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L'Etre vivant

De
284 pages
"L'être vivant" fait suite à "l'être social" : deux ouvrages qui s'articulent au niveau du psychisme et de sa structure duale, logique et fantasmatique. Ce volume présente les principales données concernant les sciences de la vie et leur systémisation avec leur saisie mathématique et leur modélisation. Il présente l'ensemble de ces connaissances sur la base de l'organisation cybernétique telle qu'on la retrouve dans tous les domaines du vivant, faisant la synthèse du déterminisme et de la motivation.
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Jean-Paul HUCHON

L'ÊTRE VIVANT

L'Harmattan 5-7, rue de l'École-Polytechnique 75005 Paris FRANCE

L'Harmattan Hongrie Hargita u. 3 1026 Budapest HONGRŒ

L'Harmattan Italia Via Bava, 37 10214 Torino ITALŒ

(Ç)L'Harmattan, 2003 ISBN: 2-7475-4249-1

«

Wo es war, soll ich werden»
(Sigmund Freud)

« Où fa est, que moi soit» (traductiondeMr Alain Brun)

INTRODUCTION

Au cours du développement scientifique, de la Renaissance à nos jours, les sciences biologiques avaient pris un retard considérable sur les sciences physiques qui, dans la première .moitié du XXe siècle, atteignaient les limites du Cosmos avec la relativité et les limites de l'atome avec la mécanique quantique. Mais la découverte du code génétique par Crick et Watson dans l'immédiat après-guerre a donné une telle impulsion à la biologie qu'elle a rattrapé son retard en moins d'un demi-siècle et l'on peut dire que, de nos jours, le monde scientifique présente un front de développement relativement uni, malgré sa différenciation en multiples spécialités. L'unité de ce développement est dû essentiellement à l'application générale des mathématiques à coté de l'expérimentation. Leur diversité permet, en effet, à chaque spécialité d'avoir ses outils d'analyse spécifiques depuis l'arithmétique élémentaire jusqu'aux machines informatiques. En ce qui concerne les sciences du vivant, de la génétique à la biologie générale, à la neurologie et la psychologie, l'analyse mathématique s'appuie sur un principe fondamental, celui de l'organisation cybernétique. Ce véritable axiome est général dans le domaine du vivan t. Formulé en terme d'adaptation, c'est: 1) au niveau spécifique, la sélection, déclinée de Darwin aux néo-darwinistes. 2) au niveau organique, l'homéostase des biologistes. 3) au niveau psychique, le narcissisme et ses avatars dont la clinique a été si remarquablement analysée par S. FREUD. Il parait donc possible, quoique très ambitieux, de présenter, aujourd'hui, l'ensemble des connaissances biologiques et psychiques sur la base de l'organisation cybernétique. C'est là ce que j'ai tenté de faire, de façon, certes, bien incomplète, en privilégiant la clinique sur les faits expérimentaux, sans toutefois négliger ces derniers. Je laisse 7

au lecteur le soin d'apprécier jusque quel point je me suis approché de mon but.

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1- BIOLOGIE

11- CYBERNÉTIQUE

111 - Généralités La caractéristique des organismes vivants est la programmation génétique. Cette programmation est liée à la capacité informatique de la matière organique qui, à la différence de la matière minérale, repose sur la riche diversité des structures moléculaires à base de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Avec le programme génétique, les organismes vivants, à la différence des objets inanimés, présentent dans leur fonctionnement, en plus des facteurs de causalité, des facteurs de fmalité. La motivation agit par sélection adaptative sur le déterminisme. Leur fonctionnement peut être ainsi modélisé par des systèmes cybernétiques. La mort est la perte de l'autorégulation cybernétique homéastasiante. C'est le nivellement thermodynamique de la structure qui n'est plus autorégulée. Cybernétique vient du grec «I<UBERNAO» qui signifie «gouverner ». Ce terme a été appliqué par R. Wiener, en 1950, à tous les systèmes d'autorégulation. Pour Wiener, la cybernétique est la science de la communication et de sa régulation. Pour P. Latit (La pensée artificielle- Gallimard), c'est la science du self-government (auto-gouvernement). On pourrait dire la science du sujet, le sujet étant un système d'autogouvernement, comme c'est le cas en démocratie. En fait, la cybernétique est un secteur de la systémique en gén éral.

9

112

- Système

linéaire

Un système est défini comme un ensemble d'éléments interconnectés en un tout fonctionnel. On distingue dans un système: 1- La structure, c'est-à-dire la nature et l'organisation des éléments du système. 2- Le fonctionnement, c'est-à-dire le rapport entre l'entrée et la sortie de l'information dans le système. Dans un système logique, le transfert d'information peut être: 1- Linéaire: c'est la causalité, la relation entrée-sortie est continue et les paramètres sont constants, le résultat est précisément déterminé. 2- Non linéaire: c'est le traitement en parallèle dans un réseau. Le résultat est un complexe spatio-temporel, fonction de la structure du réseau. 3- Circulaire: c'est la rétroaction cybernétique. La relation entréesortie se referme sur elle-même en intégrant, dynamiquement la temporalité. Le résultat est finaliste. Il est approché en tendance si la structure est un réseau, c'est-à-dire non linéaire. C'est une communication interne. Le caractère cyclique d'un processus est un signe majeur de sa na ture circulaire. Ainsi, les cycles cellulaires, tissulaires, métaboliques, individuels
ou SOC1aux.

Il n'y a pas de relation biunivoque entre la structure et le fonctionnement. Une structure ne peut avoir qu'un seul type de fonctionnement, mais un fonctionnement peut relever de plusieurs types de structures, mécanique, électrique, biochimique, ce qui permet l'utilisation de modèles pour l'analyse. Dans un système logique linéaire, la fonction de transfert de l'information peut être classée dans l'ordre mathématique suivant: 1- ordre 0 : la relation entre l'entrée et la sortie est immédiate, par une simple constante. C'est un point sur une échelle indexée qui indique un équilibre statique, telle poids d'un objet suspendu à un ressort, soit x=Py. 2- Ordre 1 : c'est une relation temporelle progressive et régulière qui indique un équilibre dynamique. Ainsi la vitesse uniforme d'un mobile, soit x= I<'dy/ dt+ Py. 3- Ordre 2 : c'est l'accélération régulière d'un mobile, équilibre dynamique du deuxième degré, soit x=Mdy2/dt2+I<dy/dt+Py. 10

4- Ordres supérieurs: ils sont successivement croissants avec l'exponentielle de la dérivée dy / dt. La formule générale devient: x=Coy+C1 dy / dt+C2dy2 / dt2. . ...+Cndyn / dtn. La variation temporelle complexe entraîne un calcul d'intégrales qui peut être traduit algébriquement par la transformation de Laplace, soit [F(s)=o / OCf(t)e-st dt] dans laquelle « s» est l'opérateur de Laplace. Cette transformation est comparable à la transformation logarithmique. Les opérations sont effectuées en termes algébriques après transformation des données et les résultats sont donnés par la transformation inverse. De même, la transformation logarithmique permet-elle de substituer des opérations additives à des multiplicatives dans un aller-retour à la table des logarithmes. La transformation de Laplace donne la valeur approchée d'une somme d'intégrales, comme la limite de convergence donne la valeur approchée d'une suite convergente. Elle facilite le calcul, mais elle ne peut s'appliquer qu'à des opérations linéaires. Les systèmes biologiques sont de caractère généralement non linéaire, fragiles face aux analyses expérimentales et aux ,tests et de grande complexité auto-adaptative. Non linéaires, ils s'adaptent mieux aux variations imprévues mais ils sont moins stables que les linéaires. Aussi, d'une part, leur analyse partielle porte-t-elle sur des portions quasilinéaires et, d'autre part, privilégie-t-on les modélisations approchées successives à partir de structures différentes mais de logique comparable, réseaux électriques, modèles mathématiques ou électroniques. 113 - Système circulaire Dans un système logique circulaire, c'est-à-dire cybernétique, le transfert d'information est contrôlé par la rétroaction ou feed-back. C'est une boucle déterministe qui referme la conséquence sur la cause en régulation fmalis te. On peut distinguer différentes formes de feed-back: A- Selon la polarité de la rétroaction: 1- Le feed-back positif: la rétroaction est de même sens que le circuit fonctionnel. Elle tend à l'amplification, parfois jusqu'à l'implosion. Ainsi la crise épileptique ou l'orgasme sexuel.

11

2- Le feed-back négatif: la rétroaction est de sens inverse. Elle inhibe le fonctionnement du circuit parfois jusqu'à l'extinction. Ainsi l'accomplissement d'un acte instinctif qui éteint provisoirement l'appétence. La soif est éteinte par l'action de boire. 3- La combinaison des deux sortes de feed-back est un encadrement rétroactif qui mène à la stabilisation fonctionnelle. Ainsi le tonus musculaire pour l'équilibre synchrone des muscles antagonistes, tels les extenseurs et les fléchisseurs d'un segment articulé. Ainsi la correction dynamique en alternance diachrone, dans la poursuite d'un but en déplacement aléatoire. Le résultat de l'autorégulation encadrée obtenue plus ou moins rapidement est une série d'oscillations décroissantes autour d'une moyenne tendancielle. B- Selon la matérialité de la rétroaction: 1- Le feed-back passif: c'est une rétroaction virtuelle et directe du fonctionnement sur lui-même. Ainsi la pression de l'eau dans le réservoir contrôle la vitesse d'écoulement à l'orifice de sortie. C'est l'open-Ioop du métabolisme enzymatique ou des réflexes de la langue des batraciens. 2- Le feed-back actif: c'est une rétroaction par l'intermédiaire matériel. Ainsi le clapet d'écoulement dans le réservoir. Ainsi le servomécanisme correcteur du trajet d'une fusée. C'est le closed-loop du mécanisme hormonal et du comportement chez les mammifères. Le circuit cybernétique est un instrument d'intégration spatiotemporelle. En refermant la chaîne causale sur elle-même, il détermine des séquences temporelles rythmées par la longueur fonctionnelle du circuit. C'est l'hystérésis du circuit. Il en résulte: 1- Une mémoire: en chaque point du circuit la variation est traitée en fonction de l'état antérieur finalisé. 2- Une signification: l'information traitée en fonction de la motivation du système devient significative. 3- Une structure: il y a interdépendance de tous les éléments du circuit dans une structure d'équilibre dynamique orientée par la motivation. 4- Une stabilité: c'est la tendance du système, relation entre structure, motivation, temporalité, déterminant un équilibre dynamique plus ou moins complexe, équilibre strict, oscillant ou en recherche. La 12

variation significative dépend de l'état antérieur, du temps de circulation et de la correction structurale. Le délai de rétroaction ou hystérésis entraîne des oscillations fonctionnelles, croissantes en feed-back positif et décroissantes en feed-back négatif. La stabilité du système dépend de la relation de ce temps caractéristique et du produit opératoire de toute la chaîne causale. Les troubles de cette relation entraînent un décalage de l'effet correcteur, soit en anticipation, soit en retard, d'où les dysrythmies. Ainsi, les tremblements dans les troubles de la régulation tonicomusculaire. Dans un système cybernétique hiérarchisé, les dysrythmies croissantes à un niveau peuvent mener à une restructuration critique et au passage à un équilibre structural au niveau supérieur, toujours sous le contrôle de la motivation adaptative. Ainsi les étapes de maturation dans le développement ontogénique du système nerveux central et particulièrement du langage. Ainsi la réadaptation comportementale après des lésions localisées du système nerveux central, particulièremen t chez l'en fan t. Tous les systèmes cybernétiques ont une mémoire, mais cette mémoire peut être plus ou moins courte, c'est-à-dire inhibée, suivant les systèmes. Ainsi, dans le système endocrino-hormonal, la glande endocrine agit en motiveur et sécrète l'hormone jusqu'à ce que l'effet obtenu sur le tissu récepteur l'inhibe en feed-back négatif. Cependant, le catabolisme de l'hormone dans le sang entraîne sa disparition plus ou moins rapide et, par là, la disparition de la mémoire hormonale, ce qui provoque une périodicité liée au métabolisme et indépendante de l'hystérésis hormonale propre. Il en est de même pour la mémoire des réflexes conditionnels dont le lien analogique s'efface s'il n'est pas régulièrement réactivé. Il en est de même pour la mémoire à court terme de la pensée fantasmatique ou pensée analogique, beaucoup plus labile que la mémoire à long terme de la pensée verbale ou logico-structurale. Toutes ces données rendent les systèmes biologiques beaucoup plus complexes que leurs modèles mécaniques ou électriques, mais elles leur permettent une autorégulation beaucoup plus souple, c'est-à-dire adaptative à l'environnement. Tous les animaux semblent avoir une mémoire métabolique, mais ils n'oublient pas tous au même rythme, ni ~e la même façon. Dans l'équilibre alimentaire, le turn-over métabolique des glucides est plus rapide que celui des lipides. En conséquence, 13

l'hystérésis des feed-backs dans l'hypothalamus pour la faim est plus courte pour les glucides que pour les lipides, en dehors de leurs interrelations métaboliques. Le système cybernétique a un potentiel mnésique fondé sur des feed-backs négatifs d'inhibition différentielle et des feed-backs positifs de renforcement, tels les rappels de vaccination en immunologie, les réflexes conditionnels en neurologie, ou les soins parentaux en psychologie. C'est un caractère général des organismes vivants que cette autorégulation qui maintient la stabilité spatiale et temporelle du système tout en ménageant une liberté relative dans le jeu des feedbacks, homéostase au niveau biologique, ou narcissisme au niveau psychologique. Pour Bateson, les êtres humains ont tendance à s'engager dans des séquences d'interaction cumulatives menant à l'orgasme, par symétrie, complémentarité, escalade en feed-back positif, contrairement à la logique de la théorie des jeux, qui est la logique linéaire d'un joueur non coopérant. Les systèmes biologiques sont le plus souvent des systèmes cybernétiques non linéaires qui fonctionnent en parallèle. Sous le contrôle d'un motiveur rétroactif, ils sont en constante recherche d'équilibre. Cette mouvance orientée ne peut être représentée exactement dans le détail de sa dynamique mais elle peut être définie mathématiquement dans le rapport entre l'entrée et la sortie du système, et elle peut être modélisée. Ainsi, pour un réseau en apprentissage, les différents trajets, d'abord établis de façon aléatoire, se régularisent progressivement en fonction du contrôle rétroactif. C'est l'équivalent pour un système non linéaire des oscillations régularisatrices d'un système linéaire telle poids suspendu au ressort. Le terme de « boîte noire» l'exprime métaphoriquement. La représentation mathématique donne le principe structural du système mais pas son fonctionnement détaillé en situation. Comme la transformation de Laplace permet l'analyse fonctionnelle d'un système linéaire, la transformation de Fourier permet celle d'un système non linéaire. La traversée d'une structure par une onde régulière donne une onde irrégulière qui est fonction de cette structure. La transformation de Fourier analyse mathématiquement cette onde irrégulière en déga14

geant les composantes ondulatoires régulières dont elle est l'interférence. L'inverse de la transformation de Fourier restitue en approximation la structure traversée. L'hologramme réalise matériellement ce phénomène: 1- L'onde régulière incidente est une lumière pure, c'est-à-dire de longueur d'onde définie. 2- La structure concernée est un objet tridimensionnel. 3- L'onde irrégulière résultante s'inscrit dans une matière tridimensionnelle comme le fait une image photographique sur la pellicule bidimensionnelle. 4- L'éclairage ultérieur de cette image holographique par la lumière pure initiale restitue la forme tridimensionnelle de l'objet. On peut analyser de même, toute onde irrégulière ou en dégager les composantes régulières. Mais ces dernières ne peuvent être interprétées que dans la mesure où l'on connaît les conditions initiales du phénomène, tremblement de terre, gradients génétiques d'une population mixte, restitution objectale tridimensionnelle, analyse multidimensionnelle d'un phénomène non linéaire. Tout système cybernétique est un système d'information. Le motif d'homéostase spécifique lui donne une signification. Le motif d'homéostase existentielle lui donne un sens. Comme le remarque R. Wiener, l'information n'est ni matière, ni énergie, mais seulement information. Ses propriétés sont des propriétés structurales, c'est-à-dire de symétrie. Elles sont mathématiquement définies par la formule: Information = logarithme de l'improbabilité, l = log l/p. Cette formule définit une asymétrie de probabilités, l'information étant nulle si la probabilité est totale: l = log 1/1 = log 1 = o. Toute asymétrie de probabilités est informative. Elle mène en diachronie répétitive, par les chaînes de Markov qui sont des mémoires de probabilités, à des formes significatives, attracteurs de type fractal. Ces significations spécifiques s'adaptent existentiellement en sens subjectif. L'homéostase biologique est un système de feed-backs hiérarchisés. L'orientation fmaliste du système, sa motivation, est la survie structurale, c'est-à-dire la persistance structurale dans un milieu évolutif, par adaptation dynamique. Il peut y avoir : 1- Une stabilisation adaptative du système à une niche écologique durable. Ainsi, la tortue depuis cent millions d'années. 15

2- La disparition brutale par modification accidentelle du milieu rompant le feed-back adaptatif. Ainsi, les dinosaures, il y a soixantecinq millions d'années. Un réajustement adaptatif du feed-back à une évolution du milieu par différenciation hiérarchisée, conséquence d'une mutation génétique sélectionnée. La spéciation est l'isolement reproductif d'une race. Tous les phénomènes biologiques, à tous les niveaux, sont des phénomènes cybernétiques. Comme tels, ils sont gouvernés par un motif, l'homéostase, du groupe, de l'espèce, du genre, etc. mais aussi. des sociétés, nations, religions, cultures, etc. Les mécanismes de contrôle motivés par l'homéostase sont: 1- Les boucles rétroactives ou feed-backs, négatifs et positifs, qui ralentissent ou accélèrent le fonctionnement. 2- La hiérarchisation de ces feed-backs qui adapte l'homéostase du système aux variations aléatoires du milieu et réduit l'hystérésis. La restructuration épisodique, en réponse à une variation brutale dépassant le potentiel de contrôle. Elle est modélisable mathématiquement par les « singularités» de Thom.
.

.L'adaptation est un mécanisme cybernétique qui évolue en

complexification structurale: 1- L'adaptation darwinienne de base est un feed-back passif de sélection adaptative. 2- La superposition de feed-backs mnésiques permet l'économie de tâtonnements et la structuration élémentaire significative. 3- La superposition de feed-backs stratégiques permet l'organisation interspécifique en systèmes parasitaires, prédateurs, etc. 4- La superposition de feed-backs communicatifs comme les rituels, permet la régulation interindividuelle du groupe. S- La superposition de feed-backs anticipateurs permet la programmation comportementale chez l'homme. Les systèmes biologiques offrent de nombreux exemples de régula tion cybernétique: A- Dans la régénération d'une hydre amputée, il semble y avoir un mécanisme de double régulation: 1- D'abord une autorégulation active, en servomécanisme, commandant la régénération différentielle de la structure spécifique. Elle relèverait d'une activité hormonale donnant des gradients chimiques 16

non linéaires et analysables mathématiquement par la transformation de Fourier. Elle régénère une hydre complète, mais de taille réduite. 2- Ensuite, une autorégulation passive commandant la croissance en volume et en poids. Elle relèverait d'une diffusion biochimique décroissante de façon linéaire et analysable par la transformation de Laplace. Elle aboutit à l'équilibre stable de l'état adulte. B- Chez les invertébrés tels l'escargot et la limace, le rythme respiratoire paraît contrôlé passivement, en open-loop, par le taux de glucose post-prandial. C- Selon l'aphorisme téléologique de Claude Bernard, « la fixité du milieu intérieur est la condition de la vie libre». C'est la notion d'homéostase, équilibre statique d'un système cybernétique d'après Cannon. Lorsqu'il s'agit d'un équilibre dynamique, c'est-à-dire d'une recherche d'équilibre en tendance, on parle d'homéorhése avec Waddington. Homéostase et homéorhése témoignent d'une résistance systémique aux influences extérieures aléatoires et d'une commande prédéterminée ou programme. Le métabolisme enzymatique se présente comme un système de régulation passive pour l'homéostase humorale. Le système endocrino-hormonal se présente comme un système régulateur actif en servomécanisme motivé pour l'homéorhése adaptative.

12- GÉNÉTIQUE

121- Strueture En 1953, Francis Crick et James Watson découvrent la structure de l'A.D.N. (acide désoxyribonucléique) qui constitue le génotype. C'est une double chaîne de nucléotides ( adénine - thymine cytosine - guanine) qui sont accouplés complémentairement de façon systématique, adénine et thymine, cytosine et guanine. En 1966, Marshall Nirienberg et H. Gobind I<horana déchiffrent le codage génétique, transcription de la chaîne de nucléotides en protéines constitutives du phénotype, par l'intermédiaire de l'A.R.N. 17

(acide ribonucléique) et suivant une biosynthèse enzymatique complexe. Celle-ci combine les aminoacides de base de la transcription génétique, en chaînes polypeptidiques. Actuellement la recherche pour la connaissance du génome et de son fonctionnement inducteur des protéines phénotypiques, repose sur le travail en laboratoire, et sur l'automatisation informatique indispensable à l'analyse des processus biochimiques dans leur diversité statistique et leur non-linéarité; d'où le développement de la bioinformatique avec ordinateur, algorithmes et interrelation générale des chercheurs. Le génome humain comprend plusieurs milliards de nucléotides comparables aux lettres d'un texte, regroupés en gênes comparables à des mots, eux-mêmes inter-reliés en structure de type syntactique, sans compter les séquences muettes de nucléotides dites « introns », intercalées entre les séquences codantes dites « exons ». De sa transcription, résulte un code de vingt aminoacides, concaténés en syntagmes polypeptidiques de plusieurs centaines d'aminoacides. Pour un polypeptide de cent cinquante aminoacides, le nombre d'alternatives structurales théoriquement possibles est de 20150 = 10195,soit un nombre bien supérieur au nombre estimé de particules subatomiques dans l'univers physique, aux environs de 1080.
Le code génétique, avec un alphabet de quatre bases associables deux à deux, soit adenine-thymine et cytosine-guanine, les combine par concaténation en triplets, d'où il résulte un dictionnaire de 43 possibles. Ces soixante-quatre triplets codent, avec redondance, pour une vingtaine d'acides aminés, chaque aminoacide pouvant être induit par différents triplets spécifiques. Le tableau de correspondance entre les triplets de bases et les aminoacides montre que: 1- Chaque aminoacide correspond à plusieurs triplets de façon quasi générale, sauf pour la méthionine et le tryptophane. 2- Les différents triplets qui correspondent à un aminoacide ont en général leurs deux premières bases identiques. Cette parenté évoque la possibilité d'un stade primitif de doublets avant les triplets, doublets pouvant alors coder pour seize aminoacides. Par ailleurs, cette 18

= 64 triplets

parenté entraîne la facilité de substitutions analogiques, comme on peut le vérifier particulièrement avec les diverses variétés d'hémoglobine. Les aminoacides similaires quant aux propriétés physicochimiques correspondent à des triplets similaires. Ainsi, les triplets codant pour des résidus hydrophiles sont similaires et les triplets codant pour les résidus hydrophobes sont similaires. Un segment d'A.D.N. correspondant à un gène est transcrit en complémentation en un segment d'A.R.N. Cet acide ribonucléique est constitué comme l'A.D.N. de régions codantes et de régions non codantes. Il est débarrassé de ces dernières par des enzymes dites d'« épissage », formant ainsi l'A.R.N. messager. Celui-ci migre dans le corps cellulaire où il est transcrit complémentairement en A.R.N. ribosomique. Ce dernier, de par sa structure tridimensionnelle, correspond, d'une part aux triplets d'A.D.N. originels et d'autre part, aux aminoacides qu'il détermine. C'est un enchaînement de type métonymique c'est-à-dire analogique. Il n'y a pas de strict déterminisme structural entre les deux côtés. C'est ainsi qu'un même aminoacide peut être induit par différents triplets. Le même mécanisme métonymique se retrouve à différents niveaux évolutifs, voir les réflexes conditionnels, l'immunologie, les fantasmes. Un gène ne correspond pas de façon univoque à un A.R.N. messager, ni a une protéine. Il y a diverses variétés de transcription pour un gène. La régulation s'effectue par biosynthèse enzymatique, en parallèle. Le génome est une structure de métalangage complexe. La chaîne d'A.D.N. représente un texte complet, associant vocabulaire et grammaire. Sa structure complexe hiérarchise les séquences avec intercalation d'A.D.N. répétitif et d'éléments à caractère opératoire de type grammatical. L'A.R.N. messager représente l'analyse de ce texte en ses diverses propositions, séquences comparables à la structure verbale profonde de Chomsky. La structuration du message A.D.N. réalise un ensemble d'enchaînements de triplets doublement complémenté, en opposition entre les deux brins de la double hélice dans le chromosome, et en 19

appariement de deux doubles hélices ou allèles dans la paire chromosOffi1que. La reproduction sexuée est liée à la complémentation symétrique avec, d'abord la dissociation du double brin initial, puis la complémentation séparée de chacun des deux brins dissociés. Le développement est lié à la simple complémentation symétrique de la chaîne A.D.N., analysée en séquences d'A.R.N., puis à la traduction de ce dernier en structures protéiques. Sur la chaîne d'A.D.N., différents groupes de base peuvent être id en tifiés : 1- Le« codon» est un triplet de bases qui code spécifiquement pour un aminoacide. 2- Le« cistron» est une région d'A.D.N. qui code pour une simple chaîne polypeptidique. 3- L'« opéron» est un groupement polycistronique de gènes voisins ou dispersés qui codent en coopération pour une fonction. Sa transcription induit plusieurs protéines et ne concerne qu'un seul A.R.N. messager. 4- Le« régulon» est un groupement fonctionnel de gènes régulateurs. L'A.R.N. diffère de l'A.D.N. en ce que le ribose remplace le désoxyribose et que l'uracile remplace la thymine. Les propriétés structurales restent les mêmes. L'A.R.N. est généralement un simple brin torsadé, mais il peut se combiner en double brin complémenté avec lui-même, avec un autre A.R.N. ou avec un A.D.N. La transcription de l'A.D.N. en A.R.N. messager est plus simple que la duplication de l'A.D.N. Un seul brin d'A.D.N. est concerné quant à des groupes de gènes corrélés. Les problèmes topologiques et enzymatiques sont plus simples pour la lecture, concernant les indicateurs de départ, la direction, etc. L'A.R.N. messager est lu par l'A.R.N. ribosomique de transfert, en triplets de bases ou «codons» qui déterminent chacun un acide aminé. Comme il n'y a pas de ponctuation, le point de départ de la lecture décide des triplets successifs. La présence en quantité variable de divers A.R.N. de transfert et de divers enzymes plus ou moins spécifiques à tous les niveaux, fait intervenir la statistique dans la régulation de la transcription. C'est un 20

équilibre de probabilités dans l'immédiat et dans la successivité temporelle, modélisable mathématiquement par les chaînes de Markov Les aminoacides se combinent eux-mêmes en polypeptides dont l'enchaînement de X aminoacides permet une variété théorique de 20x polypeptides différents. X étant souvent de plusieurs centaines, la diversité potentielle des polypeptides est extrême et la réalisation effective n'en concerne qu'une faible partie. La protéine polypeptidique résulte de l'enchaînement des acides aminés synthétisés successivement jusqu'à un codon d'arrêt. La structure des polypeptides s'organise à plusieurs niveaux géométriques:
-

primaire, d'enchaînement des aminoacides. secondaire, de liens hydrogène organisant des structures en

a-hélices ou f3-feuilles. - tertiaire, de liens covalents et non-covalents, organisant une structure protéique complexe. - quaternaire, qui associe plusieurs chaînes protéiques identiques ou différentes. L'organisation structurale complexe des protéines est sous le contrôle de molécules spéciales dites « chaperons », qui sont particulièrement utiles pour la restructuration après dénaturation, par choc électrique ou thermique par exemple. Leur production, stockage et fonctionnement est comparable à ceux des anticorps, quand à la statistique et aux feed-backs. Le déplacement des protéines à l'intérieur de la cellule est dépendant de facteurs de transfert actifs. L'activation même des protéines dépend de facteurs liés, spécifiques de la cellule concernée, d'où la difficulté d'expression des gènes étrangers. Le métabolisme cellulaire précis dépend, ainsi, de toute une hiérarchie enzymatique génétiquement déterminée quant à la structure et au fonctionnement en feed-back. Le développement d'un organisme, à partir du programme génétique, se présente comme un équilibre statistique, régulé en feedbacks qui font jouer la spécificité, le taux de production et la durée de vie protéinique.

21

Code génétique

(A.R.N. avec Uracile)

u

c

A

G

3ème osition

u c

u c

c a g u c a g
GAu GAc GAa GAg SP GGu GGc GL Y GLU GGa GGg u c a

A

G

(CjT= terminaison de chaîne) 122 - Dynamique Le bruit, dit « bruit blanc» est une masse informationnelle parasite, indépendante du message qu'elle brouille. C'est la superposition au message de vibrations irrégulières, combinaisons de vibrations pures de fréquences diverses. Les formes statiques de mémoire sont plus résistantes au bruit que les formes dynamiques et, par conséquent, plus efficaces à long terme. Mais elles nécessitent des opérations à partir des formes dynamiques, plus efficaces à court terme. Ainsi, pour le psychisme, la

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mémoire à long terme, et la mémoire à court terme. Ainsi, pour l'his toire, la mémoire écrite et la mémoire orale. Les recherches en cryobiologie ont montré que les organismes vivants peuvent être réanimés après réfrigération prolongée. Par ailleurs, les radios-traceurs ont montré qu'il y avait peu de turn-over dans le génome. Ces données sont en faveur d'une mémoire statique plutôt que dynamique dans le génome. La nécessité de protéger ce dernier des bruits blancs qui détruiraient le message génotypique interdit une rétroaction phéno-génotypique active et nécessite la virtualité du feed-back, adaptation passive de type darwinien. La cybernétique géno-phénotypique est complexe: 1- Le programme est statique dans le génome avec contrôle adaptatif passif rythmé par les générations, dans un système d'ordre 1. 2- La traduction non-linéaire se fait en parallèle, différents chromosomes traduisant simultanément pour un programme phénotypique qui repose sur les polypeptides. 3- Ce programme phénotypique est dynamique, adaptatif actif avec feed- backs hiérarchisés et fonctionnement en parallèle. Le génotype est un texte avec une signification structurale relativement indépendante du contexte. Le phénotype a un sens historique dépendant du contexte spatio-temporel, en restriction de la signification génotypique. La sélection naturelle opère sur l'A.D.N., statistiquement en parallèle, par autorégulation passive, avec un hystérésis rythmé par les générations et une mémoire absolue en dehors des mutations, pour une adaptation phylogénique. L'A.R.N. individuel est un programme ontogénique et donc une autorégulation active, orientée en servomécanisme adaptatif de l'individu à son milieu. L'autorégulation passive est souvent l'aspect statistique d'une multitude d'autorégulations actives, dans un ensemble fonctionnel hiérarchisé. Ainsi, l'ensemble social des individus. La génétique, comme tout phénomène de codage, est déterminée au niveau individuel et probabiliste au niveau statistique Le stock génétique pluri-individuel est analysable statistiquement en complexe ondulatoire par la transformation de Fourier. La variabilité d'un caractère génétique dans la population est exprimée par une onde de répartition. L'ensemble des caractères est représenté 23

par un complexe ondulatoire d'où la transformation de Fourier extrait les principales composantes. Si la population est nombreuse et mixée, la répartition est régulière, d'où une structure ondulatoire relativement nette et spécifiquement stable. Si la population est réduite ou peu mixée, la répartition est irrégulière, d'où une structure ondulatoire relativement imprécise et instable avec des composantes de type racial exprimées par la transformation de Fourier. C'est un phénomène comparable à celui du hologramme dont la fragmentation entraîne, non pas l'amputation de l'image, mais un flou global et croissant. Le codage génétique est donc un codage à trois extensions, manifesté dans chaque triplet de l'A.D.N. Il commande l'organisation des molécules organiques, protéines structurales, en structures spatiales complexes et spécifiques. Cette transduction polypeptidique réalise le phénotype, c'est -à-dire l'individu corporel, morphologiquement et fonctionnellement. Le développement du phénotype phylogéniquement et ontogéniquement, est un jeu de symétries successives dans la pluridimensionnalité. Le tout construit un système cybernétique hiérarchisé en adaptation homéostasiante. Structuralement, les différents niveaux du système sont la cellule, le tissu, l'organe, l'individu, le groupe social. Chaque cellule est dotée d'un génome complet. Mais les gènes ne s'expriment qu'en fonction de leur situation dans un tissu et de leur rôle dans l'organisme. La protéomique, étude de la structuration dynamique des protéines, s'applique à trois niveaux de complexité croissante: 1- Identification des protéines. 2- Identification des cascades d'interaction. 3- Identification des connexions entre les cascades. L'efficacité de la molécule polypeptidique est liée à sa structure chimique et spatiale tridimensionnelle, comme il apparaît en immunologie. Le développement ontogénique du phénotype consiste essentiellement dans la superposition hiérarchique programmée de feedbacks adaptatifs Il repose sur des processus biochimiques. Ceux-ci sont contrôlés par des enzymes, protéines dont la synthèse est elle-même 24

contrôlée par l'A.D.N. Ce dernier contrôle ainsi toute l'organogenèse, mais il est lui-même contrôlé passivement par la sélection naturelle, dite darwinienne, pour l'adaptation spécifique. Le tout est un vaste système d'équilibres autorégulés et hiérarchisés, allant du comportement individuel jusqu'à l'ensemble des organismes vivants, et motivé par sa pérennisation adaptative. Cette structure cybernétique évolue historiquement en complexité adaptative sans faire disparaître les équilibres biochimiques fondamentaux qu'elle coiffe progressivement de contrôles hiérarchisés. La formule génétique est une structure informative. Elle détermine une asymétrie de probabilités qui définit une aptitude adaptative spécifique. L'organogenèse restreint historiquement, par contrôle différentiel hiérarchisé, cette structure informative en structure de signification, passant de l'aptitude adaptative spécifique à la compétence adaptative individuelle. Celle-ci est elle-même restreinte existentiellement dans les performances qui sont des structures de sens personneL L'évolution biologique identifie théoriquement en différenciation quantité d'espèces possibles: 1- Les espèces existantes. 2- Les espèces disparues. 3- Les espèces non réalisées. Le passage du génotype au phénotype est une programmation qui se fait en synchronie et en diachronie par codage ontogénique, transformation multidimensionnelle. Le contrôle des erreurs génétiques est le fait de la redondance, complémentation des deux brins dans la double hélice, répétitivité de certaines séquences, mais aussi structuration globale qui rend solidaires les différents éléments du génome à différents niveaux. En conséquence, c'est au niveau de la réplication, lors de la séparation des deux brins d'A.D.N. que la fragilité du génome est maximale et que les mutations sont les plus fréquentes. Seules subsistent celles qui ne sont pas létales et sur lesquelles va jouer la sélection darwinienne.

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La structure d'un gène peut se modifier légèrement sans que sa fonction soit altérée, d'où la formation, à la longue, de variétés géniques silencieuses dans la population. Inversement, les propriétés fonctionnelles peuvent varier sans modification notable de la structure génique. Cette variation de propriétés n'est pas absolue. Il peut s'agir d'un état temporaire, fonction des conditions ambiantes, comme on peut l'observer dans les colonies bactériennes. Variations géniques structurales et/ou fonctionnelles sont souvent instables et réversibles chez les descendants. Ainsi, Nesseria gonorrhaeae présente des antigènes filiformes qui assurent sa fixation infectieuse. Ces antigènes ont une partie constante et une partie variable. Cette dernière seule est immunosensible, d'où la variabilité d'action des antibiotiques. Le Trypanosome brucci, eucaryote, présente un antigène variable. La réaction immune de l'anticorps n'agit qu'un temps, car elle provoque la variation antigénique par activation de gènes silencieux. En conséquence, la pathologie présente des vagues symptomatiques, maladie du sommeil, qui se répètent à intervalles réguliers. Les variations géniques sont souvent dues à des mécanismes de type analogique, délétions, insertions, transpositions, inversions, recombinaisons, dans leur production comme dans leur correction. Ce peut être un phénomène de codage ambigu dans la concaténation des symboles. Ainsi, la lecture décalée de la chaîne A.D.N. avec recouvrement partiel de segments significatifs différents. Les interactions moléculaires concernant la structure spatiale tridimensionnelle sont souvent analogiques, de type métonymique ou métaphorique comme les associations d'idées ou les réflexes conditionnels. Insertion et transposition peuvent évoluer vers l'inversion qui renverse la séquence génique. Cette inversion peut devenir systématiquement alternative, faisant passer d'une phase fonctionnelle à une autre, et vice et versa. Ainsi, chez Salmonella tiphimurium, l'antigène flagellaire l alterne avec le II, à un rythme de production différent, ce qui entraîne leur présence simultanée dans une culture et leur persistance malgré la séparation. Toute la dynamique génétique dépend: 1- De la structure spatiale de l'A.D.N. 2- Des lois de la statistique et des probabilités. 3- Des équilibres de feed-backs régulateurs dans le milieu. 26

Le taux des mutations est maintenu bien au dessous de la probabilité aléatoire par les mécanismes de correction. D'une façon générale, toute la génétique met en évidence l'importance biologique: 1- De la complémentation. 2- De la substitution analogique. 3- De l'enchaînement métonymique. 4- De la régulation passive en parallèle. S- De la motivation adaptative. Il s'agit de mécanisme de symétrie et d'autorégulation adaptative. L'évolution biologique se présente comme un système adaptatif opérant en parallèle. Il y a traitement simultané de l'adaptation par les diverses alternatives stratégiques, spécifiques des conditions au niveau historique considéré. Il y a perduration de la meilleure ou des meilleures adaptations spécifiques. L'évolution se fait par étapes, rythmées en générations par la reproduction. Le résultat est l'arbre évolutif des espèces. ' La disparition d'une espèce, plutôt qu'à la compétition, est liée à la modification du milieu et à l'effondrement adaptatif de toute une pyramide biologique dans la niche écologique; d'où les aspects de disparition «en masse» des espèces. C'est un phénomène naturel global lié à la durée elle-même. L'hyper-adaptation d'une espèce peut même entraîner sa disparition par épuisement des ressources. La temporalité, absente dans un système statique, apparaît avec l'évolution, c'est-à-dire les variations, dans un système dynamique. Dans ce système, les variations d'un paramètre entraînent une dérive du système: 1- Extinction ou implosion pour un système linéaire. 2- Oscillations autorégulées dans un système circulaire, avec tendance à la restructuration critique et passage éventuel à un équilibre structural supérieur en hiérarchie cybernétique. Le code génétique est sensiblement universel, à quelques exceptions près normalisées par le fait que chaque aminoacide relève de plusieurs codons. Cette universalité, jointe à l'asymétrie systématisée du plan de polarisation de la lumière pour les molécules organiques, est en faveur de l'unité biologique originelle. La diversité historique des espèces est due: 27

1- À la dérive spécifique propre. 2- À l'adaptation structurale hiérarchisée. 3- À la sélection darwinienne, par adaptation passive, sur la mutation aléatoire des caractères non létaux. Le caractère cybernétique du génome permet de l'utiliser en finalisme, comme un ordinateur programmé. C'est une modélisation inversée. Ainsi, l'exemple présenté par Léonard Adleman dans la revue « Pour la Science» d'octobre 1998, pour résoudre le problème du « chemin Hamiltonien » : Il s'agit de rechercher le plus court trajet, reliant une à une et une seule fois les villes, dans un ensemble géographique ordonné comme un graphe: 1- En symbolisant chaque base par sa lettre initiale, coder chaque ville du graphe par un syntagme A.D.N. en deux parties, l'initiale et la f1t1ale.Ainsi, Grenoble: TCGG-ACTG et Lille: CCGA-GCAA avec A pour Adénine, T pour Thymine, C pour Cytosine et G pour Guanine. 2- Coder les trajets intervilles par une association métonymique des villes codées en liant la séquence finale de la ville de départ à la séquence initiale de la ville d'arrivée. Ainsi, Grenoble - Lille donne ACTG-CCGA. 3- Mélanger les séquences A.D.N. codant les villes, celles codant les trajets entre villes et les complémentaires obtenus sous l'action de l'A.D.N. polymérase. Alors que le calcul mathématique ou par ordinateur serait très long, la réaction de l'A.D.N. fonctionnant en parallèle pour une pincée de produit soit prés de 1014molécules, est quasi instantanée On obtient le chemin Hamiltonien par les mécanismes de la métonymie et de la complémentation. TCGG - ACTG (Grenoble) AGCC - TGAC (complémentaire Grenoble) ACTG - CCGA (trajet Grenoble - Lille) GGCT - CGTI (complémentaire Lille) CCGA - GCAA(Lille) En pratique: 1- On mélange des milliards de séquences obtenues facilement par synthèse. 2- On sépare les différents chemins obtenus par une électrophorèse qui les disperse en fonction de leur longueur. 28

3- On identifie la séquence comportant la bonne ville de départ et la bonne ville d'arrivée par la technique d'amplification des gènes 4- On vérifie que le chemin passe bien par chacune des villes concernées, en procédant à la séparation dite par affinité. L'ensemble de ces opérations utilise les propriétés de l'A.D.N., métonymie, complémentation, synchroniquement en parallèle sur un nombre astronomique de molécules. C'est un processus de rétroaction passive comparable à la sélection darwinienne par son finalisme adaptatif. La vie n'est de niveau ni cosmique, ni particulaire, mais moléculaire, relevant de la force électromagnétique et de la structuration cris tallographique. Les propriétés biologiques des acides nucléiques et des protéines, enzymes et organites cellulaires, dépendent de leur structure tridimensionnelle avec répartition spatiale de leurs atomes constitutifs. Cette structure tridimensionnelle est déterminée par la progressivité de leur synthèse. Pour les acides aminés, cette synthèse commence par l'extrémité du groupe amine NH2 et se termine par celle

du groupe carboxyle COOH.

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Les synthèses biomoléculaires sont tridimensionnelles, structuralement faites de symétries successives qui se ramènent à deux types, la translation et la rotation. Elles se déroulent en équilibre métastable, c'est-à-dire provisoire, qui tendent à terme à l'équilibre d'énergie minimale. Il s'agit de processus en parallèle, comparables à la résolution des trajets hamiltoniens par l'utilisation des propriétés d'appariement de l'A.D.N. L'ingénierie génétique dans les laboratoires modernes peut réaliser bien des formes qui ne sont pas exprimées dans la nature. Elle nécessite la connaissance de la structure spatiale des molécules et des rapports entre la structure et la fonction. L'ingénierie moderne peut expérimenter sur le génome, ce qui lui permet: 1- D'agir sur l'évolution. 2- D'étudier toutes les alternatives théoriques possibles. 3- De faire peut-être ce qui est impossible à l'évolution naturelle, reproduire des espèces disparues, genres et phylums. À un niveau 29

méta-biologique, la recherche en laboratoire fait aussi partie de l'évolution naturelle. Les laboratoires modernes fabriquent de la biodiversité, orientée vers l'utilité humaine. L'intérêt de la préservation écologique des espèces est très fortement diminué par les possibilités futures des laboratoires de génétique. Dans l'établissement d'une librairie génique, il faut distinguer: 1- La librairie établie à partir de l'A.D.N. nucléaire qui est complexe, structuré syntagmatiquement et chargé de séquences silencieuses. Elle est homogène pour tout individu. 2- La librairie établie à partir de l'A.R.N. messager qui est épuré des séquences silencieuses et ne comporte que les séquences actives fonctionnellement isolées. Elle est hétérogène pour un individu, variant en nature et pourcentage suivant le tissu considéré, en restriction de l'aptitude génique générale. Provenant de quelque organisme que ce soit, les gènes codant pour la même fonction ont généralement une structure semblable. 123- Programmation L'être vivant, par son génome, est une structure de mémoire phylogéniquement et ontogéniquement. L'évolution biologique est un arbre de mémoire, d'où le sens unique de l'évolution et l'importance de la temporalité. La chaîne d'A.D.N. est un arbre de mémoire par codage hiérarchisé. Le génotype, structure moléculaire d'A.D.N. dont les éléments sont biologiquement universels, change peu d'une espèce à l'autre, si ce n'est en complexification. Il est organisé en intégration systémique synchrone et diachrone sur la base de feed-backs moléculaires. À l'origine, soupe chaude de Haldane, il s'agirait de macromolécules organiques dans les lagunes océaniques, instables et soumises à la sélection darwinienne. L'évolution fait passer le gène isolé et cible de la sélection darwinienne, dont le plasmide est le prototype actuel, au programme complexe de la chaîne A.D.N. Le code génétique est universel mais il s'organise en superstructures qui intègrent des programmes génétiques divers, devenus la cible de la sélection. Les sociétés actuelles sont au sommet de ces superstructures. L'évolution des espèces est une intégration de programmes adaptatifs, c'est-à-dire de systèmes de plus en plus COffi30