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François Foulatier - Le roman cosmogonique

Deuxième partie - Genèse des formes (Retour au sommaire)

Chapitre I - Genèse de la forme vivante
Des origines de la vie - Information et morphogenèse - La physique de la vie


LA PHYSIQUE DE LA VIE

En définitive, la théorie de l'information et la cinétique des gaz parfaits n'apportent que peu de clarté dans l'étude des systèmes vivants, parce que les objets techniques qui constituent le fonds réel dans lequel elles s'enracinent sont trop simples pour donner lieu à des analogies d'une richesse suffisante. Les machines chimiques que sont les protobiontes, malgré leur petite dimension et bien qu'elles soient, dans le domaine de la vie, au degré minimum de complexité, sont plutôt analogues à des ensembles de machines qu'à des machines proprement dites : certains de leurs composants, tels que les enzymes, sont en effet comparés à des démons de Maxwell, c'est-à-dire à des machines élémentaires douées d'une capacité de discrimination.

Les enzymes ont bien une fonction de triage, mais ils ont aussi et surtout une fonction catalytique. En tant que catalyseurs, ils permettent une économie notable en réduisant la quantité d'énergie d'activation nécessaire pour une synthèse donnée ; en tant que catalyseurs spécifiques, ils conditionnent la synthèse d'une métabolite en choisissant les macromolécules qui conviennent parmi toutes celles qui sont disponibles. Il s'agit d'une seule et même action considérée de deux points de vue différents (rendement et information) : c'est en raison de propriétés stériques favorables à la formation de liaisons non-covalentes très labiles que l'enzyme trie et dispose les unes par rapport aux autres les différentes molécules nécessaires à la synthèse d'un métabolite bien défini. Au regard de cette double fonction, le modèle fourni par le démon de Maxwell est réducteur et, surtout, il n'apporte aucun éclairage sur le mode de fonctionnement, puisqu'il est une machine imaginaire : l'analyse de Brillouin montre que si l'on envisage, de façon si générale que ce soit, la construction technique du démon, il faut faire entrer en ligne de compte l'énergie qui lui est nécessaire pour exercer sa fonction de triage, et s'évanouit du même coup le paradoxe. Il faut renverser l'analogie, car ce sont, en fait, les enzymes qui fournissent un modèle de fonctionnement pour un possible démon de Maxwell, c'est-à-dire pour un dispositif capable, moyennant une dépense d'énergie relativement faible, de produire dans un système un assemblage de molécules qui rende disponible une quantité d'énergie relativement accrue.

Comme l'enzyme, c'est grâce à ses propriétés stériques que l'ARN de transfert peut reconnaître un amino-acide particulier, le véhiculer et le placer dans une chaîne protéique conformément au plan imposé par un ARN messager. Or toutes les macromolécules susceptibles d'entrer en liaison non-covalente avec d'autres macromolécules, possèdent une énergie de résonance importante, ce qui signifie que leur propre structure repose sur des liaisons dont la rupture exigerait une dépense d'énergie importante. Il y a donc un premier contraste entre la stabilité des liaisons internes de ces macromolécules et la labilité des liaisons qui s'établissent entre elles et d'autres macromolécules. Il y a un second contraste entre les très faibles quantités d'énergie dépensées pour la formation ou la rupture des liaisons non-covalentes et les quantités relativement fortes qui sont nécessaires, même en présence de catalyseurs, pour réaliser la synthèse de certains métabolites. En règle générale, la fonction d'organisation, dans un système vivant, repose sur l'existence de surfaces de reconnaissance portées par deux types de substrats : les uns sont quasi permanents (ADN), les autres ont une existence passagère, voire même purement occasionnelle (ARN de transfert, ARN messager, enzyme, répresseur...). Or, il faut non seulement que chacun assure, à son niveau, une certaine organisation de la matière, mais que les interventions de tous soient coordonnées, ce qui implique qu'ils soient eux-mêmes ordonnés en un système hiérarchisé selon deux niveaux correspondant aux deux types de substrats. Et le problème est de savoir comment les processus caractéristiques du deuxième niveau traduisent et amplifient jusque dans un ordre de dimension macroscopique les structures microscopiques des chaînes nucléiques constituant le premier niveau. Il faut rendre compte de la propagation amplifiante du microscopique dans le macroscopique.

La cristallisation fournit un modèle qui permet, sinon de résoudre le problème posé, du moins d'en préciser l'énoncé (cf. G. Simondon, L'individu et sa genèse physicobiologique, 1964). Certains corps peuvent se présenter à l'état cristallin ou à l'état amorphe et, dans des conditions bien définies de température et de pression, l'état amorphe est métastable, c'est-à-dire qu'il possède une quantité d'énergie potentielle qui rend possible un changement de structure. Un liquide en état d'équilibre métastable peut passer à l'état d'équilibre stable : l'état cristallin. Ce passage dépend du pouvoir de cristallisation spontané (du nombre de germes cristallins qui apparaissent en un temps donné dans un volume donné de ce liquide, dans les conditions de température et de pression qui définissent l'état métastable) et de la vitesse de cristallisation (de la vitesse à laquelle la structure du germe cristallin se propage dans le liquide environnant).

La cristallisation est un exemple particulièrement instructif de la genèse d'une forme. L'information (définie par G. Simondon (op. cit. 1964, p. 130) comme " arrivée d'une singularité créant une communication entre ordres de réalité ") est introduite, dans le liquide à l'état métastable, par un événement singulier, d'ordre microscopique, qui se propage jusqu'à engendrer une structure observable à l'échelle macroscopique ; le processus d'information (morphogenèse) est la propagation amplifiante qui établit une communication entre l'ordre microscopique et l'ordre macroscopique; et le récepteur est constitué par le liquide en état métastable, dont le régime énergétique rend possible à la fois l'événement singulier et sa propagation. Dans ce cas, quantifier l'information en fonction de son degré d'improbabilité est beaucoup moins intéressant que mettre en évidence sa relation avec la structure du récepteur. Un événement singulier n'a valeur d'information que pour un récepteur dont le régime énergétique rend possible sa propagation, en même temps qu'il augmente sa probabilité d'apparition ; si bien que la valeur d'information d'une singularité ne peut plus être estimée en fonction de sa seule improbabilité, mais d'abord en fonction de son adéquation à un récepteur donné, dont l'existence abaisse le seuil de probabilité de son apparition.

On reconnaît les limites du modèle fourni par la cristallisation dès que l'on considère son résultat, le cristal, dont l'état d'équilibre stable est précisément ce qu'un vivant évite d'atteindre tant qu'il reste vivant. " L'individu vivant serait en quelque manière, à ses niveaux les plus primitifs, un cristal à l'état naissant s'amplifiant sans se stabiliser " (G. Simondon, op. cit. 1964, p. 133). Il faut donc concevoir un système matériel dans lequel une singularité microscopique soit amplifiée de façon à engendrer une forme macroscopique dynamique, qui se conserve sans se stabiliser. Le processus d'information nécessite alors, non plus une quantité déterminée d'énergie potentielle, entièrement transformée en travail et en chaleur lors de l'accession à l'équilibre stable, mais un apport d'énergie constamment renouvelé, qui permette au processus de se poursuivre : un tel système est nécessairement ouvert. Les cellules de Bénard fournissent l'exemple d'une machine relativement simple à partir de laquelle on peut dériver un modèle d'organisation répondant aux exigences ainsi définies.

L'appareil est constitué par une couche mince de fluide comprise entre deux parois horizontales polies et rigides (cf. M. Velarde et C. Normand, La convection, Pour la science, 35, 1980), il est chauffé par en dessous de telle sorte que la température de la face inférieure soit constante et plus forte que celle de la face supérieure, constante elle aussi, et que le gradient de température soit linéaire. Dans certaines conditions, un réseau de cellules hexagonales se forme, dans lesquelles le fluide chaud de la couche inférieure monte par le centre, tandis que le fluide froid de la couche supérieure descend à la périphérie. Ce mouvement du fluide est appelé convection ; il a pour effet de faciliter le passage de la chaleur à travers la couche de fluide. Cette machine transforme donc l'énergie d'un gradient thermique en un travail qui n'effectue rien d'autre que le transport continu de la chaleur de l'entrée de l'appareil vers sa sortie ; mais ce transport est assuré par des mouvements cohérents des molécules engendrant dans le fluide une structure macroscopique. L'énergie calorifique est dissipée, mais son passage dans le fluide y entretient une forme dynamique permanente.

Considérons une petite goutte de fluide proche du fond et supposons qu'une perturbation aléatoire la déplace légèrement vers le haut ; elle subit alors une poussée ascendante (poussée d'Archimède) dont la force est proportionnelle à son volume ainsi qu'à la différence de densité entre elle-même et le fluide plus froid qui l'entoure maintenant. De même, une goutte proche de la surface supérieure et déplacée légèrement vers le bas par une perturbation aléatoire subit une poussée descendante. Mais la poussée d'Archimède peut être annulée par la force de traînée visqueuse (ou force des frottements visqueux) qui dépend de la viscosité intrinsèque du fluide, ou par la diffusion de la chaleur qui tend à égaliser les températures de la goutte et du fluide environnant. La relation entre ces effets antagonistes est exprimée par le nombre de Rayleigh, défini par la force de poussée divisée par le produit de la traînée visqueuse et du taux de diffusion de la chaleur dans le fluide. Ce nombre a une valeur critique au-delà de laquelle la poussée l'emporte sur les forces opposées : le gradient de température doit passer un certain seuil pour que le mouvement convectif s'amorce. Lorsque ce seuil est passé, le fluide a un régime énergétique tel que tout déplacement aléatoire de molécules de la couche supérieure vers le bas, de même que tout déplacement aléatoire de molécules de la couche inférieure vers le haut, peut être amplifié. La couche mince de fluide fonctionne alors comme un récepteur qui, parmi tous les déplacements aléatoires des molécules, discrimine deux catégories de déplacements verticaux qui peuvent être propagés et qui sont porteurs d'information dans la mesure où ils établissent une communication entre l'ordre microscopique des déplacements moléculaires et la structure macroscopique des cellules hexagonales de convection.

En réalité, les cellules de convection se forment dans une machine un peu plus complexe, constituée par une couche mince de fluide dont la surface supérieure, ouverte à l'air libre, est soumise à des déformations résultant des différences de tension superficielle. Sachant que celle-ci est plus forte dans les régions froides que dans les chaudes, on comprend qu'une différence de température en surface peut déterminer un gradient de tension superficielle tel que tout déplacement aléatoire d'une goutte de fluide d'une région chaude vers une région froide se trouve amplifié. Ainsi s'établit un mouvement régulier, à la surface des cellules, du centre plus chaud vers la périphérie plus froide. Une fois amorcé, ce mouvement exerce un effet de pompage : il extrait, au centre des cellules, les couches chaudes sous-jacentes, renforçant ainsi les gradients superficiels de température et de tension, et il accumule les gouttes à la périphérie où, se refroidissant, elles amorcent un mouvement vers le bas. Comme la poussée d'Archimède, l'effet des gradients de tension superficielle est contrebalancé par les effets dissipatifs de la traînée visqueuse et de la diffusion de la chaleur. On définit donc le nombre de Marangoni en remplaçant, dans la définition du nombre de Rayleigh, la poussée d'Archimède par le gradient de tension superficielle.

Si l'on suppose que le gradient thermique vertical et les gradients de tension superficielle restent constants, les forces verticales et horizontales qui amplifient les déplacements moléculaires restent constantes et, par conséquent, le mouvement convectif est uniformément accéléré et doit atteindre rapidement des vitesses considérables. Or on observe, au contraire que, une fois passé les seuils définis par les valeurs critiques des nombres de Rayleigh et de Marangoni, la vitesse de l'écoulement convectif se stabilise. II faut donc supposer que celui-ci modifie le régime énergétique qui lui a donné naissance. Ce mécanisme d'auto-limitation est trop complexe pour être totalement exposé. On constate, par exemple, que le mouvement convectif ascensionnel, en assurant le transport de la chaleur de bas en haut, entraîne une élévation de la température des couches supérieures et une diminution de la différence de température entre les deux faces de l'appareil, si bien que la poussée d'Archimède est réduite d'autant et que, de la sorte, l'écoulement convectif se freine lui-même. De même, on sait que la viscosité d'un fluide et son taux de diffusion thermique varient avec sa température. Tandis que l'augmentation de la température entraîne une diminution de la viscosité, l'énergie dissipée par les frottements visqueux se transforme en chaleur et contribue à élever la température, modifiant le gradient thermique. Sur la base d'un tel ensemble d'interactions se mettent en place des boucles d'asservissement par lesquelles l'écoulement convectif module en retour les forces qui lui ont donné naissance et stabilise sa vitesse. Nous avons ici l'exemple d'un récepteur dont la capacité d'amplifier l'information introduite par un événement singulier est modulée par l'effet de la propagation de cette information.

Une vitesse d'écoulement convectif constante et un agencement structural régulier se traduisant dans une forme macroscopique stable définissent, pour une couche mince de fluide, un état attracteur, c'est-à-dire un état dans lequel elle tend à se maintenir grâce à des mécanismes d'autorégulation. L'apparition d'un attracteur à l'horizon d'un système physique correspond à une bifurcation. Une fois passé les seuils au-delà desquels la convection peut s'amorcer, la couche mince de fluide peut, en théorie, rester dans son état amorphe antérieur, mais ce n'est plus un état stable, puisqu'il est sous la menace d'événements aléatoires bien définis qui, sitôt survenus, seront amplifiés pour engendrer l'agencement structural caractéristique de l'attracteur. Il en est de même pour un liquide cristallisable, maintenu à pression constante, que l'on refroidit pour le faire passer à l'état métastable : l'état amorphe, qui était stable au-dessus d'une valeur critique de la température, cesse de l'être quand on passe en dessous, puisque, dès lors, l'apparition d'un germe cristallin suffira pour amorcer la cristallisation. La bifurcation correspond à l'introduction, dans un système physique, d'un nouveau mode de réception par rapport auquel certains aléas microscopiques sont investis d'une valeur d'information amplifiable. Comme le nouvel état attracteur, accessible par la bifurcation, est caractérisé par la propagation d'une information qui introduit un nouveau mode de communication entre le microscopique et le macroscopique et, par suite, un degré d'ordre supérieur à celui de l'état antérieur, on peut trouver là un modèle pour rendre compte de l'origine et de l'évolution de la vie. " Il est par conséquent très tentant de suggérer que l'origine de la vie puisse se trouver rattachée à des instabilités successives d'une manière quelque peu analogue aux bifurcations en cascade qui peuvent mener à des structures dynamiques à cohérence croissante " (I. Prigogine, Physique, temps et devenir, 1980, p. 133).

Ici se manifeste l'insuffisance du modèle dérivé des cellules de Bénard : arrivé à la bifurcation, le système a devant lui un attracteur et un seul ; à moins de se maintenir, de façon tout à fait improbable, dans l'état amorphe antérieur, il ne peut faire autre chose que réaliser l'écoulement convectif dans le réseau des cellules hexagonales. Or l'apparition et l'évolution de la vie supposent, dès l'origine, un processus de sélection et, par conséquent, une compétition entre des systèmes comparables mais relativement différents, puisant l'énergie et les substances nécessaires à leur existence dans un même environnement. Il faut donc inclure dans le modèle la possibilité que, dans une bifurcation, se proposent plusieurs attracteurs présentant, pour le système en état d'instabilité, des solutions différentes mais également probables. La cristallisation nous en donne un exemple, puisqu'il est des cas où, à une température bien définie, un liquide amorphe peut être ensemencé par deux germes cristallins différents, manifestant des pouvoirs de cristallisation et des vitesses de cristallisation comparables. Pour une meilleure approximation du fonctionnement réel des êtres vivants, il faudrait combiner les deux modèles : concevoir un système qui, comme certains corps cristallisables, puisse, dans le moment de déstabilisation correspondant à une bifurcation, avoir à choisir entre plusieurs attracteurs équiprobables, mais en ajoutant la condition que chacun d'eux soit, suivant le modèle des cellules de convection, un état se maintenant hors de l'équilibre stable.



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