Les gazelles jouent aux dés : le rôle du hasard en biologie […quantique]

« Toko-toko est un guépard patient. Il s’allonge dans les hautes herbes de la savane africaine et avance à pas feutrés vers sa cible. Sa proie est une jeune gazelle de Thompson. Gracile, élégante, Toki la voit déjà soumise à ses crocs puissants, et il ne la perd pas des yeux. Tout d’un coup, il bondit : ses muscles noueux consument son énergie tandis qu’il file entre les herbes à la vitesse hallucinante de 90km par heure. »

Vous éteignez d’un air las ce énième reportage sur la faune des savanes africaines. Toujours les mêmes trucs : le guépard qui court vite, la gazelle qui fait des bons pour échapper au prédateur, les herbes jaunes et sèches comme décor. Plus rien n’illumine vos neurones fatigués, sinon le drap lourd de l’ennui. Votre opinion est faite : les gazelles et les guépards n’ont plus rien à vous apprendre.

Nous allons voir que c’est le contraire : la fuite des gazelles de Thompson va nous ouvrir les portes vers un monde encore largement inconnu de la biologie, qui est peut-être le terreau d’une (presque) future révolution scientifique !

Commençons par le commencement : la gazelle est attaquée par le guépard. Le guépard bondit, s’élance et tente d’agripper la pauvre antilope. Sauf que celle-ci est maline, et elle se met à courir littéralement dans tous les sens. En effet, courir en ligne droite serait l’assurance d’une mort rapide, car elle ne peut rivaliser avec le félin à la course de vitesse. Mais courir en changeant brusquement de direction toutes les 5 secondes peut désorienter le guépard, casser son rythme, faire éclater son égo de sprinter en petites paillettes : bref, c’est une chance de survie.

La course de la gazelle est un comportement qui est complètement aléatoire : des chercheurs ont démontré que la direction du prochain virage d’une gazelle en fuite était imprévisible à l’avance, et que c’était un comportement hautement efficace pour survivre à une attaque [1]. L’usage du hasard dans le comportement n’est pas un cas isolé dans le règne animal : de nombreux autres animaux l’utilisent pour fuir, et certains s’en servent même pour se nourrir ou pour se reproduire. Ce comportement est généralement nommé « comportement de Protée », du nom du dieu grec Proteus, capable de prédire le futur à celui qui pourra le capturer. Ce n’est pas une tâche facile, car ce dieu marin peut changer très rapidement de forme, se transformant successivement en lion, en serpent, en léopard, en cochon, en eau liquide et en arbre !

L’existence de comportements aléatoires peut choquer. Un grand courant de l’étude du comportement animal considère que les comportements animaux ont été optimisés par la sélection naturelle et que les individus font des compromis qui tendent à être les meilleurs possible (c’est la théorie de la stratégie optimale de la recherche de nourriture). Nous avons tous en tête ces images du prédateur qui attaque au « bon moment », de ces herbivores qui migrent à des dates précises, de ces groupes coordonnés, etc. Mais le fait qu’un comportement soit finement optimisé n’exclut pas qu’il soit aléatoire : si une gazelle qui a une trajectoire imprédictible peut survivre plus longtemps (et faire plus de bébés gazelles) que celles qui ont une trajectoire prédictible, alors la trajectoire « hasardeuse » va être sélectionnée au cours de l’évolution. Le hasard peut donc être sous sélection, et la contradiction entre « optimisation » et « aléatoire » n’est qu’apparente. En effet, considérer qu’une chose qui se comporte de façon incertaine est moins efficace que son équivalent prédictible est un biais cognitif irrationnel tellement répandu chez les humains qu’il a un nom : on appelle ça l’aversion au risque. De façon générale, le biométricien Alain Pavé parle de « roulette biologique » pour décrire le hasard qui est créé par un être vivant et sélectionné au cours de l’évolution. Dans le cas de la gazelle, la roulette est le complexe de neurones qui va créer le comportement « zigzag » ! [2]

 Marche aléatoire. source

Les gazelles adoptent donc une trajectoire imprévisible pour échapper à leurs prédateurs, et ce n’est pas un cas isolé chez les animaux ! De nombreuses autres espèces explorent l’environnement aléatoirement pour se nourrir, car c’est la meilleure stratégie à adopter lorsqu’on ne sait pas précisément où peut se trouver la nourriture. Par exemple, la larve de la Chrysope (Chrysopa carnea) explore les feuilles d’arbres en marchant au hasard pour y dénicher les pucerons qui feront son repas. Pour se reproduire, le hasard intervient également très souvent : de nombreux animaux marins (oursins, moules) lâchent simplement leurs spermatozoïdes dans l’eau et la conjoncture des petites fluctuations dans les courants d’eau va les emmener (ou pas) à bon port. C’est encore plus généralement le cas chez les végétaux qui bombardent l’atmosphère de leurs « spermatozoïdes » que sont les grains de pollen.  Ceux-ci vont féconder les ovules, ce qui va donner les graines contenant l’embryon. Ces graines sont souvent libérées dans l’air et disséminées au hasard des fluctuations de l’environnement : un courant d’air un peu fort pourra les emporter un peu loin, les faisant échouer dans un milieu défavorable pour leur croissance (échec) ou au contraire sur un emplacement privilégié pour grandir (succès). Les êtres vivants font donc un usage massif du hasard pour survivre, se nourrir et se reproduire.

Mais la place du hasard dans le vivant ne se limite pas au comportement des animaux, et il a une grande responsabilité dans la biosphère et dans l’évolution des organismes, et ce à de nombreuses échelles. Voyons deux extrêmes : à l’échelle d’un écosystème (plusieurs kilomètres) et à celle de l’œil d’une mouche (plusieurs micromètres).

source : wildtropix

Dans la forêt tropicale humide du bassin Amazonien, il y a une diversité très importante de végétaux : il y existe jusqu’à 16000 espèces d’arbres, et un seul hectare peut contenir jusqu’à 300 espèces différentes, qui consomment toutes les mêmes ressources : du soleil, des sels minéraux et de l’eau. Une approche générale pour comprendre la répartition des espèces est celle des « niches écologiques ». L’idée très simplifiée est que les espèces vont entrer en compétition pour les ressources du milieu, et qu’à terme chacune va se spécialiser et occuper une niche bien à elle. Cette explication a cependant longtemps buté sur le cas des forêts tropicales humides, où il existe peu de ressources différentes et beaucoup d’espèces qui les utilisent de la même façon. En 2001, l’écologue Stephen Hubbell proposa une idée révolutionnaire : c’est le hasard qui construit les forêts tropicales, pas la compétition entre espèces. Il part du principe que les espèces ne diffèrent pas vraiment dans leur capacité à se propager, et que chacune fait en moyenne autant de petits arbrisseaux que le reste. Les petites différences locales sont dues au hasard, et l’équivalence entre chaque arbre expliquerait non seulement le très grand nombre d’espèces, mais également la répartition complètement aléatoire des plantes : certaines forêts sont tellement « mélangées » qu’on ne retrouve que rarement deux individus de la même espèce au même endroit !

La vision chez la mouche du vinaigre (Drosophila melanogaster) est assurée par un œil composite constitué de nombreuses facettes, les ommatidies. Il existe deux types d’ommatidie, celles sensibles aux couleurs chaudes et celles sensibles aux couleurs froides. L’union de ces facettes permet à la mouche de voir en couleur, mais comment mélanger efficacement les ommatidies de chaque type sur l’œil pour avoir une vision homogène ? Une solution simple et peu coûteuse en énergie est d’utiliser le hasard ! Grâce à la loi des grands nombres, la répartition « chaud-froid » a toutes les chances d’être homogène, et ce d’autant plus si le nombre d’ommatidies est grand. Comme il y en a plusieurs centaines, l’astuce marche très bien…le hasard fait bien les choses ! [3]

 

 source : chez Tom Roud, mais aussi [3] et ici

L’écologie et l’évolution sont elles-mêmes des sciences intrinsèquement statistiques, fondées sur les probabilités. En effet, les grandes lois de ces disciplines ne peuvent permettre de faire des estimations que sur des changements moyens dans la population, et il est impossible de prédire avec certitude le devenir d’un individu en particulier ! Par exemple, dire que « les kangourous qui sautent le plus haut sont sélectionnés » doit être traduit par « la hauteur moyenne de saut dans la population de kangourou va augmenter au fil des générations », mais cela ne permet pas de faire de prédiction exacte sur la descendance d’un individu particulier qui saute très haut. On peut s’attendre à ce qu’il ait beaucoup d’enfants, mais la vie d’un kangourou étant pleine de rebondissements (hoho), on ne peut que faire des hypothèses exprimées sous forme de probabilités. Par exemple, imaginons que cet individu qui saute très haut appartienne à une toute petite population de kangourous, isolés dans l’outback australien. Imaginez maintenant qu’un conducteur de camion ivre, ancien commandant de bateau et statisticien douteux, roule à toute allure dans le bush. Il rentre dans le groupe de kangourous comme dans un jeu de quilles, et notre kangourou sauteur se fait catapulter en orbite. Son gène de « sauter haut » qui était a priori positif va tout simplement disparaître de la population par le jeu de la fatalité, imprévisible et cruelle. La population de kangourou, qui était promise à un grand bond en avant (huhu) va rester au ras des pâquerettes. Le hasard peut jouer un rôle important dans les petites populations comme celle de notre kangourou : on appelle cela la dérive génétique. La sélection et la dérive sont souvent traitées de « forces évolutives », et leur importance relative dépend vraiment de la taille de la population : une petite population sera soumise au hasard tandis qu’une grande population le sera moins, par la loi des grands nombres ! [4]

Mais au fait, qu’entend-t-on exactement par « hasard » ? Il en existe de nombreuses définitions, mais celle qui semble la plus générale est tout simplement « l’ensemble des choses que l’on ne peut pas prédire ». Par exemple, un pot de fleurs qui tombe sur le trottoir va faire faire une fausse note à un trompettiste de fanfare, fausse note qui va faire bondir un chat de peur, ledit félin va bondir sur un fumeur qui va échapper sa cigarette qui va voler jusqu’au siège passager d’un camion portant des produits chimiques qui passait dans la rue, la cigarette va provoquer un incendie dans l’habitacle, ce qui va faire perdre le contrôle au chauffeur, ce qui va provoquer un accident entre ce camion de produits chimiques et un camion-citerne plein de réactif, déclenchant une explosion rasant la ville de Paris (voir aussi cette chanson ). Cette suite d’évènement est imprédictible, et le sens commun l’attribuera à un hasard taquin.

On imagine souvent que si l’on pouvait avoir une information sur chaque élément du monde, la destinée de chacune de ses parties serait alors prédictible. Un exemple : si l’on avait pu avoir une information sur l’état du pot de fleurs (bancal), sur la position du trompettiste, du chat, du fumeur et des deux camions, un très bon analyste aurait pu prévoir à l’avance la catastrophe. Cette idée n’est pas neuve : Pierre-Simon de Laplace postulait au 18^e siècle qu’« une intelligence qui, pour un instant donné, connaîtrait toutes les forces dont la nature est animée, et la situation respective des êtres qui la composent […] embrasserait dans la même formule les mouvements des plus grands corps de l’univers et ceux du plus léger atome : rien ne serait incertain pour elle et l’avenir, comme le passé serait présent à ses yeux. ». Dans cette vision de la nature, ce que l’on appelle hasard n’est que la mesure de notre ignorance : il n’existe pas de « vrai » hasard fondamental (ou « hasard ontologique »).

Pourtant, au début du 20^e siècle apparaît une nouvelle façon de comprendre le hasard : des résultats de mécanique quantique font dire à certains physiciens qu’il existe un hasard « vrai » et qu’il est littéralement impossible de prédire l’état d’une particule avant de l’observer : on ne peut faire que calculer des probabilités pour chaque état. Le débat sur l’interprétation de ces résultats n’est pas terminé et plusieurs écoles existent… néanmoins, la mécanique quantique apporte un vent de nouveauté sur la place du hasard dans la nature : celui-ci n’est peut-être pas uniquement la mesure de notre ignorance, mais également un phénomène qui existe vraiment en soi… à l’échelle des particules tout du moins. L’un des phénomènes les moins intuitifs est celui de la superposition quantique : dans le monde quantique, une particule peut être dans un état possédant plusieurs valeurs possibles au même moment (par exemple, une particule à la fois bleue et à la fois rouge), et c’est l’interaction entre cette particule et d’autres objets qui va la fixer dans un état à une seule valeur (rouge OU bleue). Le physicien Schrödinger a illustré cette superposition quantique en imaginant un chat bloqué dans une boite ; dans cette boite il existe une particule dans un état de superposition, et un automatisme qui va déclencher (ou non) l’ouverture d’un poison pour le chat. Tant que la boîte est fermée, il n’y a pas de perturbation ou d’observation pouvant fixer la particule à une valeur donnée, et elle reste dans un état de superposition [5]. L’animal est alors « à la fois mort et à la fois vivant ». Au moment ou un observateur ouvre la boite, la particule fait un « choix » entre ses deux valeurs possibles, et déclenche ou non le poison.

 

Comme la moindre perturbation peut fait basculer ce système vers un « choix » (on appelle cette bascule la décohérence), il est très difficile de maintenir une particule dans un état superposé, en particulier à température ambiante. Cependant des expériences récentes montrent que la nature pourrait avoir découvert plusieurs solutions pour manipuler des électrons en superposition quantique ! Voyons un exemple chez les plantes, au cœur de la photosynthèse.

 

Le caméléon est un animal qui pourrait être quantique : la direction du regard est en superposition quantique…

De l’écologie aux effets quantiques, le hasard intéresse les biologistes et pour diverses raisons : parce qu’il peut être sélectionné au cours de l’évolution, parce qu’il génère des débats philosophiques sur son origine et peut être aussi parce qu’il est par définition mystérieux et intrinsèquement surprenant. De plus en plus, les chercheurs le placent au centre de leurs études et non plus comme un « bruit statistique », car il permet d’expliquer et de comprendre. Comme le disait un biologiste blogueur, la vie est un pari…

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Petit passage bonus :
La biologie est une science statistique qui fait la part belle à la place de l’aléa dans les processus évolutifs. On pourrait citer l’importance des épisodes d’extinctions massives, évènements aléatoires par excellence, destructeurs certes, mais aussi générateurs de diversité. Cependant il me semble que la « révolution conceptuelle du hasard » se tient plutôt à l’échelle de l’invisible : au niveau moléculaire, dans la cellule. Des processus « stochastiques » (synonyme d’aléatoire) se jouent aussi à l’intérieur de nos cellules. La production des protéines dépend de la lecture des gènes qui les codent, selon le schéma « lecture du gène X è production de X ». On a longtemps assimilé la cellule a une mécanique bien huilée, avec un « livre » contenant toute l’information qu’il lui faut (l’acide désoxyribonucléique, ou ADN), des lecteurs assidus (les protéines qui lisent cet ADN) qui écrivent des mémos (l’acide ribonucléique, ou ARN) à l’intention de petits artisans assembleurs (les ribosomes) qui lisent ces mémos et produisent les protéines demandées. On a parfois parlé de déterminisme génétique pour décrire cette vision linéaire de l’expression des gènes. Chaque gène produit une protéine spécifique, et ici le hasard ne joue qu’un rôle perturbateur dans cette rigoureuse mécanique : c’est le « bruit » qui trouble le signal. Les découvertes récentes sur l’expression génétique contredisent ce modèle de fonctionnement de la cellule : il s’agit en fait bien moins d’une machine finement réglée que d’un bouillonnement perpétuel de molécules soumises à l’agitation thermodynamique (donnant des trajectoires dignes du « mouvement brownien »). Ces interactions aléatoires sont soumises à des processus de sélection, introduisant « l’ordre » observé. Pour en savoir plus, Jean-Jacques Kupiec a écrit plusieurs livres expliquant ses vues sur le sujet.
La transcription d’une entrevue avec ce chercheur est disponible ici : http://www.agoravox.fr/actualites/technologies/article/le-chercheur-jean-jacques-kupiec-48970
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Pour en savoir plus :

[1] Cet article n’aurait pas été possible sans la lecture du livre d’Alain Pavé, (2011). La course de la gazelle, biologie et écologie à l’épreuve du hasard, éditions EDP Sciences.
Il reprend certains exemples écologiques, comportementaux et moléculaires cités ici, et développe surtout la notion de « roulette écologique ». J’ai découvert ce livre dans l’émission La Tête au Carré sur France Inter, ce qui en fait une bonne introduction. Elle est disponible à l’écoute ici : http://www.franceinter.fr/emission-la-tete-au-carre-la-vie-a-l-epreuve-du-hasard

[2] Une validation de l’utilité du comportement de protée a été faite récemment (2011). Un livre historique sur le sujet a été publié dès 1988 : Driver PM, Humphries DA. Protean behaviour. Oxford: Clarendon Press; 1988.

[3] L’œil de la mouche drosophile n’est qu’un exemple parmi tant d’autres, et les systèmes sensoriels sont très riches en processus aléatoires. Un bon article de vulgarisation concernant ce sujet est celui de Claude Desplan : Les sens au gré du hasard, Pour la Science numéro 385, Novembre 2009.
Un autre article de synthèse intéressant, plutôt pour le public scientifique, est celui de  Losick, R., & Desplan, C. (2008). Stochasticity and cell fate. Science, 320(5872), 65–68. doi:10.1126/science.1147888

[4] Une synthèse des sources du hasard en évolution peut être trouvée dans l’article de Malaterre, C. & Merlin, F. La part d’aléatoire dans l’évolution, Hasard et incertitudes, Pour la Science numéro 385. Novembre 2009.

[5] Une chouette vidéo explique très bien l’importance de l’observateur sur l’état des particules : http://www.youtube.com/watch?v=Cow-gGcrbLE

[6] Sur les liens entre physique quantique et biologie, le site web Cellule et Futur a quelques articles de très bonne qualité sur le sujet.  Un livre a été publié sur le sujet, Quantum Aspects of Life. D’autres nouvelles sont régulièrement postées sur le site Futura Science qui suit ce sujet de près.