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La vie est-elle le résultat des lois de l’entropie ?

La physique peut-elle expliquer la biologie ?

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Ce qui suit est un extrait de notre newsletter Lost in Space-Time. Chaque mois, nous passons le clavier à un ou deux physiciens pour vous parler d’idées fascinantes de leur coin de l’univers. Vous pouvez vous inscrire à Lost in Space-Time ici.

À l’aube des temps, l’univers a explosé avec le big bang, déclenchant une chaîne d’événements qui a conduit à l’agglutination des particules subatomiques en atomes, molécules et, finalement, les planètes, étoiles et galaxies que nous voyons aujourd’hui. Cette chaîne d’événements nous a également conduits, bien que nous voyions souvent la vie et la formation de l’univers comme des « magistères sans chevauchement » pour reprendre l’expression du biologiste Stephen Jay Gould.

Pour les cosmologistes, les systèmes complexes comme la vie semblent peu importants pour les problèmes qu’ils tentent de résoudre, comme ceux liés au big bang ou au modèle standard de la physique des particules. De même, pour les biologistes, la vie est logée dans une biosphère découplée des événements de l’univers grandiose. Mais est-ce vrai ?

Des scientifiques notables, dont John von Neumann, Erwin Schrödinger, Claude Shannon et Roger Penrose, ont eu l’idée qu’il pourrait y avoir des idées à recueillir en regardant la vie et l’univers en tandem.

Les vues du physicien Erwin Schrödinger étaient particulièrement intéressantes, car ses spéculations et prédictions audacieuses en biologie ont été extrêmement influentes. En 1943, il donna une série de conférences au Trinity College de Dublin qui finirent par être publiées dans un livre minuscule, mais puissant, intitulé Qu’est ce que la vie? Dans ce document, il a spéculé sur la façon dont la physique pourrait s’associer à la biologie et à la chimie pour expliquer comment la vie émerge de la matière inanimée.

Schrödinger croyait que les mêmes lois de la physique qui décrivent une étoile doivent rendre compte des processus complexes du métabolisme au sein d’une cellule vivante. Il savait que la physique de son temps était insuffisante pour expliquer certaines des découvertes expérimentales ingénieuses qui avaient déjà été faites sur les cellules vivantes, mais il continua malgré tout, essayant d’utiliser la physique qu’il connaissait pour expliquer la biologie.

Il a déclaré que la mécanique quantique doit jouer un rôle clé dans la vie, car elle est nécessaire pour rendre les atomes stables et leur permettre de se lier aux molécules présentes dans la matière, vivantes ou non. Pour la matière non vivante, comme dans le métal, la mécanique quantique permet aux molécules de s’organiser de manière intéressante, comme les cristaux périodiques – des réseaux de molécules à haut degré de symétrie. Mais il croyait que la périodicité était trop simple pour la vie ; au lieu de cela, il a émis l’hypothèse que la matière vivante est régie par des cristaux apériodiques. Il a proposé que ce type de structure moléculaire non répétitive abrite un “code-script” qui donnerait lieu à “l’ensemble du schéma du développement futur de l’individu et de son fonctionnement à l’état mature”. En d’autres termes, il tombait sur une première description de l’ADN.

L’approche d’un outsider

Avant l’époque de Schrödinger, les biologistes avaient eu l’idée du gène, mais ce n’était qu’une unité d’héritage indéfinie. Aujourd’hui, l’idée que les gènes sont régis par un code qui programme les structures et les mécanismes des cellules et détermine le destin des organismes vivants semble si familière qu’elle relève du bon sens. Pourtant, la manière exacte dont cela est accompli au niveau moléculaire reste encore à déterminer par les biologistes.

Ce qui est particulièrement remarquable, c’est que Schrödinger a utilisé un raisonnement issu de la mécanique quantique pour formuler son hypothèse. Il était un outsider de la biologie, ce qui l’a naturellement amené à apporter une approche différente.

La physique et la biologie ont beaucoup évolué depuis l’époque de Schrödinger. Et si nous devions suivre le même processus et demander quelle est la vie aujourd’hui?

Au fil des ans, nous, les auteurs de ce bulletin, avons développé un modèle. On se retrouve, parfois autour d’un verre, pour échanger et partager nos dernières réflexions en cosmologie ou biologie moléculaire. Nous avons souvent veillé tard à parler en écoutant nos musiciens de jazz ou de flamenco préférés. En partie, nos conversations sont un exercice visant à générer délibérément une perspective extérieure, comme l’a fait Schrödinger, dans l’espoir de bénéficier à la recherche de chacun. Mais c’est aussi beaucoup de plaisir.

Plus précisément, depuis 2014, nous avons développé une intuition commune selon laquelle il existe une interdépendance cachée entre les systèmes vivants et la cosmologie, comme le démontrent certaines de nos publications. Pour comprendre cela, nous devons parler d’entropie, une mesure du désordre, et de son flux dans l’univers, à la fois aux échelles biologique et cosmologique.

Dans l’univers primitif, avant qu’il y ait des étoiles et des planètes, l’espace était principalement rempli d’une quantité égale de rayonnement et de matière. Au fur et à mesure que ce mélange se réchauffait et se déplaçait davantage, il devenait moins ordonné et son entropie augmentait. Mais à mesure que l’univers s’étendait, il distribuait le rayonnement et la matière de manière homogène et ordonnée, abaissant l’entropie de l’univers.

Au fur et à mesure que l’univers s’étendait et se refroidissait, des structures complexes telles que des étoiles, des galaxies et la vie se formaient. La deuxième loi de la thermodynamique dit que l’entropie augmente toujours, mais ces structures avaient plus d’ordre (et donc moins d’entropie) que le reste du cosmos. L’univers peut s’en tirer parce que les régions d’entropie inférieure sont concentrées dans les structures cosmiques, tandis que l’entropie dans l’univers dans son ensemble augmente encore.

Nous pensons que ce réseau de structures qui abaisse l’entropie est la principale devise de la biosphère et de la vie sur les planètes. Comme le disait le père de la thermodynamique, Ludwig Boltzmann : « La lutte générale pour l’existence des êtres animés n’est donc pas une lutte pour les matières premières… ni pour l’énergie qui existe en abondance dans tout corps sous forme de chaleur, mais une lutte pour l’entropie. , qui devient disponible grâce à la transition de l’énergie du soleil chaud vers la terre froide.

Phénomènes émergents

Alors que l’univers s’écarte de l’homogénéité, en ensemençant et en formant des structures d’entropie inférieure, l’entropie ailleurs dans l’univers continue de croître. Et l’entropie a également tendance à croître au sein de ces structures. Cela fait de l’entropie, ou de son absence, un acteur clé dans le maintien des structures cosmiques, telles que les étoiles et la vie ; par conséquent, un univers précoce sans vie avec une faible entropie est nécessaire à la vie ici sur Terre. Par exemple, notre soleil rayonne de l’énergie qui est absorbée par les électrons des plantes sur Terre et utilisée dans les fonctions dont elles ont besoin pour vivre. Les plantes libèrent cette énergie sous forme de chaleur, rendant à l’univers plus d’entropie qu’il n’en a absorbé.

Malheureusement, il est difficile d’expliquer avec notre compréhension actuelle de la physique pourquoi l’entropie était si faible dans l’univers primitif. En fait, ce problème de la faible entropie que nous exigeons du big bang est l’un des problèmes majeurs de cette théorie.

Le côté biologie de l’histoire découle de la recherche de Salvador sur les facteurs génétiques et écologiques qui conduisent les populations de bactéries inoffensives à évoluer et à émerger en tant qu’agents pathogènes. L’essentiel de l’histoire est qu’il ne s’agit pas seulement du code génétique de la bactérie. L’un des mantras de Salvador est que la vie est un phénomène adaptatif répondant aux changements constants et inattendus des pressions de l’environnement.

Cela fait d’un organisme un phénomène émergent, où la forme finale de celui-ci n’est pas contenue dans les pièces individuelles qui le composent, mais peut être influencée par une série de systèmes plus vastes auxquels il appartient. Les êtres vivants comprennent un réseau d’interactions médiées par l’environnement. Un système vivant est capable de réguler des milliards de cellules pour maintenir son fonctionnement global. Au-delà, les collections d’organismes appartiennent à un réseau appelé écosystème, qui maintient également un équilibre dynamique.

Cela s’étend jusqu’aux réseaux aux plus grandes échelles de la vie. L’idée que la Terre est un écosystème autorégulateur a été co-découverte par James Lovelock et Lynn Margulis dans les années 1970, et elle est devenue connue sous le nom d’hypothèse Gaia. La conclusion pour nous est que le flux d’entropie négative existe non seulement pour les êtres vivants individuels, mais pour la Terre entière.

Le soleil envoie de l’énergie gratuite à la Terre, et à travers une chaîne d’interactions complexes, l’énergie est distribuée à travers un réseau d’interactions aux êtres vivants, chacun s’appuyant sur lui pour maintenir sa complexité face à un désordre croissant. Pour contextualiser le rôle de la vie dans le cadre de la thermodynamique, nous définissons ces structures génératrices d’ordre (comme une cellule) comme des unités de négentropie, ou UON. Mais il n’y a pas de repas gratuit. Lorsque les UON libèrent cette énergie dans l’environnement, ils le font principalement sous une forme qui a une entropie plus élevée que celle reçue.

Ce parallèle étrange entre les systèmes vivants, les UON et l’évolution de l’univers peut sembler une coïncidence, mais nous choisissons de ne pas y penser de cette façon. Au lieu de cela, nous proposons qu’il s’agit d’un principe central d’organisation de l’évolution du cosmos et de l’existence de la vie. Salvador a choisi d’appeler cela le principe entropocentrique, un clin d’œil au principe anthropique, qui, dans sa forme forte, affirme que l’univers est réglé avec précision pour la vie. Cela survient parce que les lois de la nature semblent être justes pour la vie. Par exemple, si la force de la force nucléaire qui lie le cœur des atomes différait de quelques pour cent, les étoiles ne pourraient pas produire de carbone et il n’y aurait pas de vie à base de carbone.

Cependant, le problème de réglage fin n’est peut-être pas aussi grave qu’il n’y paraît. Dans des recherches que Stephon a menées avec des collègues, il a montré que l’univers peut être adapté à la vie même lorsque nous laissons varier les constantes de la nature comme la gravité et l’électromagnétisme, tant qu’elles varient simultanément. Peut-être que nous n’avons pas besoin du principe anthropique après tout. Le principe entropocentrique, en revanche, est plus difficile à ébranler. Si l’univers était incapable de fournir des voies lui permettant de créer des régions d’entropie plus faible, alors la vie telle que nous la connaissons n’existerait pas. Cela nous laisse nous demander : vivons-nous dans une biosphère cosmique ou l’univers est-il une cellule cosmique ?

Stephon Alexander est un physicien théoricien à l’Université Brown de Rhode Island qui passe son temps à réfléchir à la cosmologie, à la théorie des cordes et au jazz, et à se demander si l’univers est une IA auto-apprenante. Il est l’auteur du livre Fear of a Black Universe. Salvador Almagro-Moreno est un biologiste moléculaire à l’Université de Floride centrale qui étudie les propriétés émergentes dans les systèmes biologiques complexes, de l’évolution des protéines à la dynamique des pandémies.

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