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Biblionet
Peter M. Hoffmann.

Life's Ratchet.

How Molecular Machines Extract Order from Chaos
Basic Books, octobre 2012

Présentation et commentaires par Jean-Paul Baquiast 10/01/2013



NB. Un "ratchet" est un cliquet n'autorisant une roue à ne tourner que dans un sens

 

Peter M. Hoffmann est professeur de physique et de science des matériaux à la Wayne State University de l'Etat du Michigan. Il s'est intéressé très tôt à la biologie, comme il l'explique dans son livre. Il a fondé et dirige un programme de recherche en matière de physique biomédicale (Biomedical Physics Programme) au sein de cette université.

Home page http://clasweb.clas.wayne.edu/hoffmann

 

 

Actine et myosine. Ces deux schémas sont extraits de l'article "Muscle normal", par les Professeurs C DENIS et JR LACOUR. Le nanomètre (nm) correspond au milliardième de mètre http://gira.cadouarn.pagesperso-orange.fr/france/medecine/physio_pathologie/physiologie_musculaire.htm


Peter Hoffmann est relativement jeune. Il est né en 1968 dans un village de la Sarre (Allemagne), pays où il a fait ses études (undergraduate) en physique et mathématique. Il a émigré ensuite aux Etats-Unis en 1992. Nous extrayons ces lignes de sa bibliographie: «  completing an MS in Physics at Southern Illinois University, Carbondale, IL, and a PhD in Materials Science and Engineering at Johns Hopkins University in Baltimore, MD. He then spent two years at University at Oxford, UK, as a research fellow. In 2001, he joined Wayne State University, Detroit, MI as an Assistant Professor of Physics. In 2008, he co-founded the undergraduate biomedical physics program at Wayne State and served as its director from 2008-2012. He has since been promoted to a full professorship and was appointed Associate Dean for academic programs in 2012 ".

Ce cursus permet de voir en lui un des fruits de la fuite des cerveaux qui continue à affecter l'Europe continentale au profit des universités américaines. Il est très probable qu'aujourd'hui encore, il ne trouverait pas dans les laboratoires universitaires du continent tous les soutiens et les contacts humains nécessaires pour développer comme il l'a fait une recherche véritablement innovante, traversant audacieusement les barrières disciplinaires et appuyée sur des technologies avancées comme le Microscope à force atomique (AFM) souvent mentionné dans son livre, et plus généralement les recherches sur les nanotechnologies popularisées aux Etats- Unis par Eric Drexler, fondateur du Foresight Institute.

Son livre est particulièrement remarquable en ce sens qu'il réussit l'effort d'ouvrir les esprits à une démarche qui de l'avis général devrait dorénavant s'imposer dans les sciences. Il s'agit de rapprocher des méthodologies de recherche venues d'horizon différents en vue d'obtenir des synthèses à la fois originales et fécondes. Leur portée en sera non seulement scientifique mais aussi philosophique, pour ne pas dire politique.

Peter Hoffmann explique dans ce livre qu'aux origines de ses recherches s'est trouvée la volonté de mieux comprendre en quoi les structures dites vivantes se distinguent de celles dites matérielles ou inanimées. Ce thème de recherche n'est évidemment pas nouveau. Il est même de plus en plus d'actualité, comme le montrent les travaux remarquables du biochimiste Nick Lane portant notamment sur les possibles premières formes de vie apparues dans les océans primordiaux (voir notre présentation sur ce site de son ouvrage fondamental Life ascending http://www.automatesintelligents.com/biblionet/2010/mar/nicklane.html). Le thème est aussi de plus en plus évoqué par les astrobiologistes, autour de la question de la vie extraterrestre.

Pour préciser ses questions, Peter Hoffmann s'est intéressé aux travaux désormais nombreux portant sur ce que l'on nomme les machines moléculaires. On désigne par ce terme de très petites molécules de protéines intervenant au sein de la cellule vivante pour accomplir les tâches nécessaires aux fonctions de celle-ci. Ces « machines », bien que n'étant pas vivantes au sens propre, sont dotées de mobilité et d'une sorte d'intelligence autonome qui a pu les faire comparer à de petits robots. Elles sont des milliers, très diverses. Les chercheurs en découvrent actuellement tous les jours de nouvelles, comme le montre la courte liste présentée ci-dessous. La recherche est très active en ces domaines car ces machines moléculaires intéressent de plus en plus la médecine et les industries pharmaceutiques. D'infimes interventions sur leur fonctionnement peuvent perturber ou au contraire réparer une fonction vitale pour l'organisme tout entier.

Les plus anciennement étudiées sont les molécules d'actine et de myosine qui interviennent en superposition dans les cellules à caractère contractile des vertébrés, notamment les cellules musculaires. L'auteur consacre une partie du livre, la plus technique et la plus difficile pour certains lecteurs, à décrire ces grandes familles de molécules et leur rôle. Ainsi il reproduit (p. 191) l'arbre de la superfamille des myosines dont le nombre dépasse la centaine et les fonctions sont très spécialisées. Il précise aussi les moteurs moléculaires qui interviennent dans deux autres fonctions vitales de la cellule, la réplication de l'ADN, avec production de l'ARN, lors de la mitose: topoisomerase, hélicase notamment, ainsi que la traduction des ARN en protéines dans le ribosome.

Mais il rappelle que ces quasi-organismes opèrent au sein des cellules. Or celles-ci, fussent-elles simples ou complexes, sont apparues à la suite du regroupement et de l'organisation d'autres molécules issues du milieu chimique, lipides et protéines. Il y a d'abord toutes celles qui construisent les membranes cellulaires, isolant l'intérieur de l'extérieur. Il y a aussi toutes celles qui composent les organelles propres à la cellule, y compris le noyau et les chromosomes. Plus spécifiquement, il s'intéresse aux microtubules qui sont comme des voies de chemin de fer moléculaires internes à la cellule au long desquelles se déplacent certaines de ces machines pour porter aux éléments cellulaire les nutriments (ATP) ou les catalyseurs (enzymes) dont ils ont besoin pour accomplir leurs fonctions.

Ce monde des nanomachines biologiques pose de nombreuses questions d'ordre scientifique plus générales: comment sont-elles apparues sur Terre, à des époques où n'existaient pas encore la moindre molécule complexe, dite organique ?– à partir de quelles sources d'énergie se sont elles construites, en créant de la néguentropie alors que l'entropie ambiante ne cessait de croitre ?– plus généralement, comment l'ordre et l'orientation propres aux systèmes vivants ont-il pu émerger et se développer dans un monde où, si l'on refuse comme le fait l'auteur le finalisme et le créationnisme des religions, n'existait qu'un apparent chaos? Sur ces sujets, les longs développements proposés par le livre dépassent largement le champ de la biologie. Ils intéressent l'ensemble des sciences.

Nous ne les résumerons pas cependant dans cette présentation. Ou bien en effet ils évoquent des questions déjà fréquemment abordées par la pensée scientifique, comme celles concernant le rôle du hasard et de la nécessité dans l'évolution. Ou bien au contraire ils évoquent des questions techniques difficiles, à propos desquelles les lecteurs que nous sommes peuvent parfois s'interroger sur la pertinence des hypothèses formulées par l'auteur.

C'est le cas notamment des pages consacrées à mettre en évidence le processus de cliquet (« ratchet ») qui selon Hoffmann a permis aux précurseurs des moteurs moléculaires d'accumuler les modifications favorables sans jamais revenir en arrière. Autrement dit, comment au sein du chaos moléculaire, sous l'effet du choc des premières molécules avec les photons lumineux, ont pu naître et se développer des formes d'organisation qui ont progressivement acquis de la complexité, en contradiction apparente avec la loi de l'entropie croissante. La question se pose dans la mesure où, si l'on peut admettre que la rencontre d'un atome avec un photon énergétique puisse modifier l'organisation interne de cet atome, il n'y a pas de raison pour qu'une autre rencontre ne défasse pas ce qu'a permis de construire la première. En résumé, comment des modifications survenant au hasard et obéissant à des lois simples peuvent s'accumuler pour construire les molécules infiniment complexes que l'on trouve à l'origine des organismes vivants les plus simples?

L'auteur ne pense pas seulement aux virus, généralement considérés comme situés à la frontière entre la vie et la matière inerte, mais aux molécules telles que la myosine ou ses précurseurs, évoquée ci-dessus, et qui se comportèrent vraisemblablement, aux origines de la vie, comme des entités intelligentes, dotées de mobilité et de capacités fonctionnelles, au service de la construction des futures cellules. Pour en discuter, il emploie une métaphore simple, celle d'un Sisyphe condamné à hisser un rocher au sommet d'une pente et qui aurait échappé à la malédiction des dieux en trouvant le moyen, après chaque effort lui ayant permis de hisser le rocher vers le sommet, de bloquer celui-ci afin qu'il ne reparte pas en arrière rouler dans le fleuve Tartare.

Or l'optimisme de l'auteur nous paraît excessif. On ne peut espérer aujourd'hui avoir compris complètement les propriétés complexes permettant à certaines molécules simples (c'est-à-dire chimiques) d'accumuler toutes les modifications survenant au hasard du fait de la tempête moléculaire, afin de devenir des nanomachines capables de mener des actions continues s'insérant dans les processus d'émergence de la vie. Si cela était le cas, la question de la synthèse de la vie ou plus exactement celle de la création de vie artificielle par des manipulations moléculaires ne se poserait plus. Le cliquet évoqué par le livre comportera encore sans doute longtemps de nombreuses inconnues.

La thermodynamique

Pour terminer cette trop courte présentation, nous voudrions évoquer la question des lois de la thermodynamique, qui sont essentielles dans le cadre explicatif proposé par le livre. Peter Hoffmann commente longuement le statut des deux lois de la thermodynamique. La première pose le principe selon lequel l'énergie se conserve à travers les différentes formes qu'elle peut emprunter dans l'univers, notamment les énergies gravitationnelle et cinétique, ainsi que la chaleur. La seconde, bien plus souvent citée, constate que l'énergie se disperse lors de ces transformations, et que cette dispersion est irréversible. En découle le concept d'entropie. Celui-ci, souvent interprété de façon confuse, selon l'auteur, peut caractériser l'état de l'énergie dans un système clos. Un système disposant de beaucoup d'énergie libre est dit à basse entropie. Un système caractérisé par la présence de beaucoup de formes d'énergie distribuées au hasard, est dit à forte entropie. Comme l'énergie libre se transforme de façon irréversible, l'entropie d'un système ne peut qu'augmenter.

Cette loi bien connue depuis les travaux des premiers thermodynamiciens à propos de la machine à vapeur, est d'application beaucoup plus large. Peter Hoffmann rappelle qu'elle intéresse l'évolution de l'univers dans son ensemble. Dans l'hypothèse du Big Bang, l'univers primordial était à son début empli d'une énergie non différenciée, à très haute température et de très grande densité. Son entropie était donc minimale. En se refroidissant et en entrant en expansion, le plasma initial a permis l'apparition de particules se déplaçant à la vitesse de la lumière, de façon chaotique (sans ordre déterminé). De leurs collisions sont nés les premiers composants de la matière, quarks, électrons, muons, neutrinos, photons. Le milieu se refroidissant toujours, les premiers atomes ont pu apparaître: les quarks se sont agrégés en noyaux, protons et neutrons qui ont capturé les électrons en dégageant de l'énergie. Mais le processus s'est vite arrêté, avec la poursuite du refroidissement. Seuls ont été formés des atomes d'hydrogène H et d'hélium He.

Le processus a repris cependant sous l'influence de la gravité, les nuages d'H et d'He donnant progressivement naissance à des masses de plus en plus denses au sein desquelles se sont allumés les mécanismes de la nucléosynthèse solaire. Ceux-ci on relâché de nouvelles quantités d'énergie, sous forme de lumière. Un des points importants de l'argumentation de Peter Hoffmann concerne le rôle de cette lumière lorsque les photons la composant entrent en collision avec les atomes et molécules complexes formés lors de la nucléosynthèse. Ils provoquent une agitation thermique, que l'auteur qualifie de tempête moléculaire (molecular storm). Celle-ci a fourni assez d'énergie libre pour permettre sur la Terre l'apparition des systèmes vivants. C'est elle aussi qui fournit l'énergie donnant à ces systèmes vivants la faculté de se constituer en systèmes ouverts loin de l'équilibre de plus en plus complexes. Ces systèmes paraissent défier la loi de l'entropie croissante. Mais en fait ils ne peuvent le faire qu'en consommant l'énergie libre offerte par la lumière.

Or nous pouvons remarquer ici que Peter Hoffmann rejoint, sans le préciser explicitement, un courant de pensée récent représenté par certains physiciens selon lequel si l'on devait évoquer des lois fondamentales concernant l'univers, celles-ci intéresserait la thermodynamique et non la physique quantique, Cette thèse a été défendue par le physicien Vlatko Vedral, qui a récemment résumé sa pensée et celle de ses collègues dans un article du NewScientist trop complexe à résumer ici mais auquel nous renvoyons le lecteur ( http://www.newscientist.com/article/mg21628861.700-the-surprise-theory-of-everything.html?) Peter Hoffmann ne semble pas être allé aussi loin que ces physiciens, néanmoins il donne aux lois de la thermodynamique le premier rôle pour décrire l'univers tel nous le connaissons, ainsi qu'en particulier l'évolution qui sur la Terre a donné naissance à la vie.

Pour en savoir plus
* Le microscope à force atomique AFM. Il s'agit d'un outil très puissant, peu connu du public, qui permet de manipuler les atomes un à un au sein des molécules. http://fr.wikipedia.org/wiki/Microscope_%C3%A0_force_atomique
* Eric Drexler http://fr.wikipedia.org/wiki/Kim_Eric_Drexler
* Myosine http://fr.wikipedia.org/wiki/Myosine
* Actine http://fr.wikipedia.org/wiki/Filament_d%27actine

Les quelques références récentes ci-dessous, extraites de Kurzweilai-net de décembre 2012, montrent par ailleurs la grande actualité des recherches évoquées par le livre, à la frontière entre le vivant et le non-vivant.
* Cemes. Le contrôle du sens de rotation d'un moteur moléculaire
* Vers un ribosome artificiel
* Déplacement d'un virus sur une bactérie
* Une nanoparticule biohybride
* La « marche » d'un filament de myosine sur un filament d'actine, filmée avec une version performante d'un microscope à force atomique. Cette vidéo illustre opportunément les développements de Peter Hoffmann.