L’hérédité, phénomène resté énigmatique pendant des siècles, commence à être élucidée à partir de la fin du XIXe siècle, d’abord par le truchement de la génétique dite classique qui en étudie les lois générales à partir de comptages statistiques, puis lorsqu’est établie la nature chimique du gène, rapporté à de l’ADN, macromolécule caractéristique des noyaux des cellules eucaryotes (et présente aussi chez les procaryotes).

Or, l’hérédité témoigne du passage d’une information d’une génération à la suivante : les cheveux frisés ou lisses, blonds ou bruns, n’apparaissent pas dans l’œuf mais il faut bien qu’une information, forcément héritée des parents, ait pu diriger le développement de celui-ci pour que le phénotype se manifeste.

Nous avons également vu précédemment1 que la nature chimique du gène fut discutée, entre protéines et acides nucléiques. Parmi les raisons de cette hésitation venait le fait que les protéines occupaient le premier rang dans la biochimie de l’époque. Autre fait, leur présence dans les chromosomes sur lesquels les travaux de Morgan avaient situé les gènes.

Mais au-delà de ces faits, les protéines offraient un avantage conceptuel comme candidats à être le support des gènes : ce sont des molécules chargées d’information. L’ordre dans lequel se rangent les acides aminés dans la structure primaire des protéines n’est pas quelconque et détermine en part importante l’activité de la protéine. L’établissement de la composition et de la structure chimique des acides nucléiques, autres molécules chargées d’information, venait concurrencer ce candidat.

Dans le même temps, la question de l’information avait été peu prise en charge jusqu’ici en biologie, tout occupée qu’elle était à régler les mécanismes d’échanges de matière et d’énergie entre les vivants et leur milieu. Si le problème de la forme avait été posé dès l’Antiquité, la thèse de l’âme informant la matière et lui étant consubstantielle, soutenue par Aristote, restait admise sans pouvoir recevoir aucune mise à l’épreuve empirique.

Lorsque la biologie moléculaire commence à émerger, des sciences d’un type nouveau se développent en parallèle et sans rapport. C’est ainsi que l’ingénieur en génie électrique et mathématicien Claude Shannon (1916-2001) jetait les bases de la théorie de l’information, tandis que le mathématicien Norbert Wiener (1894-1964) avait établi la cybernétique des machines organisées (servomécanismes, ordinateurs, robots).

La technologie informatique allait naître sous l’impulsion théorique du physicien John von Neumann (1901 – 1957) : la première calculatrice non mécanique datant de 1937 et le premier ordinateur digne de porter ce nom apparaissant en 1946. Le détour par ces sujets en apparence fort éloignés de la biologie va s’avérer des plus éclairants.

Ordre et désordre

Dans les laboratoires de l’entreprise Bell, Shannon cherche à identifier ce qui cause l’altération d’un message dans les transmissions par câble et par radio (télégraphie). Il nomme « bruit » ces altérations imprévisibles et donc aléatoires, sortes de parasites. Et il élabore toute une théorie de l’information, centrée sur la transmission du message entre l’émetteur et le récepteur, à travers les canaux de transmission. Négligeant volontairement la signification du message, il s’intéresse aux modifications de l’information entre la source et la cible.

Il considère que lors de la transmission de l’information, il ne peut y avoir que perte d’information ou, dans le meilleur des cas, aucune altération, mais jamais de gain d’information. Il nomme entropie la grandeur qui mesure la perte d’information. Cette entropie est distincte de l’entropie de la thermodynamique quoiqu’elle ne soit pas dépourvue de rapport avec elle. En effet, on peut considérer que les erreurs qui surviennent dans la transmission de l’information créent un certain état de désordre, au sens que lui donne la définition de l’entropie par l’approche thermodynamique statistique (entropie comme quantité de désordre).

Pour la thermodynamique en effet, un système isolé de son environnement, c’est-à-dire qui n’échange ni matière ni énergie, évolue vers un état de désordre maximal équivalent à une grande homogénéité dans la répartition de ses composants. Autrement dit, une absence de structure, de forme. Tandis qu’un système organisé possède un ordre. C’est le cas des cristaux où les atomes sont rangés de façon précise et régulière, comme par exemple dans le sel ordinaire, cubique, où les atomes de sodium (Na) occupent le centre du cube et le milieu de chaque arête, et les atomes de chlore (Cl) occupent les sommets du cube et le milieu de chaque face.

Les systèmes vivants présentent à cet égard un cas intéressant. Ils sont incontestablement organisés, donc structurés, ordonnés. On peut considérer que cet ordre révèle l’existence en leur sein d’une information chargée de signification et correspondant aux règles d’organisation internes au système. Ce qui fait dire des systèmes vivants que, s’ils sont ouverts au plan des échanges de matière et d’énergie, ils sont clos sur le plan informationnel, comme l’a souligné Francisco Varela (cité par Atlan, 1979), l’un des fondateurs des sciences cognitives.

Le bruit, facteur d’organisation et de complexité

Lorsqu’aucun bruit n’accompagne la transmission d’information, autrement dit, aucune altération, on peut dire qu’il y a redondance maximale. Dans ce cas, aucun désordre n’en résulte. Cependant, les erreurs de copie du message initial, en dépit du désordre qu’elles occasionnent, sont un facteur de complexification qui rend compte des processus d’auto-organisation, dont le vivant est l’exemple type dans la nature. Certes, trop d’erreurs peuvent tuer le système, si bien que l’organisation est un compromis entre redondance (ordre) et variété (désordre).

L’effet organisationnel du bruit, en diminuant la redondance, apporte du jeu au système, de la souplesse pouvant faciliter son adaptabilité à des situations inadéquates. Ainsi, dans un cristal minéral où la répétition du motif de base n’autorise aucune variété, les contraintes sont très fortes. Dans le cas d’une protéine, macromolécule caractéristique des êtres vivants, la structure primaire elle aussi est fixe : c’est l’enchainement des aminoacides liés par des liaisons covalentes, liaisons chimiques dites fortes. Par contre, la structure tridimensionnelle (par replis de cette chaine d’acides aminés) est due aux liaisons faibles entre acides aminés qui stabilisent les replis de la chaine.

Si bien qu’elle peut être modifiée en fonction de circonstances diverses, notamment la composition du milieu dans lequel elle se trouve. C’est ainsi que Pauling avait expliqué le phénomène de dénaturation des protéines, par exemple sous l’effet de la chaleur, affectant la fonction de la macromolécule du fait de la modification de sa structure tridimensionnelle.

D’autre part, les systèmes hiérarchiques, à niveaux d’organisation emboités (ex. atomes – molécules – macromolécules – cellules – organismes, etc.) sont d’autant plus complexes qu’il y a de niveaux. Cette complexité est perçue par l’observateur extérieur comme son ignorance sur le système. Alors que pour le système lui-même, la complexité croissante lui fait acquérir une meilleure information sur lui-même et se traduit par des mécanismes de régulation qui acheminent des informations dans les voies de communication qui le constituent.

C’est cette idée qui a été introduite par la cybernétique avec la notion de système auto-organisateur qui s’applique aussi bien au vivant qu’à certaines machines artificielles. En biologie, la physiologie a ainsi mis en évidence des boucles de rétroaction entre différents organes pour assurer l’homéostasie (le maintien de constantes biologiques du milieu intérieur comme le sang).

La théorie de l’information apporte ainsi, d’un point de vue théorique, une pierre à l’édifice de la réflexion sur le développement et l’évolution du vivant. Le bruit, comme variation imprévisible, donc aléatoire, peut avoir, ou non, un effet sur le système. S’il n’y a pas d’effet, la variation passe inaperçue. Lorsqu’il y a un effet, la variation apparue devient un événement de l’histoire du système et de son processus d’organisation. L’événement devient alors signifiant pour le système.

Si la notion d’âme postulée par Aristote pour informer (mettre en forme) la matière avait ouvert ce chantier, celui-ci n’avait pu avancer, tant par manque de réflexion théorique que faute d’investigation empirique freinée par une chimie du vivant presque inexistante.

Pendant des siècles, la biologie oscille alors entre deux tendances épistémologiques soulignées précédemment2 ; le vitalisme par nécessité de rendre compte de l’autonomie du vivant. Le tout sur fond de rapports ambigus entre la biologie et la physique.

Si bien que la première s’est débattue entre la tentation d’un déterminisme strict recherchant dans la cause efficiente et le passé la source d’un futur prévisible et désespérément fixe, et l’obscurité d’un finalisme attribuant à une cause finale, suspecte de surnaturel, d’avoir orienté jusque dans les moindres détails le déroulement des événements menant à la réalité actuelle. Avec la prise en compte de l’information, cette opposition va pouvoir être, au moins en partie, dépassée.

L’éclairage théorique fourni par la théorie de l’information jette donc un regard nouveau sur le processus d’auto-organisation dont va s’emparer une biologie plus théorique, de plus en plus intéressée à la question de l’information.

Lorsque Avery dans les années 19403 montre que c’est de l’ADN issu du Pneumocoque avec capsule qui transforme la souche dépourvue de capsule en souche virulente avec capsule, il faut bien admettre que cet ADN représente une certaine information qui a rendu possible la transformation de la bactérie. Or, comment agit cette information et comment peut-elle avoir une conséquence matérielle, la fabrication d’une capsule par la bactérie ?

Notes

1 Monod 7 : Quand la biologie devient moléculaire, de l’hérédité à la génétique.
2 La bêta-galactosidase, enzyme capricieuse ?
3 Monod 7 : Quand la biologie devient moléculaire, de l’hérédité à la génétique.

Bibliographie

Atlan, Henri, Entre le cristal et la fumée, Editions du Seuil, 1979.
Benkirane, Réda, La Complexité, vertiges et promesses, 18 histoires de sciences, Le Pommier, 2002, (Entretien avec Francisco Varela).