Sur les différentes manières de concevoir le réductionnisme en biologie Pierre-Alain Braillard Université Lille 1 Journée de travail « Réductionnisme » Groupe Haredhol 19 février 2013

Introduction On distingue habituellement trois formes de réductionnisme: – Ontologique (constitutif): les systèmes biologiques ne sont constitués que de molécules et de leurs interactions. – EpistémiqueThéorique Explicatif – Méthodologique: les méthodes les plus fécondes sont celles qui analysent les systèmes biologiques au plus bas niveau possible

Physicalisme Deux thèses importantes: – Survenance (supervenience): il ne peut y avoir de différence de propriété biologique sans une différence de propriété physique plus fondamentale. – Chaque phénomène ou processus biologique est identique d’un point de vue métaphysique à un processus physique particulier. Le physicalisme est largement accepté, mais la question est de savoir quelles sont les conséquences aux niveaux explicatif et méthodologique.

Le réductionnisme théorique Selon le modèle classique de Nagel (1961), la réduction d’une théorie à une autre exige que deux critères soient satisfaits: 1.les lois de la théorie réduite doivent pouvoir être dérivées de la théorie réductrice (c’est la condition de dérivabilité). 2.le vocabulaire des deux théories doit pouvoir être mis en relation par traduction (c’est la condition de connectabilité). Il s’agit donc de trouver ce qu’on appelle des bridge principles ou bridge laws. Ce cadre devait pouvoir rendre compte des relations entre théories à différents niveaux ou à des époques successives.

Oppenheim and Putnam’s layer-cake model Societies Organisms Cells Molecules Atoms Elementary particles

Réductionnisme théorique en biologie C’est d’abord ce modèle qui a servi à penser l’apport de la biologie moléculaire à la génétique classique au début des années L’enjeu était de comprendre ce qu’avait apporté la biologie moléculaire à la génétique. Il semblait possible de parler de réduction, car le gène qui n’était qu’une entité théorique avait été redéfini comme séquence d’ADN. (Michael Ruse, Kenneth Schaffner)

Les problèmes du réductionnisme théorique en biologie Le problème de la multi-réalisabilité: Chaque entité de la génétique classique peut être réalisée de différentes manières au niveau moléculaire. Si l’on voulait exprimer une entité fonctionnelle en termes moléculaires, il faudrait recourir à une disjonction infinie de structures et de processus moléculaires, qui seraient en outre sans doute très hétérogènes. Il semble que les généralisations de niveau supérieur possèdent une certaine indépendance par rapport aux mécanismes de niveau inférieur qui les réalisent. Ainsi, les principes énoncés par Mendel possèderaient une puissance explicative qui ne dépendrait pas des détails moléculaires que peuvent mettre au jour les biologistes moléculaires. Kitcher: la loi de ségrégation indépendante est complètement expliquée en se référant au fait qu’il y a deux copies de chaque chromosome et qu’une copie de chacun se retrouve dans chaque gamète (pas besoin des détails moléculaires).

Evolution des débats autour du réductionnisme A partir des années 80 s’est développé en philosophie de la biologie un consensus antiréductionniste. Le cadre issu du positivisme logique a été en partie abandonné. Un des problèmes est que la science est pensée en termes de théories formalisées et de lois universelles. Or la biologie semble avoir très peu de lois de ce type et peu de biologistes travaillent à développer des théories au sens de la physique. Le problème du réductionnisme doit donc être posé en d’autres termes. Pas des relations type-type, mais token-token.

Le réductionnisme explicatif Il s’agit d’expliquer un phénomène à partir d’entités de plus bas niveau. William Wimsatt: « Une explication réductive d’un comportement ou d’une propriété d’un système est une explication qui montre qu’ils sont explicables mécaniquement en termes de propriétés des parties du système et de leurs interactions.» Depuis les années 90: développement d’analyse mécanistes en philo de la bio. Le mécanisme veut rendre compte plus fidèlement de ce que font réellement la plupart des biologistes: décrire des mécanismes qui sont responsables (qui produisent) les phénomènes à expliquer.

Mécanisme et réductionnisme Dans le cadre mécaniste, les relations entre niveaux ne sont pas conçues de manière strictement réductive, dans le sens où il s’agit de relations complexes qui doivent être pensées dans les deux sens. Il y a une double contrainte : d’une part, les entités de niveau inférieur déterminent le phénomène considéré, mais, d’autre part, le système dans lequel le mécanisme est intégré doit être pleinement pris en compte. L’explication ne se réduit donc pas à un seul niveau. C’est dans ce sens qu’on parle souvent de modèle inter-niveau (interlevel) et d’intégration entre domaines (interfield integration). Pas d’éliminativisme. On peut néanmoins considérer qu’on suit une direction réductionniste, dans la mesure où l’on explique comment un certain phénomène est produit par des interactions entre des entités de niveaux inférieurs.

Mécanisme et relations inter-niveaux Schéma de Carl Craver

Mécanisme et réductionnisme Ce cadre doit permettre d'éviter une opposition simpliste entre réductionnisme et émergence, car le but est d'expliquer comment des entités de bas niveau produisent des propriétés à un niveau supérieur. Wimsatt: « De nombreux cas ont été classiquement considérés comme impliquant de l’émergence – des cas motivant l’affirmation que «le tout est plus que la somme des parties» – comme un circuit électronique oscillateur. Il n’y a rien d’anti-réductionniste, de mystérieux ou d’inexplicable à être un oscillateur. Vous pouvez en faire un en liant de la bonne manière un inducteur, un condensateur et une résistance avec une source de tension. Le système a la propriété d’être un oscillateur bien qu’aucune de ses parties prise isolément ne révèle de telles propriétés. »

Le réductionnisme d’Alex Rosenberg « Le réductionnisme est une thèse métaphysique, une affirmation portant sur des explications, et un programme de recherche. La thèse métaphysique que les réductionnistes avancent (et que les antiréductionnistes acceptent) est le physicalisme, la thèse selon laquelle tous les faits, y compris tous les faits biologiques fonctionnels, sont fixés par les faits physiques et chimiques ; il n’y a pas d’événements, d’états ou de processus non physiques, et ainsi, les événements, états, et processus biologiques ne sont « rien d’autre » que physiques. Le réductionniste affirme que la thèse métaphysique a des conséquences pour les explications biologiques : elles doivent être complétées, corrigées, rendues plus précises, ou alors approfondies par des explications plus fondamentales en biologie moléculaire. » (Darwinian reductionism)

Le réductionnisme d’Alex Rosenberg «Ce type de réductionnisme soutient qu’il existe une explication complète de tout fait, état, évènement, processus, tendance, ou généralisation biologiques, et que cette explication ne citera que les interactions des macromolécules pour fournir cette explication. » (Darwinian reductionism)

Le réductionnisme d’Alex Rosenberg Cette position réductionniste ne s’intéresse pas tellement aux limites pratiques qui nous empêchent de parvenir aux explications réductives. Mais Rosenberg pense que les progrès techniques et informatiques vont nous permettre de surmonter ces limites: « Pour autant que l’on sache, il y a des limites à la complexité et à la diversité du monde naturel, et ce qui est plus important, des progrès technologiques dans le stockage et le traitement des données pourraient considérablement améliorer notre capacité à comprendre les processus macromoléculaires et leurs combinaisons… Ce serait une erreur de sous-estimer la puissance de l’esprit humain et de ses prothèses. » Il interprète les progrès récents de la biologie comme une illustration de la pertinence de sa thèse.

Réductionnisme génétique Une partie des critiques antiréductionnistes portent en fait sur le réductionnisme génétique: la tendance à fonder les explications des phénomènes biologiques sur les gènes, considérés comme causes fondamentales du phénotype. – Gènes porteur d’information – Concept de programme génétique Ca n’est pas forcément un problème pour un réductionnisme à la Rosenberg: les explications réductionnistes doivent être fondées sur les propriétés des macromolécules, pas forcément les gènes. Mais ce sont souvent des explications génétiques qui sont prises comme exemple (ex: génétique du développement).

Le problème du contexte Les propriétés et le comportement d’un composant ou d’un mécanisme moléculaire peut dépendre du contexte: – Correspondance entre séquence ADN et protéine – Repliement des protéines – Effet d’un ligand sur un récepteur Les entités de haut niveau (la cellule, l’organisme) jouent un rôle irréductible dans les explications biologiques.

En quel sens la biologie moléculaire est-elle réductionniste? Attention aux caricatures: « De manière générale, le but de la biologie moléculaire est de caractériser les constituants des organismes vivants. Son programme est non complexe ; elle mesure les propriétés de chaque composant et, dans le cas de la biologie cellulaire, sa localisation dans la cellule. » (Boogerd et al. Systems Biology, Philosophical Foundations, 2007) « La biologie moléculaire visait à comprendre les organismes vivants comme la somme des propriétés de leurs composants individuels, sans permettre l’émergence de propriétés supplémentaires dans leurs interactions. » (Boogerd et al. Systems Biology, Philosophical Foundations, 2007)

En quel sens la biologie moléculaire est-elle réductionniste? « Si la biologie moléculaire, qui présente une attitude fortement réductionniste, a mené une analyse aussi réussie de l’hérédité, ce fut surtout parce que, à chaque étape, l’analyse a été menée simultanément au niveau des molécules et au niveau de la boîte noire, la cellule bactérienne. » (F. Jacob, « Evolution and tinkering », Science, 196 (1977) : 1162) Le réductionnisme de la BM n’était pas simpliste, mais il est vrai que les modèles explicatifs avaient tendance à lier de manière trop « directe » le niveau de l’organisme et le niveau moléculaire et à ignorer l’importance du contexte.

Le réductionnisme à l’heure de la post-génomique Différentes méthodes expérimentales et de modélisation permettent d’analyser les systèmes biologiques de manière moins réductionniste: – Etude des propriétés dynamiques – Etude de larges réseaux de régulation Mais en un sens, le projet de fond reste le même qu’en BM: comprendre comment les interactions entre composants moléculaires produisent les phénomènes biologiques. – Exemple du projet de la biologie synthétique fondé sur un catalogue de composants standardisés – L’influence du contexte est décomposée au niveau moléculaire

Réductionnisme et hasard Les schémas mécanistes de la biologie moléculaire et cellulaire n’intègrent généralement pas le hasard. Ils sont plutôt déterministes. Mais il n’y a en principe pas de tension entre l’idéal réductionniste et la reconnaissance des phénomènes stochastiques. Ce qui est remis en question, c’est le réductionnisme génétique et certaines conceptions du mécanisme. Il est intéressant de noter qu’alors que différents travaux depuis une dizaine d’années reconnaissent le rôle du bruit moléculaire dans la production d’hétérogénéité dans des populations cellulaires, certains recherchent les causes en amont (par exemple dans le microenvironnement) plutôt que d’accepter un hasard irréductible.

Questions La reconnaissance des phénomènes stochastiques va-t-elle déplacer le centre de gravité explicatif des mécanismes de régulation génétique vers le niveau populationnel? Ou au contraire encourager la recherche réductionniste de « causes cachées » pouvant expliquer cette hétérogénéité? Cela va-t-il conduire à une nouvelle vision des relations explicatives entre niveaux?