Photosynthèse : pourquoi les modèles probabilistes du hasard butent sur un système trop précis

Sans la photosynthèse, il n’y aurait ni oxygène, ni nourriture, ni écosystèmes : c’est la grande porte d’entrée de l’énergie solaire sur Terre, le premier maillon de la chaine alimentaire. Pourtant, ce processus biochimique ne démarre pas d’elle-même ; elle doit être déclenchée, guidée et synchronisée par une machinerie moléculaire d’une précision extrême ¹^, ². Cette exigence de précision change tout dès qu’on se demande si un tel système aurait pu apparaître par hasard. Considérons trois éléments importants: la photosynthèse est non spontanée (elle ne démarre pas sans photons, chaîne d’électrons, gradient de protons et enzymes, etc.) ¹^, ²^, ²⁶ ; elle requiert un système complet (des demi-modules ne servent à rien et peuvent nuire) ²⁵ ; elle impose des tolérances atomiques extrêmes (distance et orientation au niveau de l’ångström, la taille d’un atome) ³^, ²^, ⁴. La question est simple : la photosynthèse peut-elle arriver par hasard ?

Avant tout, précisons notre position : aucun membre de notre groupe n’adhère à l’idée d’un univers très ancien. Nous tenons pour non fondée l’hypothèse d’une histoire cosmique s’étalant sur des milliards d’années. Cela dit, pour les besoins de la discussion et afin de montrer la force intrinsèque de l’argument, acceptons à titre d’hypothèse de travail l’échelle de temps la plus généreuse utilisée par nos contradicteurs. Peut-on, dans un tel cadre, défendre sérieusement l’explication par le hasard ?

Imaginons donc tout ce que l’Univers « pourrait essayer » depuis son origine selon ce modèle : moins de 10⁸⁰ particules, moins de 10²⁵ secondes d’histoire, et, au maximum, environ 10⁴⁵ interactions moléculaires possibles par seconde ⁴^,⁵. En combinant ces limites hautes, on obtient 10¹⁵⁰ tentatives possibles ⁴. Résultat :

Si un événement a une probabilité plus petite que 1 sur 10¹⁵⁰, (certains mathématiciens il est pratiquement impossible par hasard.

Pour donner au hasard toutes ses chances, imaginons le scénario le plus favorable : tous les « ingrédients » sont là, au bon endroit et au bon moment, prêts à s’assembler. Il ne reste « qu’à » fabriquer les protéines indispensables à une photosynthèse très simple. Or une protéine (enzyme), c’est comme une longue phrase écrite avec 20 lettres chimiques différentes (les acides aminés). Si l’on prend une enzyme moyenne de 300 « lettres », le nombre de phrases possibles est d’environ 20³⁰⁰, c’est-à-dire 1 suivi de 390 zéros : une quantité vertigineuse ⁶^,⁸.

Dès le premier pas, la synthèse des chlorophylles réclame dix-sept enzymes de complexité inouïe ¹⁰^,¹¹ : Glutamyl-tRNA synthetase (GluRS) compte environ 470 acides aminés, Glutamyl-tRNA reductase (HemA) 490, Glutamate-1-semialdehyde aminotransferase (HemL) 460, ALA dehydratase (HemB) 360, Porphobilinogen deaminase (HemC) 360, Uroporphyrinogen III synthase (HemD) 270, Coproporphyrinogen oxidase (HemF) 380, Protoporphyrinogen oxidase (HemY) 540, Magnesium chelatase (unité CHLH) 1400, Magnesium chelatase (unité CHLI) 420, Mg-protoporphyrin IX methyltransferase (CHLM) 360, Cyclase (AcsF) 360, Protochlorophyllide oxidoreductase (POR) 400, Chlorophyll synthase (CHLG) 380, Chlorophyll a oxygenase (CAO) 550, Mg-protoporphyrin IX methyltransferase (CHLM) 360. Cette complexité simultanée totalise :

470+490+460+360+360+270+380+540+1400+420+360+360+400+380+550+360 = 7560 acides aminés,

soit un espace de séquences d’environ 20⁷⁵⁶⁰ ≈ 6,12×10⁹⁸³⁵. ⁶

Le photosystème II, pour sa part, requiert au moins dix-sept protéines chez les cyanobactéries — le strict minimum selon les estimations les plus optimistes ¹² ¹³. On y trouve des sous-unités dont les tailles typiques sont : D1 environ 360 acides aminés, D2 350, CP43 470, CP47 505, PsbE 80, PsbF 40, PsbH 70, PsbI 36, PsbJ 40, PsbK 36, PsbL 37, PsbM 37, PsbT 40, PsbX 60, PsbY 50, PsbZ 65, PsbO 247, PsbU 130, PsbV 170 ¹² ¹³. L’ensemble représente :

360+350+470+505+80+40+70+36+40+36+37+37+40+60+50+65+247+130+170 = 2823 acides aminés,

correspondant à une complexité d’environ 20²⁸²³ ≈ 6,42×10³⁶⁷². ⁶

Le photosystème I exige au minimum douze protéines (chez les cyanobactéries), toujours au plus près du minimum¹⁴ ¹⁵ : la protéine PsaA compte environ 730 acides aminés, PsaB 730, PsaC 80, PsaD 150, PsaE 80, PsaF 180, PsaI 35, PsaJ 40, PsbK 100, PsaL 180, PsaM 30, PsaX 40. Le total :

730+730+80+150+80+180+35+40+100+180+30+40 = 2375 acides aminés,

correspondent à un espace de séquences d’environ 20²³⁷⁵ soit ≈ 8,84×10³⁰⁸⁹. ⁶

Entre les deux photosystèmes, le transfert passe par le complexe cytochrome b₆f. Un monomère comprend typiquement huit protéines : cytochrome b₆ environ 215 acides aminés, sous-unité IV 160, cytochrome f 320, protéine Rieske fer-soufre 190, PetG 37, PetL 30, PetM 30, PetN 30. Or la forme active est un dimère ; il faut donc ces huit protéines en double, soit :

2 × (215+160+320+190+37+30+30+30) = 2024 acides aminés,

pour une complexité d’environ 20²⁰²⁴ ≈ 1,93×10²⁶³³. ¹⁶^,¹⁷

Au total, rien que pour ces blocs indispensables, les protéines nécessaires à la photosynthèse cumulent une complexité d’au moins :

 6,69×10¹⁹²³¹. ¹⁶

Il n’y a pas de place au doute : la photosynthèse telle que décrite par la science actuelle ne peut pas être le fruit du hasard ⁴^,⁶^,⁷.

Ces chiffres donnent la toile de fond, mais l’argument ne s’arrête pas au « combien » : il touche au « comment ». Or compter des séquences ne suffit pas : ces chaînes doivent encore se replier dans la bonne forme 3D (poche active, stabilité) ⁸^, ⁹. Une large fraction des séquences possibles ne se replient pas correctement ; parmi celles qui se replient, seule une minorité réalise la chimie voulue ⁷^, ⁹. Ce repliement s’appuie sur des formes secondaires (hélices α, feuillets β) qui agissent comme un châssis : si un feuillet β se décale d’un cran, la rangée de liaisons hydrogène cède en cascade, et la stabilité, donc la fonction s’effondre ⁸. À l’intérieur, les hélices α et surtout les feuillets β jouent le rôle de châssis : disposés comme les dents d’un fermoir éclair, ils perdent leur stabilité si le registre se décale d’un seul cran et la fonction s’éteint aussitôt ⁸. Entre composants, le passage de l’énergie et des électrons n’admet pas l’à-peu-près : la distance et l’orientation doivent tomber dans une fenêtre extrêmement étroite ³^, ²^,⁴.

Être « presque » au bon endroit ne suffit pas : à cette échelle, il faut y être exactement, au bon angle, au bon moment ³^,²^,⁴. Pourquoi ? Parce que les transferts d’énergie et d’électrons qui font avancer la photosynthèse sont hypersensibles à la distance et à l’orientation entre les molécules ³^,²^,⁴. Si l’on écarte légèrement deux composants (de l’ordre de l’ångström, c’est-à-dire la taille d’un atome), l’efficacité s’effondre ³^, ²^, ⁴. En termes simples, la fenêtre utile (bonne distance + bonne orientation + bon timing) n’occupe qu’une infime portion de toutes les positions possibles ; sortir de cette fenêtre fait chuter l’efficacité de plusieurs ordres de grandeur ³^,²^,⁴.

Pour se faire une idée : pour la distance, l’efficacité de transfert chute très vite quand on s’éloigne typiquement (décroissance de type R⁻⁶ dans l’approximation de Förster) ³ ; pour l’orientation, un mauvais angle peut faire passer d’un transfert fluide… à presque rien, car les « bons » angles ne représentent qu’une petite fraction de toutes les directions possibles ³ ; pour le temps, tout se joue en femto- à picosecondes : si l’énergie n’arrive pas à temps au bon relais, elle se perd en chaleur ou en lumière parasite ²^,⁴.

L’image du fil et du chas devient alors plus précise : ce n’est pas seulement enfiler une aiguille ; c’est enfiler un fil dans une aiguille en mouvement, dans la demi-seconde où elle s’aligne, sans trembler et à la bonne hauteur. Approximativement correct ne marche pas : il faut être dans la bonne fourchette de distances, dans la bonne fenêtre d’angles, et dans le bon créneau de temps ³^,²^,⁴. Voilà pourquoi “presque” ne suffit pas, et pourquoi la zone de réussite est si étroite que la moindre sortie de cadre fait décrocher l’efficacité d’un facteur dizaine, centaine, voire mille selon le paramètre qui dévie ³^,² ⁴.

Au cœur de la libération d’oxygène se trouve un minuscule bloc fonctionnel, l’OEC (complexe d’oxydation de l’eau), logé dans le photosystème II : c’est un cluster métallique noté Mn₄CaO₅, quatre atomes de manganèse, un de calcium, et des oxygènes-ponts ¹²^,¹⁸^,¹⁹^{, 20}. Sa tâche est très spéciale : retirer des électrons à l’eau (H₂O), libérer des protons (qui serviront à faire tourner la « turbine » ATP synthase) et former l’oxygène (O₂) que nous respirons ¹²^,¹⁸^,²⁷.

Pourquoi faut-il ces métaux, et pas d’autres ? Parce que l’opération « arracher des électrons à l’eau » est chimiquement extrême : l’eau est une molécule très stable ¹⁹^,²⁰. Pour y parvenir sans tout casser autour, il faut un métal capable d’accumuler l’énergie par petites marches successives : le manganèse peut passer progressivement par plusieurs états d’oxydation (II, III, IV…), un peu comme une batterie que l’on recharge par étapes à chaque photon reçu ¹⁸^,¹⁹^,²⁰. D’autres métaux sont soit trop « nerveux » (réactions parasites, radicaux dangereux), soit trop peu polyvalents dans ces paliers sous conditions biologiques ¹⁹^,²⁰. Et le calcium ? Il joue un rôle de régleur fin : il stabilise la forme du cluster, règle la géométrie, oriente et polarise l’eau au bon endroit, ce qui facilite le prélèvement des électrons au bon moment ¹⁹^,²⁰. Les oxygènes-ponts relient les centres métalliques et canalisent les transferts d’électrons et de protons, en gardant les distances et angles exacts (à l’ångström près) ¹²^,¹⁸.

Le déroulé est rythmé par la lumière : quatre photons, reçus l’un après l’autre, chargent le cluster par quatre paliers (états S₀ → S₁ → S₂ → S₃ → S₄) avant la formation d’O₂ ¹⁸^,¹⁹ ²⁰. À chaque palier, le manganèse stocke un peu plus de pouvoir oxydant; une fois le seuil atteint, la réaction bascule proprement, pendant que les protons alimentent le gradient (moteur de l’ATP synthase) et que les électrons partent dans la chaîne de transport ¹²^,¹⁸^,²⁷.

Pourquoi cette combinaison précise Mn–Ca–O est-elle indispensable ? Parce qu’il ne s’agit pas seulement « d’avoir des métaux », mais d’avoir les bons dans la bonne proportion (stœchiométrie), maintenus par des ligands protéiques qui positionnent chaque atome à la bonne distance et au bon angle ¹²^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰. Changez le métal, décalez un atome de quelques dixièmes d’ångström, ou perturbez l’ordre des paliers d’oxydation : l’extraction d’électrons n’a plus lieu, l’oxygène ne se forme pas et la chaîne photosynthétique s’arrête ¹²^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰.

On peut résumer l’exigence sans formules lourdes : pour qu’un complexe OEC fonctionne, il faut (1) les bons métaux (capables de monter par paliers, sans dérapages), (2) la bonne géométrie/ligature (positions et attaches précises au niveau atomique), et (3) la bonne séquence de charges par photons (les quatre étapes dans le bon ordre et au bon rythme) ¹⁸^,¹⁹^,²⁰. Chacun de ces volets est très contraignant ; leur combinaison rend l’obtention « par hasard » pratiquement nulle ⁴^,⁶^,⁷. En clair : ce n’est pas un bricolage métallique quelconque, c’est une pièce d’horlogerie moléculaire réglée au micron… et surtout à l’atome ¹²^,¹⁸.

Autrement dit, chaque « point de blocage » est une condition indispensable (la bonne protéine, le bon pli, la bonne distance, le bon cofacteur, le bon ordre des réactions). Tant que toutes ces conditions ne sont pas réunies en même temps, rien d’utile ne sort : l’énergie se perd, des sous-produits dangereux apparaissent, et la chaîne ne peut pas avancer ²⁵. C’est comme faire un gâteau sans levure ou avec le four éteint : même si tout le reste est présent, le résultat n’aboutit pas. Posséder la bonne « recette » de protéines ne suffit pas ; il faut le bon repli tridimensionnel ⁸^,⁹. Avoir le bon repli ne suffit pas ; il faut les formes locales alignées et stables ⁸. Posséder ces formes ne suffit pas ; il faut respecter à la lettre des distances et des orientations atomiques ³^,²^,⁴. Et tout cela ne suffit toujours pas : il faut encore le cofacteur métallique exact, l’insérer au bon endroit, avec la bonne proportion, le raccorder au circuit, puis régler une succession d’états d’oxydation ¹² ¹⁸_,¹⁹^,²⁰. À cela s’ajoutent des contraintes d’assemblage : il faut insérer les sous-unités dans la membrane, avec la bonne orientation, la bonne stœchiométrie, les bons cofacteurs (chlorophylles, hèmes, centres fer-soufre), puis raccorder le tout au réseau et réguler l’ensemble ¹²^,¹³^,¹⁶^,¹⁷.

Ces conditions doivent être présentes simultanément ; si l’une manque, les autres ne compensent pas. Tant que le seuil minimal de fonctionnalité n’est pas franchi, des morceaux isolés ne rendent aucun service ; ils coûtent et peuvent même nuire, par exemple en générant des espèces réactives si la chaîne d’électrons reste « à moitié branchée » ²⁵. La sélection naturelle ne conserve que ce qui sert déjà ici et maintenant : elle n’accumule pas des demi-systèmes coûteux ²⁵.

À ce stade, on pourrait demander une « probabilité exacte ». Mais ce serait trompeur. Pourquoi ? Parce que les éléments du problème ne varient pas chacun tout seul : ils dépendent les uns des autres et bougent de façon continue (distances, angles, niveaux d’énergie), un peu comme des curseurs qui se déplacent ensemble ³^,²^,⁴. En plus, des « assistants » de repliement (les chaperons moléculaires) peuvent déplacer les difficultés sans les supprimer : ils aident parfois une protéine à se plier, mais n’effacent pas l’exigence d’avoir la bonne séquence, la bonne forme et les bons raccords ²¹.

Du coup, au lieu d’un grand chiffre unique (qui ferait semblant d’être précis), la méthode honnête consiste à poser des bornes prudentes sur quelques étapes indispensables : par exemple, avoir la bonne composition, la bonne forme, la bonne géométrie et le bon branchement ⁴^,⁶^,⁷. Chacune de ces étapes a déjà une petite chance de réussir par hasard ; et quand on multiplie ces petites chances entre elles, on tombe très vite en dessous de ce que l’Univers peut “essayer” au total ⁴^,⁵. Dit simplement : même en étant généreux dans nos hypothèses, le produit de ces probabilités devient si petit qu’il se perd dans le bruit de fond ; autrement dit, nul à toutes fins pratiques ⁴ ⁵.

Ainsi présenté, le constat est clair et accessible : la photosynthèse n’est pas un petit bricolage chimique. C’est une chaîne complète où chaque maillon dépend des autres, avec des réglages si serrés qu’un décalage minime, parfois à l’échelle d’un ångström, la taille d’un atome — suffit à tout bloquer ³^,²^,⁴. Les valeurs chiffrées rappelées plus haut montrent que, même en restant prudents, l’hypothèse d’une émergence par hasard sort du domaine du plausible ⁴^,⁶^,⁷. Ce que nous contemplons ressemble à une architecture intentionnelle : pensée, réglée, cohérente ¹²^, ¹⁸^, ¹⁹^, ²⁰. Pris dans leur ensemble, ces goulets d’étranglement (de la recette au pli, de la géométrie atomique au cofacteur, de l’assemblage à la séquence redox) font sortir la voie du hasard du domaine du plausible et laissent apparaître la cohérence d’une architecture intentionnelle ¹²^, ¹⁸^, ¹⁹^, ²⁰.

Et la reprise des chiffres rend l’écart encore plus frappant : même en accordant à titre d’hypothèse de travail le « budget » maximal de tentatives de l’Univers (≈ 10¹⁵⁰), ⁴ ⁵ la seule chaîne enzymatique menant à la chlorophylle ouvre un espace de séquences d’environ 20⁷⁵⁶⁰ ≃ 6,12×10⁹⁸³⁵ ; ⁶ le photosystème II ajoute ≃ 6,42×10³⁶⁷², ⁶ le photosystème I ≃ 8,84×10³⁰⁸⁹, ⁶ et le cytochrome b₆f encore ≃ 1,93×10²⁶³³, ¹⁶ ¹⁷ sans même compter le repliement 3D, la fenêtre distance/angle au niveau atomique, l’insertion membranaire ni la régulation ³^,²^,⁴^,¹²^,¹³^,¹⁶^,¹⁷. L’espace combiné des séquences protéiques exigées atteint au minimum 6,69×10¹⁹²³¹, ¹⁶ rendant l’hypothèse du hasard pratiquement nulle ⁴^,⁶^,⁷. Autrement dit, le « pouvoir d’essai » total de l’Univers (10¹⁵⁰) est englouti par l’océan des configurations possibles dès le premier bloc ; tout le reste ne fait qu’élargir l’abîme ⁴^,⁵^,⁶.

À cela s’ajoute la non-spontanéité de la réaction (elle ne démarre pas sans photons, chaîne d’électrons, gradient de protons et enzymes) ¹^,²^,²⁶, l’intolérance aux écarts (à l’ångström près) ³^,²^,⁴ et le rôle clé du complexe Mn₄CaO₅ qui exige les bons métaux, la bonne géométrie et la bonne séquence redox ¹⁸^,¹⁹^,²⁰. Tant que ce seuil minimal d’intégration n’est pas franchi, les « demi-systèmes » ne rendent aucun service à la cellule et ne peuvent donc pas être retenus ²⁵.

En somme : d’un côté, ce que l’Univers peut fournir comme « essais » ; de l’autre, ce que même la version la plus minimale de la photosynthèse exige en information et en réglages ⁴^,⁶. Le décalage est tel que la voie du hasard sort sans appel du cadre du raisonnable ⁴^,⁵^,⁶^,⁷.

Et, soit dit en passant, un dernier constat s’impose après tout ce que nous venons d’examiner : nous ne savons même pas chiffrer l’étendue de l’« océan » des combinaisons chimiques possibles, avant même de parler de la photosynthèse. Pourquoi ? Parce que cet espace n’est pas une liste finie que l’on pourrait compter ; il est ouvert, continu, corrélé et dépendant du chemin ¹¹^,²²^,²³. Concrètement, il faudrait pouvoir lister et pondérer l’ensemble des familles de possibilités dont dépend le résultat final : des formules moléculaires et leurs isomères ; toutes les conformations géométriques ; l’ensemble des séquences d’acides aminés avec la contrainte d’homochiralité ; les états physico-chimiques possibles ; les modifications post-synthèse ; les cofacteurs et complexes métalliques avec leurs géométries ; les assemblages et environnements (insertion membranaire, interfaces eau/minéral, surfaces catalytiques, gradients) ; enfin les chemins réactionnels eux-mêmes (ordre des étapes, apports d’énergie, cycles humide/sec, alternance jour/nuit) ¹¹^,²²^,²³. Pour additionner des chances, il faudrait une mesure neutre qui dise combien « pèse » chaque possibilité ; or une telle règle n’existe pas pour ce paysage ¹¹^,²²^,²³. D’ici la conclusion : la probabilité globale d’un assemblage chimique « au hasard », pris en bloc, est indéfinissable honnêtement ; c’est pourquoi nous nous en tenons à des bornes prudentes sur quelques étapes indispensables et, à elles seules, ces bornes pulvérisent déjà le « budget d’essais » de l’Univers ⁴ ⁵ dans le modèle le plus généreux envers l’hypothèse naturaliste.

Dès lors, une question demeure, simple et décisive : de quoi parle-t-on vraiment, quand le récit du hasard ne peut ni mesurer son propre océan, ni franchir les seuils minimaux que l’on peut estimer être possibles ⁴^,⁵^,⁶^,⁷?

Faute de mesure, incapables de poser une probabilité et privés de toute vérification, appeler cela « hasard » revient à affirmer une croyance, non à produire un calcul ; on sort alors de la science du nombre pour entrer dans la foi. Nous tenons le matérialisme pour responsable d’avoir fait passer sa métaphysique pour de la science : appeler « hasard » ce qui n’a ni mesure, ni probabilité, ni vérification, ce n’est pas démontrer, c’est croire. Voilà la pièce à conviction contre celui-ci : avoir substitué un slogan à une explication et remplacer le « Dieu des lacunes » par le « Hasard des lacunes ». Quand la raison contredit le matérialisme, celui-ci se retranche dans le silence plutôt que d’admettre l’évidence d’un dessein, d’une intention et d’une sagesse sous-jacents au réel et visibles dans son ordre.

Par Marc Vicuna, Jean-Robert Gadère et Daniel Capitanu

Groupe Harmonie Science et Foi

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