La mécanique quantique explique comment le muscle produit de la force

Il n'y a pas si longtemps, les biologistes juraient en aveugle que leur discipline ne serait jamais entachée par les effets étranges de la mécanique quantique. Aujourd'hui, la biologie quantique est une discipline émergente dans de nombreux laboratoires à travers le monde et seuls les braves (ou stupides) contestent désormais l'idée que les effets quantiques jouent un rôle important dans le fonctionnement de molécules biologiques, de cellules entières et même du cerveau.

Aujourd'hui, ajoutez du muscle à cette liste. Tieyan Si de l'Institut Max Planck pour les systèmes complexes de Dresde, en Allemagne, a créé un modèle quantique du comportement musculaire. Son idée est que la myosine, le moteur moléculaire responsable de la contraction musculaire, est essentiellement un objet quantique et que son comportement est mieux décrit par la mécanique quantique.

La partie commerciale de la fibre musculaire se compose d'actine, qui peut être considérée comme une corde, et de myosine, qui est un moteur moléculaire qui fonctionne un peu comme une équipe de tir à la corde. La stimulation électrique met en action les équipes de tir à la corde, tirant frénétiquement leurs cordes et provoquant la contraction du muscle. La force réelle produite par un muscle est le résultat de la traction et de la relaxation de nombreux moteurs de myosine, mais pas nécessairement de concert.

Le défi pour les théoriciens est de comprendre comment ces moteurs moléculaires génèrent les courbes de force et de relaxation qui se produisent dans le muscle réel. Ceux-ci sont bien étudiés dans des systèmes aussi divers que le muscle cardiaque des mammifères et les ailes d'insectes et les biomécaniciens savent depuis longtemps que différents types de muscles et d'action musculaire produisent différentes courbes de force. Par exemple, les contractions qui sont rapidement relâchées ont une signature de force différente des contractions lentes. Expliquer cela avec une seule théorie classique n'est pas facile.

L'approche de Si consiste simplement à supposer que chaque moteur de myosine est un objet quantique qui peut former deux formes et que le basculement entre ces formes provoque une contraction. En d'autres termes, il a deux états. (Il examine également un système dans lequel la myosine a trois états.) La myosine passe à un état en absorbant de l'énergie et se détend en l'émettant et l'effet combiné de toutes les commutations détermine le comportement de la fibre.

Une fibre musculaire est donc simplement une chaîne de ces objets quantiques, pour laquelle il est possible de dériver un objet mathématique connu sous le nom d'hamiltonien qui décrit le comportement. La question à laquelle Si se pose est de savoir à quel type de courbes force-relaxation mène cet hamiltonien.

Sa réponse est que ce système hamiltonien quantique nous donne la relation force-vitesse classique non seulement pour une libération rapide mais aussi pour une libération lente et des états instables.

Il montre que le système à deux niveaux modélise avec précision le comportement du muscle cardiaque tandis que l'état à trois niveaux explique le comportement du muscle de vol des insectes.

Ce que Si ne fait pas, c'est expliquer clairement les défauts des modèles conventionnels de comportement musculaire et pourquoi l'approche quantique est meilleure. Si non plus ne fait aucune prédiction sur le comportement du muscle que les modèles classiques ne peuvent pas expliquer.

Néanmoins, il s'agit d'un premier pas impressionnant dans la description quantique du comportement musculaire. Et comme le souligne Si, il reste encore beaucoup à faire pour comprendre l'interface entre la chaîne quantique et les signaux qui les déclenchent, tels que les signaux électriques le long des nerfs et le flux d'ions à travers les membranes que cela déclenche.

Réf : arxiv.org/abs/1004.3120 : Chaîne unidimensionnelle de moteurs moléculaires cohérents quantiques comme modèle pour la fibre musculaire

cacher