Chaque matin, des milliards de plantes, d’algues et de bactéries accomplissent un prodige que nos meilleures technologies solaires peinent à égaler : convertir la lumière en énergie chimique avec un rendement avoisinant les 95 %. Ce miracle, la photosynthèse, est l’un des processus les plus étudiés de la biologie. Mais depuis une vingtaine d’années, les scientifiques se demandent s’il ne cache pas un secret bien plus étrange : des effets quantiques qui opèrent à des températures où, en principe, ils devraient être impossibles.
Des travaux récents publiés dans Nature Communications, Science Advances et PRXEnergy apportent des éléments de réponse saisissants. Non seulement la cohérence quantique semble bien présente dans la photosynthèse, mais elle pourrait être orchestrée par la structure même des protéines qui encadrent les pigments capteurs de lumière. Un changement de paradigme qui force à reconsidérer ce que l’on croyait savoir sur la frontière entre le monde classique et le monde quantique.
Le complexe FMO, laboratoire naturel de la cohérence quantique
Au coeur de cette enquête se trouve une structure minuscule mais d’une importance cruciale : le complexe de Fenna-Matthews-Olson (FMO). Isolé chez les bactéries vertes soufrées (des organismes qui vivent dans les profondeurs océaniques, là où la lumière parvient à peine), ce complexe antennaire fait office de câble optique entre une grande moissonneuse de photons appelée chlorosome et le centre réactionnel où l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique.
Le FMO est composé de sept à huit molécules de bactériochlorophylle, chacune jouant le rôle d’un relais dans un réseau de transfert d’énergie. Ce qui rend ce complexe si fascinant pour les physiciens, c’est sa simplicité relative : un petit nombre de pigments, une structure bien connue (la structure cristalline est résolue depuis les années 1970), et une efficacité de transfert qui dépasse 97 %. Assez pour en faire le système modèle idéal pour étudier les effets quantiques dans la nature.
Dès 2007, une équipe de Berkeley dirigée par Gregory Engel publiait dans Nature une découverte qui allait lancer un débat scientifique majeur : en utilisant une technique ultrafine appelée spectroscopie électronique bidimensionnelle (2DES), les chercheurs observaient des oscillations cohérentes dans le FMO qui persistaient plusieurs centaines de femtosecondes après l’excitation lumineuse. Une durée bien trop longue pour être expliquée par les seuls processus classiques de saut aléatoire d’énergie (le mécanisme de Förster).
L’interprétation était audacieuse : les excitons, ces paquets d’énergie qui voyagent à travers le complexe, ne sauteraient pas de molécule en molécule comme des billes sur un damier, mais se déplaceraient plutôt comme des ondes, explorant simultanément plusieurs chemins avant de choisir le plus efficace. Un comportement typiquement quantique.
Cohérence à température ambiante : le débat qui dure depuis quinze ans
Dès la publication de 2007, la communauté scientifique s’est scindée en deux camps. D’un côté, les enthousiastes voyaient dans ces résultats la preuve que la nature utilise bel et bien l’intrication quantique pour optimiser la photosynthèse. De l’autre, les sceptiques faisaient valoir que les oscillations observées en 2DES pouvaient avoir une origine purement vibrationnelle, sans lien avec une quelconque cohérence électronique, et que les conditions expérimentales (températures cryogéniques, lasers ultra-rapides) étaient trop éloignées des conditions naturelles.
En 2017, une équipe allemande publiait dans les Proceedings of the National Academy of Sciences une étude qui allait dans le sens des sceptiques : à température ambiante, la cohérence électronique dans le FMO s’évanouissait en moins de 60 femtosecondes, soit bien plus rapidement que le temps nécessaire au transfert d’énergie (plusieurs picosecondes). L’argument semblait décisif : si la cohérence disparaît avant même que l’énergie n’ait eu le temps d’être transférée, elle ne peut pas jouer de rôle fonctionnel.
Mais ce verdict, basé sur des méthodes théoriques approximatives, est aujourd’hui remis en question par une série de travaux récents qui changent la donne.
Simulations sans approximation : la cohérence tient la distance
En 2025, une équipe internationale menée par des chercheurs de l’Université de Vienne et de l’Université du Luxembourg a publié dans Science Advances la première simulation non-perturbative du complexe FMO complet, utilisant une méthode de calcul révolutionnaire appelée DAMPF (dissipation-assisted matrix product factorization).
Concrètement, au lieu d’approximer grossièrement l’environnement vibrationnel dans lequel baignent les pigments (comme le faisaient les modèles précédents), les chercheurs ont pris en compte l’intégralité de la densité spectrale de phonons du complexe : une cartographie précise de toutes les vibrations moléculaires qui interagissent avec les états électroniques.
Le résultat est sans appel : les cohérences excitoniques persistent jusqu’à 1 picoseconde et au-delà, à la fois à 77 K (la température de l’azote liquide) et à 300 K (la température ambiante). Et ce n’est pas dû à quelques modes vibrationnels résonants particuliers, mais à l’ensemble de la densité spectrale de phonons, une propriété collective de l’environnement protéique. Autrement dit, la protéine qui enveloppe les pigments n’est pas un simple bruit de fond qui détruit la cohérence : elle est un allié qui la protège et la prolonge.
L’horloge de Huygens au coeur de la photosynthèse
Une autre avancée majeure, publiée dans Nature Communications en 2024, a mis en évidence un mécanisme subtil de synchronisation de phase quantique dans un complexe antennaire différent, l’allophycocyanine (APC) présente chez les algues rouges et bleues.
Les chercheurs ont observé que lorsque deux pigments sont couplés au sein d’une structure dimérique (le dimère alpha84-beta84), leurs modes vibrationnels collectifs se synchronisent spontanément, exactement comme deux pendules couplés décrits par Huygens au XVIIe siècle. La différence, c’est que cette synchronisation se produit au niveau quantique : les modes antisymétriques (ceux qui dissipent de l’énergie) se couplent aux états électroniques et se déchargent rapidement dans l’environnement, tandis que les modes symétriques (ceux qui conservent l’énergie) survivent et maintiennent la cohérence.
Les deux prédictions de ce modèle ont été vérifiées expérimentalement : une réduction de 50 % de l’amplitude des modes résonants dans les spectres de cohérence, et leur quasi-disparition dans les spectres de déplacement Stokes dynamique. Résultat concret : le temps de cohérence est passé de 93 femtosecondes (pour un pigment isolé) à 501 femtosecondes (pour le trimère APC). Soit un facteur 5 d’amélioration.
Comme l’expliquent les auteurs, ce mécanisme permet au dimère, en tant qu’unité élémentaire de capture de lumière, de résister à la perte d’énergie vers l’environnement et d’atteindre ainsi une efficacité de transfert exceptionnelle.
Un condensat d’excitons à température ambiante
La surprise la plus récente vient peut-être d’une étude publiée en février 2025 dans PRXEnergy par une équipe de l’Université de Chicago. Les chercheurs y démontrent l’existence d’un état de type « condensat excitonique partiel » dans l’anneau B850 du complexe antennaire LH2 des bactéries pourpres.
Le condensat de Bose-Einstein est un état quantique exotique dans lequel un grand nombre de particules occupent le même état quantique, se comportant comme un seul objet macroscopique. On pensait jusqu’ici qu’il nécessitait des températures proches du zéro absolu, des pressions extrêmes ou des champs magnétiques intenses. Pourtant, dans le LH2, les chercheurs ont montré qu’une forme partielle de ce condensat se manifeste dans un simple système biologique, et ce à température ambiante.
Concrètement, les 18 chromophores de l’anneau B850 supportent un état intriqué dans lequel l’exciton est distribué sur plusieurs sites simultanément. Cet état ne dure certes pas indéfiniment (le déphasage thermique finit par le détruire), mais il joue un rôle crucial en initialisant le système dans une configuration favorable pour le transfert d’énergie classique qui suit. La cohérence quantique, bien que transitoire, prépare le terrain pour un transport ultérieur optimal.
L’environnement comme allié, pas comme ennemi
L’une des leçons les plus contre-intuitives de ces recherches est que le bruit thermique et les fluctuations de l’environnement, que l’on considère habituellement comme les ennemis de la cohérence quantique, peuvent en réalité l’assister. C’est ce que l’on appelle le transport quantique assisté par l’environnement (ENAQT).
En 2024, une équipe a simulé le transfert d’énergie du FMO sur une puce photonique, reproduisant fidèlement le couplage complet entre les sept sites du complexe. En introduisant un bruit coloré réglable, les chercheurs ont montré que l’efficacité de transport atteignait un maximum de 96 % pour une intensité de bruit optimale, avant de décroître. Un résultat qui illustre parfaitement cette dualité : la cohérence quantique ouvre la voie, et le bruit thermique, dosé avec précision par la structure protéique, empêche cette cohérence de se piéger dans des états parasites.
Ce mécanisme élégant permet à la nature d’exploiter ce qui semble, à première vue, un défaut de l’environnement pour en faire un atout. La protéine n’est pas un simple échafaudage passif : elle façonne activement le paysage énergétique dans lequel les excitons se déplacent.
Ni tout à fait quantique, ni tout à fait classique
Où en sommes-nous, après près de vingt ans de débats ? Le consensus qui émerge aujourd’hui est peut-être plus subtil qu’on ne l’imaginait. La photosynthèse n’est ni purement classique, ni purement quantique. Elle est les deux à la fois, dans un équilibre dynamique que la structure protéique sait maintenir avec une précision remarquable.
Les cohérences électroniques pures sont trop fragiles pour assurer seules le transport d’énergie, c’est un fait établi. Mais elles jouent un rôle d’amorçage en distribuant l’exciton sur plusieurs chemins simultanément. Les cohérences vibroniques, plus robustes, prennent ensuite le relais et prolongent l’influence quantique bien au-delà de ce que l’on croyait possible. Et l’environnement protéique, loin d’être une nuisance, est le chef d’orchestre qui rend cette partition possible.
Pour le physicien, le biologiste ou simplement le curieux, ce tableau remet en question une dichotomie trop simpliste entre monde quantique (froid, parfait, fragile) et monde classique (chaud, bruyant, robuste). La nature, une fois de plus, nous montre qu’elle invente ses propres règles, et qu’elle les applique avec une sophistication que nous commençons tout juste à déchiffrer.
Sources
- Engel, G.S., Calhoun, T.R., Read, E.L. et al. (2007). Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature, 446, 782-786.
- Pan, J., et al. (2024). Quantum phase synchronization via exciton-vibrational energy dissipation sustains long-lived coherence in photosynthetic antennas. Nature Communications, 15, 3360.
- Lorenzoni, N., et al. (2025). Full microscopic simulations uncover persistent quantum effects in primary photosynthesis. Science Advances, 11, eadk4923 / arXiv:2503.17282.
- Schouten, A.O. & Mazziotti, D.A. (2025). Exciton-Condensate-Like Energy Transport in Light-Harvesting Complex 2. PRXEnergy, 4, 013004.
- Caycedo, F.A., et al. (2024). Simulating photosynthetic energy transport on a photonic network. npj Quantum Information, 10, 114.
- Duan, H.G., et al. (2017). Nature does not rely on long-lived electronic quantum coherence for photosynthetic energy transfer. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(32), 8493-8498.
- Thyrhaug, E., et al. (2018). Excited-state coherence in the FMO complex at room temperature. Nature Communications, 9, 3761.
- Higgins, J.S., et al. (2021). Photosynthesis tunes quantum-mechanical mixing of electronic and vibrational states to steer exciton energy transfer. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(11), e2018240118.
- Caycedo, F.A., et al. (2022). Non-perturbative theory of exciton dynamics in pigment-protein complexes. Physical Review Research, 4, 013047.
