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Thermodynamique de la mort

Le célèbre physicien Schrodinger, dans son remarquable ouvrage « Qu’est-ce que la vie ? » donne une définition thermodynamique de la vie et des être vivants. La constatation de base de Schrodinger est que les structures vivantes, à l’échelle cellulaire, sont remarquablement stables dans le temps bien que soumises à d’énormes fluctuations thermiques. Pensez par exemple à un trait physique qui peut se transmettre de générations en générations (comme la fameuse lèvre des Habsbourg) : une information génétique peut perdurer inchangée pendant des milliers d’années dans un milieu aussi dynamique qu’une cellule. Cette stabilité du génome amena Schrodinger à « prédire » l’existence d’un « cristal apériodique » comme support de l’hérédité – à l’époque on ne savait pas ce que faisait l’ADN.

Roi Charles II d’Espagne arborant la fameuse lèvre des Habsbourg Charles II était homozygote pour plus de 25% de son génome.
Voir Alvarez G, Ceballos FC, Quinteiro C (2009) The Role of Inbreeding in the Extinction of a European Royal Dynasty. PLoS ONE 4(4): e5174. doi:10.1371/journal.pone.0005174 pour une discussion de la cosanguinité des Habsbourg. Du fait de la cosanguinité, la mortalité infantile de cette dynastie était plus de 2 fois plus élevée que dans la population générale, contribuant certainement à son effondrement. 

Cependant, un paradoxe existe : comment expliquer alors le dynamisme de la vie si la molécule symbole du vivant est si stable ? L’explication de Schrodinger est que le vivant extrait constamment de « l’ordre » du monde extérieur, pour lui même se maintenir ordonné et échapper aux fluctuations thermiques. C’est la fameuse production de néguentropie discutée par le physicien Brillouin (ainsi que dans ce billet récent). Il finit par expliquer que nous connaissons d’autres exemples de systèmes dynamiques échappant aux fluctuations thermiques: les machines. Schrodinger nous dit en sommes que le vivant, comme un robot, fonctionne mécaniquement: en extrayant de l’ordre du milieu extérieur, d’un point de vue thermodynamique, le vivant fonctionne comme une machine à température nulle, donc échappant à toute source de bruit.

La remarquable intuition de Schrodinger inspire toujours de nombreux travaux théoriques sur le vivant. Par contraposée, nous pouvons alors tenter une thermodynamique de la mort.
Reprenons point par point.

D’abord, si la vie est caractérisée par la stabilité de l’information transmise par l’ADN, une erreur de transmission peut être associée à la mort. Cette vision est conforme par exemple avec l’occurrence de mutations génétiques rendant des cellules cancereuses: de l’information est perdue et les cellules font du coup n’importe quoi.
Si maintenant la vie est caractérisée par la resistance aux fluctuations thermiques, l’influence du « bruit » thermique peut être associée à la mort. Le bruit thermique, ici, ce sont des événements rares mais potentiellement délétères pour la cellule ou l’organisme, depuis un mauvais repliement de protéine jusqu’à l’anévrisme qui cède.
Enfin, si la vie est caractérisée par un ordre macroscopique constamment extrait de l’extérieur, la perte d’ordre est associée à la mort. De fait, avec l’effondrement des fonctions vitales, tous les processus de réparation et de maintenance du vivant (l’homéostasie) disparaissent, entraînant l’inéluctable dégradation vers la poussière.

La mort, c’est donc le bruit, le retour de l’entropie à l’échelle de l’organisme. Ce bruit peut naître a priori à n’importe quell échelle, du génome jusqu’à l’organe. Mais cette vision de la mort se doit d’être aussitôt nuancée. En effet, en réalité, ce bruit même qui peut mener à la mort peut, parfois, être source de bénéfices contribuant à la survie.

D’abord, la mort d’un organisme vivant permet aussi à d’autres organismes d’extraire à leur tour de l’information d’un organisme mort. Ainsi, lorsque nous mangeons des légumes contenant des acides aminés que nous ne pouvons pas produire, en réalité, nous profitons de l’ordre extrait par les plantes pour maintenir notre propre niveau d’ordre. La mort des uns est donc bien sûr nécessaire à la vie des autres, pour « concentrer » en quelque sorte l’ordre.

Ensuite, les recherches les plus récentes montrent que même le bruit thermique est exploité par les êtres vivants à leur bénéfice. Très souvent, il est associé à des phénomènes épigénétiques: le bruit entraîne des comportements stables différents dans une population de cellules au génome identique. Cette variabilité épigénétique contribue à l’adaptation biologique, à l’échelle de l’organisme jusqu’à celle de la population.
Par exemple, les couleurs des cônes récepteurs des yeux de la drosophile sont répartis au hasard dans l’oeil. Ce hasard assure que les proportions des cônes d’une couleur donnée dans l’oeil est constante, du fait de la loi des grands nombres, sans nécessiter un mécanisme complexe (donc coûteux) de régulation des couleurs.
Un autre exemple est le phénomène de variabilité phénotypique dans une population: comme on l’a détaillé dans ce billet, avoir plusieurs phénotypes associés au même génotype dans une population permet, en cas de changement d’environnement, de s’assurer qu’au moins un phénotype survive.

Deux exemples de bruit biologique. A gauche, une population de bactérie avec deux destins cellulaires différents (rouge et vert). Leur génome est le même, mais leur comportement est différent. A droite, couleur des photo-récepteurs de la drosophile (vert et bleu) montrant leur répartition aléatoire. Illustration tirée de Losick & Desplan, Science, 2008.

Enfin, l’erreur de transmission de l’ADN, ce sont aussi les mutations rares à la base de l’évolution. Autrement dit, oui, le bruit détruit l’information, mais parfois pour mieux en créer. Un exemple fameux: les bactéries « Mutator ». Certaines bactéries ont ainsi un taux de mutation beaucoup plus élevé que les autres. Ce taux de mutation leur permet d’évoluer plus rapidement. Au prix néanmoins de nombreuses pertes chez la plupart des mutants puisque la plupart des mutations peuvent être délétères.

Le bruit thermique, dont Schrodinger pense qu’il est combattu par la vie, génère donc variabilité phénotypique et génotypique. Cette variabilité est cruciale pour deux aspects fondamentaux de la vie: l’adaptation, et l’évolution. Si les organismes n’avaient aucune mutation génétique, ils ne pourraient jamais évoluer, et donc seraient condamnés à long terme au moindre changement d’environnement !

La sélection naturelle entraîne alors certes la mort de nombreux organismes, mais la variabilité de la population – due aux mêmes processus d’augmentation d’entropie à l’origine de la mort – assure qu’une partie de celle-ci survive. Les mutations génétiques restent alors fixées dans la population, assurant la survie des organismes futurs. Bref, plus qu’une thermodynamique de la vie ou de la mort, c’est une thermodynamique de l’évolution qu’il faudrait écrire…

Références

Alvarez G, Ceballos FC, Quinteiro C (2009) The Role of Inbreeding in the Extinction of a European Royal Dynasty. PLoS ONE 4(4): e5174. doi:10.1371/journal.pone.0005174

Taddei, F., Radman, M., Maynard-Smith, J., Toupance, B., Gouyon, P. H., & Godelle, B. (1997). Role of mutator alleles in adaptive evolution. Nature, 387(6634), 700–702. doi:10.1038/42696

Losick, R., & Desplan, C. (2008). Stochasticity and cell fate. Science, 320(5872), 65–68. doi:10.1126/science.1147888

Kussell, E., & Leibler, S. (2005). Phenotypic diversity, population growth, and information in fluctuating environments. Science, 309(5743), 2075–2078. doi:10.1126/science.1114383

 

Et pour une première tentative de thermodynamique de l’évolution, on pourra consulter

Sato, K., Ito, Y., Yomo, T., & Kaneko, K. (2003). On the relation between fluctuation and response in biological systems. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 100(24), 14086–14090. doi:10.1073/pnas.2334996100

 

About the author

Tom Roud

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

7 Comments

  • Intéressant (faute de frappe: « acides aminés que nous ne pouvons PAS produire »). Finalement l’idée du vitalisme, chez Lamarck ou plus tard Cl. Bernard, n’est-elle pas en un sens anticipatrice des idées de Brillouin/ Schrödinger (la thermodynamique en moins) ? A moins qu’elle se rattache plus à une forme de créationnisme (votre premier lien) – enfin ce qu’on appelle maintenant ainsi.

  • Merci pour le billet. Même si ce n’est pas de ça précisement dont tu parles, quid du point de vue de Prigogine, pour lequel les organismes vivants peut être vus comme un exemple de « flux d’entropie », interrompu par la mort ?

  • Les systèmes biologiques ont d’autres comportements thermodynamiques intéressants, mis en évidence par la « théorie constructale » (http://constructal.org/). Il s’agit d’une approche à la fois phénoménologique et macroscopique qui peut servir de base théorique au biomimétisme très en vogue en ingénierie ces derniers temps. Le système considéré, qui peut être d’une quelconque nature, est supposé fonctionner hors de l’équilibre thermodynamique, échangeant sans cesse masse et énergie avec son environnement. Lorsque dans un tel système, on cherche la configuration spatiale des flux d’énergie/matière qui minimise la production totale d’entropie, les motifs obtenus sont très proches de ceux produits par des systèmes « naturels » (biologiques ou non). L’architecture de l’appareil respiratoire d’un mammifère peut par exemple être quasiment reproduit à l’identique en supposant que la production d’entropie due à la circulation de l’air au contact des alvéoles pulmonaires est minimale. Une production minimale d’entropie correspondant toujours, ceteris paribus, à une production maximale de puissance « utile » ,une telle théorie permet d’accréditer par exemple les idées controversées d’Howard Odum sur l’efficacité énergétique des systèmes biologiques
    (http://en.wikipedia.org/wiki/Howard_T._Odum). Ainsi, les systèmes biologiques seraient caractérisés par des dispositions particulières vis-à-vis de la gestion des flux d’énergie/matière. En tant que béotien dans ce domaine, j’y verrais une conséquence directe de la sélection naturelle, mais ce n’est qu’une idée comme çà. Au final, la vraie question serait peut-être celle du lien entre le comportement individuel des cellules à
    l’échelle « mésoscopique » et celle de l’organisme entier à l’échelle macroscopique, un peu comme en physique statistique d’ailleurs.

  • En complément de cet article et sur la thermodynamique du vivant, je vous conseille la lecture du livre de François Roddier (astrophysicien) : Thermodynamique de l’évolution (un essai de thermo-bio-sociologie), Paroles éditions. Voir également son site :http://francois-roddier.fr

  • On reconnait je crois le cancer a l’apparition de cellules dont le nombre croit rapidement et en désordre.
    Puisque la grandeur thermodynamique associée au desordre est l’entropie, a-t-on envisage un classement des cancers en fonction de l’augmentation d’entropie qui pourrait peut-etre leur etre associee?
    Pour lutter contre la croissance d’entropie , on peut penser au travail de forces de pression.J’ai lu que des tests avec certaines cellules cancéreuses montaient qu’il y avait peut-être un espoir de thérapie en utilisant la pression? quelles sont les pressions envisagées? Envisage-t-on de mettre le patient tout entier sous pression(plongée ? scaphandre ?)Pendant combien temps?
    Merci par avance pour tout email m’eclairant sur ces questions

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