Tableau de la vie

Échanges, émergence, complexité

Francis Waldvogel

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2020
• ISBN:
  9782738150905
• Sujet: Sciences biologiques
• Sous-sujet: Biologie

Percevons-nous la réalité du monde qui nous entoure? L'abeille butine la fleur et la féconde, les atomes se partagent des électrons et créent des liaisons chimiques, par les mots nous communiquons pensées et émotions: les échanges sont partout. Le monde nous apparaît comme un ensemble d'objets, de l'infiniment petit à l'infiniment grand, mais il y a entre eux d'innombrables interactions souvent invisibles. Certaines associations donnent naissance à des fonctions ou à des entités nouvelles: on parle d'émergence. C'est à ce phénomène omniprésent et mystérieux que nous devons la complexité de l'univers qui nous compose et nous entoure, à toutes les échelles de la réalité: des particules atomiques jusqu'au vivant, aux sociétés animales et aux formes humaines de la culture. Sous cet angle, ce livre brosse un magnifique tableau de la vie. Du vide bruissant de particules en interaction au foisonnement de la vie, il dépeint un extraordinaire réseau d'échanges créateurs. Dans une langue claire et imagée, l'auteur en dévoile la complexité et en célèbre la beauté. Il évoque aussi la force des solidarités humaines, à travers un exemple personnel où le médecin se retrouve en position de patient. Francis Waldvogel est professeur de médecine. Figure marquante du système académique suisse, il a été directeur du département de médecine à Genève, vice-président du Conseil de la science et technologie suisse, président des Écoles polytechniques fédérales et cofondateur du World Knowledge Dialogue, une plateforme promouvant un meilleur dialogue entre sciences naturelles et sciences humaines et sociales. Il a présidé le Novartis Venture Fund, soutenant le développement de plus de soixante start-up dans les sciences médicales, ainsi que diverses institutions à but humanitaire, social et de finance inclusive.

CHAPITRE 1

La générosité de la nature :
échanges et émergence de la vie

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La vie a besoin d’énergie

Nous sommes tous émerveillés par les performances d’un sprinter olympique avalant les 100 mètres à la vitesse de 36 kilomètres à l’heure, ou d’un coureur de fond couvrant la distance de 42,195 kilomètres du marathon en deux heures et quelques secondes. Mais si on élargissait la participation à nos compétitions sportives au monde animal, les deux athlètes seraient largement distancés, le premier par la rapide antilope ou par son ennemi juré, le guépard. Le second finirait largement en retard d’un cheval d’endurance, ou du tenace chameau accomplissant une telle performance même sous un soleil accablant et une chaleur étouffante.

Et comment ne pas admirer les innombrables oiseaux migrateurs que nous observons en nuées compactes s’élançant dans le ciel automnal, qui réalisent des performances d’endurance uniques vu leur taille et les distances parcourues ? Grâce à des mini-puces GPS implantées, il a été possible en 2015 de suivre l’extraordinaire randonnée de quelques sternes arctiques. Parties le 25 juillet des îles Farne au nord-ouest de l’Angleterre, elles ont poursuivi leur vol jusqu’à l’océan Indien pour le terminer en Antarctique, leur résidence hivernale. Dès le mois de mars suivant, elles ont repris leur envol, remontant l’océan Atlantique pour retrouver l’Angleterre le 4 mars 2016 [1]. Cette performance nous laisse rêveurs lorsque l’on sait que la sterne arctique ne pèse guère que 100 grammes, le poids d’une plaque de chocolat ou d’un téléphone portable moderne. Comment sont-elles capables de résoudre les problèmes énergétiques permettant de telles performances, avec des ravitaillements minimes pendant le vol ? Outre les autres problèmes qu’elles doivent résoudre, tels que la gouvernance du vol en groupe, la guidance géographique, l’alternance de veille et de sommeil, les dangers climatiques et les attaques de prédateurs, la question centrale à laquelle les sternes doivent répondre est bel et bien celle de l’énergie à disposition et nécessaire à un tel vol transcontinental : énergie à emmagasiner, puis à libérer en échange de l’effort musculaire fourni pendant le vol.

Explosion d’énergie pour les animaux sprinteurs et prédateurs, consommation minutieuse et parcimonieuse de l’énergie pour les marathoniens et les migrateurs, les deux types de performance du monde animal provoquent émerveillement et incrédulité. Mais revenons à l’être humain, à sa condition terrestre, et examinons de plus près ses performances qui méritent également notre respect. Rappelons qu’il est composé d’innombrables cellules (on en dénombre environ 30 000 milliards, le chiffre 3 suivi de 13 zéros !) regroupées en organes vitaux. Puis ceux-ci se mettent ensemble dans une grande orchestration, nous permettant de sentir, de nous mouvoir, de parler et de penser. Pour accomplir ces missions si diverses, les cellules humaines qui nous composent ne sont de toute évidence pas identiques. Elles présentent une grande variété, puisqu’elles forment des organes aussi différents que l’œil, le cœur, le foie. Cette diversité cellulaire est considérable : on estime que nous sommes composés d’environ 300 pièces cellulaires différentes – un grand Lego de pièces de formes ou de couleurs distinctes. Certaines cellules qui ont acquis une grande spécificité nous sont bien connues comme, par exemple, un globule rouge, une cellule de la peau, une cellule musculaire. Cette diversité n’empêche pas toutes les cellules d’avoir aussi de nombreuses propriétés communes et universelles, qui sont celles de croître, de se multiplier, puis d’entrer dans le cycle immuable menant à la mort. Il n’y a pas d’exception à cette loi fondamentale de la biologie.

Afin d’accomplir ce cycle biologique universel les menant de la naissance à la mort tout en remplissant leurs fonctions individuelles et spécifiques, nos cellules ont besoin d’énergie et ont également à disposition un certain nombre de constituants chimiques fondamentaux : de l’eau (60 % de notre poids corporel) ; des acides nucléiques (longues chaînes de macromolécules portant et transmettant l’information génétique), d’autres constituants organiques tels que des protéines, des sucres, des graisses (ces dernières appelées aussi lipides), des sels minéraux. Les progrès considérables de la biochimie de ces deux derniers siècles ont permis de caractériser au niveau moléculaire une bonne partie des interactions entre ces différents composés. Ces recherches ont ainsi permis de dessiner un grand tableau résumant les réactions chimiques nécessaires à produire et à utiliser l’énergie indispensable à la vie cellulaire. On utilise pour ce tableau le terme de métabolisme cellulaire : il peut être comparé à une carte géographique montrant l’ensemble des routes, tracés de chemin de fer et autres liaisons entre des villes, leur permettant de véhiculer les échanges de denrées alimentaires, d’eau potable, d’énergie nécessaires à leur fonctionnement et à l’élimination des déchets désormais inutiles.

Une surface d’échanges : la membrane cellulaire

Afin d’utiliser leurs constituants de façon efficace, les cellules ont besoin de calme : elles le trouvent grâce à un cadre, une délimitation vers l’extérieur, leur permettant de travailler en toute quiétude dans des conditions stables. La cellule – comme entité vivante délimitée – a ainsi été comparée à une petite usine, recevant des matières premières pour les convertir en produits qui seront soit consommés sur place, soit acheminés vers le marché pour leur vente : car les limites d’une usine sont également ses surfaces d’échanges, telles que les centres d’achat, le bureau de vente, le service clients, etc. Il en est de même pour la cellule : son cadre ou sa délimitation vers l’extérieur est une surface d’échanges permanents et s’appelle la membrane cellulaire. Elle est constituée de lipides (graisses) spécialement conçus à cet effet, les phospholipides. Ce sont de longues molécules filamenteuses qui ont la propriété chimique particulière de posséder une « tête » qui attire l’eau (hydrophile), et à l’autre extrémité une « queue » qui repousse l’eau (hydrophobe). Cette double attirance contradictoire – appelée polarité – soit vers l’eau, soit loin d’elle, leur permet de s’adosser verticalement l’une à l’autre, comme une palissade, tête contre tête, queue contre queue. La nature a eu la bonne idée de dédoubler cette palissade comme une image en miroir. Résumons pour être clair : nous pouvons alors, en voyageant depuis l’extérieur de la cellule, identifier quatre couches, une première couche phospholipidique dont les têtes attirent l’eau, ensuite deux couches qui se tolèrent mutuellement mais qui repoussent l’eau, et enfin une quatrième couche hydrophile. Par analogie, on peut se représenter la membrane cellulaire comme un sandwich : du pain à l’extérieur, enrobant deux couches de beurre, à nouveau du pain sur la face inférieure du sandwich.

Et à l’intérieur ? L’eau est le constituant chimique principal de toutes les cellules. Elle joue le rôle de solvant, c’est-à-dire de milieu liquide dans lequel tous les autres composants chimiques se dissolvent et se mêlent pour accomplir leurs actions. Sans eau, il n’y a pas de vie. Telle est du moins notre conception actuelle de la vie dans l’univers et nous n’arrivons pas à nous représenter une vie alternative utilisant d’autres liquides comme solvants tels que le méthane ou l’alcool. Ainsi, la raison principale de la recherche de traces d’eau lors de l’exploration des astres composant notre système solaire et galactique résulte du fait qu’elle reste le biomarqueur le plus simple qui permettra de répondre à la question si nous sommes les seuls êtres vivants dans notre système solaire… ou au-delà.

En résumé, la membrane cellulaire est donc une structure très importante délimitant la vie dans un espace circonscrit. Elle est commune à toutes les cellules des êtres vivants, y compris des micro-organismes, des plantes, des animaux, et de nous-mêmes. Elle délimite un espace clos – d’où le nom de « cellule » – dans lequel les réactions chimiques peuvent se développer en toute quiétude, à l’abri de l’environnement, et nous reverrons son rôle fondamental dans le chapitre 2 en parlant d’homéostase.

Le métabolisme cellulaire : une petite usine

Pour que le métabolisme – cette « machinerie » cellulaire chimique subtile – fonctionne, la cellule doit avoir à sa disposition les mêmes éléments de base qu’une usine, soit des matières premières, un plan de travail, des ouvriers, de l’énergie et des services d’achat et de vente. Pour maintenir cette activité dans les deux cas, il faut un système d’échanges matériels et monétaires. Une responsabilité importante dans les échanges cellulaires revient à la membrane. Celle-ci contient de très nombreux passages, des « trous » appelés des pores, par lesquels les échanges s’opèrent à grande vitesse. Ces pores peuvent être virtuels, réels ou encore modulables en diamètre, ce qui leur donne une grande flexibilité d’adaptation. Nous pourrions appeler la membrane cellulaire une « passoire », car son rôle n’est pas seulement de délimiter, mais aussi de trier. Et, subtilité additionnelle, cette passoire est constamment modulable en ce qui concerne le diamètre de ses trous. Les pores permettent aux constituants de base nécessaires à la cellule et nageant dans l’environnement de s’y glisser pour être reconstitués en molécules beaucoup plus complexes de l’autre côté de la membrane. Sucres, graisses, protéines, acides nucléiques – tous des composés à poids moléculaire très élevé – sont ainsi construits en quelques secondes ou minutes dans cette petite usine performante à partir des constituants élémentaires qui ont pénétré par les pores. Les produits chimiques complexes ainsi générés, de grosses molécules, interagissent entre eux et donnent alors naissance à un phénomène miraculeux qui se répète des milliers de fois chaque seconde dans votre corps : émerge alors la vie. La cellule devient autonome, croît en taille, se multiplie, remplit ses fonctions pour retourner finalement à son origine, le néant.

Nous n’avons toujours pas d’idée claire sur l’événement faisant évoluer l’enchevêtrement actif de molécules vers ce nouvel état émergent autoreproductif et autonome qu’est la vie. Une approche intéressante et novatrice consiste à considérer le métabolisme cellulaire comme un exemple typique d’un système complexe. Comme nous l’avons vu dans le prologue, ceux-ci se caractérisent par le fait que leurs interactions et échanges réciproques provoquent l’émergence d’une nouvelle fonctionnalité, un nouvel état, inconnu auparavant et ne s’expliquant pas par l’addition des caractéristiques préalables. Échanges et émergence dans les systèmes complexes seront revus en détail au chapitre 12. Dans le cas des échanges cellulaires, un élément imperceptible qui doit jouer un rôle déterminant dans l’émergence de la vie est celui de l’échange d’énergie. Il est donc temps d’y consacrer quelques instants. L’énergie pourrait-elle être sinon la cause, tout au moins un agent de transformation d’un système complexe, générant une organisation émergente qui a de la vie ?

Mais l’énergie, c’est quoi ?

Avant de s’intéresser au phénomène d’émergence dans les systèmes complexes vivants, essayons de mieux appréhender le concept d’énergie, ingrédient nécessaire à la marche d’une usine, qu’elle soit de production textile ou cellule humaine. Car l’énergie est nécessaire à tous les échanges actifs. Mais qu’est-ce que l’énergie ? Quelques notions simples de thermodynamique et de biochimie sont nécessaires à sa compréhension. Rappelons d’abord sa définition physique : l’énergie caractérise la capacité d’un système de produire un travail ou de la chaleur. Le terme a son origine dans le grec ancien, ou en signifie « dedans » et ergos se traduit par « travail » : donc, interprété librement, l’énergie est « ce qui est apte à produire du travail ». C’est ce que vous ressentez un matin de beau temps au saut du lit : « Aujourd’hui je me sens plein(e) de force pour réaliser tel travail. »

Il existe plusieurs formes d’énergie très différentes les unes des autres : elles se déclinent en mécanique (celle activant un moteur ou permettant la contraction d’un muscle), chimique (emmagasinée dans les liaisons atomiques qui composent des molécules), thermique (s’exprimant par de la chaleur), électromagnétique (se retrouvant dans la lumière du soleil ou que vous recueillez par une prise électrique). Une autre classification discerne l’énergie potentielle (celle qui n’est pas encore utilisée, comme celle contenue dans l’eau d’un barrage hydraulique) et l’énergie cinétique (celle qui est utilisée lors d’un mouvement, par exemple lorsque vous pédalez sur une bicyclette). Et voici une constatation clé qui m’a toujours fait beaucoup réfléchir : l’énergie ne se crée pas, elle a toujours existé. Dans un système donné, elle est constante, elle ne fait que se convertir. Par exemple dans un barrage hydraulique, dans une casserole pleine d’eau sur le feu, voire dans l’univers, l’énergie totale du système observé est constante. Elle ne fait que se transformer d’une de ses formes en une autre – encore un échange. Cependant, les énergies n’ont pas toutes la même qualité, l’énergie thermique étant la « meilleur marché » et l’aboutissement irréversible de toutes les transformations. La chaleur est une monnaie énergétique de petite qualité et peu convertible.

Nous allons maintenant nous intéresser à l’énergie chimique composant de grandes molécules grâce aux liaisons atomiques qui les tiennent ensemble. Cette énergie vous est bien connue dans le quotidien, car c’est elle qui est présente dans les molécules d’essence avec lesquelles vous nourrissez le moteur de votre véhicule. Ce même type d’énergie chimique se trouve évidemment dans d’autres macromolécules, par exemple celles qui régissent les mécanismes de la vie – seulement leur composition est différente de celle de l’essence ou du mazout.

Reprenons l’image d’une cellule humaine – provenant de la peau, du muscle ou du foie – et rappelons-nous qu’elle est limitée vers l’extérieur par une membrane qui fait office de surface poreuse d’échanges. On appelle une telle petite usine un système thermodynamique ouvert, car il peut accepter de la matière venant de l’extérieur (par exemple des sucres, des acides aminés) qui seront transformés par la « manufacture cellulaire » en produits élaborés (protéines, graisses, acides nucléiques). Certains produits seront utilisés par le propre fonctionnement cellulaire (par exemple pour faire les acides nucléiques tels que l’acide désoxyribonucléique ou ADN), d’autres seront exportés à nouveau vers l’extérieur dans le sang, au service de toutes les autres cellules de l’organisme. Ainsi, une cellule du pancréas humain recevra les éléments nécessaires à la production d’insuline, une hormone qui sera sécrétée dans le sang et utilisée par la majorité des cellules de l’organisme pour brûler du sucre. Autre exemple, certaines cellules nerveuses ont la générosité de produire des endorphines, substances envoyées dans le sang qui nous apportent la sensation de plaisir. Certaines autres cellules du système immunitaire libèrent des substances agissant à courte distance appelées cytokines, qui peuvent moduler nos mécanismes de défense. Enfin, des cellules spécialisées comme les muscles produisent de l’énergie qui est alors mécanique et nécessaire à l’entretien de la course d’un athlète ou d’un vol d’oiseau. Il n’y a donc pas de création d’énergie par la cellule, mais elle est impliquée dans un vaste système d’échanges énergétiques.

Pour que cette machinerie cellulaire fonctionne, il est donc nécessaire d’y amener de l’énergie. Où se trouve-t-elle, où sont ses réserves, et d’où vient-elle puisque nous ne pouvons pas la créer ? Dans le règne animal et pour nous humains aussi, l’énergie provient des aliments que nous ingérons. Après digestion, ils sont transportés par le sang vers et à travers les membranes cellulaires que nous connaissons maintenant bien, pour y être reconstruits en macromolécules nécessaires à la vie. Donc, la pénétration à travers la membrane cellulaire de composés simples stockant de l’énergie chimique est indispensable à la création ultérieure et au maintien de la vie. Cette constatation peut être insatisfaisante et incomplète pour les curieux. En effet, si l’énergie ne se crée pas mais est uniquement transformée, sa première origine se trouve alors où ?

Et là, de nouveau, nous allons être surpris : la réponse à cette question est le soleil et son interaction avec les végétaux. Pour tous nos cohabitants plus simples de la planète, tels que les plantes et les algues – et par conséquent indirectement pour nous –, toute l’énergie provient en effet de notre astre béni : l’énergie des rayons solaires frappe les feuilles vertes, leur couleur étant due à une molécule compliquée, pigmentée, appelée chlorophylle. Les rayons qui atteignent la chlorophylle en chassent alors des électrons. Par une cascade de réactions élaborées, celles-ci échangent cette énergie lumineuse élec...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Dédicace
• Préface - par Pierre Magistretti
• PROLOGUE - Un voyage au pays des échanges
• CHAPITRE 1 - La générosité de la nature : échanges et émergence de la vie
• CHAPITRE 2 - Trois dialogues du vivant : épigenèse, symbiose et homéostase
• CHAPITRE 3 - Les échanges dans le monde invisible : de la biochimie à l'univers subatomique
• CHAPITRE 4 - La force de la parole fait émerger les liens sociaux
• CHAPITRE 5 - Échanges de vibrations sonores et émergence d'un enchantement : l'expérience musicale
• CHAPITRE 6 - Les échanges de connaissances, moteurs de notre savoir
• CHAPITRE 7 - Vivre ensemble : la société humaine et son passé évolutif
• CHAPITRE 8 - Confiance et échanges monétaires
• CHAPITRE 9 - La médecine d'aujourd'hui : entre émergences et errances
• CHAPITRE 10 - Quand les échanges s'appauvrissent : méfiance, conflit et effondrement
• CHAPITRE 11 - Échanges de messages : du coursier de la bataille de Marathon au flux continu de l'infosphère
• CHAPITRE 12 - « Le tout est plus que la somme de ses parties » : émergence et systèmes complexes
• CHAPITRE 13 - La condition humaine : un ensemble d'émergences émanant d'innombrables échanges
• ÉPILOGUE - Quand l'individu guérit par le groupe Échanges et émergence de la résilience collective : une expérience personnelle
• Bibliographie
• Remerciements
• Table