Les technologies de l’informatique peuvent aider à expliquer la tendance des structures à se répéter en biologie.
La symétrie est omniprésente dans la nature. Elle est présente partout où des images miroir sont répétées, comme dans les moitiés droite et gauche des éléphants ou des papillons, ou dans les motifs répétitifs des pétales de fleurs et des bras d’étoiles de mer autour d’un point central. Elle se cache même dans les structures de choses minuscules comme les protéines et l’ARN. Si l’asymétrie existe bel et bien dans la nature (comme le fait que votre cœur se trouve d’un côté de votre poitrine ou que les crabes violonistes mâles ont une pince plus grosse), les formes symétriques apparaissent trop souvent chez les êtres vivants pour être le fruit du hasard.
Pourquoi la symétrie règne-t-elle en maître ? Les biologistes n’en sont pas sûrs : il n’existe aucune raison fondée sur la sélection naturelle pour expliquer la prédominance de la symétrie dans des formes de vie et des éléments constitutifs aussi variés. Il semble maintenant qu’une bonne réponse pourrait venir du domaine de l’informatique.
Dans un article publié ce mois-ci dans Proceedings of the National Academy of Sciences, des chercheurs ont analysé des milliers de complexes protéiques et de structures d’ARN, ainsi qu’un réseau modèle de molécules qui contrôlent l’activation et la désactivation des gènes. Ils ont constaté que l’évolution tend vers la symétrie parce que les instructions pour produire la symétrie sont plus faciles à intégrer dans le code génétique et à suivre. La symétrie est peut-être l’application la plus fondamentale de l’adage « travaillez plus intelligemment, pas plus durement ».
« Les gens sont souvent assez étonnés que l’évolution puisse créer ces structures incroyables, et ce que nous montrons, c’est que c’est en fait plus facile que vous ne le pensez », a déclaré Ard Louis, physicien à l’Université d’Oxford et auteur de l’étude.
« C’est comme si nous avions trouvé une nouvelle loi de la nature », a déclaré Chico Camargo, coauteur et maître de conférences en informatique à l’université d’Exeter en Angleterre. « C’est magnifique, car cela change la façon dont on voit le monde ».
Le Dr Louis, le Dr Camargo et leur collègue Iain Johnston ont commencé à explorer les origines évolutives de la symétrie lorsque le Dr Johnston travaillait sur son doctorat, en effectuant des simulations pour comprendre comment les virus forment leurs enveloppes protéiques. Les structures qui ont émergé étaient fortement orientées vers la symétrie, apparaissant bien plus souvent que ne le permettrait le pur hasard.
Les chercheurs ont d’abord été surpris, mais c’était logique : les algorithmes qui produisent des modèles simples et répétitifs sont plus faciles à exécuter et plus difficiles à gâcher. M. Johnston, qui travaille aujourd’hui à l’université de Bergen, en Norvège, compare cela au fait de dire à quelqu’un comment carreler un sol : il est plus facile de donner des instructions pour poser des rangées répétées de carreaux carrés identiques que d’expliquer comment réaliser une mosaïque complexe.
Au cours de la décennie suivante, les chercheurs et leur équipe ont appliqué ce même concept aux composants biologiques de base, en examinant comment les protéines s’assemblent en grappes et comment l’ARN se plie.
« Les formes qui apparaissent le plus souvent sont les plus simples, ou celles qui sont les moins folles », a déclaré le Dr Camargo.
Imaginer l’ARN et les protéines comme de petites machines d’entrée-sortie qui exécutent des instructions génétiques algorithmiques permet d’expliquer la tendance à la symétrie d’une manière que la « survie du plus apte » darwinienne n’a pas pu faire. Comme il est plus facile de coder des instructions pour construire des structures simples et symétriques, la nature se retrouve avec un nombre disproportionné de ces instructions plus simples parmi lesquelles choisir lors de la sélection naturelle. Selon M. Camargo, l’évolution ressemble un peu à un « jeu biaisé avec des dés chargés », qui produit une symétrie disproportionnée en raison de sa simplicité.
Bien que leur article porte sur des structures microscopiques, les chercheurs pensent que cette logique s’étend à des organismes plus grands et plus complexes. « Il serait extrêmement logique que la nature puisse réutiliser le programme pour produire un pétale plutôt que d’avoir un programme différent pour chacun des 100 pétales du tournesol », a déclaré le Dr Johnston.
Bien qu’il y ait encore un fossé entre la démonstration du biais statistique vers la symétrie microscopique et l’explication de la symétrie que nous observons chez les plantes et les animaux, Holló Gábor, un biologiste qui étudie la symétrie à l’Université de Debrecen en Hongrie, se dit enthousiasmé par les résultats du nouvel article. « Expliquer comment une caractéristique aussi inhérente et universelle émerge dans l’évolution, dans la nature, c’est quelque chose », a déclaré le Dr Holló, qui n’a pas participé à l’étude.
De même, Luís Seoane, chercheur en systèmes complexes au Centro Nacional de Biotecnologia en Espagne, qui n’a pas non plus participé à l’étude, a fait l’éloge de ces travaux qu’il a qualifiés de « plus légitimes que jamais ».
« Il y a une guerre en cours entre la simplicité et la complexité, et nous vivons juste à la limite de cette guerre », a déclaré le Dr Seoane. L’univers tend à devenir de plus en plus aléatoire, a-t-il ajouté, mais ces blocs de construction simples et symétriques aident à donner un sens à cette complexité.
