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Cet ensemble de textes a été conçu à la demande de lecteurs de la revue en ligne Automates-Intelligents souhaitant disposer de quelques repères pour mieux appréhender le domaine de ce que l’on nomme de plus en plus souvent les "sciences de la complexité"... lire la suite

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5 février 2006 7 05 /02 /février /2006 19:29

De l'évolution du cosmos à la mécanosynthèse
From cosmic evolution to mecannosynthesis
Jean-Paul Baquiast 05/02/06

 




Nous avons déjà consacré un long article à la morphogenèse, en donnant une large place à la théorie dite structurale d'Adrian Bejan dont il nous semble que l'on n'a pas assez parlé en France.
(voir:
http://www.automatesintelligents.com/echanges/2004/jan/morphogenese.html).
Cet article, à la relecture, nous parait encore à jour. Nous conseillons donc au lecteur patient d'y jeter un coup d'oeil. Cependant des évènements nouveaux obligent à lui donner des prolongements, que l'on trouvera ci-dessous (image Molecular Assembler).

La morphogenèse

On peut définir la morphogenèse comme le processus consistant à créer des formes. Mais le concept de forme n'a rien de rigoureux. Il peut désigner l'aspect extérieur d'un objet, tel qu'il apparaît à nos organes sensoriels et ce, indépendamment de la nature de cet objet. Ainsi un cristal de neige et une étoile de mer possèdent une forme dite en étoile. Mais on peut donner à la forme un sens beaucoup plus général. On appellera forme, en ce cas, les divers objets, non-vivants et vivants, existant dans la nature et identifiés par nous, compte tenu de ce qu'en perçoivent nos sens après reconstruction par notre cerveau. En ce sens, on pourra par exemple parler des formes vivantes, espèces et individus au sein de ces espèces, ayant été observées et classées par les naturalistes. Il s'agira des innombrables façons dont les constituants élémentaires de la matière biologique, atomes et molécules, ont été organisés par l'évolution en structures plus complexes. A ce niveau, chaque forme (ou type de forme) existant dans la nature est spécifique et doit être distinguée des autres, même si en apparence elle leur est comparable. Si le corail et l'arbre ont des formes extérieures voisines, il ne s'agit absolument pas de formes naturelles identiques, puisque chacun est le fruit d'une évolution propre. Ce qui nous intéressera en ce cas sera d'étudier la façon dont l'évolution a pu donner naissance à des objets aussi semblables et cependant aussi différents que le corail et l'arbre.

Ainsi entendue, le terme de morphogenèse désigne d'abord les mécanismes naturels producteurs de formes : réactions physiques ou chimiques donnant des minéraux de formes et de couleurs différentes ou comparables, influence des vents sur la mer ou le désert productrice d'ondes, évolution des génomes produisant des êtres vivants aux propriétés diverses, etc. Celui qui observe la variété des formes dans le monde et cherche à en comprendre les raisons doit impérativement identifier ces mécanismes naturels et comprendre la façon dont ils agissent pour produire des formes bien déterminées. Mais on risque alors de donner à l'étude de la morphogenèse une telle ambition qu'elle sera obligée d'aborder l'ensemble des sciences. Pour éviter ce risque, on se limitera aux processus génériques, mettant en œuvre des règles simples dont la combinaison aboutira à la production de formes complexes. Ce seront ces règles qui nous intéresseront, puisqu'elles permettront de comprendre et le cas échéant reproduire l'infinie variété des objets du monde, sans s'obliger à étudier les caractères propres de chacun de ceux-ci. Si nous analysons l'aile ou l'œil de l'animal, nous n'aurons pas besoin de connaître en détail les innombrables organismes vivants dotés de tels appendices. Il nous suffira, au moins dans un premier temps, de comprendre les fonctionnalités qu'assurent ces derniers et les grands plans de structure communs qu'ils partagent en conséquence.

Une démarche classique permettant à la science de simplifier l’analyse de phénomènes apparemment différents consiste à rechercher s’ils ne découlent pas de causes identiques. La morphogenèse, telle que nous venons de l’évoquer, est la science de l’évolution des formes. Il est donc tentant de rechercher les grands mécanismes évolutifs permettant d’expliquer la diversification et l’accroissement de complexité des formes naturelles. Il en est un connu depuis longtemps, mais qui n’intéresse que la biologie : la sélection darwinienne sur le mode reproduction-variation-sélection. Elle suppose, sauf cas particuliers, l’existence d’un génome dont les mutations introduisent l’élément de diversification à partir duquel de nouvelles formes apparaissent.

Un mécanisme plus général

Mais il est un mécanisme évolutif beaucoup plus général, bien moins connu, qui intéresse le cosmos tout entier. Selon les théories cosmologiques actuellement admises, le cosmos est né d’un évènement unique, le Big Bang ou le phénomène qui en a tenu lieu
1) Il est admis que depuis le Bib Bang, la matière visible de l’univers a constamment évolué, depuis les nuages de poussières et protogalaxies jusqu’aux galaxies semblables à la nôtre. Au sein des galaxies, les astres évoluent eux-mêmes de façon relativement semblables : création d’un disque en rotation autour d’une proto-étoile, apparition des planètes, évolution de l’étoile elle-même jusqu’à sa disparition sous forme de géante rouge ou pour certaines de supernova. Sur les planètes de type terrestre, la matière physique évolue elle-même selon des cycles lents. Pour ce qui concerne la Terre, une des voies selon laquelle s’est faite cette évolution a permis l’apparition de la vie à partir de molécules pré-biologiques.

Il est certain qu’aujourd’hui beaucoup de choses restent mystérieuses concernant le cosmos et son évolution – à supposer qu’il y ait vraiment évolution. En quoi consiste et comment évolue la matière noire inconnue qui représenterait une grande partie de la masse globale de l’univers ? Quelle est l’énergie noire, assimilée à la constante cosmologique, qui combat l’effet de la gravité et provoque une expansion semble-t-il accélérée de l’univers ? Que deviennent les astres dont la masse est suffisante pour qu’en phase évolutive terminale ils s’effondrent sur eux-mêmes et deviennent des trous noirs ? Mais ces questions sans réponse n’empêchent pas certains cosmologistes de considérer que l’évolution de la matière visible obéit à des lois communes que l’on doit pouvoir retrouver depuis les corps les plus grands jusqu’aux objets physiques et même biologiques les plus petits de notre environnement terrestre.

Pour Eric J. Chaisson
2) ces lois s’articuleraient autour de la façon dont le flux d’énergie primordial (né lors du Big Bang et peut-être alimenté en permanence depuis lors) est utilisé par les corps physiques et biologiques pour accroître leur complexité. Il s’agit d’une énergie « libre » à la disposition des organisations matérielles et biologiques, qui l’utilisent en conformité avec les principes de la thermodynamique loin de l’équilibre pour se transformer et accroître leur complexité. Il en résulte une compétition entre les organisations qui favorise celles qui optimisent l’usage de l’énergie en rapport avec leur masse. Prenons l’exemple d’un astre. Si sa masse est très importante, il brûle tout son hydrogène trop rapidement et disparaît très vite sans produire de complexité. A l’opposé, notre soleil dispose d’une masse qui lui permet d’équilibrer longtemps la pression gravitationnelle et la force d’expansion née de la fusion de son hydrogène. Il est donc capable d’optimiser ses ressources énergétiques de sorte qu’il entretient pendant des milliards d’années autour de lui un cortège de planètes sur certaines desquelles la vie a pu apparaître. Mais, revers de la médaille, il se transformera en fin de vie en géante rouge et ne pourra pas atteindre l’état explosif d’une supernova. Il ne répandra donc pas dans son environnement les éléments lourds à partir desquels d’autres formes de vie pourraient se former dans d’autres systèmes solaires. Autrement dit, il n'aura pas de descendance et n'aura pas contribué à l'évolution cosmique. Ainsi les organisations que l’évolution cosmologique sélectionne sont celles qui restent au milieu de deux extrêmes : consommer trop d’énergie et brûler trop vite leurs réserves et ne pas en consommer assez et rien produire en termes de complexité.

Eric Chaisson applique les mêmes principes aux logiques d’évolution et de sélection des structures et organismes terrestres. Les formes qui apparaissent et qui survivent sont celles qui utilisent au mieux l’énergie nécessaire à leur construction et à leur résistance aux agressions du milieu. Il n’y a rien là de finaliste non plus que de biologique. Prenons l’exemple souvent cité d’un cristal de neige. Pour que celui-ci se forme, les molécules d’eau doivent se rapprocher jusqu’à adhérer et ne pas être rejetées. Bien que les collisions initiales entre molécules se produisent tout à fait au hasard, les molécules en mouvement sont guidées par les forces électromagnétiques jusqu’à ce qu’elles trouvent des positions favorables sur la surface du cristal. Si une molécule arrivant au hasard se trouve positionnée à un endroit favorable à la croissance du cristal, elle est « sélectionnée ». Sinon, elle est rejetée. Sa venue initiale résulte du hasard, mais non sa sélection. De plus, quand le cristal atteint un état d’équilibre thermodynamique, il ne peut plus accepter de molécules et son évolution s'arrête. Eric Chaisson remarque à juste titre que le terme de sélection, dans ce type d’évolution, parait peu opportun. Il n’existe aucun agent qui exercerait une sélection, en éliminant les moins adaptés. Les objets qui survivent sont ceux qui restent après que les autres ont disparu. Il préfère le terme d’élimination non-aléatoire. Dans l’exemple des cristaux, un grand nombre de ceux engagés dans un processus de formation ont disparu parce qu’ils étaient mal conformés pour résister aux forces de destruction. Seuls ont survécu ceux répondant aux contraintes d’équilibre nécessaire à la formation de ce type d’objet.

L’hypothèse selon laquelle existe au plan cosmologique un principe général d’évolution qui se retrouve à tous les niveaux d’organisation de l’univers est satisfaisante pour l’esprit, même si elle n’est pas vraiment vérifiable vu que nous ignorons encore le tissu profond de l’univers. Il existerait ainsi selon cette hypothèse un grand principe unificateur (a great unifier) qui, en amont de et en parallèle à l’évolution biologique, agirait sur l’ensemble des structures matérielles. Son fondement serait l’optimisation de l’utilisation de l’énergie, qu’il s’agisse de l’énergie cosmologique primaire ou des formes d’énergies spécifiques que nous retrouvons sur Terre. Les entités biologiques et les entités sociales humaines n’y échapperaient pas, en sous-jacence des autres formes d’évolution complexifiante, génétiques et culturelles, qui se sont greffées progressivement sur le processus évolutif primaire à base d’optimisation de l’énergie.

Emergence d'une intelligence cosmique?

Une question importante se pose néanmoins, à laquelle Eric Chaisson ne répond pas. Que deviennent dans la perspective d’une évolution cosmique unificatrice intéressant les différents composants de l’univers les formes complexes spécifiques développées sur des planètes comme la Terre. Sur la Terre sont apparues des molécules prébiotiques, puis des formes de vie, de conscience et de représentations scientifiques du monde propres aux humains. Ces organisations ou formes complexes ont profité de conditions favorables spécifiques (dites « fine tuning » dans le vocabulaire anthropique) offertes par l’évolution cosmique, notamment la présence d’atomes lourds comme celui du carbone résultant de la fin explosive de supernovas antérieures à la création du système solaire. De telles formes complexes sont-elles irrémédiablement appelées à disparaître lors de la fin de celui-ci? Le relais est-il pris dans d’autres systèmes solaires nés de l’explosion d’autres supernovas, mais, s’il l’est, n’est-il pas voué à des morts analogues survenant irrémédiablement ? Ceci voudrait dire que l’évolution cosmique globale finirait par s’éteindre, concomitamment d’ailleurs avec la fin de l’univers par excès d’expansion que prévoient actuellement les cosmologistes.

Peut-on au contraire estimer que les formes de vie intelligentes apparaissant sur des planètes comme la Terre exercent sur l’évolution cosmique des effets en retour qui d’une certaine façon la conduiraient à se prolonger vers un avenir certes incertain mais non fermé? Nous sommes là dans les spéculations dangereuses car elles risquent d’encourager les croyances spiritualistes. Cependant, en restant dans le domaine de la science, il n’est pas interdit de faire l’hypothèse que l’évolution cosmique a conduit déjà ou conduira un jour à l’apparition de super-intelligences diffuses dans l’univers global, on ne sait où exactement. Elles agiraient sur lui, on ne sait comment, pour le rendre plus intelligent et conscient que ne semblent le permettre les lois de la physique telles que nous les connaissons aujourd’hui. Faire de telles hypothèses n’a d’intérêt que si elles conduisent à rechercher des preuves expérimentales de ce que l’on suppose. Sinon, c’est simplement de la métaphysique, c’est-à-dire la supputation de ce qui pourrait se passer au-delà de la physique. La métaphysique n’a d’intérêt que si elle oblige la physique à se renouveler. Or aujourd'hui, nul ne peut scientifiquemment mettre en évidence des formes d'intelligences cosmiques. mais peut-être est-ce parce que l'on s'y prend mal.

Transposition aux sciences de l’ingénieur

Une fois que la science commence à comprendre la façon dont la nature a sélectionné certaines formes et pas d'autres, aussi bien dans le monde physique que dans le monde biologique, elle s'applique à transposer les mécanismes correspondants en vue de résoudre des problèmes d'ingénierie - c'est-à-dire intéressant la fabrication d'artefacts, outils ou objets finaux.

Dans ce cas, la réflexion sur l'évolution des formes dans l'univers, c'est-à-dire la morphogenèse, peut désigner l'activité des bureaux d'étude qui visent à produire ces artefacts. Ceux-ci sont parfois loin des formes existant dans la nature. La grande variété des applications données à une forme générique comme la roue n'est pas inspirée de ce que fait la nature. Mais de plus en plus les ingénieurs étudient les solutions de celle-ci et s'efforcent de les transposer dans leurs processus ou leurs produits. C'est ce que fait la bionique, dont l'activité consiste à comprendre les produits de la morphogenèse naturelle à l'œuvre dans le domaine biologique et copier ceux qui paraissent intéressants au profit de dispositifs artificiels.

On considère généralement que l'évolution des systèmes physiques comme celle des systèmes vivants ont produit des solutions optimisées, c'est-à-dire offrant le meilleur emploi possible des ressources naturelles au regard des contraintes s'imposant à ces systèmes. Nous avons vu ce qu’il en est concernant l’optimisation de l’énergie au plan cosmologique. Il est donc tentant de transposer dans le cadre de la morphogenèse artificielle les méthodes optimisées de la morphogenèse naturelle. Encore faut-il avoir élucidé ces dernières, ce qui n'est jamais évident. Il ne suffit pas qu'un phénomène naturel existe pour que nous puissions le considérer comme optimisé. Il faut aussi admettre que les optimisations naturelles ne sont pas toujours intéressantes, dans le cas de certains systèmes technologiques répondant à des ambitions souvent très différentes. Il faudra faire appel à des méthodes d'optimisation artificielle, aujourd'hui de type computationnel (mathématique et informatique).

Une application récente et particulièrement prometteuse de la morphogenèse des matériaux concerne ce que l’on appelle la mécanosynthèse ou plus exactement la nanomécanosynthèse positionnelle. Elle consiste à assembler unes à unes, d’une façon viable, les molécules nécessaires à la constitution d’un cristal ou d’un autre corps ordonné. On trouve dans le journal Molecular Assembler du 12/01/2004 la description par Robert A. Freitas Jr d’un processus breveté permettant de réaliser la synthèse du diamant selon le procédé de la mécanosynthèse positionnelle
3) . La technique devrait être réutilisable pour réaliser la nanomécanosynthèse de nombreux autres corps. Elle sera donc largement employée compte tenu du développement des nanotechnologies. Elle pourra être étendue à la construction de structures plus importantes de taille macroscopique. Nous avons donc là un domaine d'étude qui abandonne résolument la métaphysique, mais qui pourra peut-être un jour y ramener.

Notes
1) On sait que l’hypothèse du Big Bang est de plus en plus contestée, mais ce point n’intervient pas dans notre propos (voir notre article http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2005/65/bigbang.htm)
2)
Eric J. Chaisson dirige le Wright Center for Science Education à la Tufts University de Medford, Mass. Il vient de publier un article sur ce sujet, sous le titre The great Unifier, dans le NewScientist du 7 janvier 2006, p. 36
3) How To Make a Nanodiamond. A Simple Tool for Positional Diamond Mechanosynthesis, and its Method of Manufacture by Robert A. Freitas Jr. http://www.molecularassembler.com/Papers/DMSToolbuildProvPat.htm



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20 décembre 2005 2 20 /12 /décembre /2005 16:31

Thème. L'évolution

Pour obtenir une vue générale des différentes pages composant ce dossier, consulter le Plan http://www.admiroutes.asso.fr/philoscience/plan.htm

Un nouveau paradigme, l'auto-évolution

La biologie offre actuellement un exemple significatif de phénomènes nouveaux susceptibles de remettre en cause des théories bien établies. Leurs conséquences seraient d'importance. Il s'agit du possible remplacement de ce véritable paradigme de l'évolution qu'est l' «algorithme» darwinien (ou néo-darwinien) dit mutation au hasard/sélection/amplification par un autre paradigme, que certains commencent à appeler faute de mieux le paradigme de l'auto-évolution.

Position du problème

On sait que le paradigme darwinien a rendu l'immense service à la science d'évacuer les explications finalistes, selon lesquelles les formes vivantes actuelles, au «sommet» desquelles se situait prétendument l'humanité, résultaient d'un dessein ou doigt de Dieu visant à faire apparaître des êtres de plus en plus complexes et de plus en plus moraux. Pour les darwiniens au contraire c'est-à-dire aujourd'hui pour la presque totalité des biologistes, l'immense diversité des espèces vivantes est simplement le résultat d'un mécanisme résumé par ce que Jacques Monod a nommé le Hasard et la Nécessité. Des mutations survenant au hasard produisent des individus différents des parents. Si certains de ces descendants sont mieux adaptés aux contraintes du milieu que ceux n'ayant pas muté, ils fondent de nouvelles espèces qui éliminent progressivement les précédentes. Ceci a tous les niveaux de l'échelle de la complexité, qu'il s'agisse des bactéries ou des mammifères supérieurs.

Darwin n'avait pas eu les moyens de mettre en évidence les processus reproductifs responsables de ce phénomène. Après la Seconde guerre mondiale, la découverte de l'ADN par la biologie moléculaire permit au contraire de localiser dans le code génétique les «instructions» permettant la reproduction à l'identique des individus à l'intérieur d'une espèce, chaque espèce ayant son code génétique propre. Si des mutations affectent telle ou telle des parties de ce génome, c'est-à-dire tel ou tel gène commandant la synthèse des protéines responsables de la construction des cellules (notamment celles de l'embryon dans le cadre de l'embryogenèse), les «ordres» transmis lors de la reproduction sont différents. Ceci produit des mutants. La plupart des mutations sont fatales, mais certaines peuvent faire naître des individus mieux adaptés que les parents.

Les mutations favorables elles-mêmes peuvent provoquer des changements de détail chez les descendants, par exemple un changement dans la couleur des yeux, ne remettant pas en cause la structure d'ensemble du génome. On aura donc des variétés différentes à l'intérieur d'une espèce dont les membres resteront interféconds. Mais dans certains cas, s'ajoutant les unes aux autres au sein de lignées de plus en plus isolées génétiquement, les mutations donnent naissance à des individus qui ne peuvent plus se reproduire entre eux, leurs génomes étant devenus trop différents. Alors une nouvelle espèce apparaît.

Tout ceci a pu être démontré expérimentalement par les biologistes évolutionnaires, dits aussi néo-darwiniens (néo-darwiniens parce qu'ils ont apporté au darwinisme fondateur l'éclairage de la biologie moléculaire). Ils l'ont fait soit en observant dans la nature la façon dont les espèces s'adaptent aux changements des milieux, soit en provoquant artificiellement des mutations génétiques en laboratoire. Si bien que le paradigme darwinien est apparu dans les dernières décennies comme susceptible d'expliquer toutes sortes d'évolution au-delà du seul domaine biologique. Par exemple en physique ou en intelligence artificielle.

L'hérédité des caractères acquis

Reste que beaucoup de biologistes évolutionnistes ne s'expliquaient pas jusqu'à présent l'immense diversité des espèces passées ou encore actuelles. Comment dans le peu de temps relatif s'étant écoulé à partir de l'apparition des premières molécules réplicatives, un mécanisme aussi peu fréquent que celui de la mutation au hasard favorable a pu produire tellement d'espèces viables ? Les mutations au hasard sont généralement létales. Par ailleurs les espèces et, en leur sein, les organismes individuels se caractérisent au contraire par une grande robustesse, une grande résistance aux changements. Le propre de l'organisme vivant, comme le rappelle opportunément aujourd'hui le biologiste Gilbert Chauvet(1), n'est-il pas de «persévérer dans son être». Ceci se traduit de multiples façons et particulièrement, au niveau du génome, par divers processus réparateurs de l'intégrité face aux modifications accidentelles.

Personne ne remet en cause le fait que ce sont des changements (c'est-à-dire, pour reprendre le terme, des mutations) se produisant au niveau du génome qui entraînent l'apparition de nouveaux phénotypes ou de nouveaux génotypes. Il faut aussi évidemment qu'ils se produisent chez des individus encore en âge d'avoir une descendance. Mais de nombreuses observations montrent que la plupart de ces changements ne résultent pas de mutations accidentelles aléatoires. Ils résultent de modifications dans le mode d'expression du génome ou de réorganisations de ses séquences se produisant au cours de processus qui n'ont rien d'aléatoire. Ils ont été sélectionnés depuis les origines par l'évolution parce qu'ils aidaient l'individu à mieux valoriser, si l'on peut dire, ses ressources génétiques et biochimiques. Il s'agit alors de mutations immédiatement adaptatives, qui permettent de faire face à des contraintes nouvelles et qui sont généralement transmises aux descendants.

Les individus s'adaptent constamment aux changements, on le sait. Ceux qui ne le font pas sont éliminés... Beaucoup de ces adaptations sont culturelles, elles concernent le mode de vie et se transmettent par imitation. Elles ne nous intéressent pas ici. Mais d'autres se traduisent par des modifications du génome (ou du mode d'expression des gènes). Comme telles, elles sont transmissibles aux descendants selon les lois de l'hérédité. On retrouve donc un mécanisme dont les darwiniens orthodoxes ont toujours nié la possibilité, la transmission héréditaire des caractères acquis.
Darwin, on le rappelle dans tous les manuels, s'était opposé à Lamarck qui ne niait pas l'évolution mais qui avait fait l'hypothèse que les individus au sein d'une espèce évoluaient progressivement en transmettant à leurs descendants les caractères favorables dont ils avaient pu se doter. Darwin avait refusé cette hypothèse d'une adaptation progressive et douce. Il avait introduit le principe de la sélection naturelle, c'est-à-dire de la disparition brutale et radicale des moins aptes. Mais ce sont les néo-darwiniens qui ont affirmé l'impossibilité de la transmission lamarckienne des caractères acquis en démontrant – ou croyant démontrer – le caractère intangible du patrimoine génétique, c'est-à-dire du génome conservé dans les cellules reproductives. Autrement dit, le génome propre à chaque espèce est protégé, selon eux, par une barrière infranchissable de l'influence favorable ou défavorable de l'activité des individus au sein de cette espèce. Seules des mutations au hasard peuvent l'affecter.

Cette barrière existe, c'est indéniable. Sans cela les génomes spécifiques changeraient constamment. Mais de nombreuses observations récentes paraissent montrer qu'existent parallèlement un grand nombre de mécanismes permettant aux espèces de varier dans certaines limites, sans attendre une mutation génétique favorable aléatoire suivie de la sélection des mutants. Ces observations résultent du progrès des techniques de génie génétique étudiant la façon dont des facteurs extérieurs résultant de l'interaction de l'individu avec son environnement permettent soit de modifier les modalités d'expression des gènes ou des parties non codantes de l'ADN, soit de modifier les génomes eux-mêmes en y introduisant des éléments codants empruntés à des organismes extérieurs. Ce sont principalement les connaissances apportées par ces techniques, si décriées dans le public, qui montrent que le génie génétique spontané a toujours été à l'oeuvre dans la nature et que c'est sans doute lui qui a été et demeure le principal agent de la biodiversité.

Comment définir l'auto-évolution ?

Tout ceci fait que le temps n'est sans plus très loin où l'on pourra remplacer (en partie) l'algorithme néo-darwinien de la mutation au hasard/sélection par un concept ou paradigme autrement plus riche de perspectives, mais aussi, pour le moment, autrement plus confus, celui d'auto-évolution avec transmission sous condition de certains des caractères acquis. Comment définir l'auto-évolution ? On ne remettra pas en cause le principe de la sélection des plus aptes, qui est, comme on l'a souvent dit, une lapalissade indiscutable : ne survivent que ceux qui se révèlent mieux adaptés que les autres aux contraintes extérieures. Mais on admettra que les organismes individuels (phénotypes) au sein des espèces (génotypes) peuvent faire appel à un très grand nombre de mécanismes leur permettant de s'adapter pour leur compte à de nouvelles conditions de vie. Grâce à ces mécanismes, ils peuvent, nous l'avons dit, mieux valoriser les ressources dont ils disposent déjà, essentiellement en provoquant la synthèse de nouvelles protéines produisant de nouvelles résistances. Ainsi des plantes réfractaires au zinc peuvent, sans attendre que de nouvelles espèces résistantes apparaissent au terme d'éventuelles mutations accidentelles, survivre dans un milieu riche en zinc(2). L'ADN de certaines de leurs cellules dirige la synthèse de nouvelles enzymes leur permettent de supporter le zinc. De plus, cette capacité peut se transmettre à l'ADN germinal (celui du génotype) dont on disait jusqu'ici qu'il était réfractaire aux modifications subies par le phénotype. Ainsi une nouvelle espèce ou sous-espèce, voire de nombreuses autres plus ou moins différentes, peuvent apparaître dans le temps d'une génération. On conçoit, surtout quand il s'agit d'espèces simples comme les bactéries, que la diversité biologique devienne vite proliférante et dangereuse pour les espèces supérieures. C'est sur cette prolifération que s'exerce la sélection.

On peut prendre une image pour montrer en quoi l'auto-évolution, ainsi conçue, diffère de l'évolution sur le mode de la mutation au hasard (éventuellement) favorable. Supposons que je sois confronté à un problème quelconque. Logiquement, ma première réaction sera de faire appel à mes connaissances : puis-je trouver dans ma mémoire des éléments de solutions. Le cas échéant, j'interrogerai des personnes étrangères. Mais je m'adresserai à des interlocuteurs choisis parce qu'ils me paraîtront les mieux aptes à me renseigner. Je ne m'adresserai pas à des gens rencontrés dans la rue. Je ne ferai pas non plus appel à un processus encore plus aléatoire, par exemple ouvrir un dictionnaire au hasard et voir si je trouve des informations pertinentes dans la page ainsi sélectionnée. Il y aurait une chance sur des millions pour que cela soit le cas. Remarquons cependant qu'en me limitant à recenser mes connaissances antérieures, sans faire appel à une recherche d'informations au hasard, je me priverai de la chance, peut-être une sur des millions précisément, de trouver la page précise qui aurait pu révolutionner ma façon de penser et faire de moi, qui sait, un autre homme.

C'est ainsi, en mobilisant leurs ressources internes, que procèdent semble-t-il les organismes vivants lorsqu'ils sont confrontés à un besoin d'adaptation. Evidemment, cette mobilisation n'est pas le produit d'une décision volontaire. Elle découle d'un mécanisme évolutif remontant sans doute aux origines de la vie. On pourrait l'analyser comme un processus réparateur enclenché par la perception de menaces sur l'intégrité du système. Gilbert Chauvet, dans son ouvrage cité, rappelle que les premières molécules biologiques n'ont pu apparaître qu'en se protégeant des influences extérieures par l'équivalent d'une membrane à l'intérieur de laquelle ont pu se dérouler des processus de synthèse auto catalytiques, d'organisation-réorganisation des éléments et finalement de réplication [voir ci-dessous le paragraphe concernant l'éventuel rôle d'un ARN précurseur]. On conçoit que de tels processus, aussi fructueux, aient été conservés, sous des formes éventuellement différentes, tout au long de l'évolution. Sans eux, il n'y aurait pas eu d'évolution du tout.

Les organismes apparaissent capables de réponses très différentes face à des agressions du milieu. Au cas par cas, telle réponse est sélectionnée tandis que les autres restent en sommeil. On est en présence d'un mécanisme qui ressemble un peu à la façon dont fonctionne le système immunitaire. Si cette réponse se révèle favorable, elle est transmise aux descendants grâce à des modifications génétiques ou épigénétiques mineures qui ne remettent pas en cause l'organisation d'ensemble du génome de l'espèce à laquelle appartient l'organisme considéré. Mais il est aussi possible que des lignées différentes au sein d'une même espèce finissent par s'individualiser en espèces différentes, faute de croisements suffisants pour entretenir l'interfécondité. Tout ceci ne relève pas du concept de mutation au hasard suivie de la sélection du plus apte. Si l'auto-évolution ainsi conçue ne peut pas faire apparaître n'importe quel caractère nouveau, elle donne quand même aux espèces et en leur sein aux variétés ou lignées beaucoup d'occasions de se diversifier, se complexifier et ainsi de s'adapter progressivement, en élargissant leurs sphères de survie.

Cela ne veut pas dire, nous l'avons rappelé, que l'individu puisse décider lui-même des modifications qu'il subira, afin d'acquérir puis transmettre à ses descendants des caractères mieux adaptés. Autrement dit, l'auto-évolution dont nous parlons ne doit pas être confondue avec une évolution auto-orientée. Ce dernier concept permettrait en effet de réintroduire une sorte de finalisme, à base de volontarisme, que jusqu'ici rien ne permet de présupposer (sauf peut-être en ce qui concerne l'influence de la conscience volontaire chez l'homme, si l'existence de cette dernière comme agent causal était retenue). Il s'agit seulement d'une évolution qui est rendue possible par l'entrée en jeu d'un certains nombre de facteurs évolutifs jusque là latents, au sein de l'individu, et qui se trouvent activés du fait de tel ou tel évènement auquel l'individu est confronté. Mais si nous retenons légitimement le terme d'auto-évolution, c'est parce que ces facteurs évolutifs ne proviennent pas de l'extérieur de l'individu mais de lui-même. De même, leur activation ne résulte pas du hasard, c'est-à-dire d'une cause aléatoire. Elle est d'une certaine façon déterminée par l'organisation antérieure de l'individu, le mettant à même de mieux valoriser des dispositions jusque là latentes ou de bénéficier d'alliances symbiotiques avec des partenaires lui apportant les ressources génétiques qui lui manquaient. Le hasard ne sera jamais exclu, mais il restera second.

De nouvelles données expérimentales

Mais quels sont les arguments permettant d'affirmer que ce qui précède ne relève pas de la simple supputation ? Trouve-t-on des faits qui démontrent la pertinence du concept d'auto-évolution ? Ils sont nombreux mais ils se présentent le plus souvent de façon différente. De plus certains d'entre eux sont encore conjecturaux ou, tout au moins, ne sont pas encore pleinement reconnus par l'opinion scientifique majoritaire. Ceci explique d'ailleurs que les rapprochements qui, selon nous s'imposeraient afin de faire l'hypothèse d'une vraie révolution paradigmatique, n'aient en général pas encore été conduits jusqu'à leur terme. D'autant plus que, comme toutes les sciences expérimentales, la biologie est aujourd'hui extrêmement parcellisée et que beaucoup de ceux qui l'exercent refusent de faire appel à des modèles généraux.

La biologie de l'ARN

On considérait jusqu'à ces derniers temps l'ARN comme le serviteur dévoué mais sans initiative de l'ADN, dont il assurait la duplication des sites codants lors de la construction cellulaire(3). La double hélice de l'ADN ou plus exactement les portions de celle-ci identifiés comme des gènes, c'est-à-dire comme portant les instructions permettant de commander la fabrication des protéines avait en effet jusqu'à présent focalisé l'attention. L'ARN – ARN dit messager – était considéré uniquement comme la recette que la cellule devait lire pour fabriquer la protéine commandée par le gène, c'est-à-dire par la portion d'ADN s'exprimant sous la forme dudit messager. Mais on a découvert qu'une grande partie du génome ne code pas pour permettre la fabrication de protéines. On a parlé d'ADN-poubelle mais on lui trouve constamment de nouveaux rôles, lesquels permettraient d'expliquer pourquoi elle a survécu à la sélection naturelle. Elle sert ainsi à fabriquer des fragments d'ARN qui circulent dans les cellules.
Le rôle de ceux-ci a été longtemps obscur. On soupçonne aujourd'hui que cet ARN est encore plus important à la vie de la cellule – et donc de l'organisme - que les protéines. Ceci explique la persistance de cet ADN non codant au long de l'évolution. Mais les expérimentations restent difficiles, l'ARN étant instable et peu observable. On lui prête cependant de nombreuses propriétés pouvant être importantes, notamment celle de catalyser les réactions chimiques(4). On trouvera dans l'article cité du NewScientist une liste des fonctions attribuées à l'ARN à l'intérieur de la cellule, par exemple outre l'ARN messager, l'ARN transfert, l'ARN ribosomal, etc.

On conçoit que, dans l'hypothèse de l'auto-évolution, l'existence d'un agent aussi polyvalent s'exprimant tout au long de la vie du génome, à partir de ses éléments non-codants (et parallèlement à l'activité codante du génome) permettrait d'expliquer pourquoi certaines fonctions adaptatives puissent apparaître et se transmettre au sein des organismes, qu'il s'agisse de simples bactéries ou d'organismes pluricellulaires complexes. Il ne s'agirait plus du tout alors de mutations s'étant produites au hasard mais d'une véritable co-évolution de l'organisme et du milieu avec lequel il interagit.

Le franchissement de la barrière germinale

De plus en plus d'observations montrent par ailleurs aujourd'hui que la barrière germinale réputée étanche protégeant l'intégrité de la partie codante du génome peut être franchie par divers facteurs extérieurs, résultant de l'activité de l'organisme dans son milieu. Il en résulte que le génome est modifié de la même façon que s'il avait subi une mutation. Mais ces modifications peuvent être de bien plus grande ampleur. Elles sont provoquées en laboratoire par des manipulations diverses relevant du génie génétique. Mais dans la nature, elles se produisent spontanément, pour des causes diverses. Certaines sont accidentelles et pourraient être rangées dans la catégorie des mutations aléatoires. C'est le cas lorsque des rayons cosmiques provoquent des mutations génétiques. Mais d'autres sont systémiques, internes au système cellulaire et contribuant à son auto-réparation et à son adaptation. Ainsi, dans les cellules circulent, outre les éléments d'ARN déjà évoqués, des morceaux d'ADN (ADN circulant) qui peuvent s'introduire dans les génomes et modifier de façon plus ou moins importante l'économie du génome tout entier.

Le transfert d'ADN, commun chez certaines cellules comme les globules blancs, peut aussi se faire entre cellules d'espèces différentes (Horizontal gene transfer). C'est lui qui est craint dans le cadre de la contamination par des organismes au génome artificiellement modifié. Mais il semble répondre à des besoins très anciens permettant de répondre spécifiquement à certains changements environnementaux, notamment en ce qui concerne les réactions immunitaires(5).

Parasitisme et symbiose

Une cause encore plus répandue de modifications adaptatives du génome, ceci dès les origines de la vie, relève du parasitisme et de la symbiose, qui permettent à des organismes différents de s'associer pour mettre en commun leurs propriétés. Dans les cas de symbiose allant jusqu'à l'apparition d'une nouvelle espèce, un nouveau génome résulte du rapprochement des deux génomes antérieurs. La symbiose est considérée comme le facteur le plus efficace aux origines non seulement de la biodiversité mais de la constitution des organismes complexes, par association d'organismes plus élémentaires assurant des fonctions vitales spécialisées. Gilbert Chauvet, là encore, en a précisé les règles, notamment en proposant le concept d'auto-association stabilisatrice. La symbiose fait aujourd'hui l'objet de nombreuses études. Nous ne pouvons les évoquer ici. Remarquons, contrairement à ce qui a été dit parfois, que la symbiose n'est pas à ranger dans la catégorie des évènements authentiquement aléatoires. On ne se marie pas avec n'importe qui mais avec un partenaire avec lequel on dispose déjà d'affinités. On est donc bien là dans le domaine de l'auto-évolution.

Physique quantique et auto-évolution

Nous avons plusieurs fois évoqué dans cette revue les très probables liens entre les mécanismes à l'œuvre dans les systèmes physiques au niveau quantique et ceux à l'œuvre dans les systèmes biochimiques. A priori pourtant il n'y en a pas, notamment parce qu'aucun ensemble de molécules biologiques ne semble capable d'offrir à un micro-état quantique un isolement suffisant pour lui éviter la décohérence (c'est-à-dire pour lui éviter de retomber dans le monde macroscopique) le temps nécessaire à ce qu'il accomplisse un travail utile dans un organisme biologique. Ainsi les propriétés spécifiques aux particules quantiques, notamment l'état de superposition ou l'intrication, que l'on espère utiliser dans les calculateurs quantiques pour réaliser des opérations impossibles à un calculateur ordinaire, ne paraissent pas pouvoir se produire dans les cellules vivantes. Pourtant de plus en plus de chercheurs s'efforcent actuellement de démontrer le contraire. Un article de Paul Davies du Centre australien d'Astrobiologie à l'Université Macquarie, Sydney, en fait le recensement(6).

Une intuition simple suggère selon lui qu'il conviendrait d'approfondir ces perspectives. La science se heurte aujourd'hui à deux grands mystères. Le premier est celui de la vie (en ce qui concerne son origine mais aussi en ce qui concerne les mécanismes de l'évolution – pour ne pas parler de ceux propres au fonctionnement des neurones du cerveau). Le second est celui du monde quantique. Il y a tout lieu de penser qu'ils pourraient s'éclairer réciproquement. Nous n'allons pas aborder ici ces questions, qui mériteraient toute une bibliothèque à elles seules. Bornons-nous à renvoyer le lecteur aux travaux menés dans les années 1990 par JohnJoe McFadden et Jim Al-Khalili de l'Université de Surrey, à qui nous avions donné la parole dans cette revue(7) et que cite d'ailleurs Paul Davies. Le Dr McFadden pensait pouvoir montrer notamment comment des particules quantiques se déplaçant par effet tunnel dans des molécules d'ADN pouvaient provoquer des mutations. Le point essentiel de sa démonstration était que ces mutations ne se produisaient pas au hasard, mais résultaient en quelque sorte d'un mécanisme d'évolution auto-dirigée par la cellule, ce qui nous ramène au sujet du présent article. Des phénomènes identiques auraient pu selon lui expliquer l'émergence des processus d'auto-catalyse enzymatique à l'origine de la vie.

Pour Paul Davies, il serait temps que toutes ces hypothèses soient reprises très sérieusement par la Big Science, peut-être à l'occasion des travaux concernant l'ordinateur quantique. Il pense notamment qu'explorer le thème d'un ordinateur quantique biologique permettrait de montrer que les idées que nous nous faisons sur la décohérence sont encore bien sommaires. Des systèmes biologiques ont peut-être appris, dès l'origine de la vie, à abriter certains micro-états quantiques des risques de décohérence, au moins le temps nécessaire (quelques nanosecondes ?) pour leur permettre de faire tout ce qui dans les processus vitaux nous parait encore incompréhensible.

Perspectives

On peut conclure de ce qui précède que la biologie – ou si l'on préfère les sciences du vivant – vont devoir accepter dans les années qui viennent un renouveau méthodologique voire épistémologique considérable. La première nécessité consistera à se doter de modèles mathématico-informatiques permettant d'organiser de façon utile à l'approfondissement des recherches les données expérimentales de plus en plus nombreuses qui s'accumulent. C'est précisément ce à quoi visent les travaux de Gilbert Chauvet, qui nous permettra de le citer à nouveau. La multiplication de recherches expérimentales parcellaires, fussent-elles approfondies dans le détail, ne permettra jamais de comprendre ce qu'est le phénomène de la vie. On décrira, mais comme le disait à peu près René Thom, décrire n'est pas expliquer. Aussi bien, le modèle à construire ne sera pas déduit des observations et expérimentations. Il sera construit (abduit) et c'est lui qui donnera un sens aux nouvelles expérimentations. Ce ne sera pas par hasard alors que le travail du théoricien du vivant retrouvera les méthodes du théoricien de la microphysique ou de la cosmologie(8). Les processus d'acquisition des connaissances ne peuvent plus désormais être différents selon les domaines scientifiques. Ils relèvent de la même méthodologie constructiviste.

Une deuxième conclusion est plus pratique. Les quelques indications que nous avons données ci-dessus, concernant par exemple la biologie de l'ARN ou de l'ADN circulant, montrent l'immensité du domaine à explorer, ne fut-ce que dans le domaine de la génétique et de la protéomique. Ce sont très immédiatement des enjeux thérapeutiques qui apparaissent : on pense souvent aux maladies génétiques mais plus immédiatement encore sont concernées les luttes contre les nouveaux virus et microbes, la stimulation des réactions de défense de la cellule à l'égard des multiples agressions de l'environnement (dont la conséquence la plus courante est le développement de cancers). Les Etats-Unis ont bien compris l'intérêt de telles recherches, mais vu la faiblesse des moyens attribués aux biotechnologies, ce n'est manifestement pas encore le cas en Europe.

Au plan philosophique enfin, on pourra s'interroger sur les conséquences d'un éventuel affaiblissement de ce que nous avons appelé le paradigme darwinien de la mutation au hasard suivie de sélection, avec la montée en puissance d'un concept dont nous avons dit qu'il serait nécessairement beaucoup plus flou, celui d'auto-évolution. En fait, comme les deux mécanismes ont joué simultanément dans l'histoire de l'évolution, on pourra continuer à les associer dans une philosophie moderne de l'histoire. Autrement dit, de temps en temps, l'irruption inattendue d'hypothèses et d'idées radicalement différentes est indispensable à la survie des systèmes de pensée, même les plus féconds. Il serait donc bien puéril de prétendre « brûler » Darwin.

Notes
(1) Auteur de plusieurs ouvrages, dont "La vie dans la matière - Le rôle de l'espace en biologie" (voir notre article, ainsi que notre interview), Gilbert Chauvet publiera courant 2006 l'ouvrage "Un principe général d'organisation du vivant - L'évolution vers la conscience" aux éditions Vuibert (Collection Automates Intelligents).
(2) Faut-il brûler Darwin, par Patrick Jean-Baptiste, Sciences et Avenir, novembre 2004, p. 59.
(3) Move over DNA, Master and Commander, par Philip Cohen, NewScientist, 27 novembre 2004, p. 36.
(4) La découverte du potentiel d'auto-catalyse de l'ARN a suggéré l'hypothèse que celui-ci aurait été aux origines de la vie. La molécule aurait pu à la fois accumuler de l'information et activer par auto-catalyse sa propre réplication. C'est l'hypothèse dite du Monde à ARN, qui n'a pu être reproduite expérimentalement à ce jour.
(5) "Jumping Gene" Helps Explain Immune System's Abilities
http://www.newswise.com/articles/view/508945/
(6) The Vital Spark, par Paul Davies, NewScientist, 11 décembre 2004, p. 28.
(7) JohnJoe McFadden. Interview
http://www.automatesintelligents.com/interviews/2002/mai/mcfadden.html
(8) Voir notre article Le programme pour une épistémologie formalisée de Mme Mioara Mugur-Schächter http://www.automatesintelligents.com/echanges/2004/juin/mrc.html

JPB 18/12/05

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20 décembre 2005 2 20 /12 /décembre /2005 15:51


Thème. L'évolution

Pour obtenir une vue générale des différentes pages composant ce dossier, consulter le Plan http://www.admiroutes.asso.fr/philoscience/plan.htm

La variation facilitée

Sous le titre de The plausibility of life (Yale University Press, oct. 2005), deux biologistes évolutionnistes, Marc Kirschner, (fondateur du département de biologie des systèmes à la Harvard Medical School) and John Gerhart (biologiste à l'University of California, Berkeley) discutent les origines des organes et organismes biologiques complexes. Ils présentent l'hypothèse de la "variation facilitée" (facilitated variation) qui selon eux permet de répondre à la question de savoir comment des mutations génétiques survenant au hasard ont pu produire des organes complexes, tel que l'oeil.
Ce livre caractérise la nouvelle attitude des darwiniens, attaqués sur tous les fronts par l'incroyable offensive de l'Intelligent Design (ID). Face à des idéologues qui, soutenus par les milieux politiques et religieux les plus conservateurs, tentent de démontrer que seule la main de Dieu a pu organiser l'évolution, les scientifiques matérialistes ont décidé de réagir, plutôt que traiter ces opposants par le mépris. On comprend mal en Europe la virulence des débats, si bien que les biologistes européens n'ont pas encore jugé bon de se mobiliser contre un mouvement qui n'a pas encore traversé l'Atlantique. Mais peut-être ont-ils tort.

Quoiqu'il en soit, comme toute théorie est perfectible, les critiques faites au darwinisme par les défenseurs de l'ID permettent de perfectionner les hypothèses relatives à l'évolution, ce qui ne peut être inutile. Le livre de Kirschner et Gerhart en donne l'exemple.
Selon les auteurs, le problème de la variation, posé par Darwin dès les origines, avait été occulté par les tenants de la Synthèse Moderne qui insistent sur les mécanismes de l'hérédité. Or la variabilité des organismes est infiniment plus grande que l'on imagine. Elle ne résulte pas seulement de mutations génétiques ponctuelles mais du fait que, depuis le niveau génétique jusqu'à celui des organes, les organismes sont constitués de blocs modulaires. Les mutations génétiques ne produisent pas de variations au hasard. Au contraire, tous les organismes ont maintenu intact au cours de deux milliards d'années un ensemble de mécanismes vitaux relatifs au métabolisme, à la reproduction de l'ADN, aux processus de croissance. Ce sont ces éléments, conjointement avec des schémas corporels globalement homogènes, qui ont servi de plate-forme aux variations plus visibles.

Ils prennent l'exemple de la défense de l'éléphant, des bois du cerf et de l'éperon du narval. On peut les considérer comme des innovations différentes, caractérisant une grande complexité spécifique. Mais il apparaît que c'est le même type de cellule qui guide leur développement dans chacune des espèces considérées. La structure modulaire de la vie signifie que ces appendices peuvent se développer selon des modalités différentes sans affecter le reste de l'organisme. Ils ne sont que les expressions différentes d'un même type d'activité génétique découlant du processus de la sélection naturelle, pour laquelle seules survivent les variantes utiles dans un environnement déterminé. Le corollaire de ceci est que des variations génétiques minimes peuvent produire des changements corporels importants, tout au moins dans l'apparence. De même, les yeux des insectes comme ceux des autres espèces, y compris les mammifères, qui semblent présenter des complexités différentes, partagent d'importants processus biochimiques modulaires de construction et de mise en relation des composants.

Cette hypothèse permet de faire l'économie de celle selon laquelle des mutations convergentes se produisant dans des espèces différentes plongées dans des environnements différents donneraient des résultats voisins (comme l'oeil) bien que provenant de sources distinctes. On retrouverait sous une autre forme la théorie selon laquelle la vie, partie d'une origine simple mais commune, obéit à des logiques de base sous-jacentes elles-mêmes communes, que des études de physiologie intégrative pourraient aujourd'hui mettre en évidence. Le darwinisme n'est pas remis en cause, mais situé dans une approche plus globale. Cette approche serait proche, pensons-nous, de celle développée en France par le Pr. Gilbert Chauvet, souvent évoqué dans ces colonnes.

Les auteurs de The plausibility of life militent, non seulement pour une contre-offensive généralisée de tous les scientifiques matérialistes contre l'ID, y compris auprès du grand public et des écoles. Mais pour une relance interdisciplinaire de toutes les études portant sur les différents mécanismes de l'évolution, afin d'enrichir une théorie darwinienne qui ne peut être considérée comme définitive. Maintenir une grande activité interdisciplinaire de recherches et d'échanges dans l'étude des phénomènes évolutionnaires constitue la seule façon efficace de répondre aux insinuations de l'ID et aux dégâts produits par cette doctrine dans l'esprit scientifique, au moins aux Etats-Unis.

Mais il ne faut pas faire d'illusion. Les promoteurs de l'ID, dans leurs blogs et autres publications, ont déjà présenté The plausibility of life comme une nouvelle preuve de la validité de leurs thèses

JPB 18/12/05

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Jean-Paul Baquiast - dans Evolution
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19 décembre 2005 1 19 /12 /décembre /2005 10:42
Thème. L'évolution

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La construction de niches

A propos du livre de John Odling-Smee, Kevin Laland et Marcus Feldman, Niche Construction, The Neglected Process in Evolution, Princeton University Press 2003
F. John Odling-Smee est "Lecturer" auprès de l'Institut d'Anthropologie Biologique de l'Oxford University, UK
Kevin N. Laland est chercheur à la Royal Society University et enseigne la biologie à St. Andrews University, UK
Marcus W. Feldman est professeur de biologie à Stanford University

Le thème de l'ouvrage présenté ici est simple à résumer. Il paraîtra même banal. Les organismes, se développant et évoluant, modifient leur environnement en y construisant des "niches" leur permettant d'améliorer leurs capacités de survie. La présence de ces niches influe en retour sur leur évolution, puisque se constitue ainsi un nouvel environnement auquel les organismes sont obligés de s'adapter à nouveau, soit au plan génétique, soit au plan comportemental.
Mais, aussi banal qu'il puisse apparaître, ce processus de construction de niches est générateur d'une complexité qui, selon les auteurs, n'avait pas encore été bien mesurée. Les modifications incessantes et multiples de l'environnement produisent un nombre infini d'effets en retour (feed-back), tant sur cet environnement que sur les espèces qui doivent s'y adapter. C'est alors toute la dynamique de l'évolution qui en est affectée, telle du moins qu'elle était décrite par le schéma darwinien standard mutation/sélection s'exerçant au niveau des génomes. L'originalité de ce livre est qu'il propose des outils pour essayer de formaliser cette dynamique.

Dans cette nouvelle optique, l'évolution des écosystèmes prend un rôle décisif, déjà évoqué par l'écologie mais insuffisamment étudié. On peut parler d'une véritable ingénierie des écosystèmes (ecosystem engineering), d'où résultent des modifications profondes des grands équilibres physiques ou biologiques antérieurs. Pour étudier tout ceci, il faut mettre en place, selon le terme proposé, une théorie étendue de l'évolution (extended evolutionary theory).
Les auteurs ne pouvaient se limiter à ces affirmations. Ils devaient les justifier. C'est ce qu'ils ont fait par l'étude de nombreuses données intéressant l'évolution des espèces. Ils ont mis au point également des modèles théoriques, s'inspirant notamment de la génétique des populations. Ils proposent de nouvelles méthodes de recherches destinées à donner de la consistance à ces premières hypothèses, et permettre de fournir un nouveau cadre conceptuel aux théories de l'évolution, non seulement en biologie mais dans les sciences sociales et humaines. Essayons de replacer cette thèse dans la théorie plus générale de l’évolution génétique.

La crise de la théorie génétique de l'évolution

On parle désormais de crise de la théorie génétique de l'évolution. La théorie de l'évolution se limite-t-elle à la biologie de l'évolution et celle-ci à la biologie moléculaire. Si c'était le cas, face aux assauts répétés que subi désormais ce que certains avaient appelé l'empire ADN, une nouvelle théorie de l'évolution s'imposerait en effet, qui resterait d'ailleurs à inventer et pour laquelle la théorie de la construction de niches représenterait un apport indiscutable.

La critique du modèle manifestement trop simpliste de la reproduction et de l'hérédité, découlant des premiers travaux de la génétique moléculaire, est devenue aujourd'hui un exercice quasi obligé. Il n'est certes pas question de remettre entièrement en cause le lien causal entre les gènes, les protéines et les caractères. Globalement, ce mécanisme reste responsable de la plus grande part des transmissions héréditaires, ainsi que du mécanisme darwinien de mutation/sélection à la source de la diversification des individus et des espèces. Mais un premier type d'approfondissement a été apporté par la découverte des nombreux agents biochimiques ou biologiques intervenant dans la fabrication des phénotypes, et plus généralement dans ce que l'on pourrait appeler la morphogenèse du vivant : pourquoi une cellule, un cerveau, un organisme et dans certaines mesures ce que l'on nomme une espèce constituent-ils des systèmes organisés et non pas des imbroglios indécidables d'interférences.
Par ailleurs, de très nombreuses études sont désormais consacrées à l'épigénétique de l'évolution, c'est-à-dire à la recherche des interactions entre l'influence plus ou moins directe des gènes dans le développement, et celle des conditions environnementales dans lesquelles se déroulent chaque développement particulier. Il s'agit de la forme moderne de l'ancienne sociobiologie.

Dans cette optique, on ne considère pas ces conditions environnementales comme des données stables. On admet depuis longtemps qu'elles évoluent selon leurs lois propres, mais aussi qu'elles évoluent en réaction aux actions qu'y exercent les êtres vivants. C'est d'ailleurs pour cela que fut créé il y a plus de 10 ans le terme de co-évolution. En ce qui concerne les sciences sociales et humaines, la co-évolution est même devenue un concept banal. Nul ne discute le fait que les hommes créent des environnements artificiels, par exemple l'économie de l'automobile, et que ceux-ci les conditionnent en retour, dans un cycle apparemment sans fin d'actions-réactions.

Les phénotypes étendus

Mais il est certain que l'insertion de tels environnements artificiels dans le mécanisme général de l'évolution darwinienne, souvent évoquée en termes politiques, n'a pas encore fait l'objet d'études scientifiques suffisantes. Sans doute aussi ces études ont-t-elles été entachées de points de vue encore trop marqués par la biologie moléculaire. Les auteurs de Niche Construction évoquent le concept, d'ailleurs très innovant et fructueux à son époque de "phénotype étendu". Dans le livre du même nom, Richard Dawkins insistait sur le fait que les gènes "égoïstes" dont il avait auparavant proposé la théorie, s'affrontent pour la sélection d'organismes ou phénotypes capables de produire des outils et environnements dits phénotypes étendus optimisant leurs chances de survie et aussi celles des gènes dont ils sont porteurs. Tous les artefacts, toutes les constructions sociales, animales ou humaines, dans cette hypothèse, peuvent être considérés comme des phénotypes étendus égoïstes, résultant de l'activité des gènes.

Cependant Dawkins ne jugeait pas que cela contredisait le mécanisme darwinien de la mutation/sélection prenant sa source dans l'ADN. La fabrication par les espèces de nouveaux environnements permet à leurs gènes de bénéficier d'un milieu plus protecteur au sein duquel pourront être sélectionnées de nouvelles mutations augmentant l'adaptabilité des phénotypes et donc des gènes dont ils sont porteurs. Ainsi la termitière, phénotype étendu de l'espèce termite, offre aux individus de cette espèce un cadre favorable à l'apparition et à la sélection de termites mutants aux propriétés d'adaptation améliorées. La logique de l'évolution reste cependant génétique et relève en profondeur de la biologie moléculaire.

La théorie de la construction de niches ne remet pas en cause ce mécanisme, mais relativise son influence sur l'évolution. Il y a en effet des millions d'espèces qui produisent des millions d'artefacts leur servant de niches protectrices, lesquelles interagissent en permanence. De cette interaction de millions d'agents résulte un type d'évolution jusqu'ici mal étudié. Pour le comprendre, il faut sauter à un niveau supérieur de complexité. Il faut en effet étudier le rôle que tiennent, dans le mécanisme global de l'évolution, des agents qui ne sont plus seulement biologiques mais écologiques. Il s'agit d'écosystèmes résultant de l'intervention au sein du milieu physique des produits de l'activité constructrice des organismes, organisés en réseaux. Ainsi, un écosystème tel qu'une forêt résulte de l'interaction permanente des "niches" résultant de la compétition et de la symbiose de très nombreuses espèces. Ces écosystèmes ne peuvent pas être considérés eux-mêmes comme des organismes ou super-organismes, dotés de quelque chose qui ressemblerait à un génome.

En d'autres termes, ce ne sont pas des réplicateurs au sens où on l'entend en biologie. Ce sont des entités spécifiques, évoluant selon des lois spécifiques, d'ailleurs à découvrir. Ces lois sont de type émergeant et n'ont plus grand chose à voir avec ce qui se passe au niveau des génotypes des espèces impliquées. Leur évolution résulte de processus d'ingénierie d'une toute autre ampleur, se traduisant notamment par la modification des grands flux de production et de consommation d'énergie et d'éléments nutritifs préexistants dans le milieu naturel. On sera alors amené à prendre en considération deux types d'environnements au sein desquels s'organisera la mutation/sélection des espèces, ceux liés à des facteurs sur lesquels l'évolution biologique n'a pas de prise (par exemple les cycles solaires) et tous les autres.

Dans l'étude de l'insertion des humains dans l'environnement terrestre, on se trouvera en présence de "méga-niches" ou écosystèmes "artificiels" associant de façon apparemment inextricable des facteurs physiques, biologiques et comportementaux. Ceux-ci évoluent et se complexifient sans cesse, sous l'influence de moteurs intrinsèques tels que les technologies instrumentales et les contenus de connaissance scientifiques, sur le développement desquels les humains ne peuvent, malgré ce qu'ils affirment, exercer aucun contrôle global.

Une co-évolution

En quoi l'évolution des niches doit-elle être étudiée parallèlement à l'évolution génétique ? Parce que la création d'une niche, sous l'influence directe d'un certain nombre de gènes de l'espèce responsable, modifie de façon imprévisible l'expression de tous les autres gènes de cette espèce, ainsi que celle de tous les autres gènes de toutes les espèces en contact avec le milieu modifié par cette niche. Plus généralement elle crée de nouvelles pressions de sélection. Les premiers individus responsables de la création d'une niche au sein d'une espèce transmettent un phénotype étendu jouant un rôle sélectif, non seulement sur leurs descendants mais sur de nombreuses autres espèces. Il en est ainsi évidemment de la pression exercée sur le monde animal - et sur les individus humains eux-mêmes - par les méga-niches humaines.

On pourrait d'ailleurs sous cet angle considérer que la théorie de la construction de niches est une résurgence de l'hypothèse Lamarckienne selon laquelle l'évolution des espèces résulte de la transmission des caractères acquis durant leur vie par les représentants de cette espèce. Mais nous avons dit que cette théorie ne vise pas à remplacer le schéma moderne de l'évolution, reposant sur l'activité des réplicateurs génétiques. Elle veut seulement le compléter. C'est bien ce que signifie le concept de co-évolution, lequel devrait associer désormais de façon plus explicite Darwin et Lamarck.
Les auteurs présentent dans leur ouvrage les résultats d'études réalisées par eux et montrant comment la construction de niche a modifié les processus évolutifs d'origine simplement génétique. Des mutations apparemment fatales sont conservées, d'autres apparemment utiles disparaissent. Plus généralement ils ont détecté des décalages de temps entre l'évolution biologique et celle des milieux, telle évolution se poursuivant alors que le mécanisme de sélection a disparu ou telle autre ne se produisant pas malgré qu'un mécanisme de sélection nouveau est à l'œuvre depuis plusieurs générations.

Pour tirer parti de ces premières études, le livre plaide pour la mise en place d'une écologie évolutionnaire et pas seulement descriptive. Il ne suffit pas de présenter les grands mécanismes physiques générant des écosystèmes, en ne prenant pas en considération l'évolution de ces mécanismes sous l'influence des facteurs biologiques et humains. Il faut étudier ce que les auteurs nomment l'ingénierie d'écosystèmes, ecosystem engineering se produisant à des niveaux très locaux (décomposition d'une roche sous l'influence d'un escargot se nourrissant du lichen qui la protège de l'érosion, par exemple) mais aussi à des niveaux très globaux, tel que le désormais très populaire effet de serre. De telles considérations, pensent les auteurs, fournissent des bases déterminantes pour la compréhension et peut-être pour la prédiction de l'évolution des milieux naturels.

La question des réplicateurs non-biologiques

Les écosystèmes résultant des constructions entrecroisées de niches et déterminant la sélection des réplicateurs biologiques, les gènes, ne relèvent pas de la théorie générale des réplicateurs, nous disent les auteurs. C'est exact, pensons-nous, mais il faut lever une ambiguïté. N'est-ce pas Dawkins lui-même, créateur du concept de phénotype étendu, qui avait auparavant popularisé celui de mème dont on connaît le succès obtenu depuis lors. Les mèmes, rappelons-le, sont dans la théorie mémétique " classique ", des réplicateurs culturels qui prolifèrent dans les cerveaux grâce aux capacités à l'imitation dont sont dotés les humains et certains animaux.

Avec les mèmes, et plus généralement avec les langages et les différents contenus des cultures humaines, profitant des progrès des technologies de l'information, on voit apparaître des entités réplicantes qui, bien que ne disposant pas de génomes, créent des environnements lourdement sélectifs. La sélection porte en premier lieu sur les comportements, lesquels peuvent être considérés, dans la terminologie du livre, comme des niches évolutives ou phénotypes étendus au sein desquelles s'insère dorénavant l'évolution génétique de nombreuses espèces vivantes, celles notamment, comme nous l'avons indiqué ci-dessus, qui sont influencées par les activités humaines.

Mais il nous paraît un abus de langage (le point est chaudement discuté chez les méméticiens) de dire que les mèmes et les contenus culturels en général sont des réplicateurs, car leur mode de diffusion, reproduction, sélection, symbiose obéit à des règles d'ailleurs très peu comprises, qui n'ont que de lointaines analogies avec la réplication génétique. On pourrait plutôt dire qu'il s'agit d'entités proliférantes, pour reprendre le terme mis à la mode pour désigner les armements nucléaires.

Il y a bien d'autres entités réplicantes ou proliférantes se situant au-delà des mèmes et des comportements mimétiques que ceux-ci induisent. La sociologie évolutionnaire oblige à considérer aujourd'hui les divers systèmes, méga-systèmes ou méga-niches, associant des hommes, des machines et des milieux physiques dont le nombre et l'influence ne cessent de se développer sous l'influence de l'évolution des technologies. Nous avons évoqué ci-dessus l'économie de l'automobile, mais il en existe beaucoup analogues. Ces systèmes donnent l'impression d'évoluer selon des logiques propres, en dehors de toute influence des volontés humaines, et souvent d'une façon dont les hommes restent en grande partie inconscients. Ces systèmes sont pourtant les héritiers des petites niches construites au pléistocène et auparavant par des individus ou des groupes, mais qui semblent avoir échappé à leurs créateurs.

Sous l’influence de quoi et comment ces systèmes évoluent ? Des règles générales peuvent-elles être observées. Il s’agit d’une question qui intéresse non seulement la biologie mais l’ensemble des sciences sociales.

Notes :
* On trouve sur le web mention de très nombreuses études appliquant les principes de l'ecosystem enginneering. Voir par exemple: Clive Jones, Institute of Ecosystem Studies Organisms as Ecosystem Engineers
http://www.ecostudies.org/people_sci_jones_organisms.html
* Le site du livre http://www.nicheconstruction.com/

JPB 18/12/05

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