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De quelle façon la matière inanimée est-elle devenue vivante ?

Un article du physicien Paul Davies, référencé-ci dessous et publié dans la revue NewScientist, aborde les hypothèses actuelles proposant des perspectives de solutions à ce problème séculaire. Celui-ci est constamment évoqué mais n'a pas reçu jusqu'à présent de réponses convaincantes, susceptible de faire l'unanimité.

Paul Davies, rappelle que le physicien quantique Erwin Schrödinger, dans son ouvrage « What is life ? » publié durant la seconde guerre mondiale, avait prévenu qu'il faudrait sans doute pour aborder utilement la question, faire appel à un nouveau type de loi physique, encore inconnue. Mais depuis, malgré des milliers d'articles, aucune réponse convaincante n'a été proposée. Certes, il est possible de différencier par de multiples critères le vivant du non-vivant mais il n'est pas possible encore d'expliquer comment, les atomes et particules composant la matière inerte se sont un jour organisés pour produire de la vie, fut-elle élémentaire.

L'article est long et complexe. On peut craindre que sa lecture ne décourage beaucoup de ceux intéressés par la questions. Nous essaierons de le résumer ici très imparfaitement.
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Aujourd'hui encore, le phénomène de la vie reste incompréhensible. Comment les atomes constituant la matière inerte ont-ils pu échapper à celle-ci, se regrouper et s'organiser d'une façon qui ne tient pas compte de la 2e loi de la thermodynamique, selon laquelle tout dans le monde se dégrade et tend vers le désordre ? Jusqu'à présent, le nouveau type de physique souhaité par Erwin Schrödinger pour répondre à cette question, n'a toujours pas vu le jour.

Beaucoup de scientifiques pensent que pour comprendre la vie, il ne faut pas rechercher une nouvelle physique, mais mieux analyser les mécanismes physiques à la source de la complexité des organismes vivants. Ce faisant leurs approches sont différentes. Les physiciens et les chimistes font appel à des concepts tels que l'entropie, la diversité des formes moléculaires ou les forces de liaison entre ces dernières. On pourrait dire qu'à cet égard, ils veulent étudier le hardware de la vie. A l'opposé, les biologistes font appel au langage des sciences numériques, avec les méthode permettant le codage de l'information, sa transmission et son contrôle. Ce serait le software de la vie.

Cette approche peut paraître plus proche des façons par lesquelles les organismes vivants, quelle que soit leur taille, ne peuvent vivre qu'en recueillant des informations provenant de l'extérieur, les traiter et y répondre de façon optimale. Mais pour ce faire, les organes des sens, les membres et les cerveaux qui jouent ce rôle de machines à traiter l'information dans les organismes complexes ne sont pas basiquement nécessaires. Ainsi une bactérie peut se déplacer vers une source de nourriture en utilisant les variations des émanations chimiques en émanant.

Le traitement de l'information dans les organismes vivants ne se résume pas en des fonctions simples. C'est le cas dans la construction et la lecture du code génétique constituant les séquences d'ADN ou acide désoxyribonucléique, qui constitue la molécule support de l'information génétique héréditaire. Les informations contenues dans le code génétique découlent de l'organisation différente des quatre bases chimiques adénine, cytosine, guanine et thymine, abrégées en A, C, G et T. Mais l'organisation de ces bases dans le gène est mathématiquement encryptée. Pour aboutir à l'alphabet des 20 lettres constituant les 150 acides aminés utilisés pour la construction des protéines, qui sont les éléments essentiels des organismes vivants, ces informations doivent être lues, décodées et transmises.

Au delà de ces transferts d'informations élémentaires, de nombreux réseaux biologiques permettent le développement de l'embryon, l'utilisation des aliments ou, dans le cerveau, à l'intérieur des réseaux neuronaux, la gestion globale de l'organisme. Le propre de la vie est de faire appel à ces réseaux pour la régulation et le contrôle des signaux entre les composants de l'organisme afin d'aboutir à des buts bien définis.

Malheureusement, les biologistes, s'ils admettent que la vie résulte de la conjonction de la matière et de l'information, n'essayent pas d'approfondir la raison pour laquelle le hardware de la vie a pu inventer spontanément, c'est-à-dire sans références existant préalablement, le software de celle-ci. Comment des milliers de molécules chimiques peuvent-elles s'organiser spontanément en systèmes complexes qui mémorisent l'information et la traitent en utilisant un code mathématique ? Les molécules n'écrivent pas de code.

James Clerk Maxwell avait il y a 150 ans imaginé qu'il existait une entité, qui fut ensuite nommée le « démon de Maxwell », capable d'individualiser les millions ou milliards de molécules d'un gaz contenues dans une enceinte et les trier en séparant les plus rapides, soit les plus chaudes, des plus lentes, soit les plus froides. Ceci aurait permis d'établir une différence de température dans le gaz et d'utiliser cette différence pour actionner un moteur du type dit moteur thermique. Il avait montré que ceci ne violait pas le 2e Principe de la Thermodynamique tant que l'information était considérée comme une ressource physique. Depuis des chercheurs ont réalisé en laboratoire de petits démons, pour réaliser des moteurs à information, « Information engines ». Ils exploitent l'information désordonnée pour produire un mouvement. Ceci il est vrai ne se fait que le domaine en plein essor de l'information quantique. Voir sur ce sujet Vlatko Vedral .

Ces recherches, appliquées aux organismes vivants, montrent que ceux-ci comportent un nombre considérable de micro-machines du type du démon de Maxwell, qui exécutent toutes les fonctions nécessaires à la vie. Elles travaillent à la limite du 2e Principe, mais sans le franchir. Elles ne consomment pour ce faire qu'une infime quantité d'énergie.

Un exemple de telles machines est fourni par ce que l'on nomme dans les axones des cellules nerveuses des voltage-gated ion channels. Elles ouvrent et ferment des portes moléculaires qui permettent la circulation d'informations complexes à la surface des axones, lesquels relient les neurones les uns aux autres. Ainsi se transmettent de neurone à neurone des messages indispensables à l'activité cérébrale. Ces messages n'utilisent que des quantités infimes de l'énergie corporelle, faisant du cerveau une machine à traiter l'information où le rapport entre entrées et sorties est exceptionnellement favorable, bien supérieur à celui d'un super-calculateur. De nombreux autres exemples sont actuellement étudiés. Le prix Nobel de physique Paul Nurse avait pressenti cela et en avait fait un article dans Nature il y a 10 ans, intitulé Life, Logic and Information.

Ceci dit, construire une théorie de la vie à partir de la théorie de l'information et des composants physiques et chimiques des cellules n'a rien de simple. Il est particulièrement difficile d'identifier les composants de l'organisme vivant ayant un contenu sémantique, c'est-à-dire pourvu d'un sens en terme d'information. C'est ainsi qu'il est très difficile de distinguer dans une séquence d'ADN les composants A, C, G ou T ayant un rôle fonctionnel par rapport à ceux résultant d'un héritage désormais sans utilité, dit « ADN poubelle ».

Les scientifiques Sara Walker and Hyunju Kim, collègues de Paul Davies à l'Université de l'Arizona, étudient ces réseaux biologiques dans le cas d'une levure. La recherche montre que les réseaux biologiques semblent vivre d'une vie propre. Même s'ils ne sont pas en contact physique, ils peuvent s'influencer à distance pour réguler la vie d'une cellule de levure. Ils le font par des échanges d'informations même s'ils ne sont pas directement connectés.

L'observation directe n'étant pas à ce jour possible, ces scientifiques commencent à utiliser des automates cellulaires. Ceux-ci montrent sur un écran d'ordinateur comment se forment et évoluent des structures élémentaires à base d'informations. Or la simulation est très surprenante car elle met en évidence la façon selon laquelle les règles du jeu changent en fonction des modifications de l'état global de l'organisme. Mais elle fait davantage, elle montre comment certains automates peuvent commencer à évoluer d'une façon continue, faisant apparaître régulièrement des nouveautés.

Il paraît clair que la vie procède de même, puisqu'elle invente sans arrêt de nouvelles formes sans se référer à des règles préalables.  Ceci permet à la vie de produire des entités où le tout est plus que la somme des parties.

Paul Davies indique que la mécanique quantique, qui est la théorie la plus efficace pour décrire le monde, montre comment une particule quantique évolue selon l'équation de Schrödinger. Sa fonction d'onde lui permet de prendre un nombre très grand d'états, jusqu'à ce qu'une intervention extérieure, telle qu'une observation, lui enlève cette propriété, la « réduise » selon le terme en vigueur. En ce cas, elle n'affiche plus qu'un seul état. C'est cet état qui la caractérise dans le monde physique ordinaire. Mais l'observation, dite aussi la mesure, ne peut être définie d'une façon constante ; Elle dépend de nombreux critères, tels que le choix de l'appareil de mesure ou les modalités de l'intervention extérieure.

La biologie quantique étudie de tels effets chez les organismes ou dans certains de leurs organes. La biologie quantique est souvent contestée par les biologistes ordinaires, mais ses résultats semblent maintenant indiscutables, concernant le fonctionnement de certains organes, tels notamment les organes des sens.

Paul Davies conclut son article en indiquant que selon lui la future théorie de la vie se trouvera à l'intersection de la physique quantique, de la chimie, des nanotechnologies et de la science de l'information.

Observation

Selon nous, cette coopération entre disciplines sera indispensable pour commencer à proposer une théorie de la vie. Mais il s'agira d'un travail très difficile, associant des outils souvent jugés incompatibles. Les chercheurs qui en seraient capables sont actuellement très rares, sans mentionner les crédits nécessaires. Il sera donc nécessaire d'attendre plusieurs années ou décennies avant de voir une ou plusieurs théories de la vie apparaître d'une façon utilisable, non seulement par la philosophie mais par les différents professionnels qui ont besoin quotidiennement d'identifier des phénomènes vivants dans le monde omniprésent de la matière inerte.

Nous ajouterions un point qui paraît important. Paul Davies ne montre pas, malgré le souhait formulé en introduction, comment une théorie de la vie telle qu'il la conçoit pourrait permettre de comprendre sous quelle influence ou pour quels motifs des atomes et particules de matière inerte ont pu ou pourraient se conjuguer pour peuvent pour former les atomes bien plus complexes de la matière vivante. S'est-il agi d'un hasard de l'évolution, ne se produisant que très rarement, comme tout hasard, dans l'univers. S'agit il au contraire d'une évolution incontournable des composants de la matière inerte, dès qu'ils atteignent un certain niveau de complexité ?

Dans ce cas, la vie serait omniprésente dans l'univers. Plus immédiatement, il serait désormais possible de créer en laboratoire des précurseurs d'organismes vivants viables. Inutile de dire que si cela devenait possible, il s'agirait d'une révolution radicale, non seulement conceptuelle, mais dans un grand nombre de développements technologiques.

Référence

How does inanimate matter come to breathe, thrive and reproduce? Explaining this magic means overhauling nature's laws, says physicist Paul Davies

01/02/2019
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