Les bactéries pourraient être les premiers organismes trouvés à utiliser les effets quantiques pour survivre

(Kateryna Kon/Bibliothèque de photos scientifiques/Getty Images)

L'oxygène est la vie des animaux comme nous. Mais pour de nombreuses espèces de microbes, la moindre bouffée de l'élément hautement réactif expose leur délicate machinerie chimique au risque de rouiller.

La bactérie photosynthétique Chlorobium chaud a mis au point une manière intelligente de protéger ses processus de collecte de lumière des effets toxiques de l'oxygène, en utilisant un effet quantique pour faire passer sa ligne de production d'énergie à la vitesse inférieure.

Une étude menée par des scientifiques de l'Université de Chicago et de l'Université de Washington à Saint-Louis a montré comment la bactérie jette une clé dans sa résonance quantique pour 'régler' son système afin qu'il perde de l'énergie en présence d'oxygène, l'empêchant de se détruire. son appareil photosynthétique.



Notre expérience quotidienne de la réalité solide semble à des millions de kilomètres du paysage fantôme des effets quantiques, où la nature d'un objet est une tache de possibilité jusqu'à ce qu'une observation les verrouille en place.

Loin des sphères solides qui s'entrechoquent, les particules qui composent nos atomes et nos molécules résonnent avec la possibilité, refusant de s'installer jusqu'à ce que les dés du hasard s'empilent suffisamment haut pour qu'une réaction particulière devienne inévitable.

Bien que cela soit clair, il reste des questions sur la fréquence à laquelle quelque chose d'aussi complexe qu'un système vivant exploite activement les caractéristiques les plus fines de la mécanique quantique au nom de la survie.

«Avant cette étude, la communauté scientifique a vu des signatures quantiques générées dans des systèmes biologiques et a posé la question suivante : ces résultats étaient-ils simplement une conséquence de la construction de la biologie à partir de molécules, ou avaient-ils un but ? » explique Greg Engel, chimiste de l'Université de Chicago.

La preuve que les effets quantiques peuvent être tissés dans les systèmes vivants s'accumule depuis un certain temps.

Une étude récenteont montré comment les changements dans un champ magnétique influencent le spin d'un électron dans des protéines sensibles à la lumière appelées cryptochromes, un phénomène qui pourrait expliquer comment certains animaux peuvent détecter la magnétosphère de notre planète.

Identifier un subtil coup de coude de l'influence quantique dans une réaction sensorielle est une chose, cependant. L'observer au cœur de la survie d'un organisme est tout autre chose.

«C'est la première fois que nous voyons la biologie exploiter activement les effets quantiques», dit Engel.

En tant que bactérie strictement anaérobie, C. chaud ne tient pas à ce que l'oxygène se répande dans ses tripes. Ce qui est utile pour libérer l'énergie du glucose à l'intérieur de nos cellules détruit l'appareil qui transforme la lumière en liaisons chimiques à l'intérieur du microbe.

La clé de cette chaîne de réactions transformatrices est un groupe de protéines et de pigments appelé le Complexe Fenna-Matthews-Olson (FMO) . Il agit comme un médiateur entre les composants de collecte de lumière du système et le sol de l'usine où l'énergie est convertie en chimie.

C'était initialement pensé sur lesquels FMO s'appuie cohérence quantique pour faire son travail, en s'adaptant à la nature ondulatoire des particules afin de faciliter efficacement le transfert d'électrons.

Des études ultérieures ont forcé à repenser le rôle de ce phénomène strictement quantique dans le fonctionnement du FMO, affirmant que, si quoi que ce soit , la cohérence quantique pourrait en fait ralentir l'ensemble du processus.

Dans cette dernière exploration de la cohérence quantique au sein du FMO, les chercheurs prennent en compte l'effet que l'oxygène pourrait avoir sur l'ensemble du système.

En utilisant une technique de spectroscopie laser ultrarapide pour capturer des détails sur l'activité du complexe, l'équipe a montré comment la présence d'oxygène pouvait modifier la façon dont l'énergie était «dirigée» des composants de collecte de lumière vers la réactioncentre.

Ils ont découvert qu'une paire de molécules de cystéine était au cœur de l'opération, agissant comme un déclencheur en libérant un proton chaque fois qu'elles réagissaient avec de l'oxygène présent.

Ce proton perdu a directement affecté les mécanismes quantiques au sein du complexe FMO, éloignant efficacement l'énergie des zones qui seraient autrement ouvertes à l'oxydation.

Bien que cela signifie que la bactérie est temporairement privée d'énergie, l'interruption quantique oblige la cellule à retenir son souffle jusqu'à ce qu'elle puisse être débarrassée des effets toxiques de l'oxygène.

'La simplicité du mécanisme suggère qu'il pourrait être trouvé dans d'autres organismes photosynthétiques à travers le paysage évolutif', dit l'auteur principal Jake Higgins, étudiant diplômé à laLaDépartement de chimie de l'Université de Chicago.

'Si davantage d'organismes sont capables de moduler dynamiquement les couplages mécaniques quantiques dans leurs molécules pour produire des changements physiologiques plus importants, il pourrait y avoir un tout nouvel ensemble d'effets sélectionnés par la nature que nous ne connaissons pas encore.'

Il pourrait y avoir tout un monde de biologie quantique qui ne demande qu'à être découvert.

Cette recherche a été publiée dans PNAS .

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