Peut-il exister une biologie théorique, tout comme il y a une physique théorique ? La chose n’est pas facile. Tout d’abord parce que nous ne disposons que d’un exemple de système vivant à notre disposition, bien sûr. Mais aussi parce que nous ne savons pas exactement définir ce qui caractérise le vivant exactement. S’agit-il de la capacité de se reproduire et de muter ? Est-ce l’existence d’un métabolisme qui permet de s’adapter aux conditions extérieures pour survivre ? Les virus, qui utilisent l’appareillage des cellules infectées pour se reproduire, sont-ils des « êtres vivants » ? Et comme on l’a vu dans l’article précédent, quelles sont les conditions minimums pour l’apparition de la vie ?

Peut-on « calculer » le vivant ?

Dans cette recherche théorique, l’usage des outils numériques peut se révéler indispensable, mais comme le souligne un article d’Astrobiology Magazine, cet usage peut prendre des formes très différentes. L’article met ainsi en parallèle deux approches qui ne sont pas forcément opposées, mais qui reposent sur des présupposés très différents : la biologie computationnelle et la vie artificielle.

Andrew Pohorille, apprend-on, dirige le labo d’astrobiologie computationnelle à la Nasa. Son travail nous explique-t-on, consiste à « écrire des algorithmes basés sur des modèles mathématiques pour chercher à expliquer les complexes procédés biochimiques ». S’il utilise donc des ordinateurs, son outil théorique principal reste, comme on le voit, les mathématiques.

Cette approche, loin des manipulations sur la paillasse, peut laisser sceptique un certain nombre de biologistes. Mais selon Eric Smith, qui travaille à l’Institute Earth Life Science de Tokyo, son heure est venue. « Je pense que nous sommes arrivés au point où cela va devenir un outil sérieux, mais il est important de se rappeler que ce n’est qu’un outil parmi d’autres. »

Le magazine nous présente ainsi certains des premiers résultats de cette nouvelle forme de biologie. Par exemple, Eric Smith et son équipe ont étudié les divers moyens utilisés par le vivant pour fixer le carbone, en combinant à la fois une analyse computationnelle des évolutions des espèces avec une autre sur l’équilibre des flux métaboliques. Ils ont ainsi pu déterminer les six méthodes utilisées par les organismes pour remplir cette tâche et repérer celle qui se serait produite en premier, aux origines de la vie. Smith et ses collègues ont pu ainsi démontrer que ce processus pouvait émerger à partir de processus géochimiques simples. La spécialité de Smith est en effet la géochimie et il a d’ailleurs écrit un livre à ce sujet en collaboration avec Harold Morowitz, The origin and Nature of life on earth.

Il est aussi intéressant de noter (quoique Astrobiology Magazine ne cite pas quelles recherches spécifiques les ont amenés à cette conclusion) que des chercheurs comme Smith et Pohorille se montrent en désaccord avec une grande partie des biologistes traditionnels sur l’origine de la vie. Selon ces derniers en effet, avant la domination de l’ADN aurait existé un « monde de l’ARN » qui aurait préfiguré la vie telle qu’on la connaît. Pourquoi ? Tout simplement parce que l’ARN est une molécule plus simple que l’ADN. Tout d’abord, il s’agit d’une « simple hélice » en lieu et place de la double hélice bien connue (et bien plus compliquée) de l’ADN. Mais pour Pohorille et Smith, l’ARN est encore une molécule trop grande pour se trouver à l’origine du vivant. Un article de Quanta Magazine mentionne que Pohorille semble avoir la préférence pour une nouvelle hypothèse, qui voit dans les protéines les premières briques de construction du vivant.

La vie artificielle : réalité ou simulacre ?

Lorsqu’on parle de modèles computationnels de la vie, on ne peut que penser à la vie artificielle, ce champ marginal mais influent souvent mentionné dans nos colonnes. Pourtant, on va le voir, la biologie computationnelle et la vie artificielle restent des champs d’études différents et séparés.

Astrobiology Magazine se concentre sur le travail Chris Adami un microbiologiste de l’université du Michigan, qui a co-créé un logiciel de vie artificielle, Avida.

Avida n’est pas un nouvel outil, il a été publié en 1993. Il peut être considéré comme le successeur d’un travail plus ancien, Tierra, élaboré dans les années 90 par le biologiste Thomas Ray. Nous avons aussi plusieurs fois mentionné Tierra dans InternetActu. Lors de la conférence Ecal de 2011 sur la vie artificielle, Tierra avait nommé par les chercheurs comme le logiciel qui incarnait le mieux ce domaine de recherche. Mais avant Tierra, il y avait un « jeu vidéo » suprêmement geek nommé Core War, qui mettait en scène des armées de virus qui luttaient les uns contre les autres en réécrivant des instructions écrites dans un langage virtuel, Redcode. En 1990, un chercheur Steen Rasmussen, découvrit que les meilleurs combattants à Core War étaient ceux qui se montraient en mesure de se répliquer eux-mêmes. Reste qu’il n’y avait pas de mutation – donc pas d’évolution – au sein de Core War.

Avida est basée sur des principes très proches de Tierra. Mais surtout, comme tout le champ de la vie artificielle, Avida repose sur une hypothèse philosophique, qui justement est très contestée : l’idée que la vie est fondamentalement affaire d’information, pas de chimie. Comme Adami l’explique dans Astrobiology Magazine : « la vie est de l’information qui se réplique« . Avida est un software très complexe et peu explicite. Si vous voulez tout de même jouer avec le programme, le mieux est de vous rendre sur le site d’Avida-Ed, une version simplifiée spécialement conçue pour l’éducation. Malheureusement, j’ai trouvé la documentation fournie plutôt parcellaire, ce qui est quand même dommage pour un logiciel éducatif (Avida-Ed a même reçu un prix pour sa valeur éducative de la part de l’International Society for Artificial Life, remis à Lyon en 2017). Vous pouvez vous aider de la vidéo ci-dessous (en affichant les sous-titres automatiques, pas forcément très exacts, mais suffisants pour comprendre ce qu’il faut faire). Mais ce tutoriel vous aidera à comprendre comment marche le logiciel, pas à mener votre propre recherche…

Dans Avida-Ed, chaque organisme est un petit programme écrit avec un « langage de programmation » composé des 26 lettres de l’alphabet. Chacune d’entre elles correspond à une instruction particulière (par exemple, l’une des plus importantes, « W », signifie « réserver de la mémoire pour générer une progéniture »), ou « S », qui est la classique commande d’addition de deux valeurs. Le premier organisme d’Avida, nommé l’ancêtre, est déjà capable de s’autorépliquer. Dans Avida-Ed, les organismes « récompensés » sont ceux qui sont capables d’effectuer le plus grand nombre d’opérations logiques, de type ET, OU ou Xor (et d’autres plus exotiques).

Un peu comme dans le jeu de la vie, c’est assez amusant de regarder les organismes se reproduire dans l’écran d’Avida-Ed, mis est-ce vraiment utile ? Oui pour les adeptes de ce genre de pratiques, qui multiplient les expériences sur l’évolution depuis plus de 20 ans avec ce genre de programme. En 2010, par exemple Avida avait fait un peu parler de lui, notamment dans le New Scientist, mais aussi dans la presse plus généraliste, comme le Telegraph britannique. Une équipe (après avoir rajouté trois instructions permettant aux avidiens de se mouvoir, car originellement, ils ne déplacent pas, ils se contentent de se reproduire) avait affirmé avoir vu certaines de ces créatures développer une mémoire et un certain comportement (un peu) intelligent. Comme cette histoire a 10 ans, et qu’elle n’a apparemment pas connu de suite, on peut supposer que l’annonce était quelque peu prématurée, mais il est aussi possible que demain elle revienne au premier plan. Après tout on reparle d’Avida aujourd’hui après des années de confidentialité.

Mais pour revenir à l’article d’Astrobiology Magazine, cela ne convainc pas pour autant d’autres chercheurs, et notamment ceux qui travaillent sur la biologie computationnelle. Andrew Pohorille pense ainsi qu’il reste important de chercher un « concept mathématique de haut niveau » susceptible d’expliquer la nature du vivant et le système de règles qui régit le domaine. Pour lui, un système comme Avida ne permet pas de fournir une telle explication théorique, et pire, il peut générer des erreurs d’interprétation, amener à confondre le vivant avec des processus qui lui sont analogues : « Il peut y avoir beaucoup de règles qui mènent à ce genre de processus… La question est de savoir si l’une de ces règles a quelque chose à voir avec les règles qui ont fonctionné aux origines de la vie. »

Et l’article de renchérir :

« Quelque-chose pourrait ressembler à la vie dans Avida, mais il y a un risque de tomber dans le piège de la recherche d’un motif qui ressemble à du vivant, mais qui n’en est pas, comme confondre les mouvements d’un slinky [ce jeu en forme de ressort, capable de descendre les marches d’un escalier, NDT] et ceux d’un serpent. On peut se demander si la vie virtuelle au sein d’un ordinateur, comme la vie avidienne, ne se contente pas en fait de se faire passer pour une représentation de la vie, ce qui amène de nombreux chercheurs à se méfier de ces résultats. « En principe, la vie artificielle pourrait aider à trouver des alternatives à la vie terrestre, mais vous devez comprendre de quoi exactement votre modèle informatique est une abstraction, et c’est la partie la plus difficile », a déclaré Smith. »

Apparemment, nous n’avons pas le choix : pour comprendre la nature du vivant, il nous faut plus d’un exemple à étudier, et le seul moyen pour ce faire, c’est quand même d’aller en chercher un !

Rémi Sussan

Le dossier, « la vie, telle qu’elle pourrait être » :

• 1e partie : De nouvelles lettres pour l’alphabet du vivant
• 2e partie : Quelle vie, ailleurs ?
• 3e partie : Simulation ou vie artificielle ?