Le modèle biologique


L’intelligibilité systémique procède par simulation et par modélisation. La vie étant ‘système’ par excellence, ce sont les modèles biologiques qui donnent l’outil privilégié de l’approche systémique.


La vie

Affrontée aux perturbations aléatoires du macro-écosystème cosmique, la
vie dans son ensemble fonctionne comme système ouvert. Avec une entrée, une sortie et une fonction.

Le vivant le plus simple est déjà un système complexe en interaction dynamique avec le foisonnement d’autres systèmes différents en interaction entre eux et en interaction avec la totalité du macro-écosystème. Il intègre organiquement une multitude de micro-systèmes en interaction les uns avec les autres et en interaction avec lui-même. Il articule structurellement un nombre incroyable d’éléments. Dans une simple bactérie, sans compter sa macromolécule d’ADN, se dénombrent plus de dix milliards de molécules d’eau et plus de quinze millions de molécules et de macromolécules selon six mille espèces différentes !

Un vivant représente en quelque sorte un résidu de l’océan primitif qui s’est refermé sur soi sans pourtant s’enfermer. Système ouvert qui s’est évolutivement complexifié et organisé pour fonctionner en relative autonomie. Un organisme vivant est toujours un système ouvert sur un environnement différentiel. En tant que système ouvert, il reçoit, donne, agit, réagit... Mais il ne survit qu’en maintenant son équilibre interne, son
homéostasie.


Homéostasie

Comment se fait cette régulation ? Par exemple chez l’homme. Résidu de l’océan primitif, véritable ‘milieu’ intérieur dans lequel baigne la vie, le plasma sanguin est composé de 92% d’eau et de 8% de molécules vitales: glucose, acides aminés, acides gras, hormones, ions... Vivre, c’est d’abord assurer la bonne concentration de tous ces éléments dans le plasma, quels que soient les aléas externes ou internes. Doit donc jouer la régulation qui agit sur la ‘vanne’ d’entrée et la ‘vanne’ de sortie, en les ouvrant ou en les fermant selon les exigences de l’homéostasie. Pour cela il faut un système de détection des taux de concentration, un système d’effectuation qui agit sur les vannes, et, entre les deux, un système comparateur entre ces données détectées et les impératifs de la survie. D’où viennent ces ordres ? Ils sont donnés par un système qui s’appelle l’hypothalamus, véritable chef d’orchestre de régulation des différentes constantes du plasma et centre d’intégration des fonctions végétatives comme la faim, la soif, la régulation thermique, le comportement sexuel...

Soit la sensation de faim. C’est un signal devenu envie consciente, une invite à manger de plus en plus pressante, émis par l’hypothalamus à la suite d’une baisse du taux de glucose. Deux possibilités se présentent alors. Ou bien je mange et la faim cesse par suite de l’homéostasie rétablie. Ou bien le repas est différé. Dans ce cas la sensation de faim ne fait qu’augmenter puisque le déséquilibre s’accroît et que le besoin de faire remonter le taux de glucose se fait de plus en plus pressant. L’hypothalamus déclenche une série de tactiques de survie: les glandes surrénales sécrètent l’adrénaline; l’agressivité augmente; les réserves de glycogène stockées dans le foie se transforment en glucose assimilable; le cortex surrénal secrète l’hydrocortisone; les protéines de l’organisme se transforment en glucose... L’organisme finit par se manger lui-même et par mourir.


La cellule vivante

Bien qu’il existe de la vie sous une forme encore plus simple, le virus par exemple, on peut considérer la
cellule comme l’unité vivante de base et la structure fondamentale de tous les vivants complexes. Cette structure déjà hautement complexifiée est comme le système de base. Derrière une très grande variété de types possibles se retrouve toujours le même plan structurel d’un noyau baignant dans le cytoplasme délimité par une membrane.

La cellule vivante est en quelque sorte un résidu de l’océan primitif ou de la ‘soupe primitive’ d’où la vie a émergé. Ce résidu s’est évolutivement bouclé sur soi sans pourtant s’enfermer totalement. C’est la membrane qui réalise cette merveille. Elle est assez imperméable pour délimiter une certaine autonomie. Elle est assez perméable pour rester
ouverte sur ce qui se boucle à côté et ce qui se boucle autour. Un tel système non clos s’est évolutivement complexifié et organisé pour fonctionner en symbiose à l’intérieur de l’englobant total de la vie.

Un organisme est fait d’une multitude de cellules différenciées. L’homme, par exemple, est un vivant pluricellulaire construit avec pas moins de 10
14 cellules. Il s’agit, en fait, d’une sorte de complexe emboîtement de systèmes ouverts dont chacun, avec des degrés d’autonomie variables, joue dans une essentielle interdépendance. L’organisme humain représente ainsi l’unité structurelle et dynamique d’un ensemble d’organes. Chaque organe, à son tour, est une unité structurelle d’un ensemble de tissus et chaque tissu une unité structurelle d’un ensemble de cellules. Un organisme vivant est toujours un système qui, tout en maintenant son homéostasie, est ouvert sur un environnement différentiel. En tant que système ouvert, il reçoit, donne, agit, réagit...

L’
ouverture de la cellule, sans laquelle la vie ne serait pas, est paradigmatique pour tout système, si petit ou si grand soit-il, en tant que vivant.


Le système cellulaire

Une cellule vivante est déjà un système hautement complexifié d’éléments micromoléculaires (molécules d’eau, molécules signaux, molécules énergétiques, molécules de construction, molécules transporteuses d’énergie...) et macromoléculaires (protéines, catalyseurs, enzymes, acides nucléiques...). Les interactions et les échanges entre ces différents agents moléculaires sont assurés par un petit nombre d’organisations supra-moléculaires, sub-systèmes du système cellulaire: protection, filtrage et catalyse par les membranes; information et programmation par le noyau; fabrication de protéines par les ribosomes; stockage d’énergie par les vacuoles; production d’énergie par les mitochondries.

Les protéines sont fabriquées selon des plans codés dans l’ADN. Quel est le principe de fonctionnement d’une telle fabrication ? Les plans originaux de l’ADN sont copiés en séquences de molécules signaux, les ARN messagers, grâce à des ‘machines à copier’ que sont les enzymes ARN polymérases. Ces copies de plans (ARN messager), à leur tour, président à la fabrication de chaînes d’enzymes spécialisées dans de véritables ‘ateliers de montage’ que sont les ribosomes. Ce sont ces chaînes d’enzymes qui, telles des chaînes de machines-outils, transforment finalement la matière première en matière vivante. Une véritable usine très complexe et hautement automatisée où les flux de matière première se règlent sur de l’information qui circule et se transmet selon des mécanismes de reconnaissance fondée sur la forme des molécules ! Elle ne fonctionne correctement que grâce à des feed back qui, pour ralentir ou accélérer le processus, prélèvent de l’information aux différentes ‘sorties’ pour la rétro-injecter, activant des répresseurs, au niveau des ‘entrées’.


Sub-système cellulaire

Voici, par exemple les
mitochondries, véritables centrales énergétiques de la cellule vivante. On sait que l’énergie est fournie au vivant à partir de son alimentation et de sa respiration qui lui apportent combustible (glucose) et comburant (oxygène). Au bout d’un processus complexe il y a extraction d’électrons et recharge des ‘batteries’ cellulaires, c’est-à-dire de molécules véhiculant une réserve d’énergie susceptible de fournir du travail. C’est ce travail, c’est-à-dire cette perte d’énergie des électrons qui fait tourner toute la machinerie de la vie. La molécule chargée est de l’adénosine triphosphate (ATP), la molécule déchargée, de l’adénosine diphosphate (ADP). La mitochondrie est donc une sorte de ‘station-service’ qui tient disponibles des batteries chargées et qui recharge les batteries déchargées.

La régulation du fonctionnement de cette ‘usine’ se fait, comme dans les autres usines cellulaires, grâce à des enzymes spécifiques fabriquées selon le plan et le programme de l’ADN. Il s’agit ici de maintenir l’équilibre du rapport ADP/ATP, en fonction des besoins énergétiques de la cellule et des disponibilités en source d’énergie. La régulation de ce ‘cycle de Krebs’ se fait par rétroactions. S’il y a excès d’ATP, la recharge est ralentie par ralentissement de la consommation de combustible et d’oxygène. Moment du repos et de la mise en réserve. Le générateur produit moins d’électrons. Il y a donc augmentation d’ADP. Si maintenant il y a excès d’ADP, la recharge est accélérée par accroissement de la consommation de combustible et d’oxygène. Moment d’activité qui fait baisser les réserves et accélérer la respiration et la circulation. Le générateur produit plus d’électrons. L’ATP augmente...