]. En 2000, le cryptochrome a été proposé comme "molécule magnétique" pouvant abriter des paires de radicaux magnétiquement sensibles. Le cryptochrome, une flavoprotéine présente dans les yeux des rouges-gorges européens et d'autres espèces animales, est la seule protéine connue pour former des paires de radicaux photo-induits chez les animaux[50]. Lorsqu'il interagit avec des particules de lumière, le cryptochrome passe par une réaction d'oxydoréduction, qui produit des paires de radicaux à la fois pendant la photo-réduction et l'oxydation. La fonction du cryptochrome varie d'une espèce à l'autre, mais la photoinduction de paires de radicaux se produit par exposition à la lumière bleue, qui excite un électron dans un chromophore[56]. La magnétoréception est également possible dans l'obscurité, le mécanisme doit donc reposer davantage sur les paires de radicaux générées pendant l'oxydation indépendante de la lumière.

Les expériences menées en laboratoire confirment la théorie de base selon laquelle les électrons des paires de radicaux peuvent être influencés de manière significative par des champs magnétiques très faibles, c'est-à-dire que seule la direction des champs magnétiques faibles peut affecter la réactivité des paires de radicaux et donc "catalyser" la formation de produits chimiques. On ne sait pas si ce mécanisme s'applique à la magnétoréception et/ou à la biologie quantique, c'est-à-dire si le champ magnétique terrestre "catalyse" la formation de produits biochimiques à l'aide de paires de radicaux, pour deux raisons. La première est qu'il n'est pas nécessaire que les paires de radicaux soient enchevêtrées, la caractéristique quantique clé du mécanisme des paires de radicaux, pour jouer un rôle dans ces processus. Il existe des paires radicales enchevêtrées et non enchevêtrées. Cependant, les chercheurs ont trouvé des preuves du mécanisme de magnétoréception des paires de radicaux lorsque les rouges-gorges, les cafards et les fauvettes de jardin européens ne pouvaient plus naviguer lorsqu'ils étaient exposés à une fréquence radio qui bloque les champs magnétiques[50] et la chimie des paires de radicaux. Pour suggérer empiriquement l'implication de l'enchevêtrement, il faudrait concevoir une expérience qui pourrait perturber les paires de radicaux enchevêtrées sans perturber les autres paires de radicaux, ou vice versa, qui devrait d'abord être démontrée en laboratoire avant d'être appliquée aux paires de radicaux in vivo.

Autres applications biologiques

On trouve d'autres exemples de phénomènes quantiques dans les systèmes biologiques comme la conversion de l'énergie chimique en mouvement[57] et les moteurs browniens dans de nombreux processus cellulaires[58].

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