A. Les molécules biologiques, traces des dynamiques cellulaires

Plan

... la vie est vraiment l'objet PROPRE de la biologie; toute biologie doit se doter des outils nécessaires pour la comprendre

Compléments associés (hors de cette page) ;
* Les 4 causes d'Aristote en sciences de la vie
* Comprendre les génomes

• Introduction : Comment j'ai changé mon regard sur le vivant :
• A1 - De la genèse à l'abandon d'une vision chimique de la vie
  1.1 Des chromosomes à l'ADN
  1.2 De la physiologie aux réactions enzymatiques, seules dynamiques du vivant, puis retour
  1.3 Un essai de formulation des dynamiques cellulaires (partie théorique)
  1.4 L'investigation des dynamiques

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• A2 - Les protéines, reflets des dynamiques cellulaires
• A3 - Le paysage phénotypique en construction

Introduction

Comment j'ai changé mon regard sur le vivant

La vie n'est pas définie au niveau moléculaire.
Les niveaux d'organisation du vivant

La vie est vraiment l'objet PROPRE de la biologie; toute biologie doit se doter des outils nécessaires pour la comprendre. Si la biochimie est une voie d'approche de la vie, elle ne peut permettre seule de la comprendre. La vie ne se construit pas à partir du niveau moléculaire mais est un phénomène qui doit être pris comme une donnée. Les mathématiques sont l'outil le plus performant pour comprendre la vie à tous les niveaux.

Ce cours ne reprend donc pas le plan classique qui part des molécules pour arriver aux fonctions car je pense qu'il y a dans cette démarche une erreur profonde (du discontinu au continu). Ce sont les dynamiques (les fonctions) qui sont premières. Les molécules ne sont que des traces de ces fonctions.
Dans une première partie historique je veux montrer combien l'idéologie de la chimie de la vie a été prédominante au XXème siècle. Dans les parties suivantes je veux essayer de présenter les molécules dans leur contexte dynamique.

Cette démarche recoupe la différence entre les observations et expériences in vivo et les expériences in vitro. De très nombreux résultats de la biologie dite moléculaire ont été obtenus in vitro, et les modèles explicatifs proposés ont été, sans état d'âme, extrapolés au vivant. D'où la nécessité, d'une part d'approfondir notre connaissance physique du milieu vivant (si différent du milieu in vitro du tube à essais ; voir page sur la cellule), et d'autre part de toujours laisser la porte ouverte à des explications spécifiques au vivant et donc de proposer de nouveaux outils mathématiques ou physiques pour comprendre la vie.

La vie s'exprime au niveau des fonctions globales: nutrition, relation, reproduction (voir fiche Qu'est-ce que la vie ?).

Il est assez conventionnel d'affirmer que les organites et les structures cellulaires (comme une membrane) résultent des dynamiques de cette cellule (sans oublier l'influence de l'environnement). Mais on peut aussi faire cette même remarque au niveau chimique car une molécule n'est pas plus une structure qu'une dynamique (une saillance* au sens de Thom); pour pouvoir réagir avec d'autres substances une substance chimique doit être une forme dynamique et non une forme statique.

Selon Thom , on ne peut pas faire interagir deux formes statiques sans l'intervention d'une forme dynamique. Le cristal de NaCl se dissous dans l'eau car il présente à son interface avec le solvant une oscillation permanente à l'échelle des liaisons atomiques...

* le vocabulaire de RenéThom est expliqué dans la page sur les 4 causes.    

Toute molécule trouvée naturellement en place dans le vivant ne peut être que la trace ou le support d'une dynamique de vie mais en aucun cas "CAUSER la vie" (on parle de cause au niveau ontologique) ou si vous préférez "DÉTERMINER la vie" (on parle de déterminisme au niveau du phénomène).

Pour désigner un principe (une structure, une substance) qui cause un phénomène (au sens de la cause matérielle mais aussi formelle et efficiente, voire finale), il faudrait mieux parler de principe déterministe expérimental plutôt que de principe causal car seul le déterminisme (concret) peut être exploré au moyen de l'expérience ... en effet la cause n'est pas toujours suivie d'effet (voir page sur les niveaux d'organisation du vivant et page sur les 4 causes d'Aristote). Une molécule peut avoir une fonction locale, une fonction-outil comme toute molécule chimique dans un tube à essai mais si un biologiste à l'ambition de comprendre le vivant il ne peut considérer sans questionnement que cette fonction locale est responsable d'une fonction globale. Tout au plus cette fonction locale peut-elle résulter de la fonction globale.

Par contre lorsque l'on injecte une molécule (inséparable de sa dynamique), à un être vivant ou à une cellule, on a une toute autre approche. On tente de modifier chimiquement une dynamique ou même parfois on instaure une dynamique nouvelle. Le rôle de la molécule étrangère, même de l'eau, peut aider à comprendre la dynamique vivante mais là encore cela serait bien naïf d'imaginer que la molécule étrangère va avoir un rôle global qui résultera de la somme des actions locales qu'elle aurait eu en solution en dehors du vivant.

Il existe un film extraordinaire de manipulation de descendance en 1956 sur le canard par injection d'ADN (fiche du film : http://www.cerimes.education .fr/index.php?page=fiches &op1=view,1287,4,7,417; lien direct avec le film : (http://www.cerimes.education.fr/index. php ?page=affiche_video,http:// sfrs-streamer.sfrs.fr/ramgen/ media-2/sfrs/real/realvideo/ 4390.rm,,1287,4,7,417) Ces liens ne sont plus valables en 2010. Le CERIMES a, une fois encore, modifié son site....très peu de films gratuits et la plupart sans intérêt.

Une illustration:

Annexe 1 : un exemple du jeu entre local et global

Il est clair qu'historiquement les conceptions du vivant n'ont jamais cessé d'être diversifiées dans la communauté scientifique. Mais je pense que l'on peut affirmer qu'entre 1900 et 1960 la vision chimique de la vie (que l'on peut qualifier aussi de vision moléculaire) s'est petit-à-petit imposée pour devenir un paradigme dans lequel étaient donc éduquées les jeunes générations. Il y a toujours eu des enseignants et des chercheurs qui ont continué à s'opposer à cette vision réductrice du vivant. Mais les jeunes générations ont mis bien longtemps avant de réfléchir par eux-mêmes et de découvrir ces travaux qui avaient été (volontairement ou involontairement) écartés de l'enseignement qu'ils avaient reçu. Nous sommes, en ce début du XXIème siècle à un tournant et il est probable que l'on puisse d'ici quelques années (...dizaines d'années ?) arriver à changer le contenu de l'enseignement. Voici quelques éléments qui vont dans ce sens, même si, en tant qu'enseignant, ma position est forcément inconfortable, puisque ce que j'enseigne n'est pas conforme au paradigme dominant conforté par le pouvoir politique en place.

La structure des chromosomes et une ouverture sur leurs rôles a été vue en seconde : voir fiche chromosomes (6)

Les niveaux d'organisation sont expliqués dans la première page du cours de 1èreS

1.1.1 Dès les années 1930-40, les gènes héréditaires ont été compris par certains comme contrôlant -par une voie inconnue- les réactions chimiques de la vie

« From the standpoint of physiological genetics the development and functioning of an organism consist essentially of an integrated system of chemical reactions controlled in some manner by genes». (Beadle, 1941 : Le point de vue actuel de la physiologie génétique est que le développement et le fonctionnement d'un organisme résultent essentiellement de ceux d'un système intégré contrôlé d'une certaine manière par les gènes.)

Sous l'impulsion américaine, notamment par le biais de la fondation Rockfeller, même en France, une vision chimique de la vie s'est développée entre les années 1910 et 1960 qui a attiré chimistes et physiciens et a donné des applications pharmaceutiques directes notamment lors des deux guerres mondiales puis des applications technologiques encore actuellement en développement.

Beadle et Tatum ont développé (1941) un protocole bâti sur l'hypothèse de mutations géniques chez des souches auxotrophes de Neurospora sélectionnées sur milieux nutritifs déficients et construit le concept "un gène-une enzyme" (de 1941 à 1945).

Pour une analyse plus complète voir une page complémentaire sur quelques travaux de Beadle et Tatum au sujet du concept un gène - une enzyme.

page complémentaire:
De la mutation au problème de la variation

Lorsque George Beadle et Edward Tatum en 1941 cherchent un matériel expérimental pour établir un lien entre mutants et métabolisme, il choisissent Neurospora crassa, un champignon, et donc un eucaryote, car, malgré le fait qu'Edward Tatum soit microbiologiste, la notion de gène bactérien n'est pas encore admise (voir page sur G. Beadle, E. Tatum et le concept un gène - une enzyme ). Par contre lorsque Tatum travaillera seul après 1946 il retournera aux bactéries pour lesquelles la notion de gène étaient désormais admise. Dès 1941 et puis d'une façon encore plus nette en 1945 les résultats sont exploités avec l'idée que toutes les exigences biochimiques d'un organisme sont susceptibles d'être contrôlées par des gènes dont on peut faire l'exploration au moyen de mutations dont on sélectionne les représentants sur des milieux appropriés. Toute idée d'une variabilité métabolique individuelle, d'une adaptation ou de transformation au cours du développement, de la redondance de mécanismes biochimiques... est non envisagée. On s'enfonce dans ce que l'on pourrait appeler maintenant le réductionnisme biochimique.

L'article de Luria, S. E., and M. Delbrück de 1943 (étudié dans une page sur les mutations): Mutations of bacteria from virus sensitivity to virus resistance (Genetics, 28: 491-511 -http://www.esp.org/f oundations/ genetics/classical/ holdings/l/ slmd-43.pdf) est considéré par certains comme le premier papier qui expose clairement des arguments (statistiques) tendant à prouver que les bactéries ont aussi des gènes (raisonnement basé sur l'apparition de mutations). «We consider the above results as proof that in our case the resistance to virus is due to a heritable change of the bacterial cell which occurs independently of the action of the virus.» (Nous considérons que les résultats ci-dessus sont la preuve que, dans notre cas expérimental, la résistance aux virus est due à l'apparition d'un caractère héritable chez la cellule bactérienne, de façon indépendante de l'action du virus).
Une prise de distance est aujourd'hui nécessaire face aux conclusions des auteurs (voir discussion).

je renvoie à une Annexe:
question de vocabulaire :
génotype-phénotype-allèle-gène

« La sélection a posteriori d'individus modifiés n'est pas seulement la méthode exclusive en biotechnologie, mais également la voie d'investigation privilégiée du vivant. [...] Or, une telle méthodologie implique un lien déterministe (voir ci-dessous) entre le génotype et le phénotype, alors que ce lien prétend être lui-même démontré par l'expérience » (La raison malmenée, Nissim Amzallag, CNRS Éditions, 2002, p 34)

Solution actuelle

Le déterminisme concret (qui infère la prédictibilité) n'est plus considéré comme évident et l'on reconnaît maintenant en biologie des phénomènes indéterminés (on utilise souvent le mot de hasard pour définir cet indéterminisme mais ce n'est donc pas le sens classique: il s'agit d'un "hasard expérimental" (un phénomène que l'on ne peut pas prévoir expérimentalement) et non ontologique (qui s'oppose à la causalité) ou même mathématique ; voir page sur la science et page sur les 4 causes en SVT).

En ce qui concerne le déterminisme génétique ("tel gène conduit à tel produit dans tel environnement"), les positions varient selon la philosophie des auteurs. Mais on peut considérer deux attitudes principales :
- soit les généticiens noient la causalité dans une infinité de causes (le nombre de facteurs est trop grand pour que l'on puisse avoir un déterminisme expérimental: "la présence d'un gène donné n'est ni nécessaire ni suffisante pour obtenir tel produit") - cette attitude est voisine d'un relativisme même si elle met en avant la complexité réelle,
- soit ils ont recours à des modèles dits stochastiques pour lesquels le fonctionnement inclut lui-même une incertitude sur le résultat du fait de l'incertitude sur les conditions initiales ou sur les trajectoires ou sur tout autre élément qui n'empêche pas un phénomène d'être déterminé mathématiquement alors qu'il est indéterminé expérimentalement (certains parlent de façon inadéquate de chaos déterministe...).
Ces différents courants de biologie théorique sont représentés par la cybernétique (courant le plus ancien) et une science des réseaux (souvent repris par la biologie intégrative ou synthétique), ou encore des positions qui mettent en avant le concept d'émergence (auto-organisation) ou encore la vision probabiliste de Kupiec.

Rq: on utilise parfois le terme de postdarwinisme pour désigner cette attitude en se référant à une confusion entre le hasard darwinien et l'indéterminisme moderne (voir page sur l'évolution pour un essai de compréhension de ce qu'est le postdarwinisme).

La première partie de la conférence grand public de Michel Morange: La biologie, de révolutions en révolutions... prononcée en 2006 au congrès IPG (Integrative Post Genomics) recoupe partiellement mes propos: je vous encourage, malgré la mauvaise qualité de la vidéo, à suivre celle-ci:

voir la totalité de la conférence (84,2 Mo format .wmv)

On est passé progressivement d'un gène eucaryote comme unité de mutation (et de recombinaison) - associé à un emplacement dans un chromosome -, à un gène, unité de fonction, associé à une enzyme, catalysant une (ou deux) réactions chimiques, et présent aussi bien chez les procaryotes que chez les eucaryotes. Ce que l'on peut appeler une vision moléculaire du gène qui a perdu son lien avec le chromosome (et avec la cellule vivante ou même avec l'organisme) pour se limiter à la molécule d'ADN.

Un exemple paradigmatique: l'ADN comme cause directe de la synthèse des polyosides de la capsule des pneumocoques

page complémentaire:
De la mutation au problème de la variation

Griffith (1922-1928) a exploré très scientifiquement et avec une grande honnêteté intellectuelle la variabilité de la formation de la capsule protectrice des pneumocoques en culture et in vivo chez la souris. Parmi d'autres hypothèses et de très nombreux autres cas, il propose la présence d'un facteur chimique inducteur spécifique de certaines réversions (retour à la capacité à synthétiser une capsule après la perte de celle-ci) avec changement de type sérologique.

Parmi les nombreux physiciens et chimistes regroupés notamment à l'Institut Rockfeller aux États-Unis c'est l'équipe Avery, Mc Leod et Mc Carty (1944) qui réussit à sélectionner des réversions avec changement d'un type sérologique (II->III) en bouillon de culture (in vitro), en présence de fluide sérique humain, sous l'action d'un facteur inducteur qui est de l'ADN purifié (le mieux possible).

Les publications originales sont analysées dans une page complémentaire sur la transformation bactérienne des pneumocoques.

Concept historique de gène moléculaire, unité fonctionnelle synthétique de la cellule.
Cette notion va de pair avec la celle d'information génétique.
Elle est traitée dans une page de cours pour les élèves de1ères S.

La transformation bactérienne, comprise maintenant, de façon quasi générale, comme un échange génétique (qui sera prouvé dans des cas de conjugaison), peut donc avoir une signification bien plus large. Rien ne prouve l'échange d'ADN ici. Il peut s'agir d'une modification d'un réseau métabolique. Ensuite, la transformation, même génétique, peut se faire sans transfert d'ADN. On peut même imaginer que la cellule synthétise alors de nouveaux gènes (à partir d'ARN comme cela est maintenant proposé).

La raison malmenée, Nissim Amzallag, CNRS Éditions, 2002, p 35

page complémentaire:
De la mutation au problème de la variation

Deux exemples pour montrer l'obsolescence de la liaison génotype-phénotype enseignée: l'alcaptonurie, qui ne peut plus être enseignée comme une maladie à transmission héréditaire autosomale récessive et la phénylcétonurie, plus complexe, mais pour laquelle la liaison génotype-phénotype reste réfractaire à l'exploration expérimentale.
(ces pages demandent des connaissances de terminale).

page complémentaire : Les enzymes et la fonction enzymatique

1.2.1 Dès 1940, les protéines, et principalement les enzymes, ont été comprises comme le principe causal des dynamiques

Pour Afinsen la séquence des aa détermine la forme des protéines et la forme détermine la fonction propre

C'est James Sumner qui en 1926 cristallise l'uréase et émet l'hypothèse que toutes les enzymes sont, comme il vient de le déterminer pour l'uréase, de nature protéique.

Un quart de siècle plus tard, on considère que les protéines enzymatiques constituent un tout fonctionnel et que le repliement (unfolding en anglais) de la chaîne d'acides aminés qui la compose, stabilisé par les liaisons faibles, est la clé de l'activité catalytique.

Un article de Christian B. Afinsen et col. de 1954 est parfois cité comme celui où il affirme que la séquence des acides aminés de la chaîne polypetidique (pour l'exemple de la ribonucléase qu'il étudie) détermine le repliement dans l'espace de la molécule enzymatique et donc son activité catalytique : c'est la « native conformation » que prend spontanément une enzyme dans "le milieu". Studies on the Gross Structure, Cross-Linkages, and Terminal Sequences in Ribonuclease, Anfinsen, Christian B., Redfield, Robert R., Choate, Warren I., Page, Juanita, Carroll, William R., 1954, Journal of Biological Chemistry 207, no. 1: 201-210 (http://profiles.nlm.nih.gov/KK/B/B/J/T/_/kkbbjt.pdf).

Depuis les années 1980 les résultats se sont accumulés et vont dans un sens bien différent

La mutagenèse dirigée (sélection de mutants présentant des séquences d'enzymes dont des parties sont modifiées à volonté) a permis de voir que les sites supposés actifs n'étaient pas forcément indispensables à l'activité de l'enzyme ou, à l'inverse, que des parties, moins critiques a priori, étaient en fait essentielles à la fonction locale.

On s'efforce de plus en plus de comprendre le fonction enzymatique in vivo et non plus sous forme d'extrait purifié dans des conditions très éloignées du cytoplasme et les résultats sont vraiment inespérés (pour une approche de l'eau dans la cellule voir la page spéciale).
On peut citer la compréhension du repliement des protéines (protein-unfolding) qui est actuellement orientée par au moins trois concepts:
- d'une part que la séquence primaire ne permet pas de prévoir la forme de la protéine repliée (voir l'extrait ci-dessous),
- d'autre part, qu'il semble exister des protéines chaperons qui se chargent de mener à bien le repliement des protéines,
- et enfin que certaines protéines sont tout aussi efficaces avec des domaines non repliés.

Chemical physics of protein folding, CHARLES L. BROOKS, MARTIN GRUEBELE, , JOSE NELSON ONUCHIC, AND PETER G. WOLYNES, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 95, pp. 11037- 11038, September 1998

«... un nouveau point de vue sur le repliement des protéines est nécessaire. Ce point de vue est celui des physico-chimistes plutôt que celui des chimistes classiques. La chimie physique demande une attention particulière aux forces sous-jacentes et aux événements à l'échelle microscopique. Cette approche a nécessité un ensemble de nouvelles idées théoriques, des techniques informatiques, et des avancées majeures dans la méthodologie expérimentale. La théorie du paysage énergétique fournit un cadre théorique selon lequel une compréhension du repliement des protéines nécessite une vue globale du paysage. Le paysage de repliement d'une protéine est voisin d'un entonnoir plissé avec des puits dans lesquels la protéine peut se trouver transitoirement (voir Fig 1 ci-contre). Il n'y a pas un trajet unique mais un grand nombre de trajets de repliement qui convergent vers une forme native.»

« ...a new viewpoint on folding is required. This new viewpoint is that of the chemical physicists rather than the classical chemists. The chemical physics view brings the problem in much closer connection to the underlying forces and the underlying microscopic events. This view has required a new set of theoretical ideas, computational techniques, and major advances in experimental methodology. Energy landscape theory provides the theoretical framework, asserting that a full understanding of the folding process requires a global overview of the landscape. The folding landscape of a protein resembles a partially rough funnel riddled with traps where the protein can transiently reside (Fig. 1). There is no unique pathway but a multiplicity of convergent folding routes toward the native state.»

Maintenant on commence à pouvoir étudier les dynamiques mathématiquement, indépendamment de leur matérialisation; de nouveaux outils , voisins de ceux de la physique, sont développés dans le cadre d'une biologie théorique plus mathématique

extrait de René Thom, La notion de préprogramme en biologie, 1984(f5), pp3-4

«... on diminuera l'arbitraire de la construction par une considération systématique des contraintes qui pèsent à la fois sur l'organisation spatio-temporelle de l'être vivant, et sur sa régulation physiologique. Pratiquement, toutes ces contraintes sont la conséquence d'un seul principe : le principe de localité. Il s'exprime ainsi : tout processus interne à un organisme doit pouvoir se décrire comme résultant de déterminismes locaux. Autrement dit, toute action à distance se trouve proscrite, étant considérée comme magique. Les entités imaginaires introduites seront elles-mêmes astreintes à des déterminismes locaux, soit sur l'espace-temps, soit dans les espaces abstraits de caractère sémiotique où elles peuvent se trouver définies. L'hypothèse de localité se présente en fait sous deux formes assez distinctes .
- Ou sous forme continue : il s'agit d'apporter des contraintes à la propagation spatio-temporelle de certaines grandeurs, ou champs, que ces champs soient concrètement définis (diffusions moléculaires, courants fluides, champs physiques comme le champ électro-magnétique, la lumière, le son), ou que le substrat physico-chimique d'un tel champ soit inconnu (comme les champs morphogénétiques de l'embryologie, par exemple). Fréquemment (sinon toujours), ces entités propagatives sont des transporteurs d'énergie, des flux énergétiques. De plus, très généralement, ces « champs » ont une signification biologique, à valeur régulatoire. (Ce que j'ai appelé ailleurs des « prégnances* ».)
- Ou sous forme discrète : il s'agit alors d'interaction entre entités locales contiguës (comme des cellules), séparées par une interface (membrane ou paroi). On a alors affaire à des formes individuées douées de « saillance* ». Ceci dit, les déterminismes locaux à considérer seront de deux types :
a/ un champ (une « prégnance* ») investit une forme saillante compétente pour ce champ et y produit des effets « figuratifs » (i.e. des apparences ou comportements nouveaux) ;
b/ une forme saillante*, par une modification de sa forme ou de sa position, produit une modification topologique importante (scission, ramification, concentration, arrêt, déclenchement) dans le flux énergétique d'une prégnance*.»

* pour le vocabulaire thomien voir page sur les 4 causes d'Aristote en SVT

1.2.2 . La théorie de l'information génétique (ou le couple ADN-protéines comme principe causal de toute la machinerie morphogénétique de la vie) est devenu un paradigme

Il est difficile de situer historiquement la naissance de ce qui va devenir un paradigme, qui est encore utilisé par certains biologistes actuellement (qui prétendent ne pas avoir besoin des nouveaux développements théoriques, voir l'article Qu'est-ce qu'un gène ? , ainsi ce généticien affirmant «Je ne m'occupe pas vraiment de savoir s'il est impliqué ou non dans la fabrication d'une protéine» ), et qui est enseigné dans le secondaire, mais aussi, souvent, dans le supérieur.

La théorie de l'information génétique n'est pas une théorie héréditaire, c'est une théorie du vivant (une biologie théorique si l'on va dans le même sens que Michel Morange) qui, selon René Thom, fusionne indûment la notion d'information et de cause (voir cours TS spécialité). La causalité étant supposée évidente au regard d'une matière toute puissante. Elle est indissociable d'un matérialisme (voir par exemple l'article "forme" de Jean Petitot dans l'Encyclopédie Universalis ou la page de ce site sur les modèles).

Il semble que certains physiciens et chimistes soient pour beaucoup dans l'avènement de ce paradigme (il est intéressant de noter que nombre des chercheurs cités dans cette page ont commencé par des études de physique et de chimie et ne sont venus à la biologie moléculaire que plus tard). Max Delbrück (1906-1981) qui fit partie du groupe du phage, et qui proposa notamment une interprétation quantique des mutations qui représenteraient un saut entre deux états stables du gène, semble avoir influencé Erwin Schrödinger (1887-1961) qui dans son livre Qu'est-ce que la vie ?, publié en 1944, parle déjà de programme génétique (?) en ces termes « ces chromosomes (...) qui contiennent sous la forme d'une espèce de code le modèle intégral du développement futur de l'individu et de son fonctionnement dans l'état adulte ». On peut aussi souligner le rôle de Linus Pauling (1901-1994) qui, en plus de ses découvertes fondamentales en chimie, est celui qui a montré le rôle essentiel des liaisons faibles en biochimie (une bonne part de la compréhension moléculaire que l'on a du vivant actuellement, du moins selon la vision la plus courante, est due à ses idées), mais il est aussi le découvreur des hélice alpha et feuillets bêta des protéines avec Corey en 1951, ou encore celui qui proposé, en 1965, avec Emile Zuckerkandl, le concept d'horloge moléculaire.

une source très importante de documentation historique (en anglais) : http://www.dartmouth.edu/ ~bio70/papers.html

C'est en embryologie que, paradoxalement (Morgan était d'abord un embryologiste avant de se rallier aux théories chromosomiques de l'hérédité), la théorie de l'information génétique va se développer en s'appuyant sur la notion de programme génétique de développement: idée selon laquelle les gènes, et tout particulièrement des gènes majeurs qualifiés de gènes du développement, sont activés séquentiellement dans les différents tissus et organes mis en place au cours de l'embryogenèse (on parle de derépression séquentielle des gènes).

Scott F. Gilbert, un embryologiste prolifique, auteur du monumental Biologie du développement (De Boeck Université, dernière édition française 2004) - site internet de mise à jour en anglais ; http://8e.devbio.com/), s'est efforcé de mettre à la portée de tous ces données historiques. On peut voir par exemple, en plus du lien ci-dessus (en anglais) :

• The Embryological Origins of the Gene Theory (http://zygote.swarthmore.edu/gene1.html)
• Cellular Politics: Ernest Everett Just, Richard B. Goldschmidt, and the Attempt to Reconcile Embryology and Genetics (http://zygote.swarthmore.edu/gene2.html)
• Induction and the Origins of Developmental Genetics (http://zygote.swarthmore.edu/gene3a.html)
• Enzymatic Adaptation and the Entrance of Molecular Biology into Embryology (http://zygote.swarthmore.edu/gene5a.html)

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De nombreux mathématiciens et philosophes se sont élevés contre l'emploi abusif des mots information et programme par les biologistes : un texte particulièrement profond présenté par Guiseppe Longo : L'alphabet, la Machine et l'ADN : l'incomplétude causale de la théorie de la programmation en biologie moléculaire, lors du Colloque de Philosophie des sciences : LE LOGIQUE ET LE BIOLOGIQUE, 22 avril 2005, Université Paris 1  (Panthéon-Sorbonne).

Les embryologistes qui ont travaillé en dehors du paradigme moléculaire ont été peu nombreux (et peu médiatisés)

Voir aussi quelques données sur la théorie de R. Chandebois présentées sur une ancienne page.

L'embryologiste Rosine Chandebois a présenté une théorie du développement autonome dans plusieurs ouvrages :
- Le gène et la forme (ou la démythification de l'ADN), Rosine Chandebois, 1989, Ed. Espaces 34
- Comment les cellules construisent l'animal, Rosine Chandebois, 1999, Phénix éditions, Paris.

Plus récemment Vincent Fleury, un physicien d'origine, à présenté des travaux plus médiatisés (site personnel):
- un article (Morphogenèse des structures arborisées et conditions physiques d'une croissance biologique auto-organisée, ch4, pp 111-140) dans un ouvrage (que je conseille) à destination d'un public savant : Génétiquement indéterminé, Quæ (Cemagref, Cirad, Ifremer, Inra) , 2007 -table des matières: http://www.quae.com/livre/?GCOI=27380100948540)
- et des ouvrages personnels de vulgarisation:
Des pieds et des mains, Vincent Fleury, 2003, Champs-Flammarion et
De l'œuf à l'éternité (le sens de l'évolution), Vincent Fleury, 2006, Flammarion.

(extrait vidéo (.mov) sur le temps biologique -1Mo) Guiseppe LONGO, présentation de son livre avec Francis Bailly, Mathématiques et sciences de la nature. La singularité physique du vivant, Hermann, Paris, juillet 2006

Guiseppe LONGO :
«en biologie c'est le temps qui est un opérateur et l'énergie une variable alors qu'en physique c'est l'inverse ».

complément sur le temps continu dans le cours de terminale sur le temps

En sciences expérimentales, on cherche à s'appuyer sur les causes (page sur les sciences). Si l'on accepte la richesse de la pensée d'Aristote (voir page sur les 4 causes en SVT), on peut séparer le problème de la causalité de façon pertinente:
* causes matérielle et formelle se comprennent comme la réception d'une forme (saillante) dans une matière continue (puissance). La matière des chimistes, comme celle des biologistes, est forme saillante.
* la cause efficiente, principe du mouvement, s'efforce de comprendre la dynamique de la prégnance qui investit la matière. C'est là que ce situe le temps. C'est là que l'on peut séparer un temps physique d'un temps biologique.
* la cause finale recherche directement la source des prégnances et donc la source de la vie. Elle n'est pas différente en biologie et en physique.

Dans le mouvement des synthèses de la cellule vivante comment concilier une dynamique qui va de l'ADN à la protéine et qui a été décrite par l'image de l'information (d'une façon qui semble désormais si inappropriée) et une dynamique qui va de la cellule à l'ADN ? La réponse pourrait résider dans une différence de temps qui engendrerait deux types de dynamiques différentes.
Les dynamiques de synthèse (ADN => ARN, ARN => protéines, et autres synthèses) sont très rapides avec des unités de temps caractéristiques de plusieurs ordres de grandeur sous la seconde.
Les dynamiques d'héritage, de mise en mémoire... sont beaucoup plus lentes et dépendent fortement de l'organisme. Si l'on prend la durée d'un cycle cellulaire comme unité de temps on a des phénomènes avec des temps caractéristiques autour de l'heure, de la journée ou de l'année. C'est là qu'intervient encore une fois la méthode thomienne tout à fait capable de générer des modèles avec deux paramètres continus dont l'un est rapide et l'autre lent. C'est même une des caractéristique des modèles catastrophiques (voir page sur les modèles de René Thom)..

René Thom
Photo extraite du CDRom des Œuvres complètes de René Thom publié par l'IHES:http://www.ihes.fr/jsp /site/ Portal.jsp?page_id=217)

*Pour le vocabulaire et des généralités sur les modèles thomiens voir une page spéciale.

** chréode, emprunté à Waddington, n'a pas été retenu par l'usage, iI signifie "route obligatoire" suivi par un processus en développement. Le terme de paysage épigénétique, aussi du à Waddington, est maintenant employé pour signifier l'ensemble des trajectoires (qui ne sont pas toutes des chréodes car non structurellement stables).

René Thom, Dynamique globale et morphologie locale chez les êtres vivants, 1981, 11. Preprint IHES, Bures-sur-Yvette, cf. ULP, Sém. Fond. Sc. RCP 443, Strasbourg, 13 novembre 1981, cité dans le CDRom des œuvres complètes :1981f11.pdf ; pp 6-8 C'est moi qui souligne        

Pour d'autres explications voir la page sur les modèles thomiens.

« 3. Vers un nouveau paradigme en Biologie

Les variations de type d'attracteur s'appellent en mathématique des bifurcations. Or on démontre, en Dynamique Qualitatitive, qu'au voisinage de chaque attracteur, il existe une sorte d'entropie locale qui croît sur les trajectoires voisines de l'attracteur (ce qu'on appelle une fonction de Lyapunov) ; et lorsqu'un attracteur entre en bifurcation, sa fonction de Lyapunov subit elle aussi une bifurcation dont on pourra supposer qu'elle est analytique. Le modèle de la théorie des catastrophes consiste à distinguer deux types de variables ; des variables internes x, à variation rapide loin de l'équilibre (et des points singuliers du système) ; et des variables u (dites variables externes ou de contrôle) à variation lente. Cette différence de vitesse entre les dynamiques sert en fait à exprimer le rapport entre deux niveaux d'observation : un niveau local fin, paramétré par les x, et un niveau plus grossier - moyenné - paramétré par les u ; la dynamique totale* étant représentée par un potentiel V(x; u) dont on prend le gradient en x. Le même formalisme intervient en Physique dans la théorie des changements de phase (théorie dite de Landau, ou du champ moyen). Ce modèle semble bien adapté à la description de l'épigénèse de l'embryon : les différenciations cellulaires sont alors - comme l'avait suggéré en 1949 Max Delbrück - représentées par des attracteurs du métabolisme cellulaire local, en raison du changement de niveau réalisé de la cellule (niveau fin) au tissu (niveau grossier). On suppose alors que ces potentiels locaux V(x; u), où les variables u contiennent les coordonnées d'espace-temps, ont une signification fonctionnelle liée à la régulation globale de l'organisme ; et que, dans les bifurcations qui les affectent ces significations subissent elles-mêmes des variations compatibles avec la contiguïté sémantique de leurs significations. Tel est le principe, par exemple, d'une théorisation de l'embryologie, dont j'ai esquissé autrefois les premières étapes (pour la gastrulation et la neurulation chez les Vertébrés, notamment).

Je ne me dissimule pas le caractère extrêmement incomplet de ces tentatives : en effet, j'ai été amené à faire sur les bifurcations des hypothèses très restrictives (hypothèses de généricité, lesquelles conduisent à la stabilité vis-à-vis des perturbations) ; par ailleurs, le formalisme - qui est purement qualitatif - ne permet par lui-même aucun contrôle métrique de la croissance des tissus. A cet égard, il y aurait lieu d'introduire de manière plus systématique la notion de « phase »** : le tissu osseux est - à peu près - une réalisation de la phase solide ; le tissu sanguin réalise une phase liquide ; or chaque phase a son propre « groupe de symétrie » qui lui aussi agit dans l'espace u des coordonnées spatio-temporelles ; d'où des contraintes sur l'application de l'espace (u) dans le « déploiement » de la bifurcation, application qui définit la croissance et le mouvement de la phase correspondante. Les phases locales définies par des minima des potentiels V(x; u) seraient à la fois en équilibre « sémantique » - dans un champ sémantique approprié - et globalement, des contraintes de conservation des espèces chimiques et de leur ordre moléculaire imposeraient des relations entre les modes de croissance de ces phases (noter que le problème analogue de la croissance d'une phase en milieu inanimé - par exemple, une cristallisation - n'est pas résolu). On pourrait donc qualifier cette méthode de structuralisme dynamique ; elle réconcilie Geoffroy-Saint-Hilaire et Cuvier : Geoffroy, parce que la succession des différenciations successives dans l'embryon se réalise de manière sensiblement isomorphe entre diverses espèces de Vertébrés ; Cuvier, parce que les potentiels locaux V(x; u) (ou fonctions de Lyapunov) ont une signification fonctionnelle liée à la régulation globale de l'organisme. On a affaire là à une sorte de vitalisme méthodologique , nullement incompatible, d'ailleurs, avec le réductionnisme physico-chimique.» *pour des exemples de dynamiques voir une page complémentaire (la dernière partie est en gestation : toute contribution serait bienvenue)
**voir page sur l'organisation du vivant

Un aperçu des dynamiques enzymatiques a été réalisé par R. Thom
(voir page sur les enzymes)

en travaux

Je recommande ici particulièrement la réflexion de Gérard Nissim Amzallag; basée sur ses recherches en botanique elle est diffusée dans des ouvrages et articles de vulgarisation accessibles à tous :
- La raison malmenée. De l'origine des idées reçues en biologie moderne, Gérard Nissim AMZALLAG, CNRS Éditions, 2002
- Du sens de la variabilité, Ch 1 in Génétiquement indéterminé - le vivant auto-organisé, 2007, Éditions Quæ (plan du livre)