Transcript La notion d'information en biologie, bilan et perspectives Journée scientifique « Origines » organisée au MNHN par Marie-Christine Maurel et Philippe.

La notion d'information en biologie, bilan et perspectives
Journée scientifique « Origines » organisée au MNHN par Marie-Christine Maurel et Philippe Grandcolas (UMR 7205)
Paris, le 24 octobre 2014 - J. Segal, maître de conférences en histoire des sciences et épistémologie, [email protected]
I – Codage et transmission
Rapide historique
La notion d’information au cœur de préoccupations techniques
La notion d’information en physique
La notion d’information en agronomie
II – Convergences, 1942
Une interdisciplinarité de circonstance
La première conférence Macy
L’illumination structuraliste
Au même moment, quelques réflexions « continentales » sur la biologie
III – Axiomatisation, 1948
Shannon: un ingénieur-mathématicien-bricoleur
Claude Shannon… généticien ?
Alan Turing et la morphogénèse (1952)
La cybernétique
IV – 1953, une publication qui fait date
L’information dans le modèle de Crick et Watson
A la recherche du « code », 1953-1961
Les espoirs en 1968
V – Prodiges et vertiges de l’analogie… du code
La notion d’information et l’impérialisme de la biologie moléculaire
Des débats de société
Plus sérieusement…
I – Codage et transmission
1.1. Rapide historique
Claude Chappe (1763-1805)
1.1
Auguste Kerckhoffs (1835-1903)
Cryptologue militaire néerlandais
La Cryptographie militaire (1883)
William F. Friedman (1891-1969)
Cryptologue de l'armée de terre américaine
The Index of Coincidence and its
Applications in Cryptography (1920)
1.2
1.2. La notion d’information au cœur de préoccupations techniques
Les câbles transatlantiques sont
installés à partir de 1866 et
certains restent utilisés jusqu’aux
années 60
Ralph Hartley (1888-1970)
Harry Nyquist (1889-1976)
Karl Küpfmüller (1897-1977)
Encombrement
de l’espace
dû au
développement
des lignes
téléphoniques
Bell Laboratories
Siemens & Halske
1.3
Coder la voix humaine - le Vocoder
Synthèse paramétrique
de la parole utilisant les
caractéristiques
statistiques des
fréquences vocales
H.W. Dudley, « Remaking speech », J. of the Acoustical Society of America,11, 1939, pp.169-77
1.4
Synthèse vocale avec le Voder
Petite démonstration
1.5
Science Newsletter, January 14, 1939
1.6
The 1939 World’s Fair in New York
Démonstration complète
1.7
Si vous cherchez une tombe… http://www.findagrave.com !
1.3. La notion d’information en physique
Vienne, Zentralfriedhof
Ludwig Boltzmann (1844-1906)
S = k log W
W représente le nombre d’états du
système étudié.
Au niveau microscopique, l’entropie
mesure de la capacité d’un système
à acquérir un grand nombre d’états.
L’entropie n’a rien à voir avec le
désordre, notion éminemment
subjective.
1.8
Mouvement brownien
Robert Brown (1773-1858)
Démon de Maxwell (1874)
Marjan von Smoluchowski (1872-1917) en 1912
Leo Szilard (1898-1964) en 1929
(le démon doit être renseigné [unterrichtet])
Gilbert N. Lewis (1875-1946) écrit en 1930 :
“ Gain in entropy always means loss of information, and nothing more. ”
1.9
1.4. La notion d’information en agronomie
« L’objet de la méthode statistique est la réduction des données. Il faut remplacer
une masse de données, si importante qu’elle en est inintelligible, par un nombre
relativement petit de quantités qui doivent représenter correctement cette masse,
ou, en d’autres mots, doivent contenir la plus grande part possible si ce n’est la
totalité de l’information pertinente contenue dans les données d'origine. » (1925)
Intérêt pour l’information pertinente…
…et pour les gènes pertinents
« Il est évident aussi, qu’en introduisant le concept de
quantité d’information, nous ne voulons pas donner
un nom arbitraire à une quantité calculable, mais
devons nous préparer à justifier le terme employé, en
relation avec ce que requiert le sens commun, et dire
si le terme est approprié et utile comme instrument
pour penser. Les conséquences mathématiques de
l’identification, comme je le propose, de la précision
intrinsèque de la courbe d’erreur avec la quantité
d’information extraite, peuvent donc maintenant
être résumées, surtout afin de pouvoir juger d’après
notre sens commun pré-mathématique, si elles ont
bien les propriétés qu’elles doivent avoir. » (1935)
Sir Ronald Fisher (1890-1962)
1.10
II – Convergences, 1942
National Defense Research Committee
Première réunion officielle du NDRC le 2 juillet 1940.
Assis de gche à dte : Brigadier General George V. Strong, James B. Conant, Vannevar Bush,
Richard C. Tolman et Frank B. Jewett.
Debouts : Karl T. Compton, Irvin Stewart, and Rear Admiral Harold G. Bowen. Missing is
Commissioner of Patents et Conway P. Coe.
2.1
2.1. Une interdisciplinarité de circonstance
6 000 scientifiques sont sous la
responsabilité de V. Bush lorsque celui-ci
dirige l’O.S.R.D.
Cinq divisions
Armes et artillerie, présidée par R.C. Tolman,
Californian Technology Univiversity
Bombes, explosifs et chimie, J.B. Conant,
Harvard Univiversity
Télécommunications et transport, F.B. Jewett,
Bell Labs et Académie des Sciences
 Détection, commande et instruments, K.T.
Compton, M.I.T.
!
Brevets et inventions, C.P. Coe, US-Commision
of Patents .
2.2
Des aspects institutionnels importants
106 $
140
120
100
80
60
40
20
0
Principaux Fournisseurs de contrats de l'OSRD (bilan le 30 juin 1945)
117
83
31
M.I.T.
CalTech
Harvard
29
Colum bia
17
14
Western Elec.
Univ. of Cal.
Fin 1942, le National Defense Research Committee est
réorganisé autour de 18 divisions, dont une pour la conduite
de tir et une pour le radar. Un groupe interdisciplinaire
consacré aux mathématiques appliquées est créé en plus,
le Applied Mathematics Pannel.
2.3
2.2. La première conférence Macy
La publication de 1943
{
prédictifs
(extrapolateurs)
comportements
à rétroaction
(téléologiques) non-prédictifs
intentionnels
(non-extrapolateurs)
sans rétroaction
non-intentionnels (non-téléologiques)
{
actifs
{
avec prévision
de degré 1, 2, etc.
{
non-actifs
2.4
“L’illumination” structuraliste
Roman Jakobson (1896-1982)
Claude Lévi-Strauss (né en 1908)
2.5
http://www.findagrave.com !
2.4. Au même moment, quelques réflexions « continentales »
sur la biologie
Erwin Schrödinger
(1887-1961)
Cimetière d’Alpbach, Autriche
2.6
« En donnant à la structure des fibres
chromosomiques le nom de code, nous
entendons signifier que l’esprit omniscient
conçu un jour par Laplace, et à qui tout
rapport causal serait immédiatement connu,
pourrait immédiatement déduire de cette
structure si l’œuf, placé dans des conditions
convenables, se développerait en coq noir
ou en poule tachetée, en mouche ou plante
de maïs, rhododendron, scarabée, souris ou
femme »
2.7
III – Axiomatisation, 1948
3.1. Shannon: un ingénieur-mathématicien-bricoleur
1936 : Bachelor of Science (Mathematics & Electricial
Engineering)
1937 : travail de maintenance sur l ’analyseur différentiel
1938 : Masters
1939 : Lettre à Vannevar Bush
1940 : PhD in mathematics au MIT (génétique)
1945 : Théorie mathématique de la cryptographie (rapport
confidentiel déclassé en 1957)
1948 : « Une théorie mathématique de la communication »
1949 : La théorie mathématique de la communication
1950 : « Programming a computer for playing Chess »
1956 : Quitte les Bell Labs (41-56) pour le MIT
Claude Shannon (1916-2001)
3.1
Un Master qui fait date
Les deux circuits ci-dessus sont équivalents.
Le deuxième est évidemment beaucoup plus
simple, ce qui signifie un coût moindre (car
moins de composants) et surtout une plus
grande fiabilité.
3.2
La lettre à Vannevar Bush
Lettre de Shannon à Bush, 16 février 1939 © Library of Congress Archives (Bush Papers)
Le memex
(1945)
3.3
A Mathematical Theory of Cryptography (1945)
Rapprochement entre information
et entropie
La non rencontre avec Alan Turing
(1942-1943)
3.4
« A Mathematical Theory of Communication » (1948)
Capacité d’une voie de communication
dans le cas continu :
W est la largeur de bande,
P la puissance du signal reçu
et N celle du bruit considéré additif, gaussien et blanc.
3.5
3.2. Claude Shannon… généticien ?
3.6
3.7
3.3. Alan Turing et la morphogénèse (1952)
3.8
3.9
3.4. La cybernétique
Norbert Wiener (1894-1964)
3.10
IV – 1953, une publication qui fait date
4.1 L’information dans le modèle de Crick et Watson
Strasser 2003
Watson
& Crick, 1953
4.1
4.2. A la recherche du « code », 1953-1961
1955
Le RNA Tie Club, fondé en 1954
(ici Francis Crick, Leslie Orgel (derrière),
Alexander Rich et James Watson (devant))
Crick : “The importance of Gamow's work was
that it was really an abstract theory of coding,
Le
and was not cluttered up by a lot of unnecessary chemical details....”
code diamant
4.2
1961 Marshall W. Nirenberg et H. Matthaei
Code ou tableau de correspondances ?
Lily E. Kay, 2000
4.3
4.3 Les espoirs en 1968
Les Lettres françaises
14 février 1968
4.4
V - Prodiges et vertiges de l’analogie… du code
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
De l'art de passer pour un ‘scientifique’ aux yeux des
littéraires
L'inculture scientifique des littéraires est-elle la vraie
responsable du désastre ?
Comment les coupables se transforment en victimes
et en accusateurs
Les avantages de l’ignorance et la confusion
considérée comme une forme de compréhension
supérieure
Les malheurs de Gödel ou l’art d'accommoder un
théorème fameux à la sauce des philosophes
L’argument « Tu quoque ! »
Qui sont les vrais ennemis de la philosophie ?
L’affaire Sokal et après : la leçon sera-t-elle
comprise ?
La liberté de penser sans la liberté de critiquer ?
5.1
5.1 La notion d’information et l’impérialisme de la biologie moléculaire
Francis Crick, 1962
« Aucun enfant nouveau-né ne devrait être reconnu humain
avant d’avoir passé un certain nombre de tests portant sur
sa dotation génétique (...). S’il ne réussit pas ces tests, il
perd son droit à la vie. »
Linus Pauling proposait qu’on tatoue sur le front les adolescents
porteurs de gènes codant pour des maladies mortelles (1968)
Jacques Monod, 1970
« dangers de la dégradation génétique dans les sociétés modernes (…).
Dans la mesure où joue encore une sélection, elle [la sélection] ne
favorise pas la survivance du plus apte, c’est-à-dire en des termes
plus modernes la survivance génétique de ce plus apte par une
expansion plus grande de sa descendance. » Le Hasard et la Nécessité
5.2
François Jacob en 1974 dans un article sur le « modèle linguistique en biologie »
dénonce la « tendance fréquente en biologie à prendre le modèle pour une explication
et les analogies pour des identités. »
…et finit en lançant « C’est peut-être I Ching qu’il faudra étudier
pour saisir les relations entre hérédité et langage. »
Leibniz, en 1703 : « Ce qu’il y a de
surprenant dans ce calcul, c’est que
cette arithmétique par 0 et 1 se trouve
contenir le mystère des lignes d’un
ancien roi et philosophe nommé Fohy,
qu’on croit avoir vécu il y a plus de
quatre mille ans et que les Chinois
regardent comme le fondateur de leur
empire et de leurs sciences. »
5.3
5.4
5.5
5.6
5.2 Des débats de société
Les Raëliens…
« La prochaine étape sera le transfert d’informations et de la
personnalité d’un individu vieillissant à son propre clone
encore jeune, (...) comme le font les Élohim avec leur
25 000 ans d'avance scientifique »
5.7
…et l’ancien président de la République
M. O. : Il y a beaucoup de choses que nous ne choisissons pas. Vous n’avez pas choisi votre sexualité
parmi plusieurs formules, par exemple. Un pédophile non plus. Il n’a pas décidé un beau matin, parmi
toutes les orientations sexuelles possibles, d’être attiré par les enfants. Pour autant, on ne naît pas
homosexuel, ni hétérosexuel, ni pédophile. Je pense que nous sommes façonnés, non pas par nos
gènes, mais par notre environnement, par les conditions familiales et socio-historiques dans lesquelles
nous évoluons.
N. S. : Je ne suis pas d'accord avec vous. J'inclinerais, pour ma part, à penser qu'on
naît pédophile, et c'est d'ailleurs un problème que nous ne sachions soigner cette
pathologie. Il y a 1200 ou 1300 jeunes qui se suicident en France chaque année, ce n'est
pas parce que leurs parents s’en sont mal occupés ! Mais parce que, génétiquement, ils
avaient une fragilité, une douleur préalable. Prenez les fumeurs : certains développent
un cancer, d'autres non. Les premiers ont une faiblesse physiologique héréditaire. Les
circonstances ne font pas tout, la part de l'inné est immense.
5.8
5.3 Plus sérieusement… (trois exemples de travaux contemporains)
2014
5.9
« Les nouveau-nés proviennent d’organismes
âgés. »
Comment parvenir à une reproduction qui donne
une descendance plus jeune ?
C’est l’effacement d’information qui nécessite de
l’énergie (Landauer 1961, Bennett 1988).
Recherche du principe qui fait émerger les entités
qui ont accumulé de l’information. La sélection
naturelle vue comme processus de piégeage de
l’information.
Au niveau moléculaire, un tri doit être fait entre
protéines normales et protéines
dysfonctionnelles, tri entre triplets codant et non
codants.
5.10
5.11
“(…) mainstream
evolutionary theory has
come to focus almost
exclusively on genetic
inheritance and processes
that change gene
frequencies.”
5.12
• “We hold that organisms are constructed in development, not simply
‘programmed’ to develop by genes. Living things do not evolve to fit into preexisting environments, but co-construct and coevolve with their environments, in
the process changing the structure of ecosystems.”
• “The story that standard evolutionary theory (SET) tells is simple: new variation
arises through random genetic mutation; inheritance occurs through DNA; and
natural selection is the sole cause of adaptation, the process by which organisms
become well-suited to their environments. In this view, the complexity of biological
development — the changes that occur as an organism grows and ages — are of
secondary, even minor, importance.
• “In our view, this ‘gene-centric’ focus fails to capture the full gamut of processes that
direct evolution. Missing pieces include how physical development influences the
generation of variation (developmental bias); how the environment directly shapes
organisms’ traits (plasticity); how organisms modify environments (niche
construction); and how organisms transmit more than genes across generations (extragenetic inheritance). For SET, these phenomena are just outcomes of evolution. For the
extended evolutionary synthesis (EES), they are also causes.”
 Comment from David Tyler (Universitat de València, Cell Biology): “It seems to me
that the key issues relate to biological information and the word ‘evolution’ needs to
be defined in a way that does justice to the origin (or loss) of information.”
5.13
Dernière page, pour en savoir plus…
[email protected]