Qu’est-ce qu’un individu ? La biologie cherche des indices dans la théorie de l’information

Pour reconnaître les formes de vie extraterrestres étranges et résoudre les mystères biologiques de cette planète, les scientifiques cherchent une définition objective des unités de base de la vie. Un article de Quantamagazine.

Il y a plus d’un demi-milliard d’années, à l’époque des Ediacariens, un monde de vie surréaliste envahissait le fond des océans. Ses animaux bizarres au corps mou avaient des formes physiques qui défient l’imagination : des boules matelassées et des disques côtelés, des tubes segmentés et des cloches retournées, des fuseaux coniques et des cônes élancés. Ils ont peut-être été les premiers grands organismes multicellulaires de la planète, mais ils se sont rapidement éteints sans laisser de descendants modernes. Des fossiles dans d’anciennes dalles de grès et de quartzite sont tout ce qui reste de ces créatures totalement étranges et fantastiques.

À cause de cette bizarrerie, les paléontologues débattent encore des questions les plus fondamentales à leur sujet : comment ils se sont développés, comment ils ont mangé et se sont reproduits, et même où un individu fossilisé s’arrête et un autre commence. Ces animaux étaient-ils des organismes isolés ou des colonies d’individus plus petits, à l’image de l’homme de guerre portugais ? Où leur corps en forme de gelée se terminait-il et où leur environnement commençait-il ?

La tâche consistant à distinguer les individus peut être difficile – et pas seulement pour les scientifiques qui cherchent à donner un sens à un dossier fossile fragmenté. Les chercheurs à la recherche de vie sur d’autres planètes ou lunes sont forcément confrontés au même problème. Même sur Terre aujourd’hui, il est clair que la nature ne tient pas compte des frontières : Les virus comptent sur les cellules hôtes pour se copier. Les bactéries partagent et échangent des gènes, tandis que les espèces supérieures s’hybrident. Des milliers d’amibes de moisissure visqueuse s’assemblent en tours pour répandre leurs spores. Les fourmis et les abeilles ouvrières peuvent être des membres non reproducteurs de « superorganismes » de colonies sociales. Les lichens sont des composés symbiotiques de champignons et d’algues ou de cyanobactéries. Même les humains contiennent au moins autant de cellules bactériennes que de cellules « propres », les microbes de notre intestin étant inextricablement liés à notre développement, notre physiologie et notre survie.

Fossile d’un rangeomorphe.

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Les rangeomorphes sont d’étranges animaux marins qui vivaient à l’époque d’Ediacaran. Les études qui ont cherché à déterminer ce qui guidait la croissance de leur corps de fougère s’inspiraient d’idées similaires aux récentes théories mathématiques sur l’individualité biologique. J. Hoyal Cuthill

Ces organismes sont « si intimement liés parfois qu’il n’est pas évident de savoir s’il faut en parler un ou deux ou plusieurs », a déclaré John Dupré, philosophe des sciences à l’université d’Exeter et directeur d’Egenis, le Centre d’étude des sciences de la vie.

Pourtant, être capable de faire de telles distinctions est extrêmement important pour les scientifiques. Les écologistes doivent reconnaître les individus lorsqu’ils démêlent les symbioses et les relations complexes qui définissent une communauté. Les biologistes évolutionnistes, qui étudient la sélection naturelle et la façon dont elle choisit les individus pour le succès de la reproduction, doivent comprendre ce qui constitue l’individu sélectionné.

Il en va de même dans les domaines de la biologie qui traitent de concepts plus abstraits de l’individu – des entités qui émergent comme des modèles distincts dans le cadre de schémas de comportement ou d’activité plus larges. Les biologistes moléculaires doivent identifier, parmi des milliers de gènes, ceux qui interagissent comme un réseau discret pour produire un trait donné. Les neuroscientifiques doivent déterminer quand des groupes de neurones dans le cerveau agissent comme une entité cohésive pour représenter un stimulus.

« D’une certaine manière, la biologie est une science de l’individualité », a déclaré Melanie Mitchell, informaticienne à l’Institut de Santa Fe.

Et pourtant, la notion de ce que signifie être un individu est souvent occultée. Jusqu’à présent, nous avons un concept d' »individu » qui ressemble beaucoup au concept de « pile » », a déclaré Maxwell Ramstead, chercheur postdoctoral à l’Université McGill. « S’il y a un tas de sable, vous savez intuitivement que c’est un tas de sable. Mais un tas n’est pas une chose définie avec précision. Ce n’est pas comme si après 13 grains, il passait d’une collection à un tas ».

Une définition aussi fondamentale est absente en partie parce que « la biologie en tant que domaine est complètement sous-théorisée », a déclaré Manfred Laubichler, biologiste théoricien à l’Université d’État de l’Arizona. « C’est encore une discipline très empirique ».

Aujourd’hui, quelques groupes de scientifiques s’efforcent de changer cela – et ils commencent par formaliser le concept de l’individu selon un ensemble de principes et de mesures qui, espèrent-ils, guideront la biologie vers une nouvelle ère.

Un verbe, pas un nom

Lorsqu’il s’agit de définir les individus biologiques, nous avons tendance à nous fier à ce que nous pouvons observer et mesurer. Les cellules sont liées par des membranes, les animaux par leur peau ; nous pouvons séquencer l’ADN et délimiter les gènes dans ces séquences. Par-dessus tout, nos définitions privilégient l’organisme et les caractéristiques qui lui sont associées : une entité physiquement séparée de son environnement, qui possède de l’ADN et peut se répliquer, qui est soumise à la sélection naturelle.

Mais ce n’est pas la seule façon de voir les êtres vivants – et ce n’est pas toujours la meilleure. « Je dis toujours que si Darwin était microbiologiste, nous aurions une théorie de l’évolution très différente », a déclaré David Krakauer, théoricien de l’évolution et président de l’Institut de Santa Fe. « Vous n’auriez pas commencé par la survie de l’organisme le plus apte. Cela aurait été une prémisse très différente ».

Krakauer cherche à découvrir une façon plus naturelle et objective d’identifier les unités biologiques, une mesure opérationnelle pour quantifier l’individualité basée sur la dynamique intrinsèque du système étudié, sans biais ni limites imposées par des circonstances extérieures.

Jessica Flack, experte dans l’étude des phénomènes collectifs, également basée à l’Institut de Santa Fe, a également été frustrée par les façons arbitraires dont les concepts d’individualité sont appliqués dans l’étude de la sélection naturelle et d’autres processus biologiques. Ils ont donc fait équipe et, pendant une bonne partie de la décennie – qui a vu le déménagement de Santa Fe au Wisconsin et le recrutement de plusieurs autres collègues pour le projet – ils ont élaboré ce qu’ils espéraient être « une définition de travail fondamentale beaucoup plus ouverte, qui ne suppose pas que nous connaissions la réponse, ou que nous en sachions trop, a priori », a déclaré Mme Flack.

Au cœur de cette définition de travail se trouvait l’idée qu’un individu ne doit pas être considéré en termes spatiaux mais temporels : comme quelque chose qui persiste de manière stable mais dynamique à travers le temps. « C’est une façon différente de penser les individus », a déclaré M. Mitchell, qui n’a pas participé aux travaux. « Comme une sorte de verbe, au lieu d’un nom. »

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