La photosynthèse est un processus biologique extrêmement efficace chez les plantes, les algues et certains types de bactéries, qui utilise l’énergie lumineuse et le dioxyde de carbone (CO2) pour produire de l’oxygène (O2) et de l’énergie chimique stockée dans le glucose (un sucre).
Les simulations numériques montrent que les condensats de Bose Einstein pourraient être la clé d’une telle efficacité, et ce phénomène remet en question ce que la physique moderne définit comme possible en ce qui concerne les mécanismes fondamentaux dans les systèmes biologiques, car il implique un processus quantique qui ne devrait pas se produire à température ambiante et dans des conditions désordonnées (bruyantes) qui peuvent potentiellement dégrader tout comportement quantique.
Les condensats de Bose-Einstein – abrégés en BEC – sont considérés comme un cinquième état de la matière ; il s’agit d’états très exotiques de la matière qui se forment généralement lorsqu’un ensemble d’atomes ou de particules subatomiques distincts à très faible densité est refroidi à des températures très proches du zéro absolu (-273,15 °C), condition à laquelle une grande partie de ces entités occupe simultanément l’état quantique le plus bas. Ce faisant, leurs fonctions d’onde se superposent et elles se comportent macroscopiquement comme une seule entité. C’est comme si elles devenaient un seul atome ; elles partagent toutes le même état quantique et se comportent comme une seule entité.
En d’autres termes, ces particules initialement distinctes – également appelées fermions – qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli (ce qui signifie qu’elles ont tendance à se rejeter mutuellement et ne peuvent donc pas occuper le même état quantique) deviennent indiscernables lorsqu’elles occupent toutes le même état quantique, se comportant alors comme des bosons et non plus comme des fermions. La différence entre les fermions et les bosons repose sur leur spin. Les particules bosoniques (telles que les photons) ont un spin entier (0,1,2,…), tandis que les fermions ont un spin fractionné (1/2, 3/2 …). Les particules bosoniques peuvent se chevaucher puisqu’elles ne se rejettent pas l’une l’autre. Elles peuvent occuper le même état quantique, ce qui les rend indiscernables les unes des autres.
Les BEC présentent une caractéristique très particulière : la friction nulle, qui est liée à deux phénomènes remarquables : la superfluidité (qui implique une viscosité nulle) et la supraconductivité (qui implique une résistance électrique nulle dans le transfert de charge). Un superfluide peut, par exemple, grimper le long des parois d’un récipient, tandis qu’un supraconducteur peut transférer de l’électricité sans aucune perte d’énergie sous forme de chaleur thermique.
Comme nous le savons, la biologie est composée de formes vivantes à température ambiante. Dans ces conditions, les scientifiques ne s’attendent pas à ce que la supraconductivité ou la superfluidité se produisent dans ces systèmes biologiques, car les particules fondamentales qui composent la biomasse – atomes/particules subatomiques telles que les électrons et les protons – sont des fermions dans des conditions ambiantes.
Les recherches menées par Schouten et al. montrent que la nature dispose de moyens astucieux pour contourner ces limitations. Dans le cas présent, l’appariement ou l’enchevêtrement de deux particules subatomiques impliquées dans la photosynthèse – les électrons et les trous – crée une quasiparticule appelée exciton avec un spin net nul (c’est-à-dire un boson) à partir des deux particules fermioniques initiales. Cela se produit parce que les électrons et les trous (les vides qui indiquent l’absence d’électrons à l’endroit où ils se trouvaient avant l’excitation par absorption de la lumière et qui agissent comme des charges positives) ont des spins opposés, de sorte que lorsqu’ils se combinent, l’exciton qui en résulte a un spin nul.
L’équipe de recherche a découvert que ces excitons peuvent devenir des BEC à température ambiante. Comme d’autres phénomènes de condensation, la condensation des excitons conduit à la superfluidité des excitons et comme les excitons transportent de l’énergie plutôt que de la charge ou de la masse, ce transfert d’énergie est superfluide ou sans frottement. C’est pourquoi le transfert d’énergie dans la photosynthèse est si efficace.
Les complexes de collecte de la lumière impliqués dans la photosynthèse transfèrent l’énergie sous forme d’excitons créés par la photo-excitation d’un électron par la lumière du soleil. Un électron absorbe un photon de la lumière et s’excite dans un état quantique différent, laissant un trou à l’endroit où il se trouvait auparavant, qui est maintenant lié à l’électron d’origine. Ces paires intriquées ou excitons sont transportées à travers une série de régions de molécules sensibles à la lumière – appelées chromophores – qui agissent comme des fils moléculaires pour transporter cette énergie vers un centre de réaction où cette énergie est collectée pour diverses fonctions biologiques, comme la production de sucre. Un chromophore est la partie d’une molécule qui est responsable de sa couleur.
En utilisant un modèle théorique qui introduit explicitement de fortes corrélations électroniques sous la forme d’un couplage intra-chromophore, les auteurs de cette recherche explorent le transfert d’énergie et la condensation d’excitons dans des systèmes biologiques microscopiques dans des conditions ambiantes. Ils élargissent le modèle habituel à site unique utilisé pour le complexe chromophore, et qui ne peut prendre en compte que les couplages inter-chromophores, à un modèle à sites électroniques multiples sur chaque chromophore, ce qui permet des couplages intra-chromophores et crée des canaux supplémentaires pour le transfert d’excitons, où le couplage entre les sites sur les chromophores peut être ajusté à l’aide d’un paramètre de couplage.
En fonction de l’importance du couplage, les chercheurs constatent que ce paramètre règle l’interférence quantique de manière plus constructive ou plus déconstructive, ce qui a pour effet d’augmenter ou de diminuer le taux de transfert des excitons, respectivement. Ils montrent l’effet que la nature de l’état d’excitation initial – enchevêtré ou local – et le nombre de sites par chromophore ont sur le taux de transport des excitons. L’augmentation du nombre de sites par chromophore augmente le transfert d’excitons.
FIG. 1 : Deux voies représentées par les deux sites de chaque chromophore. Lorsque le couplage intersite interchromophore ξ = 0, il n’y a pas de couplage intersite interchromophore. Lorsque le paramètre de couplage, V > 0, il y a couplage, ce qui entraîne une interférence quantique entre les sites de chaque chromophore. Les ondes démontrent que l’interférence quantique peut être constructive ou destructive, l’interférence constructive améliorant l’efficacité du transfert d’énergie. La légende et la figure sont tirées de [1].
Les auteurs ont également constaté que, grâce à ce mélange de couplages inter- et intra-, le modèle présente une signature de condensation d’exciton dans le collecteur d’excitation unique qui évolue avec la dynamique du transport d’exciton. Cette signature résulte d’une combinaison d’enchevêtrements d’excitons inter- et intra-chromophores et dépend de l’état d’excitation initial et du nombre de sites par chromophore.
La Perspective de la Science Unifiée
Ces résultats remarquables démontrent un lien entre l’amélioration du transfert d’exciton et le mécanisme de type condensation d’exciton, montrant que la corrélation et l’enchevêtrement des électrons au sein des chromophores augmentent de manière significative l’efficacité du transfert d’énergie en créant des voies ou des canaux supplémentaires pour le transfert. Cela permet également d’élucider le mystère de la manière dont les systèmes biologiques peuvent fonctionner aussi efficacement dans des conditions ambiantes.
Les processus négo-entropiques (c’est-à-dire qui ordonnent) qui se produisent dans des environnements apparemment très entropiques ont toujours défié notre compréhension de la nature et constituent l’un des principaux mystères de la science. On peut alors se demander si ce que nous considérons comme un état bruyant ou un environnement désordonné n’est pas un malentendu, étant donné notre connaissance limitée de la manière dont les systèmes biologiques traitent l’information/l’énergie pour s’auto-organiser dans des structures aussi ordonnées et extrêmement complexes.
Les travaux de Schouten et al. montrent également que les comportements collectifs et hautement cohérents qui sont généralement considérés comme des phénomènes exotiques rares, même à très basse température – tels que l’intrication quantique et les BEC – se produisent en réalité régulièrement dans les systèmes biologiques, par le biais de mécanismes que nous sommes encore loin d’appréhender du point de vue de la physique moderne.
Du point de vue de la physique unifiée, basée sur le modèle du plasma de Planck de Nassim Haramein et la théorie holographique généralisée [2-5], l’intrication n’est pas seulement possible, mais elle est le siège de l’organisation de la matière dans l’univers puisque le plasma de Planck est un réseau d’intrication à travers lequel l’information circule à travers les échelles. Les sections où ce flux est filtré établissent des conditions limites que nous appelons proton, électron, etc.
Le réseau de trous de ver coordonne l’organisation de la matière dans l’univers, depuis les molécules, les cellules et les organismes jusqu’aux systèmes solaires, aux galaxies et aux superamas. Pour en savoir plus sur la théorie du champ unifié de Haramein, ne manquez pas le prochain article sur la loi d’échelle universelle, qui explique l’ensemble du mécanisme permettant à la masse, aux forces et aux champs d’émerger de la dynamique du plasma du vide quantique. La théorie prédit toutes les constantes fondamentales avec au moins 12 chiffres significatifs et la relation entre elles est explicite.
Références
[1] Anna O. Schouten et al. 2023. Exciton-Condensate-Like Amplification of Energy Transport in Light Harvesting. PRX Energy 2 (2): 023002; doi: 10.1103/PRXEnergy.2.023002
[2] Haramein, N., Rauscher, E.A., and Hyson, M. (2008). Scale unification: a universal scaling law. Proceedings of the Unified Theories Conference. ISBN 9780967868776
[3] Haramein, N. (2012). Quantum Gravity and the Holographic Mass, Physical Review & Research International, ISSN: 2231-1815, Page 270-292
[4] Val baker, A.K.F, Haramein, N. and Alirol, O. (2019). The Electron and the Holographic Mass Solution, Physics Essays, Vol 32, Pages 255-262.
[5] Haramein, N & Val Baker, A. K. F. (2019). Resolving the Vacuum Catastrophe: A Generalized Holographic Approach, Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, Vol.05 No.02(2019), Article ID:91083, 13 pages