Le Vivant post-génomique. ou Qu'est-ce que l'auto-organisation ?

Dans « le Vivant Post-Génomique ou qu'est-ce que l'auto-organisation ? », Henri Atlan revient sur le lien qui existe entre la génétique et l'auto-organisation. le livre est certainement assez technique, mais tout de même abordable. Il a le mérite d'être clair, net et précis, et surtout d'être à jour. le concept est simple et part d'une constatation banale. Les gènes sont constitués d'un assemblage des quatre bases : Adénine, Guanine, Cytosine et Thymine, soit A, G, C, T auxquelles on associe souvent U, l'uracile. Chacune de ces bases est une molécule, certes. A, C, G, T sont les quatre bases de l'acide désoxiribonucléique ou ADN, alors que A, C, G, U sont les quatre bases de l'acide ribonucléique ou ARN. Par leur structure G et C s'unissent facilement via des liaisons hydrogène tout comme T et A, idem, via des liaisons hydrogène. Il est évident que prises séparément, aucune de ces molécules n'est active. Par contre, leurs assemblages, conduisant à la formation de gènes et ensuite des protéines sont à la base de la vie. D'où une émergence et une auto-organisation. C'était déjà le thème de ses tout premiers livres, mais là, il va beaucoup plus loin et examine les récents développements de structures qui présentent de la synergie et aboutissent à des formes, quelquefois élaborées.
Il s'agit de « pattern formation » selon l'expression de Hermann Haken « Synergetics » (77, Springer, 360 p.), dans une compilation d'un symposium tenu au château d'Elmau, à coté de Garmisch-Partenkirchen en Bavière. Par la suite, une version améliorée a été publiée, toujours sous forme de collection d'articles, et toujours édités par Hermann Haken « Principles of Brain Functioning » (96, Springer, 362 p.). Ces ouvrages forment actuellement 116 volumes d'une série « Springer Series in Synergetics ». Une des grandes avancées de Henri Atlan a été d'incorporer le bruit dans la transmission et reproduction des données, telles que cela a lieu lors des replications de gènes. Suivant en cela la théorie de Shannon, il en fait un « bruit organisationnel » dans lequel « les perturbations aléatoires d'origine externe ou internes auxquelles le système réagit par une augmentation de diversité ». Dans ce schéma, « la redondance y apparait comme un potentiel d'auto-organisation ».
Après les gènes et les protéines, la cellule est l'autre machinerie qui intéresse Atlan. C'est ainsi qu'il décrit dans le détail les deux premières heures du développement d'un embryon de drosophile, la fameuse mouche du vinaigre, mise à toutes les sauces dans les expériences biologiques. C'est grâce à elle qu'on découvre ce qui sera appelé plus tard des « supergènes » (mastergenes) ou « gènes homéotiques » qui paraissaient contrôler un soi-disant, ou espéré, programme génétique de développement. Ce qui pose la question de « la régulation des régulateurs ». Exit donc le programme de développement, la biologie est plus complexe que l'on ne le croyait, mais comment arriver à le modéliser.
Reprenant donc ce qu'il avait écrit à propos des modèles, il s'agit tout d'abord d'examiner un modèle fortement sous-déterminé, c'est-à-dire dont le nombre des observations, même très important, est loin de pouvoir représenter toutes les variables en jeu, tant la redondance peut être grande. C'est la base de la dispute que Henri Atlan a pu avoir avec les modélisateurs du climat (voir plus haut). Ces derniers clamaient bien haut que leur nombre d'observations en rendait le système largement surdéterminé. A priori, oui, mais que doit-on faire des observations redondantes, ou même simplement équivalentes à d'autres et qui n'apportent aucune contrainte supplémentaire. Pour donner un exemple, on sait résoudre facilement un système de deux équations linéaires par la géométrie. Ces équations sont celles de deux droites et la solution du système est leur point d'intersection. Qu'en est-il lorsque ces deux droites sont presque parallèles ? Leur zone d'intersection, compte tenu des bornes d'erreurs, s'allonge désespérément, rendant la solution beaucoup plus difficile à déterminer, donc incertaine.
Maintenant, il convient de savoir comment, et quoi, modéliser. Il y a bien entendu des modèles continus, définis par des équations, souvent différentielles, avec des dérivées. C'est ce que l'on appelle en termes savants les modèles en description Lagrangienne. On se pose en observateur externe, qui décrit les phénomènes avec des équations mathématiques, quelquefois couplées et complexes. Par opposition, il existe aussi une description Eulérienne, qui elle décrit, souvent de façon discontinue, les phénomènes, vus cette fois du point de vue d'une particule qui se déplace dans le système. Pour donner un exemple, il m'est arrivé de modéliser l'extraction de matière fondue hors d'une roche partiellement en fusion. le modèle Lagrangien examine les diverses équations, de conservation de masse, de quantité de mouvement, via la vitesse, viscosité et propriétés physiques des deux éléments, le fondu et le solide. C'est complexe, je vous l'accorde, mais on y arrive. D'un autre coté, la modélisation Eulérienne s'occupe du mouvement d'une particule de roche fondue. On définit une « règle du jeu », dans laquelle cette particule peut aller par là, mais pas par ici (dans le solide) sous l'action de forces extérieures (contraintes, compression ou cisaillement). Les deux modèles, ou deux descriptions, heureusement, aboutissent à la même conclusion. Dans le cas des roches partiellement fondues, l'extraction se fait de façon discontinue et avec des volumes également variables. C'est ce que l'on supposait au vu des observations de terrain. Cependant les deux modèles n'ont pas les mêmes finalités, en particulier du point de vue quantitatif. On rejoint là ce que René Thom explicitait, repris également par Henri Atlan « Prédire n'est pas expliquer ». Et effectivement « la prédiction permet plus facilement de réfuter une théorie que de la vérifier ». J'y revendrai à propos de René Thom.
L'auto-organisation, puis l'auto-organisation critique (Self-Organized Criticality, ou SOC), ont été les tartes à la crème récentes des modélisateurs de tout poil, bien qu'il y ait eu de très belles applications, tels les actes du colloque sur la complexité, de Françoise Fogelman-Soulié « Les Théories de la Complexité » (91, Seuil, 454 p.). Dès qu'il existait une structure ordonnée ou avec un semblant d'organisation, plus ou moins reliée à quelque chose qui ne l'était pas, on criait, tout d'abord aux boucles de rétroaction, puis, un peu plus tard à l'auto-organisation, et enfin à la SOC. Il a été dit beaucoup de choses, dont des faussetés ou des mauvaises interprétations, à propos de ces modèles. Il est certain que la beauté des formes reproduites, de façon plus ou moins aléatoires dans les automates cellulaires, et qui ont donné lieu au classique « Jeu de la Vie » de John H. Conway ait pu séduire. On pourra consulter les ouvrages, à ce sujet de Stephen Wolfram «Universality and Complexity in Cellular Automata, 84, Physica D, 10, 1-35) et son impressionnant livre (02, A New Kind of Science, Wolfram Media, 1192 p.). Je signale aussi au passage que Stephen Wolfram est l'inventeur de « Mathematica », un logiciel de calcul formel très puissant. Ce n'est donc pas de la mathématique de bouts de ficelle.
Quoiqu'il en soit, et c'est à ce moment que Henri Atlan est utile à lire et à comprendre, il est important de distinguer le « finalisme » du « mécanisme ». L'émergence de structures est une chose, leur cause en est une autre. Et je ne suis pas certain que Stephen Wolfram assumerait d'être à l'origine des structures que ses automates ont pu reproduire. Encore moins certain qu'il assumerait les bouchons sur autoroutes que des chercheurs allemands ont pu modéliser, préconisant d'installer une régulation au niveau des bretelles d'entrées, comme cela est le cas, en particulier à Minneapolis. Il est de plus intéressant de voir que ces modèles, servent maintenant d'idées pour explorer la physique des cellules cancéreuses, comme le fait Peter Friedl (95, Cancer Research, 15, 4557-4560). Et Atlan de rappeler la fécondité du modèle d'émergence lié à des couplages, certes parfois complexes entre différents réseaux.
Reste un problème qui est crucial dans ces questions d'émergence, qui est celui du temps, et en particulier de la flèche du temps. C'est l'expression favorite qui indiquerait que le temps s'écoule toujours dans la même direction. C'est LA question de la physique, suivant laquelle les équations sont invariantes dans le temps, même si on inverse ce dernier. Il fait alors intervenir la néguentropie ou entropie négative, facteur d'organisation des systèmes physiques, conceptualisée par Léon Brillouin, suite aux travaux de Shannon dans « La Science et la théorie de l'information » (56, Masson, 314 p.). Ce serait comme un synonyme de la force de cohésion, traduction physique de la notion d'information au sens de Norbert Wiener. Dans un système dynamique la néguentropie, même partielle conduit à l'auto-organisation d'un niveau supérieur.