Le rôle du hasard en biologie
moléculaire
Déterminisme et probabilisme
Le déterminisme et le probabilisme sont les deux systèmes
permettant d’appréhender les phénomènes naturels.
·
Déterminisme : une cause entraîne un effet
certain (p=1)
·
Probabilisme : une cause entraîne un effet
probable (0<p<1)
o
Un système probabiliste est reproductible
statistiquement : détermination de deux variables : moyenne et
variance
o
Loi des grands nombres : quand le nombre
d’essais devient très grand, la variance devient très faible
Dans la nature, il y a des phénomènes fondés sur des
événements aléatoires mais qui semblent des phénomènes déterministes à
l’échelle de l’observateur.
Impact de la physique sur le déterminisme biologique
Dans les années 30-40, les physiciens sont à la base des
premiers groupes de recherche et de réflexion en biologie moléculaire.
En 1944, dans son ouvrage « What is life ? »,
le physicien Schrödinger pose la question de l’origine de l’ordre dans les systèmes
naturels.
L’ordre en physique
En physique, les atomes ont des comportements aléatoires
(notion de désordre). A grande échelle, c’est le comportement de milliards
d’atomes qui est observé et qui permet d’établir des équations déterministes
(notion d’ordre).
Si l’on verse une goutte de vinaigre dans un verre d’eau,
elle va toujours se diluer de façon identique, si l’expérience est répétée dans
des conditions similaires : le désordre individuel des particules de
vinaigre devient l’ordre de l’ensemble (la goutte de vinaigre).
En physique, le principe
d’ordre naît du désordre
L’ordre en biologie
En biologie, la loi des grands nombres n’est pas applicable
car n’est en jeu qu’un trop faible nombre d’individus : les gènes. Il
existerait un ordre moléculaire, au niveau des gènes, d’où découlerait l’ordre
du phénotype, c.a.d. de l’être vivant.
En biologie, le principe
d’ordre naît de l’ordre
Du génotype au phénotype
Notion de stéréospécificité
Dans les années 60, on assiste à une explosion de la
biologie et de la génétique moléculaires.
Une propriété, celle de stéréospécificité (littéralement
spécificité solide) va servir de pierre angulaire à l’élaboration du
réductionnisme génétique.
Ce concept est directement importé de la philosophie
d’Aristote. La spécificité est ce qui appartient en propre à un objet et qui en
fait une espèce.
Par exemple, un carré est composé de quatre côtés égaux
formant entre eux quatre angles droits.
En biologie, les molécules biologiques s’emboîtent de
manière spécifique, comme un puzzle, selon leur charge électrique et leur
structure dans l’espace. La structure finale est préfigurée dans chaque
molécule.
Cette notion de stéréospécificité s’est étendue à toute la
biologie moléculaire :
le gène a la protéine a le processus
Le modèle de Monod et Jacob
Cette vision fondée sur la stéréospécificité a conduit au
schéma du paradigme du « réductionnisme génétique » développé par
Monod et Jacob dans les années 70.
Grâce à la spécificité, on comprend la construction d’un
organisme :
Gène
i
Molécule
i
Assemblage spécifique
i
Cellule
i
Récepteur / molécule
d’adhérence
i
Tissu
i
Organe
i
Organisme
Les différents niveaux se superposent et l’on passe d’un niveau
à un autre grâce à la spécificité.
Cette vision de la biologie a conduit à l’idée qu’en
connaissant les gènes et leur système de régulation, on serait capable de
décrypter l’étiologie de nombreuses maladies.
L’origine philosophique du modèle
L’arbre de Porphyre
L’origine philosophique de ce modèle est
« l’arbre » de Porphyre, un philosophe néoplatonicien qui donne une
explication à la philosophie d’Aristote.
Ce livre, à l’origine de la « Querelle des
Universaux », tend à démontrer comment les espèces sont générées à partir
des genres. En partant du genre le plus général (la substance) et en lui
ajoutant une différence spécifique, on crée un sous-ensemble :
Substance
i + différence spécifique
Corps
i + différence spécifique
Corps animé
i + différence spécifique
Animal
i + différence spécifique
Homme
i + différence spécifique
Individu
Ce modèle de classification des objets est également un
modèle ontogénique.
Aristote et la génétique
Pour Aristote, la génération d’un objet relève de deux
causes principales :
- la cause matérielle (substance)
- la cause formelle (forme)
Ainsi, une statue a une cause matérielle (l’argile) et
une cause formelle (la forme qu’elle représente).
La cause formelle qui génère un homme est la somme de toutes
les différences spécifiques.
La cause formelle d’Aristote et l’information génétique sont
des « principes d’ordre à partir de l’ordre » de fonction identique.
La révolution copernicienne a
conduit à l’effondrement du modèle de l’arbre de Porphyre. Seule la cause
matérielle est conservée, la cause formelle est supprimée.
Ces modifications conceptuelles ont été intégrées par le
monde des physiciens mais pas par les biologistes.
La spécificité existe-t-elle vraiment ?
Les molécules biologiques ne présentent pas le caractère de
spécificité attendu. Ainsi, les molécules de régulation de l’activation des
gènes peuvent se fixer sur de très nombreux gènes. Les séquences consensus sur
lesquelles se fixent « spécifiquement » les molécules de régulation
sont présentes en très nombreuses copies dans le génome.
La spécificité serait une notion métaphysique ne relevant
pas de disciplines telles que la biologie car elle est non mesurable. On ne
peut mesurer que des constantes d’association et de dissociation, permettant de
définir l’affinité des molécules entre elles mais pas leur spécificité.
Toutes les molécules peuvent interagir entre elles,
plusieurs structures sont ainsi possibles, plus ou moins probables.
Alors, comment, au final peut émerger une seule structure
(l’homme adulte) ?
Il existerait des cofacteurs, assurant une combinatoire qui
confère la spécificité.
Cet argument irréfutable est toutefois facile.
Du phénotype au génotype
Une nouvelle idée est que la contrainte sélective issue du
phénotype modifie l’expression du génotype en triant les molécules dérivant du
génotype.
Génotype n phénotype
Ainsi, l’hypothèse du tas de cellules introduit au niveau
cellulaire la notion de sélection darwinienne.
L’expression des gènes n’est pas un phénomène déterministe
mais un phénomène stochastique.
Chaque cellule peut changer d’état d’expression des gènes.
Le régulateur de l’expression des gènes peut bouger, et
passer d’un gène à l’autre, il s’agit d’un mouvement aléatoire.
Grâce à l’aléatoire, les cellules s’adaptent à leur
microenvironnement.
- Il existe dans l’organisme des gradients métaboliques.
- Toutes les cellules n’ont pas un accès identique aux
substrats.
- L’environnement métabolique diffère pour les cellules
selon leur position dans l’espace.
C’est la sélection naturelle elle-même qui explique
l’émergence de structures pluricellulaires.
Sciences Années 70 – Jean-Jacques
Kupiec – Résumé de la conférence