Le rideau va se lever sur le grand siècle de la lumière, le Vingtième Siècle.

Le premier à en construire l’existence sera Finsen lui-même ! Le Prix Nobel de médecine lui est attribué en 1903 pour ses travaux menés sur les « Photothérapies ».

Il ne pourra malheureusement profiter de son Prix que durant une courte année…

Trois années après la Reine Victoria, disparue elle-même en 1901, il disparaît en 1904, à 44 ans, ignorant l’immense révolution que l’année 1905 va apporter à la physique de la lumière.

C’est en fait un coup de tonnerre.

Un jeune physicien allemand de 26 ans, simple employé à l’Office des Brevets de Berne, publie différents articles constituant un traité : la Théorie de la Relativité Restreinte.

Il y est dit que les lois de la physique s’expriment toujours de manière identique pour l’expérimentateur si ce dernier est « inertiel », c’est à dire et pour simplifier, si les éléments du décor lui paraissent totalement immobiles.

Cependant, un observateur en mouvement par rapport à l’objet de l’expérience ne mesurerait pas la même chose et c’est cela qui est « relatif ».

Mais, ce qui est dit d’autre dans ce traité, c’est que la lumière est à la fois une onde et une particule qui n’a pas de masse. Cette particule, en revanche, possède une énergie qui lui est propre et qui est directement proportionnelle à sa fréquence…. Donc inversement proportionnelle à sa longueur d’onde.

Si nous reprenons le tableau général du rayonnement électromagnétique, on comprend bien qu’entre une source de rayonnement à 103Hz (Grandes ondes Radio) et une source à 1018THz (Rayons gammas) la différence est colossale… autant que l’énergie générée. Cela mène tout droit à la dernière révélation du traité qui est l’équation la plus « célèbre » de la physique…. E=MC2.

On peut l’exprimer ainsi : si de la matière disparaît, elle est transformée en énergie selon cette équation.

La quantité d’énergie produite est alors égale, en Joules, au produit de la masse disparue par le carré de la vitesse de la lumière.

100 g de matière ? Cela donne le chiffre 27, suivi de 14 zéros…

2700 000 000 000 000 Joules, soit le même nombre de Watts produits en une seconde.

Les calculs révèlent que moins d’un gramme d’uranium a été transformé en rayonnement électromagnétique lors de l’explosion d’Hiroshima… et, tous les témoins, qu’ils aient assisté à une explosion au Japon en 1945 ou observé des explosions nucléaires expérimentales, ont tous souligné l’extrême violence lumineuse ressentie.

Avant d’en arriver à la deuxième guerre mondiale et à l’explosion, en 1945, de la première bombe A, les trente premières années de ce siècle de la lumière vont construire une extraordinaire séquence collective de l’histoire des sciences, malheureusement mêlée au désastreux conflit de 14-18.

En 1917, Einstein, rapidement entouré d’un premier groupe de physiciens, publie sa Théorie de la Relativité Générale.

C’est une révolution de la pensée sur la réalité du monde.

La Gravité n’est pas le fait d’une force mais d’une courbure de l’espace- temps directement liée à la densité de matière… et la lumière, onde et particule, suit les courbures de cet espace-temps !

À la quasi-unanimité, les physiciens vont se rallier à la formidable vision d’Albert Einstein.

On peut les retrouver presque tous réunis à Bruxelles en 1927, lors d’un Congrès organisé par la société Solvay. Sur les 29 présents ce jour-là, 17 sont ou seront Prix Nobel de Physique.

Au centre de leur recherche il y a l’atome, mais il y a surtout la lumière !

Dès le début des années 30, les interactions photons-électrons auraient pu inspirer et commencer à nourrir une théorie photo-biologique commençant à décrire les interactions entre la lumière et les tissus vivants… Malheureusement, le monde va être aussitôt fasciné par les hautes énergies, les rayons X et gammas, la radioactivité…

Et il y aura la guerre.

La révolution de la nouvelle physique devient « quantique » dans sa définition car elle est intimement liée à la notion de déplacement discontinu, par sauts, tous multiples d’un saut primordial fixé par une constante (h), comprise et mesurée par Max Planck qui en émit l’hypothèse en 1900 et en donna la mesure :

h = 6,626 070 15 × 10−34 J c’est à dire un nombre très petit…

Il représente le fait qu’il n’existe pas de système physique pouvant, entre deux observations, présenter un changement inférieur à h.

De la puissance exprimée en Watt à l’énergie exprimée en Watt par seconde, c’est à dire en Joules, les calculs sont tous contraints par une limite : cette constante qui apparaît dans les équations de la nouvelle physique sous la forme de la lettre h.

Tout cela nous éloignerait-il de la lumière ?

Pas du tout, car la lumière, représentée par le photon, onde et particule, nous plonge dans la réalité des particules élémentaires constitutives de la matière, qui possèdent toutes cette spécificité d’être en même temps des ondes.

Et c’est ainsi que dès le début des années 50, une partie de la recherche en Physique s’est consacrée aux photons.

L’idée de base en revient à Einstein qui en 1917 avait déjà prévu le mécanisme d’émission stimulée, soit la production d’un flux de photons en quelque sorte « clonés », c’est à dire ayant tous la même structure vibratoire, la même fréquence et la même polarisation… C’est le principe même de l’émission stimulée ou : émission laser.

D’Hiroshima au sabre laser de la guerre des étoiles, des conquêtes spatiales à la découverte de l’univers profond, les 50 dernières années du vingtième siècle auront été d’un côté, inspirées par le stockage dangereux des armes et de l’autre par celui, qui semble sans limites, de l’information.

Sur cette route, la toute-puissance, pour chacun d’entre-nous, d’être connectables et connectés par le son et l’image, est une conquête historique dans la maîtrise du rayonnement électromagnétique, c’est à dire des photons.

Mais, s’il y a, par excellence, un domaine du rayonnement où les applications sont innombrables et quotidiennes, c’est celui des lasers médicaux. La lumière y est émise, très concentrée, sous la forme d’un pinceau qui ne s’élargit pas, qui est dit « collimaté ». Cette émission peut interagir très fortement avec des cibles qui en absorbent instantanément l’énergie en produisant de la chaleur… sous la forme de rayonnement infrarouge !

Rappelons-nous à cet instant l’expérience de la loupe au soleil. Elle peut concentrer le rayonnement en un point et dès lors mettre le feu au bois, au papier… ou à la forêt.

Le rayon laser peut devenir, là où il frappe une cible, une arme thermique qui détruit ou découpe. Cependant, si on limite sa puissance, il peut être utilisé pour stimuler et réparer.

Repartons ainsi dans l’après-guerre mondiale des années 60 : la guerre froide.

Plusieurs expériences d’émission stimulée donnent lieu à deux Prix Nobel attribués à 4 chercheurs (Koestler, Townes, Bassov, Prokhorov). Mais c’est un chercheur américain, Théodore Maiman, qui va obtenir une émission laser dans le visible à partir d’un cristal de rubis, en l’occurence rouge. En 1961 surgit le premier rayonnement laser obtenu par Ali Javan à partir d’un mélange gazeux (Laser Hélium-Néon), puis en 1966, le premier obtenu à partir d’un liquide (Laser à colorant pulsé) par Peter Sorokin.

Depuis Einstein, était-il si extraordinairement difficile d’obtenir une émission lumineuse stimulée ? C’était, certes, très délicat mais au fond, sur le papier plutôt assez simple à envisager.

Rappelons-nous que chaque photon vibre à une fréquence particulière qui lui est propre, fréquence qui correspond à une longueur d’onde précise.

Rappelons-nous également que dans ce monde de la physique toute variation d’énergie se fait par sauts, gouvernés par une constante (h) : la constante de Planck.

Puis évoquons qu’un atome c’est un noyau autour duquel gravitent, lorsqu’il est en équilibre, autant d’électrons qu’il y a de protons dans le noyau.

Ces électrons qui sont eux-mêmes, comme le photon, à la fois onde et particule, ne peuvent tourner autour du noyau qu’à des altitudes précises fixées par la constante de Planck.

Changeons d’échelle. Sur Terre, si nous voulons éloigner un satellite pour le mettre sur une orbite plus éloignée, il faut utiliser l’énergie produite par des fusées d’appoint.

À l’échelle atomique, si l’on veut qu’un électron grimpe sur une orbite plus haute, il faut une quantité d’énergie correspondant précisément à la différence énergétique existant entre les deux orbites. Il se trouve que, dans notre monde physique, ces différentiels d’énergie correspondant à la distance entre noyau et électrons, correspondent en grande majorité à l’énergie potentielle d’un photon dans le visible et l’infrarouge.

Et si cet apport a lieu, si le photon cède son énergie à l’électron, que devient-il ?

Il disparaît dans l’électron !

Et, ce n’est pas fini : si l’électron, disons par besoin d’équilibre, redescend à son orbite de départ, le photon réapparaît !

Nous avons ainsi décrit le phénomène d’excitation / désexcitation propre aux transitions électroniques, tout en sachant que le plus souvent la désescalade va se faire par étapes, en passant par une ou deux orbitales intermédiaires, et en émettant alors un à deux photons d’énergies intermédiaires, le plus souvent dans l’infrarouge.

Cependant, au moment où l’excitation vient de se produire, si un photon identique au premier vient à passer, le besoin d’équilibre va se manifester… L’électron qui avait grimpé va alors spontanément redescendre en libérant son photon et le résultat est que nous obtenons deux photons identiques….

Dès lors, si nous avons l’esprit un peu bricoleur, nous allons placer notre atome entre deux miroirs et ainsi, à chaque aller et retour, le nombre de photons sera doublé… et tous seront des clones du premier photon.

Enfin, à partir d’une certaine concentration, le faisceau deviendra suffisamment puissant pour traverser l’un des deux miroirs fabriqué dans ce but, moins réfléchissant. Il suffit alors qu’il émerge au foyer d’une simple lentille convergente pour sortir sous l’aspect d’un faisceau collimaté, tel celui d’un pointeur laser.

Est-ce rapide ?

Rappelons-nous qu’un photon quittant un atome se déplace toujours à la vitesse de la lumière : 300.000 Km/seconde.

A l’échelle de nos sens et de notre conscience, c’est instantané.

Tout cela est formulé ici de manière simpliste car il ne s’agit pas d’un traité de mathématiques ni de physique. Il s’agit d’un chapitre de la physique, considérable par son importance : l’électrodynamique quantique. Elle introduit dans toutes ses équations les données corpusculaires et vibratoires des objets quantiques que sont les électrons.

Avec un schéma très simple nous pouvons ainsi figurer ce processus magique qui va, dans les années 60, faire entrer la lumière visible et infrarouge dans l’ère des lasers et un peu plus tard, en 1967, dans l’ère thérapeutique.

Ce schéma représente un électron déjà excité par le passage d’un premier photon. Si, immédiatement, un second photon, identique au premier, survient, son passage va désexciter l’électron et ainsi faire émettre un second photon… strictement identique au premier. C’est ainsi que se produit une émission laser…

(Le symbole ν correspond à la lettre grecque « nu » minuscule. Il désigne la fréquence en Hertz du Photon)

Dans la réalité des tissus vivants et dans certaines circonstances, des photons incidents vont exciter des électrons, donc les déplacer. Dès lors, s’agissant de l’énergie apportée par les photons de l’ultra-violet, du visible ou de l’infrarouge, ils vont interagir avec les électrons situés sur les couches les plus éloignées des noyaux atomiques, les couches de valence et de conduction pour les métaux. C’est ainsi que vont se déclencher des réactions chimiques qui se résument toujours à des déplacements d’électrons.

Gardons à l’esprit qu’une réaction chimique ne concerne pas le noyau des atomes. Elle ne concerne que l’organisation des électrons.

La lumière est ainsi consubstantielle à la matière.

En excitant les atomes des molécules biologiques, le rayonnement venant du soleil ou d’une source de lumière, peut jouer un rôle de modificateur de processus biologiques.

C’est ainsi qu’en 1967, le hasard va frapper à la porte.

C’est en effet un chirurgien hongrois, le Professeur Endre Mester qui, tout à fait par hasard, va découvrir les effets biologiques positifs de la lumière sur la cicatrisation et la repousse pilaire.

Chirurgien et chercheur, ce médecin avait réussi à se procurer l’un des premiers lasers fabriqués aux USA à partir d’un cristal de rubis émettant dans le rouge, autour de la longueur d’onde de 694 nm, un rayonnement peu concentré et n’échauffant quasiment pas les tissus vivants.

Mester suppose que ce rayonnement peu thermique pourrait avoir un effet délétère sur des cellules cancéreuses. Il va conduire une étude expérimentale sur des souris en leur implantant au niveau du dos, sous la peau, des tissus cancéreux.

Le résultat est surprenant : Les zones de tissus cancéreux ne subissent aucune modification. Mais la petite plaie opératoire a cicatrisé beaucoup plus vite sur les souris traitées par le laser et les poils de la zone rasée ont repoussé beaucoup plus vite…

Les résultats et ceux qui vont suivre sont suffisamment éloquents pour le convaincre de commencer à traiter des patients. Il le fera avec succès à partir de 1971 sur de nombreux cas de retards de cicatrisation cutanée.

Il sera ainsi le premier à parler de Photobiomodulation et de traitement par les lasers de basse puissance (Low Level Laser Therapy).

Il est sans aucun doute le premier grand auteur de la photobiologie.

Une pratique n’a pas besoin d’être éclairée pour opérer, cela est particulièrement fréquent en recherche médicale mais, en ce milieu des années 70, la biochimie fait de grands progrès. Ils nourriront la recherche dans ce qu’on appelle désormais la «biologie moléculaire».

Une biochimiste estonienne, Tina Karu, va s’intéresser ainsi aux effets du rayonnement Ultra-Violet sur de nombreuses réactions chimiques concernant le vivant et plus précisément l’ADN, découvert en 1953.

Le grand essor de la biologie moléculaire et cellulaire va pousser sa curiosité à interroger les relations entre le spectre lumineux visible et le fonctionnement intime de la cellule.

Cette curiosité, rapidement satisfaite, va aboutir à une première série de publications au début des années 80. Le coeur de sa réflexion est l’identification des structures biochimiques modifiées par la lumière visible, ultraviolette et infrarouge. Tina Karu sait qu’au coeur de toutes les cellules se trouvent des microstructures jouant un rôle clé dans l’utilisation conjointe de l’énergie apportée par les nutriments que nous consommons et par l’oxygène que nous respirons. Il s’agit des mitochondries.

Présentes par centaines, voire par millier, dans chacune de nos cellules, ces mitochondries sont possiblement les descendantes d’organismes procaryocites ancestraux.

Elles possèdent un patrimoine génétique leur permettant de se reproduire indépendamment de la cellule elle-même, et dont l’étonnante particularité est d’être constitué par le génome maternel.

Tina Karu n’était pas non plus sans ignorer que dans le règne végétal, l’équivalent des mitochondries sont les chloroplastes dont les photosystèmes utilisent l’énergie lumineuse.

Elle va ainsi avancer, surtout motivée par le rôle essentiel joué par la mitochondrie dans la vie cellulaire. Cette-dernière héberge l’usine métabolique énergétique de toutes les cellules. Sa production commence avec le cycle de Krebs, étape finale du métabolisme des sucres, des acides gras et des protéines, qui lui-même alimente la voie énergétique de la chaîne de transport des électrons, et va permettre la production continuelle d’ATP.

Si l’on veut souligner, en le simplifiant, le rôle de cette « chaîne de transport » nous devons préciser trois points :

• Les électrons provenant de la dissociation des atomes d’Hydrogène, elle est parallèlement une chaîne de transport des protons et ce sont les protons qui vont activer l’ATPase, l’enzyme qui synthétise l’ATP.

• Une partie importante des protons disponibles va réagir avec l’oxygène provenant de la respiration, pour synthétiser de l’eau, plusieurs centaines de ml chaque jour. Cette réaction, la plus exothermique de toutes les réactions chimiques, va être à l’origine de la température élevée régnant dans la mitochondrie, 50° y ont été mesurés…. Quand on découvre que chacune de nos cellules contient plusieurs centaines de mitochondries, on comprend peut-être mieux pourquoi la température moyenne de notre corps est de 37°.

• La chaîne comporte 4 étapes, que l’on nomme « complexes » plus une cinquième étape, qui n’est autre que celle de l’ATPase l’enzyme qui synthétise l’ATP.

C’est ainsi, au niveau du complexe IV et de l’ATPase, que la lumière va jouer un rôle essentiel que nous détaillerons plus loin, mais c’est bien au niveau de ce complexe IV que Tina Karu va rendre lisible plusieurs mécanismes clés, mis en œuvre par la lumière dans son interaction avec les cellules.

Nous pouvons résumer ces différentes étapes dans le schéma suivant où les flèches rouges indiquent les principaux sites d’action de la lumière.

L’un de ces sites concerne la récupération des protons par l’oxygène provenant de la respiration, pour produire de l’eau. Il peut être spécifiquement activé par la lumière rouge à la longueur d’onde de 635 nm. Elle le fait en excitant la forme “ordinaire” de l’oxygène, l’oxygène triplet, pour le transformer en oxygène singulet, infiniment plus réactif.

Au total, le bilan énergétique cellulaire donc tissulaire est amélioré par l’action de la lumière, avec pour conséquences principales une rationalisation de la réponse inflammatoire, un effet antalgique rapide et prolongé, et une accélération des synthèses et de la mobilité cellulaire.

La démonstration et l’évaluation des effets de la lumière, liés à la production d’ATP, ont ainsi été apportées pour la première fois par Tina Karu.

Ses travaux lui ont permis de préciser ce point, toujours précieux aujourd’hui : Les effets sont essentiellement produits par la lumière rouge, autour des longueurs d’onde de 650 nm, et par la lumière Infrarouge autour de 850 nm, à des concentrations n’entraînant aucun risque de surchauffe pour les tissus traités.

Elle a pu également ajouter que la lumière bleue, dans sa portion toute proche des UV, produisait les mêmes effets, mais qu’ils étaient très limités en raison de sa très faible pénétration à travers la peau. Certaines publications, cependant, ont mis en évidence les propriétés anti-infectieuses de cette lumière bleue sur les germes et les virus… Nous en reparlerons.

Le travail considérable de Tina Karu s’est étendu des années 70 à la fin des années 90…. Il aura véritablement construit les bases scientifiques de la Photobiomodulation.

Cependant, comme à la fin du siècle précédent, le nouveau siècle approchant semblait prometteur de nombreuses surprises !