La complexité du vivant expliquée simplement !
Je me propose ici de donner au lecteur novice un fil d’Ariane qui permette de ne pas se perdre dans le labyrinthe que constitue la complexité du vivant. Je montre un chemin, ce n’est pas le seul possible. Il ne s’agit pas d’un exposé magistral mais d’un outil pédagogique qui pourrait être utile à des non-scientifiques intéressés par les sciences du vivant ou à des scientifiques formés dans d’autres domaines. J’espère que cette brève synthèse leur sera d’une lecture facile, tout en leur ouvrant un large champ de réflexion. Je donnerai ici une conception totalement physicaliste du vivant. C’est la position de la plupart des savants qui se penchent sur les propriétés du cerveau notamment, et sur les mécanismes de l’évolution, mais pas de tous. C’est celle de Gérald Edelman : « Ma... présupposition est fondée sur le fait d’admettre qu’on doit strictement obéir aux principes de la physique et que le monde défini par la physique est causalement fermé. Il ne comprend pas de forces fantomatiques contrevenant à la thermodynamique. » J’essaierai de suivre les conseils d’un grand pédagogue : « Si vous n’arrivez pas à expliquer un concept à un enfant de six ans, c’est que vous ne maîtrisez pas ce concept. » A. Einstein.
Le sujet étant un peu long, je le diviserai en plusieurs parties :
1. Des briques de la matière aux briques du vivant
2. L’émergence du vivant
3. La socialisation des cellules
4. L’émergence de la conscience
5. La société humaine
Première partie : Des briques de la matière aux briques du vivant.
Si dans le détail, le phénomène vivant est bien le summum de la complexité, le mécanisme qui le conduit est accessible à tous, pour peu qu’on ne s’enferme pas dans des dogmes et des préjugés.
La nature utilise des lois simples : il y a quatre sortes de forces qui agissent chacune dans un domaine particulier et une « énergie / matière » qui sont deux aspects différents de la même réalité.
Notre histoire commence il y a 13,7 milliards d’années, dans une fulgurante explosion à qui un grand physicien a donné le nom de Big Bang, par analogie avec la description mythologique que donne la Bible de la construction de l’univers et pour tourner en dérision une théorie qu’il contestait mais qui s’est imposée. En réalité, il n’y avait ni tonnerre ni éclair, car le son et la lumière restaient prisonniers de cette super gravité qui dominait tout. •Nous nous limiterons à notre univers familier, celui que nous connaissons le mieux, composé de galaxies, de soleils et de planètes où est apparue la vie. Il ne représente que 5% du contenu du cosmos, dont le reste se partage entre une matière sombre inconnue et pour 70% d’une énergie encore plus mystérieuse qui serait à l’origine d’une antigravité responsable de l’expansion continue de l’univers. •Nous ne nous aventurerons pas non plus sur les infimes fractions de la première seconde pendant les 10-43 seconde que dure l’Ere de Planck car la physique que nous connaissons n’y a aucun sens. •Nous laisserons aussi débuter cette inflation de l’univers où les quatre forces fondamentales vont se dissocier une à une de la super force originelle : la gravité d’abord, puis les forces nucléaires fortes et faibles, et enfin la force électromagnétique. Désormais ces forces vont présider à l’organisation de l’univers. •Nous attendrons encore cent millièmes de seconde, que d’infimes particules élémentaires, les quarks, se groupent par trois pour former les protons et les neutrons, ces objets familiers qui sont les premières briques qui construiront la matière. •Laissons encore passer le reste de la première seconde pendant laquelle se joue la plus titanesque guerre de tous les temps, un formidable combat de deux frères ennemis, totalement jumeaux et symétriques, mais fondamentalement incompatibles. Un fabuleux élan de destruction oppose deux forces gigantesques en tout point identiques et va en un instant anéantir l’antimatière au profit de la matière qui règnera désormais !
Après la première seconde, le décor est posé : nous avons les forces fondamentales qui imposeront leurs lois à cette matière énergétique qui ne pourra que les suivre. Commence alors un mécanisme très simple : à partir de cette profusion surabondante d’énergie, une construction patiente va se faire, par assemblages successifs des éléments précédemment construits. L’univers va se complexifier, sans fin et sans limite si ce n’est le temps et l’énergie dont il dispose et que nous considérons comme infini.
Nous avons vu que les quarks avaient donné naissance aux premières briques, les protons et les neutrons, en s’associant trois à trois. Commence alors la première construction : protons ou neutrons s’associent à leur tour pour former des noyaux plus gros. Un rien les distingue : une simple charge électrique, mais ils ont la même masse, à cette charge près. Un proton tout seul, c’est un noyau d’hydrogène. Groupés par deux, c’est un noyau d’hélium. Ces éléments les plus simples resteront les plus abondants de l’univers : 73% pour l’hydrogène, 25% pour l’hélium. Mais les 2% qui restent vont connaître un destin fabuleux ! Nous n’en sommes encore qu’aux premières minutes de l’histoire. L’univers est toujours invisible, ni bruyant ni lumineux, mais cette soupe primordiale bout à un milliard de degrés ! Il faudra 400 000 ans pour que la lumière soit ! À force d’expansion, l’univers devient moins dense, la température descend à 3000 degrés, la gravité diminue et laisse s’échapper la lumière qui se propage librement dans une matière devenue transparente. L’assemblage de protons continue sous l’influence des forces nucléaires, ils s’associent par deux, par trois, par quatre, on ne voit pas de raison pour que ça s’arrête. Mais il y en a une : tout se fait au hasard et évidemment, plus c’est compliqué, moins ça a de chance de se produire et plus la construction est fragile. Ce jeu de construction a un seul type de brique voit vite ses limites : quand on en met trop, la construction devient instable et autour de cent, elle s’avère improbable et éphémère. Le nombre de noyaux possibles se limite donc à la centaine. Pour que les constructions continuent, il faudra trouver d’autres règles et d’autres briques. Cela ne tardera pas : les électrons dotés d’une charge électrique négative vont se lier aux noyaux et constituer des entités électriquement neutres : les atomes. Les atomes sont les premiers éléments construits qui seront à leur tour les nouvelles briques élémentaires destinées à la poursuite des édifices à un degré de complexité supérieure : il n’y a plus un seul type de briques, mais près d’une centaine sont utilisables. Et comme toutes les combinaisons sont possibles, atomes semblables, atomes différents, par deux, par trois, par dix, les combinaisons possibles deviennent infinies. On est passé des différentes sortes d’atomes, une centaine, aux différentes sortes de molécules : une infinité ! On touche là l’extraordinaire richesse de la méthode cumulative dans la construction de cette complexité. Chaque fois qu’un édifice construit devient à son tour une brique pour les constructions suivantes, se produit une émergence : des propriétés nouvelles et d’une autre nature que ne laissaient pas prévoir les propriétés de leurs composants. Mais le domaine d’épanouissement de la chimie nécessite des conditions bien particulières : la température ne doit pas être trop élevée et les atomes doivent être disponibles en abondance. L’environnement nécessaire va se créer à partir de la turbulence de la mixture cosmique : de petits grumeaux se forment sous l’influence des ondes gravitationnelles et se structurent en amas qui se condensent, s’illuminent et où s’agglutine la matière. Ces structures dessinent des filaments, des plans ou des bulles où se forment les étoiles et les galaxies séparées par du vide. Les étoiles sont des concentrations de matière, c’est-à-dire essentiellement d’hydrogène, solidarisées par la gravité que provoque leur masse. Elles grandissent en captant la matière de proximité et plus leur masse augmente, plus efficace est la gravité qui capte et agglutine cette matière. La pression interne augmente alors, et avec elle la température. Quand la température atteindra 15 millions de degrés, les noyaux d’hydrogène vont fusionner par deux pour donner un noyau d’hélium qui à son tour pourra fusionner en carbone. Cette fusion nucléaire, en libérant une fantastique énergie, permet aux étoiles d’être lumineuses. Et si elle n’arrivent pas à grandir, elles restent noires. Autour d’elles, les amas de matière ne sont pas toujours absorbés. S’ils passent trop loin, ils échappent à l’attraction de l’étoile. A une distance intermédiaire, qui dépend de leur masse, ils s’installent au contraire sur une trajectoire en orbite. Ces satellites de petite taille, vite refroidis, formeront les planètes. Certaines planètes vont pouvoir fournir un environnement propice à l’essor de la chimie : notre soleil (et ses planètes) est vieux de seulement 4,5 milliards d’années. C’est une étoile naine jaune. Parmi ses huit planètes, la Terre offre des conditions privilégiées : sa température est modérée, l’eau liquide s’y est abondamment formée et toutes sortes d’atomes ont essayé de se combiner. La chimie a trouvé des conditions idéales et la complexité y atteindra des sommets.
Les molécules ouvrent une nouvelle voie à la complexification de la matière : elles sont infiniment plus nombreuses que les atomes, infiniment plus variées et leurs propriétés sont bien différentes.
Mais la construction des molécules est plus complexe que celle des atomes. Les liaisons se font au hasard, mais sont conditionnées par les formes respectives des atomes et des molécules ainsi que par le type des charges électriques qui s’attirent ou se repoussent. Ces liaisons sont faibles, de nature électromagnétique. A ce stade, même si toutes les combinaisons d’atomes et de molécules sont possibles, elles se font au hasard et à un seul exemplaire. Des configurations simples peuvent se reproduire et s’accumuler si elles sont stables. Mais plus elles sont complexes, moins leur construction devient probable et ces évènements rares, qui ne se reproduisent pratiquement jamais, finissent pas être détruits quand se poursuivent les processus chimiques. La chimie est alors limitée dans sa complexité par l’improbabilité et l’instabilité des molécules complexes. Il fallait donc d’autres briques pour aller plus loin.
Ces autres briques furent celles qui acquirent une propriété particulière : celle de se reproduire. Ce n’est pas si difficile que ça : certains minéraux, comme les cristaux ou les argiles, ont la propriété de se reproduire identiques à eux-mêmes. L’avantage, c’est que leur formation ne dépend plus d’un aléa plus ou moins probable, mais qu’elle est mécanique et spontanée. Quand une molécule est stable et se reproduit elle-même, elle a tendance à supplanter toutes les autres et à envahir le territoire. Il lui faut cependant des conditions physico-chimiques particulières et la multiplication s’arrêtera dès qu’elle aura épuisé un des éléments nécessaires à sa composition. Dès ce stade, il y a compétition entre les molécules pour s’approprier les éléments nécessaires à leur croissance et à leur survie.
Quand on parle de survie c’est déjà qu’on considère qu’il y a de la vie : et en effet, ces molécules réplicatives sont les ancêtres du vivant !
La chimie d’un des atomes était promise à un bel avenir : la chimie du carbone ! Pas trop gros, (6 protons et 6 neutrons), le carbone est un atome stable qui a quatre charges électriques disponibles, comme quatre bras par lesquels il peut accrocher autant d’atomes d’hydrogène ou d’autres corps de formes complémentaires, ou même constituer des chaînes avec plusieurs atomes semblables. C’est l’exploitation de ses propriétés très riches qui a donné naissance à la chimie organique. La chimie du vivant est à 100% une chimie du carbone. Ce privilège est dû à ses propriétés de s’enchaîner pour former un répertoire illimité de très grosses molécules aux formes multiples et variées que les chimistes exploitent aussi pour la fabrication des matières synthétiques. D’autres atomes, tel le silicium, possèdent aussi des propriétés analogues. Mais sur la Terre, c’est le carbone qui s’est imposé.
La chimie du carbone allait fabriquer des réplicateurs hautement élaborés : des molécules assez simples qu’on a pu obtenir en laboratoire dans des conditions proches de celles de la Terre à ses débuts et qui sont des substances organiques appelées purines et pyrimidines. Ces petites molécules se comportent comme des briques d’un nouveau type qui se lient entre elles pour former des chaînes plus longues. Ce n’est pas nouveau, bien des molécules s’associent ainsi entre elles en deux points différents et forment ainsi des chaînes. Mais une fois disposées en chaîne, celles-ci, qui sont des bases azotées (1), attirent encore leurs semblables par le côté si bien qu’une autre série de ces briques se dispose à son tour en chaîne, attachée à la précédente par chaque couple qui s’était trouvé des affinités complémentaires. Mais les liens qui unissent ces couples sont fragiles : les lésions latérales se défont et les deux chaînes se détachent bientôt pour former deux chaînes séparées mais symétriques, chacune étant le miroir de l’autre. Par la suite, d’autres couples se formeront, construisant d’autres chaînes en miroir, de telle sorte que le miroir du miroir sera l’exacte réplique de la première chaîne !
La vie avait trouvé sa voie.
(1) Bases azotées : . On parle d’acide et de base en chimie pour distinguer deux comportements symétriques des molécules selon qu’ils ont tendance à libérer ou à capter des protons. Ces bases sont dites azotées parce que leurs chaînes, composées d’un ou de deux hexagones, comportent de l’azote en plus de l’indispensable carbone. Ces détails n’ont pas d’importance pour la compréhension générale.
126 réactions
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zen
7 novembre 2006 22:45
L’auteur utilise la notion de hasard sans la problématiser.Or c’est une notion complexe et équivoque, qu’il importait de préciser un peu.
Au moins deux sens peuvent être dégagés dans le domaine considéré : 1)absence de lois ,phénomènes purement aléatoires,non réglés par les mécanismes habituels physiques ou chimiques, mais pouvant être statisquement ordonnés -2) contingence pure=absence de finalité externe(caractérisant des phénomènes qui auraient pu ne pas se produire ou qui auraient pu se produire autrement dans d’autres conditions.Il peut y avoir contingence et pourtant nécessité.Par ex.si la vie a pu se développer sur terre(selon des mécanismes physico-chimiques précis), c’est en partie parce que celle-ci est en « bonne » position par rapport au soleil (trop prés ou trop loin...nous ne serions pas là pour en parler. Un petit lien pour quelques repères simples :
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yoda
8 novembre 2006 09:56
@toto
Puisque l’univers n’a (a priori) pas d’environnement avec lequel échanger de la chaleur, la définition de l’entropie de l’univers n’est pas celle de la thermodynamique « classique » mais pris dans un sens plus large et notament statistique.
Concernant la relation entre l’entropie et l’expansion, imagine une boite remplie de particules dont le volume (de la boite) augmente sous l’effet d’une augmentation soudaine de la pression interne. Si le volume augmente tres lentement, les particules ont le temps de diffuser rapidement, le systeme reste a l’equilibre, et l’entropie reste maximum durant l’expansion (on parle de detente adiabatique). Mais si l’expansion se fait rapidement, les particules n’ont pas le temps de remplir la boite, et pendant un transitoire on a une diminution de l’entropie (statistique). Cette diminution ne contredit pas la seconde loi car la soudaine pression interne (big-bang) constitue une production (phénomenale) d’entropie...
Mais je suis d’accord que l’entropie cosmique est un objet tres flou et mal defini (dont je ne suis pas specialiste), vu que la thermodynamique du big-bang et du cosmos doit s’accomoder des lois de la relativite generale et de la physique quantique, et ce n’est pas une mince affaire.
Bien a toi et au plaisir d’etre contedit
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yoda
9 novembre 2006 01:07
@toto
Aucune mesure me semble etre une caracteristique absolue de l’univers mais relative a notre outil de connaissance (aucune mesure est d’une precision infinie d’ou une description naturellement probabiliste des phenomenes - cf prigogine). Je te concede que cela est particulierement saillant dans le cas de la mesure d’entropie statistique. Je m’appuie la sur une hypothese epistemologique de l’absence d’un monde conceptualisable en dehors de l’homme qui le conceptualise ce qui n’engage que moi. Sinon je ne comprend pas trop ta notion d’observateur externe (vs interne ? =omniscient ? =dans le contexte de la thermodynamique classique ?).
L’entropie au sens large (statistique et pas seulement des systemes a l’equilibre) est une mesure relative a notre capacité de discriminer et qui est donc une mesure de la symetrie (ou du desordre) du systeme que l’on étudie.
Dans ce sens large, l’entropie de l’univers a l’air de diminuer suite au transition de phase : particules - noyau - molecule (brisure de symetrie). Mais mon hypothese est que cette diminution d’entropie s’accompagne d’une production d’entropie (chaleur, photons de faible energie). Et cette production est dispersée avec l’espace nouvellement crée par l’expansion. Mon exemple de boite n’est probablement pas un bon exemple puisqu’il appelle a raisonner en terme de thermodynamique classique. Mais il faut imaginer un travail initial important (produisant l’explosion du big bang), et considerer la mesure d’entropie statistique pendant la phase transitoire de non-equilibre avant le retour a l’equilibre qui serait associer a la mort thermique (ou a un big crunch).
En esperant avoir ete un peu plus clair, mais je t’avoue que ce n’est pas limpide pour moi non plus.
Ps : désolé pour cette réponse tardive mais j’ai une demi-journée de décalage...
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zen
8 novembre 2006 08:45
@Xavier Lainé
Merci pour ces précisions. Vous abordez là le coeur des difficultés en ce qui concerne la compréhension de vivant (je dis « compréhension » plutôt qu« explication », car un vivant ne peut être traité que comme une totalité complexe caractérisée par des interréactions multiples. Mais je ne comprends pas pourquoi vous dites :« il s’agit d’une logique et non d’une causalité ».
Comment opposer logique et causalité ?Jacob parlait de la « logique du vivant » de son point de vue de généticien,mais en mettant en évidence l’importance de la causalité, causalité complexe certes(où tous les éléments interréagissent entre eux, contibuant au maintien de la totalité,qui elle-même assure le fontionnement des parties-feeback-),ce qu’avait déjà entrevu Claude Bernard pour sortir d’un « mécanisme » simpliste, avec sa notion de « déterminisme complexe ».
Cordialement
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Super article : Style fluide, explications limpides, un vrai régal. On en redemande ! J’attends la suite avec impatience !
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ropib : « La réalité est un consensus. »
AH NON ALORS ! 
Admettons, pour les besoins de la démonstration, que la réalité soit un consensus. Un consensus de qui ?
Des Mormons, qui tiennent que le monde a été créé il y a six mille ans et que Jésus-Christ vit maintenant sur la planète Kolob ? (je n’invente rien !)
De ceux qui croient que la Terre est creuse et que nous vivons à l’intérieur ? (je n’invente rien !)
Et quand bien même vous trouveriez une raison pour répéter « la réalité est un consensus » en arguant consensus de qui, consensus de quoi, je vous répondrais :
Consensus implique consentement, accord. Qui à leur tour impliquent faculté de raisonner.
Il ne peut donc y avoir de consensus que s’il existe des êtres intelligents. Il ne peut donc y avoir de réalité qu’avec des formes de vie intelligentes. Donc, au Cambrien l’univers n’existait pas, puisque pas de vie intelligente, partant, pas de réalité.
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Dans Tlön, Uqbar et... je ne sais plus. Aventurons-nous donc sur ce terrain. J’aime à répéter que l’univers (et cela vous inclue, vous tous et les autres) est un produit de mon imagination malade (ou « dérangée » — en VO : the universe is a product of my diseased imagination). C’est mon consensus et je le partage
C’est un peu comme cet homme d’église, anglais je crois, dont j’ai hélas oublié le nom, qui avait trouvé le moyen pour réconcilier la Genèse biblique avec la paléontologie, science qui venait d’émerger. Oui, le monde avait bien été créé en 4004 av. J-C (le 10 octobre vers 16h si je me souviens bien) comme l’avait calculé l’évêque Usher, mais AVEC TOUT SON PASSÉ. Ce qui explique les fossiles, la géologie, et tout. Que répondre à cela ? Le plus triste, c’est que l’Eglise n’a pas sauté à pieds joints sur cette irréfutable explication 
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AH NON ALORS ! 
