8 oct. 2014

Méta-évolution : L'évolution peut-elle créer de l'intelligent design ?

Sur ce blog, on n'hésite pas à faire dans le titre racoleur. Ah vous aviez déjà remarqué. Bon bon bon. La question est pourtant valable : l'évolution peut-elle spontanément créer un organisme capable de quitter l'évolution "à la Darwin" ? Autrement dit, pourrait-il exister un organisme capable de diriger/plannifier sa propre évolution, ou encore, capable de diriger celle d'autres organismes, sans passer par les forces évolutives telles que la sélection naturelle ?

Résumons le cahier des charges. Il s'agirait d'un organisme capable de :
1- prendre conscience de ses caractéristiques, de son phénotype ("tiens, je suis bleu").
2- imaginer ce que serait le meilleur phénotype dans un environnement donné, avec pas trop d'erreur ("mais en vrai, ce serait mieux que je sois jaune pour me cacher dans la savane")
3- modifier son phénotype tout seul comme un grand, et faire en sorte que cette modification se transmette à ses petits.

Bien sûr il faut que ces trois capacités apparaissent spontanément au cours de l'évolution, et soient maintenues par la suite. Hors de question d'invoquer l'intervention d'un barbu flottant dans le cosmos, c'est triché ;-)

Pas de Spaghetti Volant ni de Jésus-Raptor non plus. Désolé.



En fait, "peut-on faire un organisme qui quitte la sélection naturelle pour se modifier tout seul" ressemble à une question qu'on a plus l'habitude de croiser dans l'étude de l'intelligence artificielle : peut-on créer un logiciel capable de se programmer tout seul ? En d'autre terme, cela corresponds à un logiciel capable d'améliorer son propre code, de pister ses propres bugs et potentiellement de mettre au chômage de plein de programmeurs à court terme.

L'analogie avec l'informatique est pas mal, parce que l'évolution est basiquement un algorithme. Au départ simple, celui-ci s'est complexifié au cours de ses 3.8 milliards d'années d'existence. Le début de l'histoire de l'algorithme évolutif commence avec une cellule unique*, LUCA. Grand-grand-grand...-grand papy LUCA découvre comment se diviser, première fonctionnalité du logiciel "La vie.". En vrac, d'autres innovations hackant l'algorithme de l'évolution apparaissent comme le sexe, les transferts horizontaux, l'hérédité non génétique, etc.

Mais jusqu'à maintenant l'algorithme général, même si il s'est complexifié, ne propose pas vraiment d'intelligent design. L'évolution reste le processus de création de nombreux organismes tous un peu différents les uns des autres, qui sont triés par ce que l'on appelle la sélection : certains survivent et se reproduisent beaucoup, d'autres meurent célibataires.

Tout ça, ce sont les règles de départ. Voyons si l'on peut hacker une fois de plus le système et aboutir à une "autre évolution" non darwinienne, ce qui revient à modifier les règles en utilisant... les règles.
Je vois deux façons d'y parvenir, si vous avez vos propres idées n'hésitez pas à les mettre en commentaires !

Proposition 1 - Une hérédité alternative plus rapide.


La transmission d'ADN des parents aux enfants ou d'une bactérie à une autre est un système d'hérédité. Lors de la reproduction d'une algue, toute l'information décrivant la future tronche du bébé algue ("trop mimignon, des flagelles à crooooquer") est écrite sur un ruban long de plusieurs kilomètres de long, l'ADN, qui sera transmis à l'enfant. Pour faire un parallèle avec une course de relai, c'est comme si le premier coureur donnait un journal enroulé au suivant, le journal décrivant de façon complète la tête du second coureur.

La version Molotov a grand même plus de classe


On pourrait pourtant imaginer que les parents soient moins radins, et qu'ils transmettent plusieurs journaux à la fois. En d'autre termes, on peut imaginer qu'il existe plusieurs supports de l'information décrivant le futur individu, plusieurs supports de l'hérédité. Ce qui est chouette, c'est qu'il n'y a pas besoin de l'imaginer : ça existe déja. Certains organismes transmettent à leurs enfants de l'ADN, mais aussi des modifications épigénétiques, des ressources particulières et... de la culture, que ces organismes vont eux-même transmettre à leurs propres enfants, et ainsi de suite : l'évolution peut se dérouler sur plusieurs supports à la fois. L'avantage ? Ça va plus vite !

Prenez les humains par exemple. Depuis qu'il existe, notre support alternatif d'hérédité "la culture" a évolué beaucoup plus vite que le support d'hérédité "ADN", menant à l'apparition d'une foultitude de langues, de systèmes d'éthiques, de technologies. Rien que ces 100 dernières années, un nombre hallucinant de technologies ont été développé. Dans la même période de temps, le support de l'hérédité nommé "ADN" n'a pas développé une telle variation.

Vous voyez où je veux en venir : par l'apparition d'un support d'hérédité alternatif, la culture, l'homme a développé une technologie qui pourrait bien un jour lui permettre de s'amuser à faire de l'intelligent design : à planifier le destin évolutif de son espèce ou celui d'autres espèces. En fait on a déjà un peu commencé : la sélection artificielle et les OGMs nous permettent d'obtenir certains traits particuliers chez des espèces d'intérêt. Mais la première réside sur l'existence d'une variation pré-existante, générée par "le vieil" algorithme évolutif, et la seconde technique est loin d'être au point pour l'ambition démesurée que nous avons.


Divers futuristes promettent dès aujourd'hui un futur dans lequel la biologie synthétique permettra de créer des organismes de types bactéries, de toutes pièces. Il faudrait étendre ce concept à l'espèce humaine pour valider la proposition de départ : l'homme fabrique les mutations dont il a besoin, les insère dans ses nouveaux-nés (ou dans ses anciens-nés avec un peu de thérapie génique), et de fait, contrôlerait son évolution "à la main".

Ici c'est l'emballement de la culture technologique chez l'homme qui pourrait permettre à cet intelligent design d'exister, soit l'emballement d'un système alternatif d'hérédité. Mais ne pourrait-on pas se débrouiller avec de l'ADN, tout simplement ?
Avoir une bactérie qui dirigerait elle-même son évolution, est-ce possible ?


Proposition 2 - Des bactéries calculant leur futur.


Dans des conditions de stress, certaines espèces de bactéries sont capables d'accélérer le rythme des mutations à des endroits bien spécifiques de leur ADN. Ce faisant, elles augmentent la probabilité que l'une des mutations colle bien à la situation stressante, et fasse émerger une adaptation à l'échelle de la population. Cette tactique, observée aussi chez les tumeurs cancéreuses, chez certaines plantes et plusieurs animaux, est une capacité acquise au cours de l'évolution face à des environnements stressants.

Le problème, c'est la relative inefficacité de ce processus : pour une mutation qui va taper juste, des milliers de mutations vont causer des erreurs souvent fatales à leurs porteurs. Ce qu'il manque à la bactérie, c'est la capacité de prédire quelle serait la "bonne" mutation (et faire ainsi de l'auto-intelligent design).

Vous vous souvenez de la métaphore informatique ? Si la bactérie était capable de calculer des scénarios possibles correspondant à une situation donnée, et de choisir la meilleure solution parmi toutes les possibilités, elle pourrait effectivement prédire le "meilleur" phénotype adapté à la situation.
Et diriger ses mutations aux bonnes parties de l'ADN, changeant ainsi son phénotype pour le diriger vers "l'optimum" du paysage adaptatif.
En une génération.
Sans sélection naturelle.

Donc il nous faut un ordinateur biologique qui puisse faire des calculs, des prédictions, un peu comme celui dont parle Greg Bear dans L'échelle de Darwin. Idéalement ce serait bien qu'il existe une forme de mémoire dans laquelle cet ordinateur puisse puiser pour établir ses scénarios (des priors). Le disque dur. Impossible ?

Et pourtant, l'ADN n'est rien d'autre qu'une forme de stockage d'information particulièrement compacte, et des chercheurs du European Bioinformatics Institute de Cambridge ont réussi l'année dernière à encoder dans de l'ADN, entre autres, l'ensemble des 154 sonnets de Shakespeare, une publication scientifique au format PDF et le speech de Martin Luther King : "I have a dream". Bon, pour le stockage, c'est faisable, on imagine tout à fait que l'ADN puisse stocker des informations utiles aux prédictions.


Maintenant nous voudrions un calculateur, une unité capable de répondre à des questions sous la forme de "OUI / NON". C'est chouette, ça existe aussi : l'équivalent biologique du transistor électronique s'appelle le transcriptor, et il a été développé l'année dernière par une équipe de Stanford. Le transcriptor, uniquement constitué de molécules tout à fait classiques au sein de la cellule ( intégrases ) est un pas important vers l'objectif ultime qui est de créer des ordinateurs biologiques, en général connus sous le nom d'ordinateurs à ADN. **

Il est donc théoriquement possible d'avoir une bactérie stockant des informations sur l'état de son environnement, son état interne, et capable de produire des calculs pour connaître la solution phénotypique optimale correspondant à la situation. Par le jeu de mutations dirigées qui existe déjà, notre bactérie serait ensuite théoriquement capable de s'auto-modifier, et d'échapper à la sélection naturelle.
Wow.

Ce genre de questions en soulèvent plein d'autres : une bactérie capable d'auto-modification serait-elle vraiment plus efficace que ses congénères subordonnés à la sélection naturelle ?

L'évolution peut-elle elle même méta-évoluer, la sélection naturelle étant au final une phase comme une autre dans une longue liste de processus évolutifs ?

Que se passera-t-il si les bactéries avec des transcriptors du futur seront lachées dans la nature ?

Il faudra plus qu'un billet de blog pour répondre à tout ça, mais c'est un domaine remplit de questions fascinantes. N'hésitez pas à faire part de vos idées dans les commentaires !


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*En fait, l'histoire ne commence peut-être pas avec une cellule unique. Ce modèle est de plus en plus débattu, et c'est une bonne chose. Après tout, rien n'empêche de penser que plusieurs lignées du vivant aient développé indépendamment le support de l'information génétique qu'est l'ADN.

** Au passage, les passionnés de biologie synthétique comme Drew Endy sont convaincus que des versions exploitables du transcriptor seront utilisables dans quelques décennies pour faire de vrais calculs en parallèle avec des cellules vivantes, ou pour tout un tas d'autres utilisations dont on n'a même pas encore idée aujourd'hui. Un article va suivre pour en parler, parce que c'est fascinant. The future is now, comme on dit.

7 commentaires:

  1. - Y'a pas eu besoin d'attendre la cellule pour pouvoir répliquer une information génétique... cf la "soupe primitive"...
    - Il est fort probable que les premières informations avaient un encodage ARN...
    - Mais surtout, si l'auto-mutagenèse dirigée était le fruit de l'évolution en quoi ça échapperait à l'évolution? t'aurais toujours ceux qui le feraient plus vite, ou en consommant moins d'énergie, ou en adoptant des méthode de calcul plus rapide en optimisant des les stratégies de prédictions etc etc ... ceux-là laisseraient bien entendu plus de descendants... et paf! ça fait de la sélection naturelle.
    Ce qui est bien avec la sélection naturelle c'est que c'est un processus. En admettant qu'on arrive effectivement en one step à un optimum phénotypique en squizzant (comment s'écrit ce truc ?) les processus évolutifs. Est-ce pour autant qu'on maîtrise l'évolution ? Pour cela il faudrait prédire, et contrôler, tout le champs des possibles crée par la capacité de faire de l'auto-mutagénèse dirigée... Ne confondons pas "évolution" et "sélection naturelle", et n'oublions pas que le champs des possibles est probablement bien plus grand que ce que nous sommes capable d'appréhender.

    Plein de bisous mon Léo

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    1. "Ne confondons pas "évolution" et "sélection naturelle", et n'oublions pas que le champs des possibles est probablement bien plus grand que ce que nous sommes capable d'appréhender."
      Yep, je crois que c'est le sens de l'article.

      "il faudrait prédire, et contrôler, tout le champs des possibles crée par la capacité de faire de l'auto-mutagénèse dirigée..."
      Tout le champ des possibles me parait un peu exagéré, pas besoin d'avoir une précision infinie pour faire des prédiction correctes et utilisables. Une précision "suffisamment" précise suffirait largement à un individu dans la vie de tous les jours pour s'ajuster aux changements graduels de l'environnement.

      "l'auto-mutagenèse dirigée était le fruit de l'évolution en quoi ça échapperait à l'évolution? t'aurais toujours ceux qui le feraient plus vite, ou en consommant moins d'énergie, ou en adoptant des méthode de calcul plus rapide en optimisant des les stratégies de prédictions etc etc ... ceux-là laisseraient bien entendu plus de descendants... et paf! ça fait de la sélection naturelle. "
      C'est bien intéressant, en gros la sélection naturelle se porterait plutôt sur l'évolvabilité que sur les traits eux-mêmes :)
      Mais en fait je n'y crois pas trop non plus : si une bactérie peut se coder elle-même, elle n'a plus besoin de faire des descendants : elle peut améliorer elle même son pouvoir prédictif, sans avoir besoin de passer par des descendants variés, etc. Pour refaire le point commun avec l'informatique, c'est la singularité technologique ( et aussi accessoirement, le moment où on meurt tous) http://fr.wikipedia.org/wiki/Singularit%C3%A9_technologique

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  2. Très bon article Léo!! Pas mal de choses que je découvre.

    Par rapport à l'idée de sélection naturelle ... n'oublions que pour qu'il y est de la sélection, il faut par définition qu'il y est des individus qui fassent mieux que les autres. Or si une espèce acquiert la capacité de s'auto-formater, et si tous les individus peuvent le faire (en clair, aucune variance inter-individuelle de ce trait), alors ce n'est pas de la sélection, par définition. Donc par définition aussi, il n'existera pas un optimum évolutif (l’optimum n'a de sens que si il y a de la variation. par exemple, on ne peut dire qu'il y a un optimum évolutif pour le trait "avoir une tête", car il n'y a pas de variation).

    Donc, pas d'optimum évolutif ... ce qui implique, pas d'avantage (au sens évolutif du terme). Ce qui revient à une tautologie (un avantage (pouvoir se formater) qui n'en donne pas).

    Voyant l'autre cas: si les individus n'ont pas tous les même capacité de se formater. Ce qui implique que le différentiel de fitness entre eux sera le fruit pur et simple de leur capacité de formatage, donc c'est de la sélection naturelle. Ce qui est - pour moi - le même cas que la sélection naturelle sur la plasticité phénotypique. Cependant, on voit tout de suite ici la limite de l'analogie avec la plasticité: Un individu ne transmets pas son caractère nouveau qu'il a obtenu par plasticité (une femme qui a bronzé au soleil ne va pas donner naissance à un enfant bronzé). Or, si la capacité de formatage peut se transmettre, alors on se demande clairement quel intérêt à procréer, ce qui rejoins ce que tu dis dans ton précédent commentaire.

    Fin de ce trop long commentaire:
    En fait, le paradoxe disparaît si on se place au niveau du gène. Le gène a trouvé un moyen beaucoup plus efficace que le formatage décrit plus haut: la reproduction. Car, à l'inverse du formatage, la reproduction ne nécessite pas de collecter des informations sur le milieu ambiant pour s'ajuster. Or, le milieu ambiant change constamment, et arrivera un jour ou l'autre à un niveau de changement non prévu par l'organisme qui peut se formater.

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    1. juste pour continuer ton commentaire par des faits rigolos et des gros nombres:
      impossible de tout prévoir, parce qu'il y a trop de combinaisons possibles: juste une protéine de 100 acides aminés de long a plus de combinaisons possibles qu'il n'y a d'atomes dans l'univers (de très loin); pour stocker tous les phages T7 avec des combinaisons d'ADN différentes, il faut un espace supérieur à celui de l'univers visible. Dis autrement, même en utilisant toute la mémoire informatique terrestre, c'est impossible d'écrire un paysage adaptatif total d'un virus... (et il faudra une révolution technologique allant bien au delà d'un ordi quantique pour y parvenir).
      Bien sûr ça ne ferme pas la porte à des approximations et à des mémorisations partielles.

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    2. L'idée de l'article, c'était de voir si c'est techniquement faisable d'avoir un organisme simple qui fait des prédictions, et a priori je pense que oui. Après les prédictions resteront probablement des approximations pour des questions d'espace de stockage (qui se compte effectivement en nucléotides pour le coup) mais hé, on est arrivé à envoyer des gens sur la lune avec une puissance de calcul d'une grosse calculette actuelle ( 1 MHz ) ;-) Je ne pense pas qu'une une bactérie qui voudrait être capable de prédire les changements climatiques / chimiques de son environnement ait besoin de la puissance de calcul du CERN :P

      Pour revenir sur sélection naturelle VS l'organisme auto-formateur : la question qui m'intéresse est en fait "qu'est ce qu'il se passerait si spontanément un organisme apparaissait avec cette capacité là ?".

      Perso je pense que le niveau de sélection du gène serait complètement fucké : dans un environnement changeant, les allèles ne feraient que "passer" dans son organisme, vite remplacés par d'autres allèles plus adaptés à la nouvelle situation. Le niveau de sélection serait bien l'individu pour le coup...
      Par contre je me demande si il se reproduirait ou pas, dans le cas où ses capacités de prédiction lui permettent de ne jamais mourir. Vu que la reproduction est une stratégie à l'échelle du gène, elle a toutes les chances de disparaître chez cet organisme, mais en même temps pour qu'il la perde il faut que ce soit une mutation qui apparaît au cours de sa vie qui détruise cette fonction.
      En fait de façon générale ça devient assez tordu à imaginer puisqu'on perds en même temps le concept de descendance avec modifications, etc. En gros soit il a le temps de faire des gamins et de transmettre son ordinateur interne à des descendants, soit il n'a pas le temps et il reste le seul immortel sur Terre.
      L'anti-démon darwinien en fait, genre Highlander mais sans les katanas.

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    3. L’un des résultats connus des sciences de l’information, c’est que n’importe quelle machine universelle peut émuler une autre machine universelle. Mais les machines universelles disposent d’une mémoire infinie et de ne se préoccupe pas des temps de traitement. Dès que l’on émule une machine réelle avec une autre machine réelle on dégrade les performances.

      J’ai du mal à croire qu’un organisme ne soit pas soumis à la même contrainte, et que cette capacité – même réduite – à se modifier soit même n’est pas un coût disproportionné qui désavantage l’organisme dans la course à la sélection naturelle.

      Un autre point, c’est qu’il ne suffit pas de traiter l’information. Il faut aussi – et surtout – l’acquérir. Et pour ça, il faut des capteurs. On peut imaginer que l’unité de traitement tienne dans une mitochondrie. Et si on veut ensuite pouvoir modifier l’environnement, il faut des instruments. Du coup ce micro-organisme risque fort de ne plus être un micro-organisme mais d’une façon ou d’une autre de devenir macro.

      Et à la fin, est-ce qu’il ne ressemblera pas (au moins dans ces modes d’action) à celui qui existe déjà : l’homme ?

      Et dernière incise. La reproduction ne sert pas qu’a ce reproduire. En occupant – via la reproduction – le plus vite possible tous l’espace disponible et en consommant et monopolisant les ressources disponibles les organismes limitent la capacité des nouveaux entrants. Un organisme aussi évolué soit-il peut-il se passer de ce mode d’action.

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  3. Bonjour,

    d'abord félicitations pour ce blog que je découvre dans la foulée de la chaîne youtube DB. Il y a une quantité impressionnante de travail pour un résultat de qualité.

    Je me permets de d'ajouter une proposition 3 qui serait de modifier ou plus précisément de stabiliser son propre environnement pour ne plus "subir" la sélection naturelle. C'est ce que fait l'homme depuis très longtemps et de manière toujours plus efficace ce qui permet à de nombreux variants phénotypiques de perdurer. Par contre, cela n'est pas sans conséquence pour les autres espèces qui elles subissent des modifications drastiques d'environnement sélectif, de réduction de populations,...

    Bertrand

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