UNE CELLULE PEUT-ELLE VRAIMENT CHAUFFER DE PLUSIEURS DEGRÉS ?
Mesurer la température à l’intérieur d’une seule cellule vivante n’est possible que depuis une quinzaine d’années, selon l’article. Et cela a fait naître une énigme. De plus en plus de travaux rapportent des températures intracellulaires environ 1 à 10 kelvins au-dessus de l’environnement ; l’une des études citées s’intitule « Mitochondria are physiologically maintained at close to 50 °C ». Mais les estimations fondées sur la chaleur réellement produite par une cellule, et sur la conduction thermique ordinaire, prédisent des écarts inférieurs au millième de degré.
Les artefacts de mesure connus expliquent mal pourquoi plusieurs nano-thermomètres, physiquement et chimiquement différents, donnent des résultats semblables. Les corrections de la conduction de la chaleur aux petites échelles restent bien trop faibles pour combler un écart de plusieurs ordres de grandeur.
Regarder le thermomètre, pas la source
La plupart des tentatives de résoudre l’énigme portent sur la source de chaleur : taille, forme, structure d’une mitochondrie, distance au capteur, toutes difficiles à cerner. Taras Plakhotnik (université du Queensland) prend le problème à l’envers.
Une source de chaleur ponctuelle idéale atteindrait, en théorie, une température infinie. Mais aucun vrai thermomètre ne mesure un point : il a un volume thermométrique fini, et ce qu’il indique est une moyenne sur ce volume. Le capteur, note-t-il, est en général bien mieux connu que la source biologique.
Il pose donc la question : placé n’importe où dans une région qui produit une quantité totale de chaleur connue, de combien un capteur d’un volume donné peut-il chauffer, au maximum, en régime stationnaire ?
Une borne à trois ingrédients
En n’utilisant que la loi de Fourier de la conduction de la chaleur et deux inégalités classiques de géométrie et d’analyse, il établit un théorème de la température maximale :
⟨T⟩ − T_réf ≤ 9 Q / (2 (36π)^(2/3) κ V^(1/3))
où Q est la puissance thermique totale produite, κ une borne inférieure de la conductivité thermique et V le volume du capteur. Rien d’autre n’entre en jeu : ni l’origine de la chaleur, ni sa répartition, ni la distance du capteur.
Pour une cellule de mammifère en culture typique, l’article retient une production nette de chaleur de 50 picowatts, une conductivité de 0,1 watt par mètre et par kelvin, dans le bas des valeurs rapportées pour les cellules, et un capteur de 10⁻²² mètre cube, soit environ une sphère de 60 nanomètres de diamètre. Échauffement maximal possible : environ 2 millikelvins.
La borne est optimale : elle est atteinte quand une source sphérique est enveloppée d’un capteur en forme de coquille. Même dans cette disposition la plus favorable, une hausse de 1 kelvin exigerait au moins 25 nanowatts, cinq cents fois la production mesurée de la cellule. Si la chaleur était au contraire répartie uniformément dans un volume de la taille d’une cellule, la limite tomberait à environ 2 microkelvins.
Et si des réactions qui dégagent de la chaleur et d’autres qui en absorbent se compensaient ? La calorimétrie ne mesure que la production nette, alors que le théorème compte toute la chaleur produite. Une lecture de 1 kelvin avec seulement 50 picowatts sortant de la cellule exigerait alors au moins 25 nanowatts libérés localement, et presque autant absorbés ailleurs dans la même cellule.
Le résultat s’applique directement aux capteurs utilisés : nanodiamants, nanoparticules à conversion ascendante, particules de polymère fluorescent et boîtes quantiques cœur–coquille.
Un thermomètre en retard
Le théorème suppose que le capteur est lui-même en équilibre interne. Pour montrer pourquoi cela peut échouer, l’auteur a simulé deux réservoirs de gaz, l’un chaud, l’autre froid, séparés par une membrane élastique. Les gaz ont vite atteint une température commune, tandis que la membrane se détendait bien plus lentement, et l’écart grandissait avec la raideur de la membrane. Un petit objet peut rester hors d’équilibre alors que son environnement s’est stabilisé, et un étalonnage classique sur des températures d’équilibre ne le révélerait pas.
Où doit se cacher la physique manquante
L’article n’affirme pas que les points chauds rapportés sont des artefacts. Il établit que si un signal de l’ordre du kelvin est vraiment thermique, au moins une hypothèse du théorème doit tomber. Les candidats qu’il énumère : une puissance supplémentaire injectée par la sonde elle-même, de l’énergie stockée un temps dans des états à longue durée de vie, un capteur qui ne s’équilibre jamais complètement, ou un changement non thermique du capteur ou de son entourage qui imite une variation de température. Pour les départager, conclut l’auteur, il faudra des expériences qui suivent la relaxation du thermomètre lui-même.