618 - Origine de la vie : de l’astrophysique à la philosophie

Après plus de deux décennies de développement, le télescope spatial James Webb fut finalement lancé le jour de Noël 2021. Webb promet de révolutionner notre compréhension de l’Univers dans tous les domaines de l’astrophysique notamment pour l’étude des exoplanètes et plus particulièrement celles qui orbitent leur étoile dans une zone tempérée où l’on peut espérer trouver des conditions favorables au développement d’activité biologique. Webb a en effet la capacité de détecter l’atmosphère de telles planètes tempérées et d’en déterminer la composition chimique, notamment l’eau, le gaz carbonique et le méthane. Je ferai un bref survol des programmes scientifiques visant à caractériser l’atmosphère de petites planètes tempérées, notamment le fameux système Trappist-1, une petite étoile naine rouge autour de laquelle orbitent 7 planètes de taille et de masse similaire à la Terre, dont trois dans la zone habitable. Je présenterai les premiers résultats de reconnaissance atmosphérique de certaines planètes du système Trappist-1 et des défis associés avec ces observations délicates.

La recherche de la Vie ailleurs dans l’Univers dépend de façon critique de la découverte d’exoplanètes qui pourraient supporter une telle vie. Bien que l’on connaisse aujourd’hui plus de 5000 planètes, seulement quelques dizaines d’entre elles ont des caractéristiques (rayon, masse, température) comparables à celles de la Terre. Cette rareté apparente est principalement un biais de sélection, ces planètes sont excessivement difficiles à découvrir avec les méthodes d’observations actuelles. L’équipe de l’Institut Trottier de Recherche des Exoplanètes a été centrale dans la construction du spectrographe NIRPS, maintenant en opération au Chili. L’équipe de NIRPS s’est vu attribuer 720 nuits d’observation pour l’étude des exoplanètes, dont une bonne partie sera dédiée à la recherche d’exoplanètes dans la zone habitable des étoiles du voisinage immédiat du Soleil. NIRPS permettra de mieux comprendre les populations d’exoplanète ayant une température permettant la présence d’eau liquide autour des naines rouges, le type d’étoile le plus abondant de l’Univers. Au-delà des aspects statistiques liés aux découvertes de NIRPS, la recherche d’exoplanète autour des étoiles de notre voisinage permet de trouver des cibles qui pourront être vues directement à l’aide des télescopes géants qui sont en cours d’élaboration ou de construction.

La théorie centrale de la biologie, l’évolution, est une théorie retrospective : elle permet de donner des explications a posteriori sur les structures vivantes. Mais de nombreuses théories en sciences naturelles sont au contraire prédictives : par exemple en physique il est naturel de calculer des quantités, guidant de nouvelles expériences jusqu’à des nouvelles applications. Un argument présenté par des biologistes comme Gould soutient qu’il y a trop de contingence en biologie pour prédire des phénomènes tels que l’évolution. Dans cette communication, j’expliquerai au contraire pourquoi, comment et à quel niveau il est possible de faire des prédictions quantitatives en biologie évolutive. En utilisant des cadres formels bien définis (modèles géométriques à basse dimension) et des principes très généraux (spécialisation de structures, reconnaissance spécifique), je montrerai qu’il est tout à fait possible de prédire certains aspects a priori surprenants et contingents de l’évolution. J’illustrerai ce principe sur deux exemples très différents : d’abord dans le domaine du développement embryonnaire, ensuite pour la reconnaissance cellulaire menant à des applications concrètes en immunothérapie anti-cancer.

La théorie de l’évolution est un des cadres théoriques fondamentaux des sciences biologiques contemporaines. Dans la mesure où elle explique d’abord et vous tout une grande part du changement dans le vivant, elle est souvent comprise, à tort ou à raison, comme ne s’appliquant qu’au vivant et donc indirectement comme étant un apanage sinon exclusif du vivant au moins un aspect fondamental le distinguant. Nous discuterons quelques-unes des raisons pour lesquelles il est utile de mettre entre parenthèses la question de l’origine de la vie si nous souhaitons développer des explications évolutionnaires plus riches.

Si la question de l’origine de la vie est une question tenace qui défie la science aujourd’hui encore, c’est aussi une question qui se prête à être traitée sous de multiples perspectives. Alors que la chimie prébiotique et la paléobiologie l’envisagent sous un angle historique, celui d’expliquer l’apparition de la vie sur Terre dans un passé très lointain, la chimie des systèmes et la biologie de synthèse la considèrent plutôt comme l’occasion de démontrer la faisabilité de synthétiser une vie artificielle, en laboratoire, indépendamment de toute contrainte historique. Dans cette communication, nous proposons de démêler les différents angles sous lesquels la question de l’origine de la vie est traitée en science. Nous identifions trois grandes dimensions susceptibles de contraindre la question différemment selon le contexte de recherche : adéquation historique, spontanéité naturelle et similitude avec la vie telle que nous la connaissons. Incidemment, ces trois dimensions permettent de caractériser le statut épistémique de ce qui doit être expliqué (l’explanandum), oscillant de « approximativement vrai » dans le cas où la question de l’origine de la vie est la plus contrainte à « entièrement spéculatif » dans le cas contraire. Nous explorons aussi comment des réponses à certaines facettes de la question de l’origine de la vie sont susceptibles de fournir des éléments de réponse pour d’autres.

Bien que des avancées importantes aient caractérisé les travaux sur l’origine de la vie dans les dernières décennies, plusieurs chercheurs en ont récemment appelé à une reconceptualisation des recherches. L’impossibilité de répondre séparément aux questions de l’origine, de la définition et de la recherche du vivant, tout comme les dimensions multiples de la question même de l’origine de la vie, ne sont que quelques une des difficultés auxquelles fait face la communauté scientifique travaillant sur ces questions.

À ce sujet, les méthodes inspirées de la théorie de l’information ont récemment attiré une attention significative. Dans la mesure où le problème de base de l’origine de la vie en revient à expliquer l’émergence d’un réplicateur primitif étant également porteur d’information, la théorie de l’information semble toute désignée pour pouvoir contribuer aux efforts de recherche. Nous passerons ainsi en revue la recherche sur l’origine de la vie inspirée de ces concepts. Tout d’abord, nous nous attarderons aux notions de "complexité naturelle" et de "systèmes complexes". Nous examinerons ensuite de quelle manière ces concepts peuvent être appliqués de la physique à la biologie ainsi qu’aux transitions évolutives majeures, puis à la vie artificielle et synthétique. Finalement, nous examinerons comment la théorie de l’information peut contribuer aux sciences planétaires et à la détection de biosignatures ailleurs dans l’Univers.

Cette communication se situe dans le champ des Sciences de l’Information et de la Communication et présente une partie des résultats des études au sein du projet Origin of Life  et du projet Cybele.

Nous présenterons les formes discursives et visuelles récurrentes utilisées par les journaux télévisés (JT) lors du traitement des questions des « origines de la vie » et de la « vie ailleurs ». Nous faisons l’hypothèse que les JT sont représentatifs de la conception qu’une société se fait d’une problématique et de nos imaginaires sur ces questions. 

Cette étude est menée sur un corpus issu de l’ensemble des éditions des JT de TF1, France 2 et France 3, de 1950 à 2020.

Les résultats montrent que : 

• la thématique émerge dès 1960 et connait un accroissement significatif à partir de 1995 (premières exoplanètes, début des missions martiennes) ;
• certaines annonces des agences spatiales (découvertes de traces d’eau, « nouvelles terres »…) déclenchent l’intérêt journalistique ;
• le discours majoritaire est optimiste : des traces de vie seront trouvées ailleurs ;
• trois thématiques sont récurrentes : l’eau - la zone d’habitabilité - les distances colossales ; 
• la mise en image de ces concepts est délicate (utilisation d’images de paysages tropicaux) ; 
• les questions autour de la vie intelligente et de sa représentation évoluent sensiblement  dans le temps.

Nous terminerons  en analysant  comment les JT présentent les recherches scientifiques menées sur ces objets.

Le dilemme du prisonnier est un modèle de la théorie des jeux, une branche des mathématiques appliquées, qui représente les relations de coopération entre les joueurs. Ces derniers peuvent adopter différentes stratégies afin de maximiser leur pointage au jeu. Lorsqu'il est implémenté sur un réseau 2D et que les parties sont itérées, l'évolution temporelle des stratégies créée des motifs spatiaux évoquant différents systèmes biologiques. En variant le taux d'erreur des joueurs, soit la probabilité qu'ils suivent leur stratégie le long d'une partie, une diversité des motifs survient.

Un autre paramètre qui génère des motifs dans le modèle est le taux de diffusion. En effet, chaque joueur a une probabilité d'échanger de place avec un voisin sur le réseau. Cette forme de diffusion fait apparaître des motifs de spirales en équilibre dynamique apparentés à ceux de la réaction chimique Belousov-Zhabotinsky. Ce type de réaction fait partie de la chimie oscillatoire autocatalytique et est donc un candidat pour la recherche de la genèse des molécules prébiotiques.

Dans le contexte d'origine de la vie, l'utilisation de ce modèle numérique a l'avantage de représenter des réactions oscillatoires, sans spécifier les réactifs et les produits qui sont des inconnus du problème. Ainsi, il peut être possible d'en déduire des principes universels qui régissent la coopération entre les molécules prébiotiques plutôt que des exemples spécifiques.

L’une des hypothèses quant à l’origine de la vie décrit son émergence en tant que réseaux coopératifs de molécules. Expliquer la coopération—et, en particulier, son émergence dans le contexte de l’évolution de molécules prébiotiques—est ainsi l’un des éléments clés d’une description exhaustive de la transition du non vivant au vivant. En modélisant une population d’agents s’affrontant au dilemme du prisonnier itéré, nous avons investigué l’émergence de comportements coopératifs dans un environnement stochastique (i.e., comportant un "bruit") et spatialement étendu et avons caractérisé les effets de l’héritabilité et de la variabilité sur la dynamique du système.

Nous avons démontré qu’il y a un seuil en terme de mutations au-delà duquel la coopération est—contre-intuitivement—sélectionnée, ce qui entraîne une prise de contrôle totale et soudaine du système par les agents coopérateurs, évènement partageant certaines caractéristiques des phénomènes de transition de phase typiquement observés en physique. Ce nouvel état où la coopération domine est ensuite soutenu jusqu’à une "catastrophe de l’erreur" où le taux de mutation empêche désormais la transmission de l’information, menant à un effondrement des comportements coopératifs. Nos résultats suggèrent en outre que l’une des stratégies coopératives réactives les plus simples, dite "oeil-pour-oeil" ("Tit-for-Tat"), joue un rôle prépondérant dans l’émergence des comportements coopératifs nécessaires à l’émergence du vivant.

Le repliement SH3 est un domaine protéique très répandu. Diverses protéines se servent de ce petit domaine promiscuitaire pour se lier aux protéines, à l'ARN, à l'ADN ou aux métaux. Ici, nous étudions l'évolution du seul repliement SH3 suffisant pour catalyser une réaction chimique : le domaine DfrB. L'enzyme DfrB a été identifiée dans les années 1970 pour sa capacité à procurer de la résistance à l'antibiotique triméthoprime. Étonnement, son origine évolutive est inconnue. Pour combler les lacunes dans le chemin que l'enzyme DfrB aurait pris pour émerger dans le résistome, nous avons exploré diverses bases de données de protéines non caractérisées. L'exploration de l'espace de séquence de la DfrB suggère qu’elle est originaire des Alphaproteobacteria. Grâce à de la caractérisation enzymatique et biophysique, nous avons démontré que des protéines putatives ayant des contextes structuraux divers et partageant une homologie de séquence avec la DfrB peuvent recréer l'environnement du site actif de la DfrB. Nos résultats indiquent que la pression sélective due à des décennies d'utilisation généralisée du triméthoprime a favorisé l'intégration du domaine DfrB dans le résistome. Ce travail apporte les premiers indices sur le chemin évolutif qu’aurais pris le domaine DfrB vers le résistome moderne. Cette recherche approfondit notre connaissance de l'évolution des mécanismes de résistance aux antimicrobiens.

Selon l’une des hypothèses prévalantes, l’émergence de la vie aurait été rendue possible grâce à la coopération de réseaux primitifs de molécules. Un des modèles permettant d’analyser les comportements coopératifs est le dilemme du prisonnier itéré. Nous avons donc implémenté ce modèle dans le cadre d’une simulation sur réseau, permettant ainsi d’analyser du point de vue de la physique statistique l’émergence de phénomènes à grande échelle à partir de l’encodage de règles d’interaction à des échelles microscopiques. Le comportement des joueurs dans notre modèle est dicté par des réseaux de Hopfield simples qui évoluent dans le temps; ceux-ci s’affrontent tour-à-tour et les réseaux ayant le moins de succès au dilemme du prisonnier itéré sont remplacés par ceux ayant le plus de succès. Ce processus itératif engendre ainsi un environnement évolutif darwinien, où le système sélectionne les stratégies les plus performantes. Laissant évoluer diverses simulations pour des temps significatifs, nous analysons ensuite le comportement des réseaux résultats d’un point de vue comportemental ainsi que la dynamique des populations au cours de la simulation. Nous observons que plusieurs stratégies coopératives émergent spontanément dans le cadre de ces simulations, ce qui nous renseigne sur la manière dont la coopération a pu évoluer dans un contexte prébiotique, par exemple via l’interaction de réseaux autocatalytiques de molécules.