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La notion d'information en biologie, bilan et perspectives Paris, le 24 octobre 2014 - J. Segal, maître de conférences en histoire des sciences et épistémologie,

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2 La notion d'information en biologie, bilan et perspectives Paris, le 24 octobre J. Segal, maître de conférences en histoire des sciences et épistémologie, Journée scientifique « Origines » organisée au MNHN par Marie-Christine Maurel et Philippe Grandcolas (UMR 7205)

3 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 », 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…

4 I – Codage et transmission 1.1 Claude Chappe ( ) 1.1. Rapide historique

5 Auguste Kerckhoffs ( ) Cryptologue militaire néerlandais La Cryptographie militaire (1883) La Cryptographie militaire (1883) William F. Friedman ( ) Cryptologue de l'armée de terre américaine The Index of Coincidence and its Applications in Cryptography (1920) 1.2

6 Les câbles transatlantiques sont installés à partir de 1866 et certains restent utilisés jusqu’aux années 60 Encombrement de l’espace dû au développement des lignes téléphoniques Ralph Hartley ( ) Harry Nyquist ( ) Karl Küpfmüller ( ) Bell Laboratories Siemens & Halske La notion d’information au cœur de préoccupations techniques

7 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 Coder la voix humaine - le Vocoder

8 1.5 Petite démonstration Synthèse vocale avec le Voder

9 1.6 Science Newsletter, January 14, 1939

10 1.7 Démonstration complète The 1939 World’s Fair in New York

11 1.3. La notion d’information en physique 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. Vienne, Zentralfriedhof Si vous cherchez une tombe… ! Ludwig Boltzmann ( ) S = k log W 1.8

12 Robert Brown ( ) Mouvement brownien Marjan von Smoluchowski ( ) en 1912 Leo Szilard ( ) en 1929 (le démon doit être renseigné [unterrichtet]) Démon de Maxwell (1874) Gilbert N. Lewis ( ) écrit en 1930 : “ Gain in entropy always means loss of information, and nothing more. ” 1.9

13 1.4. La notion d’information en agronomie Sir Ronald Fisher ( ) « 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) Intérêt pour l’information pertinente… …et pour les gènes pertinents 1.10 « 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)

14 II – Convergences, National Defense Research Committee Première réunion officielle du NDRC le 2 juillet 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.

15 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 ! 2.1. Une interdisciplinarité de circonstance

16 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. Des aspects institutionnels importants 2.3

17 2.2. La première conférence Macy La publication de

18 “L’illumination” structuraliste Roman Jakobson ( ) Claude Lévi-Strauss (né en 1908) 2.5

19 2.6 Erwin Schrödinger ( ) 2.4. Au même moment, quelques réflexions « continentales » sur la biologie Cimetière d’Alpbach, Autriche !

20 « 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

21 3.1 Claude Shannon ( ) 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 III – Axiomatisation, Shannon: un ingénieur-mathématicien-bricoleur

22 3.2 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.

23 3.3 La lettre à Vannevar Bush Lettre de Shannon à Bush Lettre de Shannon à Bush, 16 février 1939 © Library of Congress Archives (Bush Papers) Le memex (1945)

24 3.4 A Mathematical Theory of Cryptography (1945) Rapprochement entre information et entropie La non rencontre avec Alan Turing ( )

25 3.5 « A Mathematical Theory of Communication » (1948) W est la largeur de bande, P la puissance du signal reçu et N celle du bruit considéré additif, gaussien et blanc. Capacité d’une voie de communication dans le cas continu :

26 3.2. Claude Shannon… généticien ? 3.6

27 3.7

28 3.3. Alan Turing et la morphogénèse (1952) 3.8

29 3.9

30 3.10 Norbert Wiener ( ) 3.4. La cybernétique

31 4.1 Watson & Crick, 1953 Strasser 2003 IV – 1953, une publication qui fait date 4.1 L’information dans le modèle de Crick et Watson

32 Le RNA Tie Club, fondé en 1954 (ici Francis Crick, Leslie Orgel (derrière), Alexander Rich et James Watson (devant)) Le code diamant Crick : “The importance of Gamow's work was that it was really an abstract theory of coding, and was not cluttered up by a lot of unnecessary chemical details....” 4.2. A la recherche du « code »,

33 Code ou tableau de correspondances ? Marshall W. Nirenberg et H. Matthaei Lily E. Kay, 2000

34 4.4 Les Lettres françaises 14 février Les espoirs en 1968

35 V - Prodiges et vertiges de l’analogie… du code De l'art de passer pour un ‘scientifique’ aux yeux des littéraires 2.L'inculture scientifique des littéraires est-elle la vraie responsable du désastre ? 3.Comment les coupables se transforment en victimes et en accusateurs 4.Les avantages de l’ignorance et la confusion considérée comme une forme de compréhension supérieure 5.Les malheurs de Gödel ou l’art d'accommoder un théorème fameux à la sauce des philosophes 6.L’argument « Tu quoque ! » 7.Qui sont les vrais ennemis de la philosophie ? 8.L’affaire Sokal et après : la leçon sera-t-elle comprise ? 9.La liberté de penser sans la liberté de critiquer ?

36 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 Linus Pauling proposait qu’on tatoue sur le front les adolescents porteurs de gènes codant pour des maladies mortelles (1968) 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. » La notion d’information et l’impérialisme de la biologie moléculaire

37 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. » 5.3 …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. »

38 5.4

39 5.5

40 5.6

41 5.7 « 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 ans d'avance scientifique » Les Raëliens… 5.2 Des débats de société

42 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 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. …et l’ancien président de la République

43 5.3 Plus sérieusement… (trois exemples de travaux contemporains)

44 Au niveau moléculaire, un tri doit être fait entre protéines normales et protéines dysfonctionnelles, tri entre triplets codant et non codants. « 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. 5.10

45 5.11

46 “(…) mainstream evolutionary theory has come to focus almost exclusively on genetic inheritance and processes that change gene frequencies.” 5.12

47 “We hold that organisms are constructed in development, not simply ‘programmed’ to develop by genes. Living things do not evolve to fit into pre- existing environments, but co-construct and coevolve with their environments, in the process changing the structure of ecosystems.”  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.” “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 (extra- genetic inheritance). For SET, these phenomena are just outcomes of evolution. For the extended evolutionary synthesis (EES), they are also causes.” 5.13

48 Dernière page, pour en savoir plus…


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