CROMPTON Nigel - Structures cybernétique au sein de la cellule

De Calvinisme
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Lorsque[1] une cellule en croissance est exposée aux rayons X, les dommages causés à la cellule provoquent un arrêt de la croissance Juste avant la mitose[2]. Un système de surveillance dans la cellule détecte les dommages et ordonne au mécanisme de contrôle Initiant la mitose d'attendre. Après quelques temps, la cellule répare le dommage, l'instruction "attendre" est désactivée, et la cellule démarre sa division Les détails de ce processus sont très complexes, une grande variété de protéines est à l'œuvre, mais la séquence de transduction des signaux[3] est claire Signai - Réception - Analyse - Réponse. Ceci n'est que l'un des très nombreux exemples de l'ensemble cohérent que forme la cellule vivante, capable de réagir à son environnement. Le rôle de la transduction des signaux est devenu manifeste dans tous les domaines de la biologie, depuis qu'il est possible d'étudier les détails moléculaires et de caractériser les protéines impliquées.

Cette notion de transduction est importante pour le maintien de la stabilité et de l'autonomie de l'organisme face à son environnement (homéostasie)[4], puisque la cellule offre des réponses adaptées à ses variations, comme nous venons de le voir. La réponse offerte par la cellule implique l'interaction d'un grand nombre de protéines différentes Des interactions génétiques[5] sont nécessaires pour programmer leurs structures spatiales et leur rôle, ainsi que leurs emplacements et l'instant précis de leur action.

Un tel groupe de protéines constitue une unité fondamentale de l'action biologique, opérant à la suite d'un stimulus[6], et se nomme cybersome. Son action est programmée en fonction de stimulus sélectionnés.

Les cybersomes sont Importants en termes d'information d'une part, en termes de microévolution d'autre part

Information

Les cybersomes peuvent être divisés en deux groupes ceux responsables de la "sémantique" (réception, traduction et analyse des signaux d'entrée) et ceux responsables de la "pragmatique" (apport d'une réponse spécifique, par ex. sécrétion) Ils opèrent à trois niveaux distincts de la vie cellulaire:

- Le niveau cellulaire, qui détermine l'autonomie de la cellule La cellule possède diverses fonctions nécessaires à son existence; elles sont codées par des "gènes - gardiens". Ce premier niveau inclut particulièrement les domaines de la biologie moléculaire, de la cytogénétique[7], de la biologie cellulaire, etc.

- Le niveau de l'organisme, avec son autonomie, et ses facultés de répondre aux stimuli. Ce sont les divers types de tissus, formés de cellules spécialisées, qui jouent le rôle clé à ce niveau. L'information nécessaire se trouve contenue dans des gènes spécifiques à la formation des tissus. Ce second niveau comprend particulièrement les domaines de l'embryologie, de l'histologie[8], de l'anatomie, de la physiologie, etc ..

- Le niveau taxinomique, en rapport avec la diversité des organismes. Ici, ce sont les caractéristiques qui se retrouvent au niveau de l'espèce qui jouent le rôle clé. Les domaines d'étude correspondant à ce troisième niveau sont la génétique des populations, la microévolution, la taxinomie[9] , etc ..

Les cinq niveaux de l'Information selon Gitt[10]

L'information consiste toujours en une interaction entre un émetteur et un récepteur, par le moyen d'un message On peut considérer que toute information et toute communication, comporte cinq aspects sous forme de niveaux hiérarchisés, qui vont de la forme extérieure de l'expression de l'information, Jusqu'au but final que se propose celui qui en est l'auteur, l'émetteur Les opérations unitaires biologiques peuvent être mieux comprises lorsque elles sont placées dans ce cadre.

Niveau statistique (No 1) Où l'information est codée (écrite) sous formes de symboles ("lettres"). A ce niveau, on remarque que certains symboles apparaissent plus fréquemment que les autres. En biologie, les unités d'information sont représentées par les "codons" des molécules (ADN, ARN) porteuses d'information

Niveau syntaxique (No 2) Ce sont les règles grammaticales et syntaxiques qui s'appliquent à ce niveau, qui comprend les règles de codage, c'est-à-dire de lecture. Ces règles imposent la manière dont l'information doit être exprimée.[11]

Niveau sémantique (No 3) Le but premier de l'information n'est pas le code, la grammaire, qui sert d'outil, mais le sens, la Signification du message Toute information possède donc un contenu sémantique.

Niveau pragmatique (No 4) L'information est émise dans le but de produire un effet déterminé sur le récepteur. L'émetteur attend une réponse dépendant de la Signification du message

Niveau apobétique (No 5) Le degré le plus élevé de l'information - son niveau apobétique - est celui du dessein, du but général de celui qui l'émet. C'est le niveau le plus fondamental, celui du pourquoi. Les quatre premiers niveaux ne sont qu'utilitaires, transitoires. Ils ne sont que le moyen d'atteindre un but déterminé.

Information biologique et cybersomes

Gitt Indique que la transmission de l'information Joue un rôle fondamental dans tout ce qui vit le transfert d'information est un conséquence naturelle de l'existence de la vie. La caractéristique première de la vie est la faculté de répondre à des stimuli extérieurs. C'est parce qu'un organisme répond à son environnement qu'il peut être considéré comme vivant. L'absence complète de réponse Signifie que l'objet est mort ou inanimé.

Dans ce contexte, le stimulus Joue le rôle d'un "message" reçu, reconnu et pris en compte par la réaction du récepteur selon un schéma défini préalablement. L'information est façonnée par l'émetteur de manière à être reçue, reconnue, et exprimée par le récepteur. Elle est basée sur des conditions de transmission arrangées à l'avance, selon des conventions de langage préexistantes; c'est un aspect clé de l'information.

Alors qu'il Indique cinq aspects de l'information (statistique, syntaxique, sémantique, pragmatique et apobétique), Gitt trouve trois formes de transmission majeures dans la nature:

La première forme implique l'expression directe des gènes de l'ADN; cette forme est responsable de la formation de la cellule. Les protéines qui en résultent sont à la base de la seconde forme de transmission de l'information.

La seconde forme est plus fréquemment d'origine extérieure; elle est responsable non seulement de la reconnaissance des stimuli, mais aussi de leur interprétation et de l'établissement d'une réponse appropriée. Les gènes gardiens, responsables de la maintenance et du fonctionnement de la cellule, sont répliqués avant les gènes responsables de ces protéines à l'origine des tissus. En dépit de son caractère indirect par rapport à l'expression génétique, cette seconde forme de transmission de l'information est fondamentale du point de vue de la réaction des systèmes biologiques. Tout se passe comme si les stimuli entrant forçaient une "décision" de la part du système biologique. Un vaste ensemble de protéines, attendant de provoquer une chaine de réactions aboutissant à un phénomène spécifique, est alors amorcé. Ce groupe de protéines agissant de concert afin de provoquer une action biologique élémentaire déterminée est le cybersome. Les protéines du cybersomes comprennent des récepteurs, des coupleurs, des émetteurs de messages secondaires, des récepteurs de messages secondaires, des protéines de transmission des signaux et des protéines cibles. Les actions biologiques élémentaires comprennent la différenciation cellulaire, la progression dans le cycle cellulaire, la synthèse biologique des macromolécules, la sécrétion hormonale, etc. Les stimuli prévus peuvent être de nature physique' lumière, pression, tonicité ,ou chimique ions, sucres, peptides, etc ..

La troisième forme ne sera pas traitée ici, mais se rapporte à l'activité électrique du système nerveux

Ainsi, il apparait clairement que l'expression génétique n'est pas un phénomène isolé, mais qu'elle s'intègre dans un ensemble complexe de différents produits de l'expression génétique, orchestré de manière à capter, évaluer et réagir aux stimuli dans un but précis. L'information contenue dans le cybersome n'est pas localisée sur un gène en particulier, mais sur un groupe de gènes[12]

Conclusions

L'immense variété des phénomènes biologiques, bien spécifiques, résulte d'actions biologiques élémentaires, basées sur une unité d'expression génétique appelée cybersome. Le concept de cybersome ne s'explique pas par des phénomènes d'ordre physique ou chimique, mais doit être compris en termes d'information. Ces unités sont d'ordre immatériel. Toutes les conditions requises par Gitt dans sa définition de l'information sont remplies par ces unités. Une théorie au sujet de leur origine devrait donc inclure une explication au sujet de l'origine de l'information telle qu'elle est définie par Gitt. Tout plan trouve son origine dans le dessein et la volonté d'un planificateur. Les unités sont des protéines de structures spécifiques, adaptées. Elles interagissent entre elles à cause de ces structures particulières Ces structures sont remplies d'information la plus complexe qui trouve son origine dans un dessein précis. De plus, ces unités montrent un niveau d'information élevé, une information dynamique, par la transduction des signaux entre protéines. Les signaux sont intégrés, analysés, et une réponse appropriée est définie, tout ceci à un niveau Situé au-dessus de celui de la structure protéique de base, niveau où la forme du Signai ne possède pas de sens particulier. Comme le sens n'apparaît qu'à un niveau supérieur, le processus tire son origine non pas du hasard, mais d'une organisation délibérée

Microevolution[13]

On peut montrer que les cybersomes sont directement responsables des réactions normales des cellules et des tissus à l'environnement. Ils sont aussi responsables du maintient de l'homéostasie[14] de la cellule et de son état différencié. Quelle est la contribution de ces unités fondamentales de la vie biologique que sont les cybersomes à la macroévolution? Un certain pourcentage est responsable de la structure et de la forme des organismes? Leurs réactions ("décisions") sont donc, pour certaines d'entre elles, liées à leur appartenance taxinomique, à leur espèce. C'est l'ensemble des réactions, propres à une espèce qui caractérise celle-ci. Divers facteurs contrôlant le développement de la fleur sont inconnus. Certains sont des agents de transcription[15]. Mais ils dépendent clairement de cybersomes spécifiques qui induisent la croissance de ses différents organes. De quel manière le développement d'un système à plusieurs organes, tel la fleur, contribue-t-il à la microévolution d'une espèce?

Mutations homéotiques

Les mutations homéotiques sont des plus curieuses, elles occasionnent la croissance de certains organes à la mauvaise place, à la place d'un autre organe qui y croissait normalement. Bon nombre de ces mutations ont été observées chez la mouche du vinaigre, la drosophile, où les gènes possèdent pluiieurs séquences de nucléotides en commun. Ces nucléotides contiennent l'information codée permettant la synthèse des protéines. Les gènes concernés ne sont autres qu'un type des agents de transcnption. Par un processus encore mal connu, ces agents de transcription homéotiques agissent mutuellement les uns sur les autres dans le but d'amorcer certains groupes spécifiques de gènes actifs lors de certaines étapes du développement, par exemple pour structurer l'embryon à partir de la masse informe de cellules dénvant de l'oeuf. Ils organisent la formation des structures ultérieures et contribuent à organiser le développement de la plante. Des mutations ont été produites chez les plantes Arabidopsis et Antirrhinum (gueule-de-loup), afin d'y étudier les mutants homéotiques. Trois types ont été découverts l'un contrôle l'initiation de la floraison, un autre la symétrie de la fleur, un troisième les organes de la fleur (sépales, pétales, étamines, carpelles[16]). Dans de nombreux cas de ce dernier type de mutants, des organes floraux de deux verticilles[17] adjacents sont manquants et sont souvent remplacés par des répliques d'organes situés normalement en d'autres réglons de la fleur (par exemple, des pétales peuvent apparaitre à la place d'étamines sur l'un des verticilles de certains mutants, tandis qu'un autre est transformé en une nouvelle fleur).

Familles, classes et quintessence[18]

Un aspect important de l'analyse du développement floral est que les deux espèces étudiées n'appartiennent pas à la même famille. Elles sont complètement dfférentes mais montrent néanmoins les mêmes genres de mutations homéotiques, à la fois au niveau des gènes proprement dit (génotype) et de leur expression (phénotype). Ainsi, deux familles différentes ou genres s'expriment en uttllsant le même type de modèle si nous considérons les dicotylédones[19] comme une "classe" d'organismes, des organismes vanés utilisent cette "classe". Ils expnment leur quintessence typique qUI les confine dans les caracténstiques de leur "classe". D'une manière Similaire, les diverses familles d'oiseaux utilisent la "classe" comme lieu d'expression de leur quintessence (qui fait qu'un oiseau d'une espèce quelconque fait toujours partie de la classe "oiseau"), dans toutes les variantes et formes existantes. C'est l'apanage du biologiste, lorsqu'il tente de définir une famille d'organismes, de s'efforcer de défintr sa quintessence aussi bien que d'en décrire les traits morphologiques typiques et la palette de sa diversité.

Malgré les changement remarquables apportés par les mutations homéotiques, les fleurs et les organes floraux mutants appartiennent clairement aux mêmes espèces que les originaux. Bien qu'un trait caractéristique de la "classe" ait muté, il n'y a pas d'indice que les espèces aient été altérées. ce qui caractérise une espèce dépend d'un certain nombre de traits caractéristiques uniquement par le moyen de leur expression, non par convention. De la même manière qu'un message requiert un support (lettre) pour être transmis et lu, son contenu (sémantique) est indépendant de la qualité du papier ou du format de la lettre. A notre connaissance, aucun facteur extérieur ne peut modifier une espèce ou sa quintessence (les mutations du phénotype ne le peuvent pas non plus) Les cybersomes ne constituent pas le propre d'une famille ou d'une espèce, mais plutôt le moyen par lequel elles sont exprimées, tout comme les cordes de la harpe ne sont pas la mélodie, mais le moyen de la produire.

La microévolution: un processus très complexe

Puisque une mutation isolée ne peut conduire à la formation d'une nouvelle espèce, comment cela pourrait-il se produire? Une réponse est un certain nombre de mutations. Cependant, l'observation des différences entre espèces montrent qu'une espèce particulière ne se distingue pas des autres par quelques modifications, mais par une large gamme de caractéristiques. Si les deux espèces sont très proches, il est possible d'énumérer les différences, mais au niveau du genre les différences sont qualitatives et il n'est plus possible de les quantifier. De tels changements requièrent la modification simultanée d'un grand nombre de stratégies de transcription des gènes et des réponses des protéines. Cela exige un programme génétique prédéterminé des plus complexes. C'est bien plus qu'une simple opération de recombinaison, qui apparaît suffisante pour expliquer les variations observées à l'intérieur des espèces.

Conclusion

En résumé, les cybersomes peuvent être utilisés pour décme et comprendre les caractéristiques d'une "classe". De plus des traits morphologiques propres à la famille peuvent être décrits en termes de cybersomes. Cependant la quintessence insaisissable au niveau de la famille peut représenter une sorte de "tonalité" ou un "parfum" à l'intérieur des cybersomes individuels. Dans la mesure où il est possible de définir une famille en termes de traits morphologiques, il est aussi possible d'utiliser les cybersomes pour définir une famille. La reprogrammation de ces unités, soit à la suite d'un réarrangement du génome[20] ou de mutations, permet de nombreux changements structuraux de ses traits caractéflstlques Cela constItue la base d'un nombre de changements mlcroévoluttfs pratIquement ,/I,m,té Par contraste, la macroévolution[21] nécessitant la création de nouveaux tissus et organes, ainsi que la restructuration de l'orgamsme, demanderait la reprogrammation d'un grand nombre de cybersomes. C'est un processus pour lequel aucun mécamsme génétique n'a été décrit ou même seulement envisagé.

Notes et références

  1. Le caractère ardu de l'article original anglais a nécessité son adaptation (S. Rambert/A.C. B.S.)
  2. Mitose mode usuel de la division cellulaire, assurant le maintien du même nombre de chromosomes
  3. Transduction des signaux conversion de l'information d'une forme à une autre
  4. Le propre d'un organisme est qu'il diffère chimiquement du milieu environnant, tout en maintenant un équilibre dynamique avec celui-ci
  5. c'est-à-dire avec les molécules d'ADN, sources de l'information codée
  6. Stimulus agent capable de provoquer dans certaines conditions la réponse d'un système vivant excitable (cf. l'exemple des rayons X ci-dessus)
  7. Cytogénétique partie de la génétique qui étudie les chromosomes
  8. Histologie science qui étudie les tissus constituants des êtres vivants
  9. Taxonomie: théorie de la classification des espèces vivantes
  10. cf. W Gitt: Information gehört zum Wesen des Lebens: Siemens-Zeitschrift (4/1989), Technlsche Rundschau, Hallwag AG, CH 3001 Bern
  11. Il y a transcription de l'information depuis la molécule ADN dans la molécule ARN et traduction ultérieure en séquences d'acides aminés (protéines) par les molécules destinées a cet effet (ribosomes)
  12. Cette remarque est importante à cause des implications sur 1'évolution
  13. Microévolution: Changement évolutif au sein de populations existants, jusqu'au niveau de l'espèce
  14. Homéostasie: tendance des êtres vivants, il stabilise leurs diverses constantes physiologiques
  15. Transcription: opération de transmission de l'information contenue dans I'ADN (vers I"ARN)
  16. Carpelle: chacune des pièces florales dont l'ensemble soude forme le pistil
  17. Verticille: ensemble des fleurs feuilles, pièces florales partant toutes d'un même niveau de l'axe qui les porte
  18. Quintessence: ce qui fait le propre d'une espéce d'un taxon
  19. Dicotylédones: classe de plantes dont la graine contient une plantule il deux cotylédons (=Iobes charnus ou foliaces)
  20. Génome ou génotype ensemble des facteurs héréditaire caractéristiques d'un individu ou d'une lignée
  21. Macroévoluzion: changements évotutifs au-dessus du niveau de l'espèce. Par exemple: évolution des amphibiens aux repliles

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