La complexité du vivant expliquée simplement !

par Candide2
mardi 7 novembre 2006

Je me propose ici de donner au lecteur novice un fil d’Ariane qui permette de ne pas se perdre dans le labyrinthe que constitue la complexité du vivant. Je montre un chemin, ce n’est pas le seul possible. Il ne s’agit pas d’un exposé magistral mais d’un outil pédagogique qui pourrait être utile à des non-scientifiques intéressés par les sciences du vivant ou à des scientifiques formés dans d’autres domaines. J’espère que cette brève synthèse leur sera d’une lecture facile, tout en leur ouvrant un large champ de réflexion. Je donnerai ici une conception totalement physicaliste du vivant. C’est la position de la plupart des savants qui se penchent sur les propriétés du cerveau notamment, et sur les mécanismes de l’évolution, mais pas de tous. C’est celle de Gérald Edelman : « Ma... présupposition est fondée sur le fait d’admettre qu’on doit strictement obéir aux principes de la physique et que le monde défini par la physique est causalement fermé. Il ne comprend pas de forces fantomatiques contrevenant à la thermodynamique. » J’essaierai de suivre les conseils d’un grand pédagogue : « Si vous n’arrivez pas à expliquer un concept à un enfant de six ans, c’est que vous ne maîtrisez pas ce concept. » A. Einstein.

Le sujet étant un peu long, je le diviserai en plusieurs parties :
1. Des briques de la matière aux briques du vivant
2. L’émergence du vivant
3. La socialisation des cellules
4. L’émergence de la conscience
5. La société humaine

Première partie : Des briques de la matière aux briques du vivant.

Si dans le détail, le phénomène vivant est bien le summum de la complexité, le mécanisme qui le conduit est accessible à tous, pour peu qu’on ne s’enferme pas dans des dogmes et des préjugés.

La nature utilise des lois simples : il y a quatre sortes de forces qui agissent chacune dans un domaine particulier et une « énergie / matière » qui sont deux aspects différents de la même réalité.

Notre histoire commence il y a 13,7 milliards d’années, dans une fulgurante explosion à qui un grand physicien a donné le nom de Big Bang, par analogie avec la description mythologique que donne la Bible de la construction de l’univers et pour tourner en dérision une théorie qu’il contestait mais qui s’est imposée. En réalité, il n’y avait ni tonnerre ni éclair, car le son et la lumière restaient prisonniers de cette super gravité qui dominait tout. •Nous nous limiterons à notre univers familier, celui que nous connaissons le mieux, composé de galaxies, de soleils et de planètes où est apparue la vie. Il ne représente que 5% du contenu du cosmos, dont le reste se partage entre une matière sombre inconnue et pour 70% d’une énergie encore plus mystérieuse qui serait à l’origine d’une antigravité responsable de l’expansion continue de l’univers. •Nous ne nous aventurerons pas non plus sur les infimes fractions de la première seconde pendant les 10-43 seconde que dure l’Ere de Planck car la physique que nous connaissons n’y a aucun sens. •Nous laisserons aussi débuter cette inflation de l’univers où les quatre forces fondamentales vont se dissocier une à une de la super force originelle : la gravité d’abord, puis les forces nucléaires fortes et faibles, et enfin la force électromagnétique. Désormais ces forces vont présider à l’organisation de l’univers. •Nous attendrons encore cent millièmes de seconde, que d’infimes particules élémentaires, les quarks, se groupent par trois pour former les protons et les neutrons, ces objets familiers qui sont les premières briques qui construiront la matière. •Laissons encore passer le reste de la première seconde pendant laquelle se joue la plus titanesque guerre de tous les temps, un formidable combat de deux frères ennemis, totalement jumeaux et symétriques, mais fondamentalement incompatibles. Un fabuleux élan de destruction oppose deux forces gigantesques en tout point identiques et va en un instant anéantir l’antimatière au profit de la matière qui règnera désormais !

Après la première seconde, le décor est posé : nous avons les forces fondamentales qui imposeront leurs lois à cette matière énergétique qui ne pourra que les suivre. Commence alors un mécanisme très simple : à partir de cette profusion surabondante d’énergie, une construction patiente va se faire, par assemblages successifs des éléments précédemment construits. L’univers va se complexifier, sans fin et sans limite si ce n’est le temps et l’énergie dont il dispose et que nous considérons comme infini.

Nous avons vu que les quarks avaient donné naissance aux premières briques, les protons et les neutrons, en s’associant trois à trois. Commence alors la première construction : protons ou neutrons s’associent à leur tour pour former des noyaux plus gros. Un rien les distingue : une simple charge électrique, mais ils ont la même masse, à cette charge près. Un proton tout seul, c’est un noyau d’hydrogène. Groupés par deux, c’est un noyau d’hélium. Ces éléments les plus simples resteront les plus abondants de l’univers : 73% pour l’hydrogène, 25% pour l’hélium. Mais les 2% qui restent vont connaître un destin fabuleux ! Nous n’en sommes encore qu’aux premières minutes de l’histoire. L’univers est toujours invisible, ni bruyant ni lumineux, mais cette soupe primordiale bout à un milliard de degrés ! Il faudra 400 000 ans pour que la lumière soit ! À force d’expansion, l’univers devient moins dense, la température descend à 3000 degrés, la gravité diminue et laisse s’échapper la lumière qui se propage librement dans une matière devenue transparente. L’assemblage de protons continue sous l’influence des forces nucléaires, ils s’associent par deux, par trois, par quatre, on ne voit pas de raison pour que ça s’arrête. Mais il y en a une : tout se fait au hasard et évidemment, plus c’est compliqué, moins ça a de chance de se produire et plus la construction est fragile. Ce jeu de construction a un seul type de brique voit vite ses limites : quand on en met trop, la construction devient instable et autour de cent, elle s’avère improbable et éphémère. Le nombre de noyaux possibles se limite donc à la centaine. Pour que les constructions continuent, il faudra trouver d’autres règles et d’autres briques. Cela ne tardera pas : les électrons dotés d’une charge électrique négative vont se lier aux noyaux et constituer des entités électriquement neutres : les atomes. Les atomes sont les premiers éléments construits qui seront à leur tour les nouvelles briques élémentaires destinées à la poursuite des édifices à un degré de complexité supérieure : il n’y a plus un seul type de briques, mais près d’une centaine sont utilisables. Et comme toutes les combinaisons sont possibles, atomes semblables, atomes différents, par deux, par trois, par dix, les combinaisons possibles deviennent infinies. On est passé des différentes sortes d’atomes, une centaine, aux différentes sortes de molécules : une infinité ! On touche là l’extraordinaire richesse de la méthode cumulative dans la construction de cette complexité. Chaque fois qu’un édifice construit devient à son tour une brique pour les constructions suivantes, se produit une émergence : des propriétés nouvelles et d’une autre nature que ne laissaient pas prévoir les propriétés de leurs composants. Mais le domaine d’épanouissement de la chimie nécessite des conditions bien particulières : la température ne doit pas être trop élevée et les atomes doivent être disponibles en abondance. L’environnement nécessaire va se créer à partir de la turbulence de la mixture cosmique : de petits grumeaux se forment sous l’influence des ondes gravitationnelles et se structurent en amas qui se condensent, s’illuminent et où s’agglutine la matière. Ces structures dessinent des filaments, des plans ou des bulles où se forment les étoiles et les galaxies séparées par du vide. Les étoiles sont des concentrations de matière, c’est-à-dire essentiellement d’hydrogène, solidarisées par la gravité que provoque leur masse. Elles grandissent en captant la matière de proximité et plus leur masse augmente, plus efficace est la gravité qui capte et agglutine cette matière. La pression interne augmente alors, et avec elle la température. Quand la température atteindra 15 millions de degrés, les noyaux d’hydrogène vont fusionner par deux pour donner un noyau d’hélium qui à son tour pourra fusionner en carbone. Cette fusion nucléaire, en libérant une fantastique énergie, permet aux étoiles d’être lumineuses. Et si elle n’arrivent pas à grandir, elles restent noires. Autour d’elles, les amas de matière ne sont pas toujours absorbés. S’ils passent trop loin, ils échappent à l’attraction de l’étoile. A une distance intermédiaire, qui dépend de leur masse, ils s’installent au contraire sur une trajectoire en orbite. Ces satellites de petite taille, vite refroidis, formeront les planètes. Certaines planètes vont pouvoir fournir un environnement propice à l’essor de la chimie : notre soleil (et ses planètes) est vieux de seulement 4,5 milliards d’années. C’est une étoile naine jaune. Parmi ses huit planètes, la Terre offre des conditions privilégiées : sa température est modérée, l’eau liquide s’y est abondamment formée et toutes sortes d’atomes ont essayé de se combiner. La chimie a trouvé des conditions idéales et la complexité y atteindra des sommets.

Les molécules ouvrent une nouvelle voie à la complexification de la matière : elles sont infiniment plus nombreuses que les atomes, infiniment plus variées et leurs propriétés sont bien différentes.

Mais la construction des molécules est plus complexe que celle des atomes. Les liaisons se font au hasard, mais sont conditionnées par les formes respectives des atomes et des molécules ainsi que par le type des charges électriques qui s’attirent ou se repoussent. Ces liaisons sont faibles, de nature électromagnétique. A ce stade, même si toutes les combinaisons d’atomes et de molécules sont possibles, elles se font au hasard et à un seul exemplaire. Des configurations simples peuvent se reproduire et s’accumuler si elles sont stables. Mais plus elles sont complexes, moins leur construction devient probable et ces évènements rares, qui ne se reproduisent pratiquement jamais, finissent pas être détruits quand se poursuivent les processus chimiques. La chimie est alors limitée dans sa complexité par l’improbabilité et l’instabilité des molécules complexes. Il fallait donc d’autres briques pour aller plus loin.

Ces autres briques furent celles qui acquirent une propriété particulière : celle de se reproduire. Ce n’est pas si difficile que ça : certains minéraux, comme les cristaux ou les argiles, ont la propriété de se reproduire identiques à eux-mêmes. L’avantage, c’est que leur formation ne dépend plus d’un aléa plus ou moins probable, mais qu’elle est mécanique et spontanée. Quand une molécule est stable et se reproduit elle-même, elle a tendance à supplanter toutes les autres et à envahir le territoire. Il lui faut cependant des conditions physico-chimiques particulières et la multiplication s’arrêtera dès qu’elle aura épuisé un des éléments nécessaires à sa composition. Dès ce stade, il y a compétition entre les molécules pour s’approprier les éléments nécessaires à leur croissance et à leur survie.

Quand on parle de survie c’est déjà qu’on considère qu’il y a de la vie : et en effet, ces molécules réplicatives sont les ancêtres du vivant !

La chimie d’un des atomes était promise à un bel avenir : la chimie du carbone ! Pas trop gros, (6 protons et 6 neutrons), le carbone est un atome stable qui a quatre charges électriques disponibles, comme quatre bras par lesquels il peut accrocher autant d’atomes d’hydrogène ou d’autres corps de formes complémentaires, ou même constituer des chaînes avec plusieurs atomes semblables. C’est l’exploitation de ses propriétés très riches qui a donné naissance à la chimie organique. La chimie du vivant est à 100% une chimie du carbone. Ce privilège est dû à ses propriétés de s’enchaîner pour former un répertoire illimité de très grosses molécules aux formes multiples et variées que les chimistes exploitent aussi pour la fabrication des matières synthétiques. D’autres atomes, tel le silicium, possèdent aussi des propriétés analogues. Mais sur la Terre, c’est le carbone qui s’est imposé.

La chimie du carbone allait fabriquer des réplicateurs hautement élaborés : des molécules assez simples qu’on a pu obtenir en laboratoire dans des conditions proches de celles de la Terre à ses débuts et qui sont des substances organiques appelées purines et pyrimidines. Ces petites molécules se comportent comme des briques d’un nouveau type qui se lient entre elles pour former des chaînes plus longues. Ce n’est pas nouveau, bien des molécules s’associent ainsi entre elles en deux points différents et forment ainsi des chaînes. Mais une fois disposées en chaîne, celles-ci, qui sont des bases azotées (1), attirent encore leurs semblables par le côté si bien qu’une autre série de ces briques se dispose à son tour en chaîne, attachée à la précédente par chaque couple qui s’était trouvé des affinités complémentaires. Mais les liens qui unissent ces couples sont fragiles : les lésions latérales se défont et les deux chaînes se détachent bientôt pour former deux chaînes séparées mais symétriques, chacune étant le miroir de l’autre. Par la suite, d’autres couples se formeront, construisant d’autres chaînes en miroir, de telle sorte que le miroir du miroir sera l’exacte réplique de la première chaîne !

La vie avait trouvé sa voie.


(1) Bases azotées : . On parle d’acide et de base en chimie pour distinguer deux comportements symétriques des molécules selon qu’ils ont tendance à libérer ou à capter des protons. Ces bases sont dites azotées parce que leurs chaînes, composées d’un ou de deux hexagones, comportent de l’azote en plus de l’indispensable carbone. Ces détails n’ont pas d’importance pour la compréhension générale.

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