Un modèle non-réductionniste de la cellule élémentaitre

Dr J . Stevens (2012)

Mots-clé : Vie, auto-organisation cellulaire, réseau métabolique, réductionnisme

Introduction:

« La finalité est, pour le biologiste comme une maîtresse sans qui il ne peut pas vivre mais qu’il a honte de montrer en public ». Cette citation de Brücke, physiologiste du XIXème Siècle, pose clairement le problème central de la biologie fondamentale. La forme et le fonctionnement de toutes les biomolécules de la cellule élémentaire sont connus mais la vie cellulaire reste impossible à définir^{1, 2, 3}. La raison me semble en être l’adoption par la biologie théorique du paradigme mécaniciste et de son hypothèse réductionniste. La justification et la présentation d’un nouveau paradigme, appelé organiciste, est l’objet d’un article⁴ auquel il sera souvent fait référence ici sous les initiales PO (pour Paradigme Organiciste). La fonction des causes finales est en effet évidente et incontournable dans l’explication du comportement vivant. Les termes fonction, instincts, tendances, stratégies, conflits impliquent une finalité sous-jacente. Or, la machine qui nous sert de modèle évident est une hétéro-organisation puisque le sujet humain qui la conçoit, la construit et l’utilise, c'est-à-dire lui donne son sens, sa cohérence et sa finalité, est extérieur au système mécanique. L’organisme vivant par contre est une auto-organisation. Le préfixe auto est donc le substitut d’un élément « du genre sujet » agissant à l’intérieur même de la machine cellulaire. Un nouveau paradigme est donc, de l’avis de beaucoup, devenu indispensable. Celui que je propose est qualifié d’organiciste parce qu’il remplace le concept d’objet physique, exclusivement objectif, par celui d’autorganisme, système doté, comme notre propre organisme, d’une facette objective et d’une autre subjective (cfr infra). Dans le modèle sphérique utilisé pour représenter tous les systèmes naturels, le centre de la sphère symbolise l’élément du genre sujet. Je le nomme le « référent » propre du système.

Ici, la démarche adéquate ne consiste plus à démonter l’édifice cellulaire et à analyser ses briques élémentaires, mais à comprendre le comportement complexe et finalisé de la cellule à partir des mouvements élémentaires de ses molécules.

I- Les interactions élémentaires des biomolécules : La vie s’est développée dans un monde de molécules. La Physique moderne nous a appris que les molécules et les atomes sont des systèmes intrinsèquement dynamiques, animés, et même finalisés^PO du fait qu’ils tendent (Ђ) à la stabilité dynamique (finalité homéostatique) mais aussi à la création des liaisons (finalité relationnelle) puisque le monde est majoritairement fait de molécules, d’atomes liés.

Ces molécules entretiennent entre elles trois types de mouvements élémentaires.

a- L’interaction mécanique : Le choc élastique peut être vu comme l’expression de la finalité homéostatique, du comportement autiste des molécules. L’agitation thermique, elle, peut être vue comme un état de mouvement intrinsèque à la matière moléculaire. Le joueur de billard est en fait à l’intérieur du jeu^PO. Cette agitation est un mouvement en tous sens-direction (sens-D) que la Thermodynamique assimile implicitement à un mouvement désorganisé, aléatoire, dissipé, c’est à dire dénué de tout sens-signification (Sens-S). Or c’est là un jugement de valeur, paramètre subjectif valable uniquement pour le sujet humain, le référent implicite de la Science. De plus, ces qualifications négatives font passer pour trivial un mouvement fondamental et donc noble. C’est lui en effet qui génère toutes les interactions mécaniques (brassage moléculaire) et chimiques (chocs réactionnels) de la cellule.

b- L’interaction électrique : L’attraction et la répulsion électriques peuvent être vues comme des comportements finalisés et les molécules polarisées comme des organismes doués de propriétés sensori-motrices rudimentaires : perception sensorielle de leurs charges respectives et réaction motrice opérées via par leurs champs électriques. Ces mouvements ont non seulement un sens-direction (Sens-D) mais aussi un sens-signification (sens-S)^PO. Chacun des partenaires tend (Ђ), par finalité relationnelle, à combler son incomplétude par une relation stable. Les interactions électriques fortes ou faibles sont fondamentales en biologie. Elles sont entre autres responsables du mouvement de transconformation des protéines (cfr infra) et par là de toute la sensibilité et motricité de la matière vivante.

L’eau liquide, composant majoritaire de la matière cellulaire, mélange activement ces deux premiers types d’interactions. Dans la structure de l’eau, la relation entre molécules voisines passe incessamment de l’interaction électrique, la « poignée de main », à l’interaction mécanique, la « boxe »^PO.

c- Les interactions chimiques : Les réactions biochimiques sont des réactions chimiques individualisées, dues au passage obligé par le site catalytique des enzymes. En abaissant l’énergie d’activation de la réaction, l’enzyme permet une réaction, dite spontanée, qui sans elle n’aurait pas lieu. En réalité, ce que nous appelons énergie d’activation correspond à la stabilité dynamique des molécules des réactifs, à leur résistance aux chocs mécaniques. Dès que cette résistance est vaincue (chimie classique) ou abaissée (chimie enzymatique), le choc devient réactionnel. Les substrats entrent alors dans un état de transition très instable qui bascule aléatoirement soit vers l’état de produits soit vers celui de substrats. La réaction chimique individuelle est donc fondamentalement  réversible et l’état de transition est un état d’indétermination, un point de bifurcation dans l’évolution du système chimique individuel. C’est cette indétermination du sens et cette réversibilité de la réaction individuelle qui rendent possible la spontanéité paradoxale des flux anaboliques (cfr infra).

Tant que l’enzyme spécifique est présente, des réactions élémentaires dans les deux sens se poursuivent. Et comme dans la majorité des cas la stabilité des molécules des substrats et des produits est différente, la population globale de chacune va évoluer différemment jusqu’à ce que le conflit entre le nombre et la stabilité relative de ces deux belligérants atteigne un état d’équilibre. Cette tendance (Ђ) globale spontanée du système chimique à évoluer vers l’équilibre est expliquée par le second principe, cause finale inavoué^PO. Elle n’a pas d’explication au niveau élémentaire tant qu’on assimile les molécules à des objets et pas à des organismes dont les finalités propres créent en fait le « conflit ».

II- L’auto-organisation des « supermolécules » : Le mot macromolécule désigne les micelles, les protéines, les membranes et l’ADN.  Il cache sous un vocable chimique un phénomène physique et thermodynamique, l’effet hydrophobe. Je préfère donc parler de super-molécule puisque l’organisation est ici de niveau supra-moléculaire. La Thermodynamique explique difficilement cet effet⁵ alors qu’en termes organicistes, la chose est aisée^PO. D’une part l’agitation thermique intrinsèque des molécules amphiphiles crée une tendance (Ђ) centrifuge déterminée par le second principe et d’autre part la structure de l’eau génère, par ses interactions avec la surface fenêtrée de la super-molécule, une tendance (Ђ) globalement centripète. La super-molécule sélectionne en fait, parmi les mouvements en tous sens-D de l’agitation thermique de l’eau environnante, ceux qui sont utiles à sa finalité tout comme l’ingénieur (référent extérieur) le fait avec le piston ses moteurs et le démon de Maxwell (référent imaginaire) avec sa porte qui sépare les molécules rapides et lentes. La stabilité dynamique de la super-molécule est assurée par un mécanisme de feed-back^PO, par des contraintes réciproques entre le système et son environnement. Ce système n’est donc pas une « auto- » mais une « co-» organisation^PO. Il est dynamiquement inextricable de son environnement. L’isoler débouche nécessairement sur son auto-désorganisation (dS>0).

III- La transconformation des protéines : Dans l’optique mécaniciste, les protéines sont les outils du métabolisme, les machines microscopiques de l’usine cellulaire. Dans l’optique organiciste, leurs mouvements de transconformation correspondent à un comportement, mouvement indécomposable et finalisé. Le contact entre la molécule de ligand et le site stérique qui la reconnaît spécifiquement déstabilise l’équilibre dynamique qui déterminait sa forme native. La super-molécule tend (Ђ) alors vers un nouvel état d’équilibre, une nouvelle posture. Ce geste élémentaire, classiquement interprété comme un mouvement quasi-mécanique correspond, dans l’optique oganiciste, à un réflexe sensori-moteur. La reconnaissance sensorielle de la molécule de ligand provoque la réaction motrice de la protéine. La supermolécule s’adapte à son nouvel environnement et ce comportement adaptatif est déterminé par sa tendance (Ђ) homéostatique à évoluer vers l’état d’équilibre (déterminisme final).

IV- Les Flux métaboliques : Derrière la stabilité globale apparente de la cellule se cache l’état de mouvement incessant des flux métaboliques.

- Les flux transmembranaires sont des mouvements individualisés de molécules sélectionnées par les transporteurs membranaires. Le sens-D de chaque mouvement individuel est indéterminé. La molécule entrante et le transporteur forment, comme l’enzyme et ses substrats, un complexe de transition instable dont l’issue est aléatoire. Le sens-D du flux global n’a donc qu’une valeur statistique, ici déterminée par la différence de concentration et le second principe (déterminisme final).

- Les flux enzymatiques sont des mouvements individualisés de transformations chimiques sélectionnés et facilités par les enzymes. Le sens chimique (sens-D) est indéterminé au niveau individuel et déterminé au niveau global par le second principe (déterminisme final).

Ces flux métaboliques matériels sont donc le résultat statistique de mouvements individuels de sens-D opposé. C’est d’ailleurs ainsi que leur sens peut être inversé dans les voies anaboliques sans contrevenir au second principe. Il suffit pour cela que la cellule modifie les concentrations respectives des molécules concernées. Le flux anabolique est donc à la fois spontané puisque son sens est conforme au second principe et artificiel car c’est la cellule, totalité organisée et finalisée, qui crée et perpétue les conditions artificielles propices au sens anabolique.

V- Les interactions informationnelles : La stabilité dynamique des différents réservoirs de biomolécules ne peut pas s’expliquer sans le concept d’information. Or, du point de vue strictement objectif il n’y a pas d’information moléculaire. Les propriétés stériques et la concentration de la molécule ne sont que des signaux qui peuvent prendre sens-S pour le référent de la cellule.

- A l’intérieur de la cellule, la stabilité des réservoirs de biomolécules est assurée par des boucles de feed-back négatif (BFB-). Ces boucles associent à un flux spontané indubitablement matériel un flux rétroactif qui, par son caractère informationnel, permet de remonter sans problème la pente naturelle du second principe. Ainsi peut émerger localement le comportement finalisé - ici homéostatique - du système cybernétiquement bouclé.

- A l’extérieur de la cellule, aucune molécule ne mérite, a priori, le nom d’information. Le signal moléculaire environnemental ne prend sens-S pour la cellule que s’il interagit avec une de ses protéines. Ce contact intègre la présence du signal au tout organisé et finalisé qu’elle forme et qui lui donne sens-S. Cette intégration est subordonnée à un processus préalable de sélection des seuls signaux qui ont du sens-S relativement à sa stratégie et cette stratégie est, comme l’environnement, incessamment changeante. La cellule sélectionne d’abord par régulation génétique, ne synthétisant que des protéines membranaires sensibles aux signaux moléculaires significatifs et ensuite par régulation allostérique, activant ou inhibant ces mêmes protéines. Cette sélection opère donc une contrainte sensée-S sur la diversité des signaux environnementaux.

VI- Les modules organisationnels : L’image mécaniciste du réseau métabolique ne colle pas à la réalité puisque dans la cellule le contenant est aussi fluent que le contenu. Dans l’optique organiciste, ce  réseau correspond à un mouvement organisé, un tourbillon ou un ballet de biomolécules. Les éléments de base de ce réseau-mouvement sont les réservoirs (R), ensembles fluents des molécules identiques localisées dans le même espace cytoplasmique ou membranaire, les vannes (V), réservoirs des protéines, les biomolécules actives du réseau et les flux (Φ) qui mettent en relation les différents réservoirs. Chacun de ces éléments a deux facettes distinctes mais un même support physique. Il y a ainsi des réservoirs, des flux et des vannes matériels (Rm, Φm, Vm) et leurs trois homologues informationnels (Ri, Φi, Vi). Les vannes matérielles transbordent par les transporteurs ou transforment par les enzymes les matériaux moléculaires tandis que les vannes informationnelles transmettent par les récepteurs, les enzymes allostériques, les ribosomes et les ARN/ADN polymérases, les informations. La fonction commune à toutes les protéines cellulaires est donc une fonction « trans », une fonction de régulation des flux, indispensable pour l’adaptation de la cellule à ses besoins incessamment changeants. Mais les termes de fonction et de régulation étant des concepts référentiels, ils restent ambigus dans l’interprétation mécaniciste..

Ces trois ingrédients de base du réseau-ballet forment quatre « modules organisationnels » avec chacun une version matérielle et une autre informationnelle, soit huit figures distinctes. La cascade est matérielle dans la voie métabolique classique et informationnelle dans la voie des messagers intracellulaires ou de l’information génétique. La convergence est matérielle dans deux types de mouvements : la confluence de flux matériels (Φm) distincts vers un même réservoir (Rm) et la synthèse enzymatique. Elle est informationnelle quand elle décrit l’influence conjointe de différents flux informationnels (Φi) sur un même réservoir (Ri). La divergence est matérielle pour deux types de mouvements : la dispersion d’un même flux matériel (Φm) vers des réservoirs (Rm) distincts et la lyse enzymatique. Elle est informationnelle quand elle décrit l’effet allostérique d’un même flux informationnel (Φi) sur des vannes (Vi) distinctes. La boucle est matérielle dans les cycles métaboliques qui assurent le recyclage incessant des biomolécules et informationnelle dans celle, omniprésente, de feed-back négatif, celle qui assurent la stabilité dynamique du réservoir.

VII : Le réseau métabolique : Le réseau est fait de l’assemblage de nombreux modules. Sa représentation, dans l’optique organiciste, se fait sous une forme sphérique qui ne fait que reprendre, sur une surface courbe, la représentation plane classique. On peut distinguer sur cette surface sphérique trois espaces différents qui chacun abrite de nombreux réservoirs représentés par une plage dont la surface reflète le niveau de remplissage propre.

- L’espace cytoplasmique est un vaste réservoir de molécules d’eau abritant de nombreux réservoirs de biomolécules, dont ceux des vannes enzymatiques. Il occupe simultanément les deux hémisphères de la sphère, comme deux copies identiques.

- L’espace membranaire est un vaste réservoir de molécules de phospholipides qui entoure le précédent. Il abrite les réservoirs des vannes membranaires qui relient l’espace cytoplasmique à l’espace environnemental. Il occupe la ceinture équatoriale de la sphère. C’est lui qui sélectionne les matériaux et les informations sensées-S dont la cellule a besoin.

- L’espace génétique contient une molécule unique, l’ADN, mais un grand nombre d’informations génétiques. Il se présente comme une île plantée (elle aussi en double exemplaire) au milieu de l’espace cytoplasmique parce que le chromosome est à la fois anatomiquement intérieur et fonctionnellement extérieur au ballet général. l’ADN est la seule biomolécule qui n’est pas remplacée au cours de la vie d’un individu cellulaire et les informations essentielles qu’elle porte sont héritées des générations antérieures, comme reçues de l’extérieur. La cellule sélectionne activement et intelligemment les informations génétiques dont elle a besoin à chaque instant précis grâce à ses ARN polymérases, ses inducteurs et ses répresseurs. Ces protéines jouent donc vis-à-vis de l’espace génétique le même rôle que les protéines membranaires vis à vis de l’espace environnemental.

Dans cette représentation sphérique, l’espace cellulaire (constitué de ces trois sous-espaces) apparaît comme une sphère enchâssée dans son plan environnemental propre. Il est dynamiquement relié à lui par un flux incessant de matériaux et d’informations. On peut ainsi visualiser, en imaginant le film du mouvement incessant des réservoirs intra et extracellulaires, l’immobilité et la permanence du référent, sorte de centre attracteur autour duquel semble s’organiser l’état de mouvement de la surface sphérique.

Cette représentation sphérique permet de distinguer dans l’espace cellulaire une facette matérielle, objective, valable pour tous les observateurs (référents) extérieurs et une facette informationnelle, subjective, valable seulement pour le référent de la cellule. La surface sphérique délimite ainsi deux espaces subjectifs / symboliques où nous pouvons situer sous forme de points les différents référents : dans l’espace extérieur* les observateurs-sujets qui utilisent le mode de connaissance par assimilation objective^PO (CAO) et dans l’espace intérieur le référent de la cellule, le point central de la sphère. C’est effectivement seulement de ce point de vue intérieur* que les molécules apparaissent comme des informations et les mouvements de transconformation comme des processus de reconnaissance moléculaire ou comme des fonctions métaboliques.

Ici, les flux métaboliques matériels s’inscrivent sur la face extérieure de la sphère comme des flèches reliant les différents plages tandis que les flux informationnels traversent directement l’espace intérieur*. C’est là en effet que, symboliquement, le signal moléculaire prend sens-S, devient une information. Nous, sujets humains, ne pouvons accéder à ce point de vue que par le mode de connaissance par assimilation subjective^PO (CAS). Quant à l’espace environnemental, il reste plat, symbole de son caractère exclusivement objectif, tant du point de vue extérieur* qu’intérieur*. Mais cette planéité est toute relative. Si on l’examine du point de vue du référent de l’organisme pluricellulaire qui abrite la cellule, l’environnement correspond à son milieu intérieur, c'est-à-dire une partie de sa propre sphère représentative. Pour lui, cet espace est courbe.

Cette représentation sphérique de la cellule nous permet de visualiser très concrètement sa fonction centrale qui est une fonction d’intégration, une fonction indécomposable. La cellule y intègre d’une part la somme des informations, environnementales-extéroceptives, allostériques-intéroceptives et génétiques, pour créer une représentation stratégiquement cohérente et d’autre part la somme des réactions motrices, les transconformations de ses protéines, pour créer un comportement, mouvement indécomposable (M. Merleau-Ponty⁶) et stratégiquement sensé-S.

Conclusion : qu’est-ce que la vie cellulaire ?

Dans ce nouveau cadre, ce qui distingue les systèmes naturels physiques de leurs homologues biologiques, autrement dit, ce qui définit la vie cellulaire, c’est cette fonction centrale. Le système physique est dynamiquement stable, iso-entropique (dS = 0). Son centre* symbolise dès lors le point d’annulation de tous les mouvements qui animent la surface de sa sphère représentative. 

La stabilité dynamique du système cellulaire par contre n’est que la condition nécessaire à son comportement mais sa tendance (Ђ) spontanée spécifique, l’auto-reproduction, correspond à un sens thermodynamique "néguentropique" impossible à inscrire dans le cadre de la Science mécaniciste puique la thermodynamique a associé la croissance de l'entropie au sens unidirectionnel du temps-durée de Galilée. Le centre symbolise ici le point source de ce mouvement néguentropique (dS<0). La cellule crée en effet un mouvement spontané de concentration d’énergie et de matière, générateur de la croissance de la matière moléculaire complexe et de la prolifération cellulaire Et ce mouvement de concentration est bien un mouvement diamétralement opposé à celui de la la tendance à la dispersion de l’énergie de mouvement (F. Lambert⁷), à laquelle correspond la croissance de l’entropie dans le second principe.

Bibliographie

1- Bedeau, M.A. What is Life ? In A Companion to the Philosophy of Biology; Sahotra, S.Plutynski, A., Eds.; Blackwell Publishing Ltd: Oxford UK, 2008

2- Lazcano, A. Towards a Definition of Life: the Impossible Quest? Space Sci Rev 2008, 135, 5-10.

3- Tirard, S.; Morange, M.; Lazcano, A. The Definition of Life: A brief History of an Elusive Scientific Endeavour. Astrobiology 2010,10, 10, 1003-1009

        4- Stevens, J.C. Entropy, self-organizationand information, three arguments for the      introduction of a         non-objective dimension in the sciences of Nature (self-edition)

        5- Noel T. Southall et al: A View of the Hydrophobic Effect;J. Phys. Chem. B, 2002, 106 (3),          pp             521–533

        6- Merleau-Ponty, M. La Structure du Comportement. PUF: Paris, Fr, 1942.

7- Lambert, F.L. : https:// entropysite.com