processus vibratoires les MOUCHES qui entendent les odeurs

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La physique contemporaine semble éclairer la compréhension au niveau le plus élémentaire de certains processus du vivant. Je poursuis cette quête du nouveau paradigme qui se dessine pour une part sous l’angle de la complémentarité entre les explications chimiques et les phénomènes « purement physique ». J’emploie à dessein les guillemets car la chimie reposant sur des molécules formées d’atomes, le « physique » est bien évidemment présent derrière toute cette orchestration des biomolécules capables de se transformer en créant ces édifices aux formes les plus baroques que son les protéines et tous les assemblages supérieurs qu’on peut imaginer et observer. C’est une question de point de vue et l’on peut postuler sans risque de se tromper que tout est physique et énergie et que le monde physique se manifeste dans des processus chimiques et notamment dans le monde vivant mais qu’il y a aussi des phénomènes et processus physiques irréductibles à la chimie. Expliquer pourquoi la physique a été délaissée par les biologistes depuis plus d’un siècle mériterait un essai épistémologique exposant les raisons multiples à cet état de fait. Je précise à nouveau qu’il est question de la biologie physique et non pas de la biophysique, discipline dans laquelle les phénomènes physiques sont présents mais uniquement comme outils au service de la biologie. Néanmoins, pour introduire cette histoire de mouches qui entendent les odeurs, je vais pointer une de ces raisons faisant que la physique est mise de côté. L’essence du vivant repose sur des interactions fines, complexes, réglées, auto-organisées, mémorisées, dont le « support matériel architectonique » est une combinaison dynamique d’éléments moléculaires. Pour capter les phénomènes physiques, il faudrait se trouver à l’intérieur du système. A la limite, il faudrait introduire dans le système un scientifique réduit à l’état d’une molécule. Lorsque les biologistes moléculaires analysent les cellules, ils détruisent le plus souvent l’architectonique pour « mesurer les molécules ». Alors que dans le système vivant, extrêmement ordonné, on peut tout envisager en terme de processus physiques. C’est comme dans un cristal, on voit apparaître des phonons.

Heureusement, il existe des configurations expérimentales permettant d’accéder aux processus physique dans le vivant. Le plus souvent, c’est au niveau des interfaces qu’on décèle ces phénomènes, comme par exemple dans la protéine qui transmet l’énergie photonique dans les végétaux marins ou terrestres. Des études sur l’animal sont aussi envisageables. C’est le cas de l’olfaction, l’un des cinq sens de la perception et qui dit perception dit interface. Certaines espèces animales sont extrêmement sensibles aux odeurs. C’est le cas de nombreux mammifères comme le chien dont l’odorat est plus précis que les détecteurs moléculaires les plus sophistiqués, mais aussi de la mouche drosophile, l’un des modèles animaux les plus prisés et dont on vient de découvrir qu’elles peuvent faire la différence entre deux molécules odorantes de même formule chimique mais avec une petite différence puisque l’une contient un ou plusieurs atomes d’hydrogène sous une forme isotopique spéciale, celle du deutérium. Les expériences menées par le laboratoire du Dr Skoulakis de l’institut Fleming à Vari (Grèce) ont réussi à conditionner des mouches drosophiles afin qu’elle évitent la forme normale ou isotopique de la molécules odorante (M.I. Franco et al, PNAS, 108, 3797-3802, 2011). Quand on fabrique un isotope pour n’importe quelle molécule, on ne modifie pas la forme de cette molécule car les nuages électroniques supportant cette forme ne dépendent que des protons et électron (un isotope consiste à ajouter un ou plusieurs neutrons à un atome. Avec un neutron ajouté à l’hydrogène, on obtient le deutérium et avec un de plus, c’est du tritium, isotope alors instable et émettant un rayonnement bêta lorsqu’il se désintègre pour donner de l’hélium). Pour que la drosophile puisse différencier les isotopes, il faut que son système olfactif réagisse non pas à la forme mais à une autre propriété que l’on suppose être la vibration moléculaire. Le récepteur drosophilien pour la molécule olfactive réagit ainsi non seulement à la forme mais aussi à la vibration de la molécule. C’est bien le signe de l’intervention d’un mécanisme non chimique dans cette fonction et donc un phénomène en contradiction avec l’hypothèse univoque de la serrure et de la clé. C’est un peu comme si votre portière de voiture ne s’ouvrait qu’avec une clé qui fonctionne en combinant la forme du métal et une fréquence électronique.
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Il y a 5 mois - 1 heure

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Ces travaux sont donc décisifs et s’ils sont confirmés ou mieux encore, étendus à d’autres fonctions du vivant, alors nous verrons se dessiner avec plus de détails le grand basculement de paradigme en matière de compréhension du vivant. Cette nature « vibratoire » de l’olfaction s’inscrit dans cette dualité épistémologique que j’ai invoquée précédemment. Une complémentarité entre deux descriptions visant à expliciter les processus du vivant. Les uns chimiques et les autres non chimiques et donc descriptibles et concevables comme physiques. Ce qui est justement le cas de la sensibilité de la drosophile aux isotopes odorants. Ces recherches n’ont rien d’arbitraire car elles ont pour objectif d’appuyer la théorie vibratoire de l’olfaction proposée dès 1996 par le biophysicien Luca Turin, l’un des co-signataires de cet article paru dans PNAS et dont une étude du même acabit a été soumise à PloS) Parmi les cinq sens, l’odorat est celui qui résiste le plus aux explications mécanistes. Deux théories s’affrontent actuellement, l’une postulant que c’est la forme de la molécule odorante qui détermine la sensation olfactive et permet à l’odorat de différencier les différentes odeurs ; l’autre, proposée par Turin, énonce que c’est la vibration de la molécule qui détermine l’olfaction. La théorie de la forme est celle qui a le plus été étudiée mais elle se trouve face à l’énigme des récepteurs olfactifs qui ne sont pas en nombre suffisant pour expliquer la différenciation de centaines de molécules odorantes et même plus. Car si cette théorie est la bonne, il faut qu’il y ait au moins autant de récepteurs que d’odeurs perçues. Mais si cette théorie est consensuelle, c’est parce qu’elle s’inscrit dans le cadre général issu de la biologie moléculaire des récepteurs, spécialité issue du tournant moléculariste des années 60 et qui a connu un formidable essor dans les décennies 80 et 90. Ce qui n’a pas empêché Luca Turing de renouer avec une hypothèse émise en 1937 par Dyson et de perfectionner cette théorie alternative selon laquelle la vibration de la molécule intervient dans le processus de reconnaissance olfactive. Cette hypothèse est notamment appuyée par des données structurelles et dynamiques concernant la protéine G, celle-ci étant impliquée dans d’innombrables processus de transduction ; un mécanisme qui se produirait avec la propagation d’un électron par effet tunnel au sein même de la protéine G du récepteur olfactif. Cette hypothèse, si elle est exacte, laisse penser que l’olfaction, comme la vision ou l’audition, est de nature spectrale. Ce qui n’est pas le cas du toucher ou du goût.

D’après des calculs effectués par Turin et publiés en 2002, la reconnaissance des odeurs reposerait sur des fréquences dans le spectre infrarouge, spécifiques par exemple des liaisons carbone hydrogène C-H, ou alors C=N, C=O et bien d’autres liaisons organiques. Ces calculs utilisent les lois de la chimie quantique alors que la diffusion inélastique de l’électron par effet tunnel est un processus descriptible avec cette physique quantique qu’on retrouve à nouveau impliquée dans la biologie. Cette hypothèse s’applique autant à l’odorat des mammifères qu’à la reconnaissance des molécules odorantes par les insectes et notamment ces mouches utilisées dans l’une des rares expériences appuyant la théorie vibratoire. Au final, la magie des parfums reposerait sur une sorte de combinaison de fréquences, autrement dit, une symphonie moléculaire. Comme si on entendait les odeurs. Ne dit-on pas mettre au parfum lorsqu’on susurre à l’oreille quelque secret ?

Ces recherches n’ont rien d’anecdotique ni ne relèvent d’une curiosité phénoménale. Elles engagent la compréhension du vivant en rompant avec le paradigme des formes biochimiques et des mécanismes moléculaires. Les processus vibratoires participent à la dynamique du vivant, des processus qui ne se réduisent pas à des transformations chimiques et relèvent de la physique. Bien évidemment, le caractère physique de certains processus du vivant justifie qu’on étudie le biomagnétisme. Néanmoins, la route est longue avant que toutes ces choses ne soient clairement comprises. Et pour clore cette réflexion sur le vivre et le vibre, un précepte inspiré par Desproges, vibrons heureux en attendant la mort !