Biologie intermédiaire la vie 4

I.5 Réductionnisme et biologie des systèmes

"Une combinaison d'éléments peut former une organisation plus complexe appelée "système"

Une cellule, un organisme, un écosystème forment des systèmes biologiques. Pour comprendre le fonctionnement de ces systèmes, il ne suffit pas de  connaître la "liste des pièces" aussi exhaustive soit-elle. L'avenir de la biologie réside dans la compréhension de ces systèmes dans leur intégralité.

Propriétés émergentes des systèmes.

La théorie de la complexité est le nom donné à un ensemble d'idées qui sont apparues à partir des années 1960 dans plusieurs disciplines telles que l'informatique, la théorie de l'information, la biologie évolutive et la psychologie cognitive. Issue de la théorie du chaos mais s'en différenciant,la théorie de la complexité est liée à la théorie des systèmes non linéaires avec de nombreuses variables interdépendantes. Tous les systèmes complexes sont des réseaux indépendants de plusieurs «agents» qui agissent en parallèle les uns avec les autres, selon certaines règles internes (par exemple un écosystème)

le "complexe" est ce qui est imprévisible. Les interactions nombreuses et simultanées font l'imprévisible. Les sociétés, les êtres vivants, l'environnement sont qualifiés de complexe. Mais imprévisibilité ne veut pas dire qu'il se passe n'importe quoi. A l'image des fractales qui présentent les mêmes motifs à des zooms différents, on peut extraire de la complexité des "motifs", c'est à dire des propriétés que l'on retrouve à tous les niveaux : de la cellule à l'environnement, en passant par les sociétés humaines.

Voyons quelques-unes de ces propriétés :

• L'émergence:  le tout et la somme des parties ne se réduisent pas l'un à l'autre. Les éléments en interaction ont des propriétés émergentes : les milliards de neurones qui composent notre cerveau n'ont individuellement aucune intelligence et pourtant leurs interactions en créent. C'est pour cela qu'étudier séparément des parties ne permet pas de reconstituer le tout.
  
  
• la circularité : Le cercle vicieux, le cercle vertueux ou les systèmes de régulation sont de très bons exemples de causalités circulaires.
  
  
• l'auto-organisation : le monde est fait d'ordre organisé et de désordre. Depuis le big bang, le monde s'organise par le désordre, en même temps que l'organisation se désordonne. Un peu comme une tornade présentant une forme ordonnée, qui se crée à partir de désordres atmosphériques, et génératrice d'un immense désordre.

Au niveau le plus simple de la biologie, les molécules sont soit attirées, soit repoussées par d'autres molécules dans un certain environnement, alors que les regroupements complexes de molécules ont un répertoire de stratégies, qui leur permettent d'évoluer dans leur environnement et de se reproduire. L'interaction de ces agents donne lieu à l'élaboration de "propriétés émergentes" qui sont différentes des propriétés de chaque agent et elles ne peuvent pas être expliquées simplement en référence aux propriétés des agents composant ce système. Par exemple, les nuages sont composés de molécules de vapeur d'eau. Toutefois, nous ne pouvons pas expliquer le comportement des nuages uniquement en nous référant aux propriétés des molécules d'eau parce que le comportement des nuages dépend aussi de l'interaction entre ces molécules.

Les propriétés émergentes sont la conséquence de l'auto-organisation, car elles résultent uniquement des stratégies comportementales des agents et elles ne nécessitent pas un contrôleur central ou un agent extérieur pour déclencher cette organisation. Aucune force extérieure "n'informe" les molécules de se former en cellules ou "ne prêche" l'ordre aux cellules de se constituer en organismes. Ces propriétés émergentes résultent des stratégies de comportements des unités individuelles.

Les systèmes complexes ont tendance à demeurer hiérarchisés dans le sens où chaque niveau de propriétés émergentes sert de blocs de construction pour des arrangements plus complexes. Les gènes s'organisent en chromosomes, qui à leur tour, forment les blocs de construction des cellules, bases de construction des tissus en organes, eux-même deviennent des corps vivants qui finissent pas s'organiser en groupes sociaux. Chaque niveau est composé d'éléments du niveau le plus simple au niveau le plus complexe. En outre, le niveau le plus complexe n'est possible qu'en raison de l'organisation préalable du niveau le plus simple. De toute évidence, le caractère hiérarchique et adaptatif des systèmes complexes implique un chemin de dépendance. Les caractéristiques d'un niveau dépendent de l'émergence des caractéristiques d'un niveau immédiatement plus simple.

Les systèmes complexes ont également tendance à être des systèmes adaptatifs. Autrement dit, les agents de ces systèmes, dans un certain sens, apprennent à mieux composer avec leur environnement. Ils organisent et réorganisent, en permanence, les blocs de construction selon les bénéfices qu'ils reçoivent de leurs activités ou du succès de la reproduction de leur nouvelle organisation. Les agents "jouent" constamment avec leur environnement afin d'améliorer leurs rendements. Mais, il arrive que l'environnement se compose d'autres agents. En conséquence, les agents ont tendance à coopérer avec certains agents et à rivaliser avec d'autres agents pour améliorer leur capacité d'adaptation à l'environnement. Leur comportement est influencé par leur capacité d'apprentissage de leur environnement.

L'apprentissage des systèmes adaptatifs est au cœur de la théorie de la complexité. Les agents apprennent dans un système complexe de nouvelles stratégies d'action. Les révisions des stratégies dépendent d'une forme de rétroaction de leurs actions. L'agent susbtitue une nouvelle action à l'action défaillante. Ainsi, le système en mode continu, devient de plus en plus adapté avec l'environnement. La sélection des nouvelles stratégies adaptatives s'effectue sans prise de conscience des agents concernés. Dans des systèmes adaptatifs complexes, l'environnement est composé d'autres agents exerçant tous ensemble leurs propres stratégies, les unes en concurrences, les autres en coopération avec les autres agents. par conséquent un système complexe fortement adapté est celui dans lequel les plans des agents sont coordonnés.

Histoire de l'auto-organisation

L'idée que les dynamiques d'un système peuvent, à elles seules, assurer l'accroissement de l'ordre interne du système a une longue histoire. Une des première évocation de cette idée fut faite par René Descartes dans le cinquième volume du Discours de la Méthode. Par la suite, Descartes a muri cette idée et l'a développée dans un livre nommé Le Monde qui ne fut jamais publié.

Les anciens atomistes (entre autres) croyaient que l'organisation était une propriété inévitable du moment que l'on fournissait suffisamment de temps, d'espace et de matière, bien qu'il n'y eût pas de raison particulière pour observer une organisation plutôt qu'un désordre. Descartes introduisit l'idée que les lois de la nature tendaient à produire de l'organisation (Pour plus de détails, voir Avram Vartanian, From Descartes to Diderot).

Au XVIIIe siècle est apparu le mouvement des naturalistes qui cherchaient à déterminer des lois universelles afin d'expliquer la diversité des organismes vivants. S'étant trouvées associées au lamarckisme, les nouvelles vues furent tenues en discrédit avant d'être remises à l'honneur par des pionniers tels que D'Arcy Wentworth Thompson (1860-1948) au début du XXe siècle. Aujourd'hui, la plupart des scientifiques pensent qu'il existe des lois universelles (issues de la physique fondamentale et de la chimie) qui gouvernent les structures et leur évolution dans les systèmes biologiques.

Le terme « auto-organisation » a vraisemblablement été introduit en 1947 par le psychiâtre et ingénieur Ross W. Ashby. Le terme d'auto-organisation fut alors utilisé par la communauté travaillant sur la théorie générale des systèmes dans les années 1960. Mais ce terme ne devint commun dans la littérature scientifique que lors de son adoption par les physiciens et autres chercheurs du domaine des systèmes complexes dans les années 1970 et 1980.

(Pour montrer l'importance croissante de ce concept, si l'on utilise le mot clé self-organ*, Dissertation Abstracts, une base de données de résumés d'articles, ne trouve rien avant 1954, et seulement 4 entrées avant 1970. Puis il y en a eu 17 dans la période 1971--1980, 126 en 1981--1990 et enfin 593 en 1991--2000).

Caractéristiques de l'auto-organisation

L'auto-organisation est habituellement caractérisées par:

1. des éléments ou agents ou particules

2. des interactions entre les éléments

3. des interactions entre les éléments et l'environnement

4. une capacité d'interaction limitée (par exemple une limite spatiale)

5. des phénomènes d'amplification ou retours positifs

6. des retours négatifs

Forces et faiblesse du réductionnisme

Puisque les êtres vivants ont des propriétés qui émergent de leur organisation complexe, les scientifiques qui s'attachent à comprendre les processus biologiques font face à un dilemme. D'une part, il est impossible d'expliquer totalement un niveau d'organisation supérieur en le réduisant à ses parties. Un animal disséqué ne peut plus mener sa vie d'animal ; une cellule réduite à ses constituants chimiques n'a plus rien d'une cellule . D'autre part, il est vain d'essayer d'analyser une chose aussi complexe qu'un organisme ou une cellule sans la réduire à ses composants. 

réductionnisme scientifique  

Le réductionnisme est un concept épistémologique visant à réduire la nature complexe des choses à une somme de principes fondamentaux, afin de les appréhender plus facilement. Les cartésiano-positivistes, en l'occurrence H. Atlan, tiennent le réductionnisme de méthode indispensable à la science. Cette méthode réductionniste qui comporte deux moments fondamentaux, l'analyse et la réduction, est l'œuvre de Descartes (Le discours de la méthode). Le premier moment n'est pas, comme le révèle à juste titre J.-L. Le Moigne dans le deuxième précepte cartésien de "diviser chacune des difficultés en autant de parcelles qu'il se pourrait et qu'il serait requis pour le mieux connaître simplement" (la théorie du système général), la réduction mais plutôt l'analyse. Ce principe est fondamentalement un principe de division, de décomposition, d'analyse. Il est, selon J. L. Le Moigne un principe de modélisation analytique. Il suppose l'acceptation de la thèse de l'existence de la réalité en soi et de sa possible décomposition en autant de parties que le sujet pourrait connaître, clairement et distinctement. Pour connaître, il faut séparer, décomposer, réduire au simple. La méthode réductionniste procède ainsi. Aucune science n'a échappé à l'observance stricte de ce principe de disjonction, d'analyse et de réduction.

Critiques de réductionnisme

La complexité remet en question le réductionnisme, c'est-à-dire le fait que l'on décompose un objet en éléments simples. Dès lors que l'on pose un objet comme un objet complexe, par le principe de séparation ou d’analyse. La méthode réductionniste selon E. Morin n'est pas exempte de graves défauts, en raison du principe de disjonction, elle ignore les articulations, les solidarités, les interdépendances, les imbrications entre les entités. Elle ne révèle pas la complexité inhérente aux réalités. Elle occulte les mystères de la simplicité de la réalité en général et de l'univers en particulier. Or,du point de vue d'E. Morin, la simplicité de l'univers n'est qu'une illusion de la science qui est oublieuse des articulations existant entre les parties disséquées, mais aussi des qualités émergentes, lorsqu’il s’agit de la totalités organisées. A force de distinguer, de disséquer et d’analyser, la science classique a oublié que le tout est pourvu d’une force spécifique, qualitativement différente de la somme de ses parties (M. Maffesoli, la transfiguration des politique). Pour le Moigne, la méthode du réductionniste souffre du pragmatisme. Avec G. Leibniz (la théorie du système général, p34), il note qu’elle ne dit pas comment décomposer en parties. En ce qui concerne la quête de la brique élémentaire à laquelle elle invite obstinément, cette dernière n’a jamais été retrouvé, sans doute parce que elle est inexistante.

Pour G. Bachelard, la méthode réductionniste n’est pas inductive. Dès lors elle fausse l’analyse et entrave le développement extensif de la pensée objective. Elle réussit certes à expliquer le monde, mais n’arrive pas à compliquer l’expérience, complication qui est pourtant, à ses yeux la vraie fonction de la recherche objective.

Biologie des systèmes

La biologie synthétique est un nouveau champ de recherche basé sur des principes d'ingénierie dont le but est  l'utilisation de machines biologiques pouvant mettre en oeuvre de nouvelles fonctionnalités qui n'existent pas dans la nature.

La révolution conceptuelle en biologie est comparable à ce qui s'est produit pour la chimie lorsque celle-ci est passée de la simple utilisation d'alambics à la chimie de synthèse. 

La biologie synthétique pourrait bien, dans un proche avenir, apporter bien plus de modifications dans notre mode de vie que n'a pu le faire la chimie de synthèse.

Au cours des 30 dernières années, la biologie moléculaire a privilégié l'approche réductionniste. Cependant le champ des connaissances se développant de nouvelles questions ont été posées. Les limites de l'approche réductionniste sont alors apparues. Les biologistes se sont intéressés aux interrelations et aux interactions, la biologie des systèmes s'est développée en s'appuyant sur des technologies de plus en plus performantes: modélisations, bio-informatique, imagerie...

La biologie des systèmes est fille de l'ère génomique qui a été inaugurée avec les premiers séquençages de l'ADN vers 1970, ainsi qu'avec le développement de la bioinformatique et la création de banques de données. Elle est le fleuron de l'ère post-génomique qui a débuté en avril 2003 lorsque la première séquence du génome humain a été obtenue (voir l'article sur ce blog: 

La biologie des systèmes utilise une approche interdisciplinaire afin de comprendre des systèmes biologiques complexes. Elle ne se résume pas, comme certains l'imaginent parfois, à tort, à une compilation de données hétérogènes. Elle s'intéresse également et principalement à l'étude des réseaux d'interactions biologiques en vue de parvenir à leur modélisation mathématique.

Elle combine l'approche expérimentale et l'approche théorique dans laquelle les mathématiques ont le rôle central.

Dans un premier temps, afin de comprendre le fonctionnement d'un réseau d'interactions biologiques, une approche expérimentale est déterminée qui prend en compte l'ensemble des connaissances expérimentales et théoriques dont on dispose à différents niveaux hiérarchiques des systèmes biologiques. Les données sont intégrées sous la forme d'un modèle mathématique censé décrire le fonctionnement du système biologique.

Dans un deuxième temps on réalise l'expérimentation dans des conditions permettant d'effectuer des comparaisons, par exemple en utilisant sujet sain et sujet malade, ou bien une souris normale et une souris knock-out ou knock-in... Dans ces conditions volontairement hétérogènes, il est peu vraisemblable que les résultats obtenus, dès la première expérimentation, soient conformes aux prévisions du modèle mathématique de départ. Les hypothèses de travail seront alors modifiées jusqu'à ce que modèle mathématique théorique et résultats expérimentaux soient concordants.

La biologie des systèmes doit donc permettre de comprendre comment les différentes parties d'un organisme animal ou végétal fonctionnent et interagissent entre elles.

Aujourd'hui les données issues de l'ère post-génomique sont produites en très grande quantité et sont particulièrement hétérogènes. Avec le progrès des nanotechnologies, les données sont produites de plus en plus rapidement et le traitement informatique devient plus complexe.

Des concepts nouveaux ,désignés par des noms nouveaux,sont venus enrichir le vocabulaire de la biologie. C'est ainsi que sont apparus successivement:

 Le transcriptome, qui désigne l'ensemble des ARN messagers transcrits à partir d'un génome, et la transcriptomique qui est l'étude  de ces ARN. 

Le protéome qui est l'ensemble des protéines traduites à partir du génome et la protéomique qui permet d'analyser des ensembles de protéines (rôle, structure, localisation, interactions).

Le métabolome qui désigne l’ensemble des produits issus des réactions métaboliques induites par les protéines dans une cellule, un tissu, un organe ou un organisme.

L’interactome, qui est l'ensemble des interactions protéines-protéines et protéines-ADN.

Le régulome, régulation du fonctionnement des gènes au cours du développement et de la différenciation.

Le développement de la biologie des systèmes, discipline en plein essor, a permis d'ouvrir de nouvelles perspectives notamment dans le champ des applications médicales potentielles. C'est ainsi qu'est née la biologie synthétique et celle-ci ne se contentera pas d'expliquer ou de reproduire le comportement des systèmes biolgiques naturels, mais (elle) participera plutôt à la construction, la synthèse de nouveaux systèmes biologiques."

Aujourd'hui, dans les grands instituts de recherche, on peut noter que la réflexion bioéthique se développe, chez la plupart des scientifiques impliqués, en parallèle avec l'élargissement du champ des connaissances et des avancées technologiques.

Une des caractéristiques principales  des sciences du vivant du XXIe siècle, c'est l'utilisation d'une approche interdisciplinaire.
Biologie, physique, mathématiques, chimie et informatique sont sollicitées pour répondre à des questions complexes. De nouveaux instruments et de nouvelles approches technologiques sont utilisés qui peuvent bénéficier, en retour, de l'avancement des connaissances fondamentales. Ainsi, par exemple, l'informatique s'enrichit de la connaissance des réseaux neuronaux ou encore des études sur l'ADN...

I.6 La régulation par rétro-inhibition ou rétro-activation

Si l'on mettait la dynamique des système biologique dans le contexte de l'économie, on pourrait dire qu'elle est déterminée par l'offre et la demande . Par exemple lorsqu'elles ont besoin d'une grande quantité d'énergie pendant une activité physique, les fibres musculaires dégradent une grande quantité de glucose, libérant ainsi l'énergie nécessaire à la production d'une grande quantité de travail. A l'inverse lorsque vous vous reposez, une autre chaîne de réactions  chimiques convertit le glucose excédentaire en substance de réserve.

Comme la plupart des processus chimiques qui ont lieu dans la cellule , les processus qui stockent ou dégradent le glucose sont "accelérés" ou catalysés, par des protéines spécialisées appelées enzymes. Chaque type d'enzyme catalyse une réaction chimique spécifique. Souvent ces réactions sont liées à une même voie chimique, chaque réaction étant catalysée par son enzyme spécifique. Comment la cellule fait-elle pour coordonner ses diverses voie chimiques ? C'est grâce à la capacité de nombreux système biologiques de s'autoréguler par un mécanisme appelé rétroaction.

La rétroaction (on utilise aussi couramment le terme anglais feedback), est, au sens large, l’action en retour d’un effet sur le dispositif qui lui a donné naissance, et donc, ainsi, sur elle-même.

Dans la régulation par rétroaction , le produit d'un processus est le régulateur de ce même processus.

Chez les êtres vivants, la forme de rétroaction la plus courante est la rétro-inhibition, qui fait que l'accumulation du produit final d'un processus ralentit ce même processus. Par exemple la dégradation du glucose de la cellule produit de l'énergie chimique sous la forme d'une molécule appelée ATP . Une accumulation trop importante d'ATP "rétroagit" et inhibe une enzyme située au début de la voie chimique.

 

Il existe également des processus biologiques dont la régulation se fait par rétro-activation  ; ce type de régulation est cependant moins courant que la rétro-inhibition. Dans la rétroactivation, le  produit final de la chaîne réactionnelle biologique accélère sa propre production .

La coagulation du sang en réaction à une blessure illustre bien la rétro-activation. Quand un vaisseau sanguin est endommagé, les éléments sanguins appelés plaquettes commencent à s'agréger dans la zone de la lésion . La rétroactivation se produit quand les substances chimiques libérées par les plaquettes attirent encore plus les plaquettes. Les plaquettes s'accumulent puis amorcent un processus complexe qui scelle la lésion avec un caillot.

La régulation par rétroaction se produit à tous les niveaux de l'organisation biologique, de la simple molécule jusqu'à la biosphère. Ce mécanisme de régulation est un exemple d'intégration qui montre encore qu'un système vivant  constitue une entité plus grande que la somme de ses parties.