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Au début des années cinquante, la question de la nature chimique des gènes se double d’un vocabulaire importé de la théorie de l’information. Les termes de code, de message, de programme et bien d’autres sont lancés et prendront le devant de la scène à partir des années soixante. La théorie de l’information débute en 1937 avec l’article de Claude Shannon intitulé « Une analyse symbolique des relais et des commutations de circuits ». Cet article établissait le lien entre les mathématiques binaires, la logique symbolique et le fonctionnement des circuits électroniques. Il montrait que le calcul des propositions pouvait être utilisé pour décrire le fonctionnement à deux états : oui/non, ouvert/fermé, vrai/faux, zéro/un. L’idée d’information comme entité mesurable et manipulable apparaît pour la première fois en technologie. Elle va s’épanouir en Angleterre et aux États-Unis pendant les années quarante sous l’effet de la rencontre de mathématiciens (Wiener, Von Neumann), de physiciens (Bush, Bigelow) et de physiologistes (Mac Culloch, Cannon, Rosenblueth).
On peut se demander si l’importation en biologie moléculaire du gène de termes issus de sciences « étrangères » résulte d’un simple effet de mode lié au développement de la théorie de l’information chez les ingénieurs, au développement de la théorie et de la technologie des ordinateurs permettant de résoudre des problèmes d’automatisme (rappelons que le terme « informatique » est créé en 1962 par la juxtaposition des mots « information » et « automatique »). Dans ce cas, les termes de codage, message, programme ne seraient que des métaphores imitatives (métaphore caméléon) tentant de recueillir le prestige d’une science nouvelle en très grande expansion.
Nous allons esquisser un rapide historique montrant que ces métaphores ont joué initialement un rôle fécond et inventif (concepts heuristiques).
L’être vivant conçu comme une machine
Ce titre se justifie par la nécessité de proposer un détour préalable conduisant, historiquement, à la compréhension du concept de gène. Accéder à ce concept suppose, en effet, que la représentation du corps humain soit modifiée, chez l’élève, en perdant ses principes magiques.
Les êtres vivants sont organisés et ce n’est pas une banalité de le dire. Il faut remonter à l’importation du terme d’organe en biologie par Aristote dans l’intention de décrire les organismes comme corps organisés pour trouver l’origine de cette conception. Rappelons que l’organon grec désigne aussi bien l’instrument de musique (l’orgue) que l’outil de l’artisan. Contrairement à ce que l’on pense en général, le trajet étymologique va des outils et des machines vers la biologie. En tout cas, et ceci est important au plan épistémologique, ce terme autorise la comparaison entre les organismes et les objets techniques puis les machines, et plus tard les usines automatiques, la comparaison étant devenue par la suite à double sens.
Claude Bernard (1865) va plus loin : il traite l’organisme comme une machine, se préoccupe de la spécialisation des composants et de la complexité de l’ensemble qui nécessite une coordination. Il invente le concept de milieu intérieur qui permet de rendre compte du transport des substances, et assure une certaine constance des conditions de vie des cellules. Il découvre un mécanisme de régulation et de contrôle de cette constance, appelé d’abord sécrétion interne, puis désigné par le terme d’homéostasie par Cannon.
C’est l’apport le plus original et capital de Claude Bernard à la conception moderne de l’organisation vivante. L’existence d’un milieu intérieur dont la constance est obtenue par compensation des écarts ou des perturbations constitue pour les organismes régulés une assurance d’indépendance relative face aux variations survenant dans les conditions externes.
L’être vivant est un système informé et régulé
Au début du XXe siècle, l’extension du concept de régulation à toutes les questions de la biologie marque l’importance prise par les questions de l’automatisme. Les concepts d’action en « retour » (feed-back), de rétroaction positive ou négative, de point de consigne, de détecteur, de récepteur, de capteur, d’effecteur, de boucle de régulation, apparaissent dans la physiologie du système nerveux (réflexe myotatique par exemple), dans la physiologie des hormones, dans le développement embryonnaire, dans la régulation des réactions chimiques (enzymes allostériques), des mécanismes immunitaires, des mécanismes génétiques... Parallèlement, les mécanismes de régulation apparaissent dans la technologie des machines, en particulier dans la machine à vapeur, paradigme du XIXe siècle, avec son régulateur à boules inventé ou plutôt importé par Watt à partir de la technologie des moulins à vent.
Ici encore, l’analogie est à double sens entre les régulations organiques et les machines automatiques munies d’une régulation. En fait, la physiologie des organismes a pu servir de modèle à la technologie en dénommant une fonction nouvelle contrôlant d’autres fonctions, celle de la commande et du contrôle de cette commande permettant à l’organisme de se comporter comme une totalité coordonnée.
Ainsi, la cybernétique est une théorie générale de la commande et du contrôle des opérations exécutées par une machine de manière automatique, de telle façon que leurs effets ou leurs produits soient conformes à des normes fixées (point de consigne) ou ajustés à des situations instables (mécanismes suiveurs ou servomécanismes). Le mot cybernétique, créé en 1834 par Ampère pour désigner la science des moyens de gouvernement (kubernos = le gouvernail), a dormi pendant plus d’un siècle sans être utilisé ! Il sera relancé par Wiener en 1945.
L’organisation cybernétique des machines artificielles et des machines naturelles peut donc s’énoncer et se concevoir avec les mêmes concepts qui décrivent les mécanismes de régulation et qui impliquent la communication d’informations. L’agent du contrôle et de la commande intervient comme porteur d’une « instruction » communiquée par le détecteur (le capteur), comparée au point de consigne pour définir un écart, et transmise à l’effecteur. Cette instruction opère par sa forme de « signal » et non par son apport énergétique ou son impact mécanique.
L’information est un message d’ordre à tous les sens du terme : structure cohérente à fonction de clef, et commande sans équivoque. Le terme de système remplace progressivement celui d’organisme pour désigner l’être vivant organisé informé et régulé.
Le codage de l’information biologique
Principes mathématiques du codage
En quelques mots, le concept de codage désigne par exemple la transformation des mesures d’un paramètre (longueur en centimètres, température en degrés Celsius, taux sanguin d’un corps chimique en milligrammes par litre) dans une forme soit analogique, soit digitale (= numérique).
Expliquons ces termes. Si un changement de longueur est détecté et traduit par un signal électrique, on peut concevoir que l’amplitude de ce signal (d.d.p.) sera proportionnelle à la nouvelle longueur totale, ou seulement à l’augmentation de longueur  l. Ce signal sera dit « analogique » (dérivé du grec analogos = proportionnel). Cette transformation est assez aisée à se représenter.
On peut également utiliser un « train » de signaux électriques identiques et en changer la fréquence en fonction des changements de longueur en valeur absolue ou en variation relative. Le codage est ici plus difficile à se représenter car il se traduit pour nous par un nombre. Les ondes radio transmettent les sons en modulation d’amplitude (grandes ondes - mode analogique) ou en modulation de fréquence (ondes courtes - mode numérique) selon les cas.
Dans le cas de la transformation en chiffres, on peut réduire ceux-ci à deux ou trois seulement. Par exemple, le choix de deux chiffres (en général 0 et 1) permet d’utiliser tous les moyens physiques présentant aisément deux états (allumé/éteint, présence/absence, vrai/faux...). Si on considère maintenant des ensembles de deux éléments présentant deux états, ils pourront être codés par 00, 01, 10, 11. L’unité est le « bit » (binary digit). Comme avec deux bits on dispose de quatre solutions, avec trois bits on dispose de 8 solutions, et avec huit bits (l’octet) de 256 combinaisons. Les ordinateurs permettent le traitement de kilo, méga, gigaoctets.
Le code génétique
La conception d’un code génétique vient de ce qui précède. On attribue en général à Schrödinger la « géniale » anticipation de cette conception : « La fibre chromosomique contient, chiffré dans une sorte de code miniature, tout le devenir d’un organisme, de son développement, de son fonctionnement. [...] Les structures chromosomiques détiennent aussi les moyens de mettre ce programme à exécution. Elles sont tout à la fois la loi et le pouvoir exécutif, le plan de l’architecte et la technique du constructeur » (« What is life ? », article de 1944).
La même année, Avery, Macleod et McCarthy démontrent que l’ADN est le principe transformant qui modifie l’une des variétés de Pneumocoque non virulent en Pneumocoque virulent. C’est donc sur la structure d’une grosse molécule que repose l’ordre d’un être vivant. C’est ce que les physiciens désignent par « cristal apériodique » dans lequel l’agencement de plusieurs motifs offre la variété qu’exige la diversité des êtres vivants. Un petit nombre de motifs y suffit d’ailleurs.
La molécule d’ADN dirige la synthèse des protéines, c’est-à-dire qu’elle doit définir l’ordre d’enchaînement des acides aminés. Elle comprend quatre bases différentes (A, T, G, C) qui représentent quatre éléments permettant un codage. Si on les groupe par trois, on dispose de soixante-quatre combinaisons pour coder les vingt acides aminés et les divers signaux de commande de début et de fin d’une protéine ou d’une molécule d’ARN à synthétiser.
La molécule d’ADN doit être considérée comme porteuse d’une information à condition d’admettre qu’elle agit comme un « moule » ou une « matrice » par sa surface (après sa transcription en ARN messager du moins). La suite des bases constitue ce message codé, mais une séquence donnée de nucléotides n’est pas « en soi » un message. Tout dépend de la façon dont elle est lue. Et le phage phi X 174 montre que l’on peut lire une partie de la même séquence avec un décalage de façon à fabriquer deux protéines différentes.
L’idée de programme
Le concept d’algorithme décrit la suite ordonnée des commandes à exécuter en fonction des informations recueillies et du but à atteindre. Il existe parfois des choix entre plusieurs décisions alternatives à prendre ; la suite des commandes se représente alors comme les « branches d’un arbre ». La métaphore de l’arbre a été progressivement remplacée par celle de réseau dans la mesure où il devenait possible de passer d’une commande à l’autre directement et non plus par un enchaînement obligé d’étapes.
Les arbres de décision ont pris le nom de programme. Le mot programme, qui signifie littéralement « ce qui est écrit à l’avance » (pro = avant ; graphein = écrit) implique que toutes les décisions déterminant le fonctionnement d’une machine peuvent être écrites à l’avance.
En ce qui concerne la formation des organismes, les débats ont longtemps été partagés entre les partisans de la préformation et les partisans de l’épigenèse. Si la totalité des éléments conduisant à la formation d’un organisme sont déjà présents dans l’œuf et qu’il n’y a plus qu’à les développer (au sens littéral de dés-envelopper), l’idée de préformation conduit directement à l’idée de programmation. Sinon, le milieu intervient au fur et à mesure en apportant des éléments indispensables, et l’organisme formé ne résulte pas uniquement d’un programme pré-inscrit. De plus, il peut apprendre et des propriétés nouvelles vont apparaître : c’est l’épigenèse.
En fait, le concept de programme a été une avancée importante car il permet de lutter contre le vitalisme de certaines explications (« l’émergence » de propriétés qui ne s’expliquent pas par les éléments constitutifs de l’organisme prend aisément un caractère métaphysique), contre le finalisme qui prête une intention à la constitution d’organismes dont les parties sont si bien coordonnées, contre l’hérédité des caractères acquis sous l’influence des contraintes du milieu.
La métaphore du programme surgit sous la plume d’Ernst Mayr, de François Jacob et de Jacques Monod en 1961. Avec le cas des bactéries et la régulation de l’opéron lactose, elle est parfaitement opérante.
Cependant, il ne faut pas confondre code et programme. Les modalités de codage de chaque élément des instructions sont différentes de l’ordre de succession des instructions. Un code est une correspondance statique qui permet de passer d’une structure à une autre. Un programme est quelque chose de dynamique qui détermine une succession d’événements dont chacun est déterminé par un précédent. En ce sens, si le concept de codage reste d’actualité, le concept de programme est très largement remis en cause.
Nous conclurons donc en forme d’ouverture sur cette remarque. Un concept joue un rôle opératoire à un moment donné dans un contexte historique donné. Ensuite, il perd son rôle d’efficacité inventive et devient éventuellement une simple image, et parfois même un obstacle à la compréhension. L’analogie du programme est trop étroitement liée à une étape de la technologie qui utilisait des bandes magnétiques au défilement linéaire. Les logiciels permettent désormais une circulation dans un réseau. Par ailleurs, admettre que tout le fonctionnement d’un organisme est contenu dans le « programme » est faire preuve d’un préformationnisme extrême. Il existe des propriétés qui dépendent de facteurs physiques, telle la diffusion. Par exemple, quand une cellule croît, sa surface croît comme le carré des dimensions et son volume comme le cube. La diffusion à travers les membranes change donc. Autre exemple : on a longtemps admis que la forme spatiale des molécules était entièrement déterminée par la séquence linéaire des acides aminés. Les prions sont venus remettre en cause ce paradigme. Ils changent de forme « spontanément » ou par simple contact avec une autre molécule. Selon le titre du livre très accessible de Henri Atlan, on peut parler de « la fin du tout génétique ».
Pour en savoir plus
- Parmi les textes aisément accessibles, il faudrait citer ici entièrement le chapitre V intitulé « La molécule » (pages 267 à 319) du livre de François Jacob : La Logique du vivant, une histoire de l’hérédité, Paris, Gallimard, 1970 (réédité en collection poche).
- Atlan Henri, La Fin du « tout génétique » ? Vers de nouveaux paradigmes en biologie, Paris, INRA éditions, 1999, 91 pages.
- Maurel Marie-Christine, Miquel Paul-Antoine, Programme génétique : concept biologique ou métaphore ?, Paris, éditions Kimé, 2001, 128 pages.
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