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Lecture : La vie, c’est quoi ?

Schrodinger s’intéressait beaucoup à la biologie (et pas seulement aux chats 😉 ). Dans un petit livre paru en 1944 intitulé « What is life ? », en fait une mise en forme de conférences données en 1943 au Trinity College de Dublin, Schrodinger examine les propriétés physiques de la vie et tire quelques conclusions vraiment intéressantes …

Quelques mots d’abord sur le contexte de l’époque. En 1944, la structure de l’ADN n’est pas connue (il faudra attendre Watson et Crick en 1953). A dire vrai, on n’est même pas sûr que l’ADN contienne l’information héréditaire. En revanche, la notion de « gène » existe déjà, même si on ne sait pas comment et où ces gènes sont encodés. La plus grande partie du livre est une discussion sur les contraintes physiques sur les gènes et le vivant, et sur les conséquences sur leur organisation.

Comme vous le savez sûrement, à l’échelle des molécules, le chaos règne. L’agitation thermique secoue toutes les molécules, et il est impossible de prévoir où se trouvera une molécule agitée par le mouvement brownien au cours du temps. Pourtant, du chaos microscopique émerge un ordre macroscopique à notre échelle. Impossible de prédire où se trouvent les molécules d’un gaz, mais il est facile de définir une pression, une température … et de prédire le comportement du gaz en entier. C’est la puissance de la thermodynamique, qui crée de l’ordre à partir du désordre, et qui sous-tend toute la physique statistique.

Qu’y a-t-il de plus « ordonné » qu’un gène ? Manifestement, un gène est remarquablement stable au cours du temps, capable d’être transmis à l’identique sur des générations (à l’image de la « lèvre des Habsbourg« ). Un physicien « naif », s’intéressant à la biologie, penserait de prime abord que cet « ordre » génétique ne peut émerger et survivre aussi longtemps que du fait de lois statistiques, identiques à ce que l’on observe en thermodynamique. L’ordre génétique, issu d’un désordre de nature inconnue.

Mais Schrodinger observe que le stockage des gènes dans les chromosomes est réalisé à une échelle trop petite, précisément là où le chaos brownien règne, et impliquant bien trop peu de molécules pour que l’ordre émerge de propriétés statistiques. Schrodinger en conclut que la physique statistique ne peut expliquer comment est stockée l’information génétique. Le physicien intéressé par la biologie doit donc chercher d’autres mécanismes possibles de stockage de l’information génétique. Si l’ordre ne peut émerger du désordre, c’est que les gènes sont des structures ordonnées à petite échelle.

Schrodinger déroule ensuite son raisonnement. Qu’est-ce qu’une structure ordonnée à petite échelle ? En gros, un cristal par opposition à un liquide ou un solide amorphe fondamentalement désordonné. C’est la première prédiction de Schrodinger : l’hérédité n’est explicable par la physique que si elle est transmise par une molécule semblable à un cristal. Mais un cristal un peu particulier. Un cristal « usuel » est périodique; Schrodinger pense qu’une information complexe ne peut être transmise que par un gigantesque cristal apériodique, tel que la succession des atomes contienne une information, un code, analogue au code utilisé pour le morse par exemple. Par un pur raisonnement sur les contraintes physiques du système, Schrodinger dresse ainsi un portrait assez juste de ce qu’est l’ADN, qui ne sera décrit que 10 ans plus tard.

Schrodinger retourne ensuite à la thermodynamique. Rien ne peut échapper à la flèche du temps, l’entropie doit augmenter, et l’ordre interne d’un être vivant devrait malgré tout disparaître du fait du second principe de la thermodynamique. Une seule solution pour que la vie se maintienne : un être vivant ne peut survivre qu’en absorbant de l’entropie négative du milieu extérieur pour maintenir son propre ordre, mis en danger par les fluctuations statistiques à l’échelle de la cellule. Pensez-y : d’un point de vue thermodynamique, lorsque vous mangez, vous absorbez « l’ordre » de votre nourriture pour maintenir votre propre ordre interne . Et la biologie, contrairement à la physique statistique, n’est pas de l’ordre issu du désordre mais bien de l’ordre issu de l’ordre …

Schrodinger enfin discute cette notion « d’ordre issu d’ordre ». Ce n’est pas une notion si étrange que cela en physique : par exemple les mouvements des corps célestes sont eux-mêmes très ordonnés et échappent aux lois de la physique statistique. En fait, tous les mouvements purement « mécaniques » ont les mêmes propriétés « d’ordre issu de l’ordre », d’un ordre qui se perpétue lui-même, à l’image d’un pendule qui peut osciller quasiment à l’infini ou des corps célestes qui tournent perpétuellement dans les cieux. Comment un objet physique peut-il lui aussi échapper aux fluctuations statistiques, à la thermodynamique ? Schrodinger invoque une loi de la physique parfois appelée le « troisième principe de la thermodynamique », le principe de Nernst. Ce principe relie l’augmentation d’entropie (second principe de la thermodynamique) à la température. Plus la température diminue, moins l’augmentation d’entropie d’un système isolé au cours du temps est importante. Lorsque le zéro absolu est atteint, l’entropie n’augmente plus et le degré d’ordre d’un objet physique ne diminue plus avec le temps. Schrodinger souligne alors qu’une température proche du zero absolu peut être en réalité assez élevée en fonction du système considéré. Prenez l’exemple d’un pendule oscillant : il peut osciller très longtemps régulièrement sans être influencé par les fluctuations thermiques de la pièce où il se trouve. En réalité, les fluctuations thermiques ne sont importantes pour un tel pendule qu’à partir du moment où la température est assez haute pour que le pendule fonde ! L’analogie est assez claire : pour Schrodinger, le vivant n’est capable de maintenir son ordre que parce qu’il n’est pas très différent d’un système mécanique et que ses constituants fondamentaux travaillent « effectivement » à température nulle. Une analogie du pendule qui fond serait selon moi une protéine qui se dénature à haute température, mais reste stable dans le corps.

Schrodinger termine son livre par une discussion métaphysique. Si tout est quasiment mécanique dans le vivant, quid du libre-arbitre ? Schrodinger n’invoque pas les mânes de la physique quantique comme le ferait un Stuart Kauffman par exemple; non, il part directement dans le mysticisme et conclut son livre en affirmant que si Je peux contrôler les mouvements des atomes dans mon corps par mon libre-arbitre, c’est que Je suis Dieu ! Schrodinger rejoint certains mystiques hindous qui affirment que la conscience individuelle ne serait en fait qu’une partie d’une conscience universelle. Une conclusion surprenante et originale pour un essai classique et passionnant…

About the author

Tom Roud

Nanoblogger scientifique, associate professor incognito (ou presque). Suivi par @mixlamalice

14 Comments

  • La difficulté réside dans la définition de la « vie ».
    La définition la plus générale peut être celle de la simple auto-organisation du chaos, l’autopoïèse (expérience de Luisi). Avec cette stricte définition on peut considérer des cristaux comme vivants.
    La définition la plus étroite est la répétition d’une information, d’un code. Dans ce cas les Sims peuvent être considérés comme des êtres vivants. La réalité est certainement un subtil dosage des deux.

    L’entropie négative revient à donner du sens à la vie : puisque l’univers entier est entropique, pourquoi des sous-ensembles infimes de l’univers fonctionnent-ils à l’envers ?

  • @ erathrya : ça peut toujours servir dans ce contexte de meltdown 😉

    @ all : moi j’aime bien la définition suivante (Bichat ?)
     » la vie est l’ensemble des fonctions qui résistent à la mort »

    Cela a un côté « entropie négative » qui me plaît bien.
    Rien n’interdit de voir un système augmenter globalement son entropie tout en ayant des « poches » plus organisées. Il faut voir que l’univers est violemment hors équilibre, ce qui rend beaucoup de choses possibles … Tiens, cela me rappelle ce papier du Santa Fe Institute sur le sujet, un peu délirant comme tout ce qui vient de là-bas mais amusant :
    http://tomroud.cafe-sciences.org/2006/11/30/la-vie-etait-elle-inevitable/

    @ IRA : you’re welcome 😛

  • Ola Tom !

    Ca fait un moment que je voulais ajouter un commentaire à tes articles sur Kaufman, et celui-ci me semble creuser plus ou moins le même sillon : quelle échelle pour expliquer la vie ? Holisme ou réductionnisme ?

    Je suis en train de lire le nouveau livre de Douglas Hofstadter (Gödel Escher Bach), et ça traite vraiment de la même chose… sous un autre angle. Il utilise même l’exemple du coeur : pour comprendre le coeur, il faut raisonner en termes de pompe, pas en termes de physique des particules.

    Donc, en gros on est d’accord sur le fait que l’approche inductive, de bas niveau, marche tres mal pour expliquer le vivant . Mais ca ne veut pas dire que ce bas niveau n’est pas tout de même le substrat du vivant et de l’humain !

    Et c’est là où le raisonnement de Kaufmann devient spécieux (autant que je puisse en juger par ton compte rendu) : d’accord, NOUS, humains, avons besoin de concepts de « haut niveau » pour comprendre un phénomène, mais ça ne veut pas dire que ce haut niveau disqualifie le bas niveau pour autant.

    Hofstadter imagine un ordinateur composé de dominos en cascade. Cet ordinateur est en train d’essayer de de diviser 411… Si je regarde un domino isolé dans « l’ordinateur » et que ce domino ne tombe pas, je peux avancer 2 explications :

    1 – l’approche rductionniste : il ne tombe pas parce que le précédent dans la chaine ne tombe pas non plus. Pas tres intéressant !
    2 – l’approche haut niveau : il ne tombe pas parce que 411 est premier.

    On peut préférer l’approche haut niveau sans ajouter quoi que ce soit aux lois mécanisto-réductionnistes de la « physique des dominos » ! On a besoin d’une approche déductive pour comprendre l’évolution, ok, mais ça ne veut pas dire que les mécanismes qui la sous-tendent échappent au réductionnisme. Enfin y m’semble.

  • Bonjour M. Roud !
    Je trouve votre article particulièrement intéressant, comme souvent, et ça me donne grande envie de lire cet ouvrage de Schrodinger, si ce n’est pas trop compliqué…
    Sinon j’ai une question sur un point que je n’ai pas bien compris : pourquoi est-ce qu' »une température proche du zero absolu peut être en réalité assez élevée en fonction du système considéré » ? il y a quelque chose qui m’échappe, car je ne comprends pas comme le zéro ABSOLU peut DEPENDRE du système considéré.
    En tout cas, merci pour ce blog qui colle à l’actualité et sait parler de scientifiques plus anciens…

  • @singedescavernes: une température est proche du zéro absolu si l’on peut négliger l’agitation thermique lorsque l’on détermine le comportement du système.

  • @ singedescavernes : je ne dirais pas que c’est un livre simple, mais Schrodinger expose assez clairement son point de vue. N’oubliez pas qu’il s’agit d’un physicien qui parle de biologie, donc il « vulgarise » pas mal.
    Merci pour votre intérêt en tous cas
    @ jean : voilà ! C’est souvent le cas en physique : zéro ne signifie pas zéro absolument, mais quelque chose de très petit par rapport à ce qui est « significatif ». Ce n’est pas toujours évident à comprendre d’ailleurs quand on n’est pas familier avec la discipline.
    Par exemple, pour le pendule oscillant : l’oscillation ne dépend pas de la température à température ambiante… La dépendance n’apparaît que lorsque le pendule commence à fondre.

  • « Et la biologie, contrairement à  la physique statistique, n’est pas de l’ordre issu du désordre mais bien de l’ordre issu de l’ordre  »

    Je réagis à  cette phrase car, récemment, j’ai lu l’excellent livre de Jean-Jacques Kupiec: « L’origine des individus ». Pourquoi excellent ? Parce qu’il réfute le dogme sur lequel repose la biologie: que l’ordre naisse de l’ordre, contrairement à  la physique ou la chimie (pour ne citer que des exemples) où l’ordre naît du désordre. Selon lui, la sélection naturelle et les probabilités s’appliquent aux espèces, au niveau des individus, ET aux individus, au niveau des cellules. Sa théorie n’est pas complète, il le reconnaît lui même, mais il propose un autre regard qui vaille la peine d’être pris en compte.

    Mon article dessus : http://www.sirtin.fr/2008/12/30/les-enjeux-de-lontophylogenese-de-kupiec-face-au-determinisme-genetique/

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