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8 décembre 2010
par Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin

La vie serait une propriété émergente de la physique (et non de la chimie

La totalité des biologistes considèrent que la vie sur Terre est une émergence de la chimie. Autrement dit, les premiers éléments constitutifs d'un organisme auquel on prête les caractéristiques définissant un être vivant seraient apparus à la suite de processus intéressant la combinaison et la synthèse de corps chimiques, eau, carbone, oxygène, etc. Ainsi la production des premières molécules biologiques n'aurait pas été possible sans la présence de composés de type biochimiques tels que les enzymes. Certes des processus physiques, tels que les modifications de gradients de température et de pression, ont été nécessaires pour accélérer sinon déclencher les réactions vitales évolutionnaires, mais celles-ci n'auraient pas eu lieu sans l'existence préalable de telles enzymes(1).

Or un article récent associant un biologiste et un physicien reconnus, Carl Woese et Nigel Goldenfeld de l'Université de l'Illinois, propose un autre paradigme susceptible de bouleverser bien des opinions établies intéressant le concept même de vie, et pas seulement son apparition. Il implique la vie telle qu'elle a pu ou pourrait exister, sur Terre mais aussi dans l'univers au sens large.
Dans des articles précédents, nous avons mentionné le rôle de Carl Woese comme «inventeur» d'un troisième domaine de la vie, les archées, et d'un mécanisme essentiel dans la production d'espèces nouvelles, le transfert horizontal de gènes. Ce savant a aussi proposé de conférer à l'ARN se développant sur des substrats favorables un rôle essentiel dans la production des premières formes de vie. Il s'agit de l'hypothèse dite du «monde de l'ARN» (RNA world)(2). Quant à Nigel Goldenfeld, il est professeur de physique et de biophysique, très investi dans l'étude des phénomènes de complexité(3).

Aujourd'hui, dans l'article de arxiv.org référencé ci-dessous, les deux auteurs font l'hypothèse que l'apparition de la vie n'a pas été liée, au moins primitivement, à des phénomènes d'évolution de type darwinien entre composants chimiques et biochimiques. Ils proposent de la lier à une branche de la physique dite de la "matière condensée". Plus précisément, la vie serait un phénomène émergent se produisant dans certains systèmes physiques définis comme loin de l'équilibre, selon l'expression popularisée par Ilya Prigogine. On appelle condensées les phases de la matière qui apparaissent dans les systèmes où le nombre de constituants est grand et les interactions entre eux sont fortes (voir wikipedia). Cette matière ne se rencontre à l'état naturel que dans des milieux cosmologiques exotiques, tels que les étoiles à neutrons. Mais elle peut être produite en laboratoire.

On avait constaté (wikipedia) dès les années 1960 qu'en ce cas, nombre de théories et de concepts développés pour l'étude des solides pouvaient s'appliquer à l'étude des fluides, les propriétés du fluide quantique constitué par les électrons de conduction d'un métal étant très similaires à celle d'un fluide constitué d'atomes, ainsi que le montre la forte ressemblance entre la supraconductivité conventionnelle et la superfluidité de l'hélium-3. Nous pouvons définir ici la supraconductivité (ou supraconduction) comme un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique. La superfluidité, pour sa part, peut être décrite comme la propriété de l'hélium liquide à très basse température lui permettant de s'écouler à travers des canaux capillaires ou des fentes étroites sans adhérer aux parois. Ces deux propriétés apparaissent subitement, lorsque l'on modifie les conditions de température et de pression, d'une façon mal expliquée, de sorte que la plupart des physiciens estiment légitime de parler d'émergence.

Mais comment la vie pourrait-elle émerger de processus loin de l'équilibre ?
Là encore un minimum de définition s'impose ici. On nomme "loin de l'équilibre" les systèmes physiques soumis à la thermodynamique et donc au temps. Lorsque l'on modifie les conditions de l'équilibre d'un corps, par exemple la température ou la pression, on augmente au niveau microscopique sa capacité à bifurquer vers des états imprévisibles. La matière peut alors se réorganiser en faisant par exemple apparaître de nouvelles structures cristallines. Ceci est vrai tant pour la matière macroscopique que pour la matière microscopique ou infra-atomique(4). Dans le cas de la vie, que pourrait-il se passer ?

Woese et Goldenfeld prennent l'exemple de la supraconductivité citée ci-dessus. Les phénomènes de supraconductivité pourraient être expliqués par l'appel à des processus chimiques, les propriétés des atomes étant modifiées par les changements d'orbite de leurs électrons résultant des modifications de température et de pression.
Mais pour les deux chercheurs, ces explications ne suffisent pas. Ils rappellent que la supraconductivité est liée aux caractéristiques quantiques de la matière (on parle notamment de condensat de Bose-Einstein). Il s'agit de théories qui décrivent les relations entre des champs magnétiques et des phénomènes plus profonds intéressant la matière/énergie au plan fondamental.

Pour eux, la vie est comparable à la supraconductivité, sans évidemment qu'elle découle de causes analogues. Elle devrait pouvoir être décrite comme un phénomène émergent nécessitant la compréhension des lois physiques fondamentales qui commandent son comportement. Les algorithmes darwiniens qui sont utilisés pour décrire les phénomènes de l'évolution biologique sont pour eux bien trop réducteurs. Ils font très vite apparaître des contraintes, telles que celles résultant de la «construction de niches», qui limitent et canalisent les possibilités théoriques du paysage évolutionnaire. Dès qu'une solution est trouvée par l'évolution biologique, qu'ils nomment un «minimum local», que l'on pourrait aussi qualifier d'optimum local, elle est exploitée au détriment de ce que pourrait être l'exploration d'autres embranchements évolutifs conduisant à des solutions profondément différentes.

Or l'on pourrait imaginer que les lois physiques relevant de l'aléatoire quantique puissent faire «émerger» des formes prévitales (prébiotiques) qui seraient d'abord de nature physique, puis ensuite biologiques, ceci à partir de contraintes beaucoup plus larges et donc moins limitatives. Dans ce cas, dans les trillions de planètes peuplant la voie lactée, aux conditions physiques variées, pourquoi ne pas penser que des formes de vie très différentes de celles que nous connaissons aient pu ou pourraient apparaître. Pourquoi ne pas essayer en laboratoire de mettre en oeuvre des processus physiques partant des mêmes hypothèses ?

Dans l'immédiat, certains physiciens font valoir qu'à défaut de pouvoir mettre à l'épreuve l'hypothèse en laboratoire, il serait possible de le faire à moindre frais à partir de modèles mathématiques et informatique développant le concept de l'univers computationnel, soutenu par des cosmologistes tels que Seth Lloyd(5) pour qui l'univers peut être interprété comme un calculateur quantique.

Nous pourrions ajouter (mais ceci n'a peut-être pas de rapports avec cela) que des expériences récentes portant sur des couches minces de graphène présentant dans certaines conditions des propriétés caractéristiques de la matière condensée ont permis au cosmologiste Petr Horava de formuler des hypothèses révolutionnaires concernant les relations entre l'espace-temps relativiste et la mécanique quantique . Les atomes de graphène sont de très petites particules et les mouvements des électrons qui s'y meuvent peuvent être décrits par les équations de la mécanique quantique. Comme par ailleurs ils se déplacent à des vitesses très inférieures à celle de la lumière, il n'est pas nécessaire de tenir compte des effets relativistes. Le temps n'intervient donc pas. Si cependant l'on refroidit le graphène aux alentours du zéro absolu, les mouvements des électrons y accélèrent considérablement, comme les distances parcourues, si bien qu'il faut faire appel aux théories de la relativité, et donc au facteur temps, pour les décrire correctement. Le temps émerge(6). L'émergence du temps n'est certes pas comparable à celle de la vie. Mais ces recherches montrent que la matière condensée n'a pas encore livré tous ses mystères.

Quoi qu'il en soit, force est de constater que la plupart des biologistes qui se sont exprimés sur le papier de Goldenfeld et Woese ont paru très réservés. Ils attendent, disent-ils, des preuves. C'est légitime de leur part mais le mérite d'un nouveau paradigme scientifique n'est-il pas de faire germer dans les esprits de nouveaux ensembles d'hypothèses et de vérifications expérimentales ?

Notes
(1) Une étude récente a montré que le temps mis par une enzyme pour faciliter la production d'un élément nécessaire à la vie peut varier de 2 milliards d'années à quelques heures en fonction de la température ambiante, aux alentours de 1 à 2° degré dans l'eau de mer ordinaire ou dépassant 100° dans les « fumeurs » volcaniques sous-marins. (Voir Space Daily)
(2) Carl Woese. Voir notre article
http://www.automatesintelligents.com/echanges/2006/fev/newbio.html
ainsi que Wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/Carl_Woese
(3) Nigel Goldenfeld http://guava.physics.uiuc.edu/~nigel/
(4) Selon Ilya Prigogine (La fin des certitudes): «Alors que, à l'équilibre et près de l'équilibre, les lois de la nature sont universelles, loin de l'équilibre elles deviennent spécifiques, elles dépendent de processus irréversibles (…) Loin de l'équilibre, la matière acquiert de nouvelles propriétés où les fluctuations, les instabilités jouent un rôle essentiel : la matière devient plus active".
(5) Voir notre article : http://www.automatesintelligents.com/biblionet/2006/avr/lloyd.html
(6) Voir notre article "Nouvelles considérations sur le temps" : http://www.automatesintelligents.com/echanges/2010/oct/horava.html

Références
* http://www.technologyreview.com/blog/arxiv/26059/?ref=rss
* http://arxiv.org/abs/1011.4125

NB. Sur un sujet un peu voisin, voir notre article concernant les bactéries utilisant l'arsenic comme brique de base :
http://www.automatesintelligents.com/echanges/2010/dec/wolfesimon.html

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