chapitre 1 Introduction : les thèmes de l’étude du vivant
3
ConCept
1.1
Les thèmes qu’explore cet ouvrage
établissent des ponts entre
les différents domaines de la biologie
La biologie est un sujet qui ratisse large, et les bulletins de
nouvelles révèlent chaque jour des découvertes excitantes en
ce domaine. Il existe très probablement de meilleures façons
d’acquérir une vision cohérente du vivant qu’en mémorisant
les données factuelles de ce colossal sujet. Il est sûrement préférable de s’engager plus activement en établissant des liens
entre tous les faits que vous découvrez et en en dégageant
une série de thèmes qui couvrent tous les domaines de la biologie. En vous concentrant sur quelques grandes idées – des
façons de penser ce qu’est la vie qui demeurent toujours
vraies au cours du temps –, vous arriverez plus facilement à
organiser vos connaissances et à comprendre la signification
de toutes les informations que vous découvrirez en étudiant
la biologie. Pour vous faciliter la tâche, nous vous proposons
huit thèmes unificateurs qui vous serviront de repères tout
au long de ce livre.
thème : De nouvelles propriétés
émergent à chaque niveau de la hiérarchie
de l’organisation biologique
L’étude du vivant commence à l’échelle microscopique, celle
des molécules et des cellules composant les organismes, et
s’étend jusqu’à celle de la planète prise dans sa globalité.
Nous pouvons découper ce formidable champ d’action en
divers niveaux d’organisation biologique.
Imaginez que vous êtes dans l’espace à regarder la Terre,
puis que vous zoomez graduellement pour observer la vie terrestre de plus en plus près. C’est le printemps au Québec, et
vous mettez le cap sur l’une de ses forêts afin de procéder à
l’examen moléculaire d’une feuille d’érable. La figure 1.4
(dans les deux pages qui suivent) raconte cette exploration de
plus en plus détaillée du monde vivant. En suivant la numérotation, examinez la série d’images qui vous fera passer du
niveau de la biosphère à celui de l’atome.
Les propriétés émergentes des systèmes
Examinons encore la hiérarchie de l’organisation biologique
à la figure 1.4, mais cette fois-ci en prenant du recul, c’està-dire en partant du niveau moléculaire. Chaque fois qu’on
monte d’un niveau dans la hiérarchie, nous voyons apparaître de nouvelles propriétés qui n’étaient pas présentes au
niveau précédent. Ces propriétés émergentes résultent
de l’arrangement des composantes et de leurs interactions de
plus en plus complexes. Par exemple, même si on mélange
de la chlorophylle et toutes les molécules d’un chloroplaste
dans une éprouvette, la photosynthèse ne peut se dérouler,
car cette réaction dépend de la façon très spécifique dont la
chlorophylle et les autres molécules sont organisées dans un
chloroplaste intact. Prenons un autre exemple. Si un traumatisme crânien grave perturbe l’architecture complexe d’un
cerveau humain, celui-ci risque de cesser de fonctionner correctement, même si toutes ses parties sont encore présentes.
gentes d’un réseau complexe de neurones. À un niveau d’organisation biologique encore plus élevé, en l’occurrence au
niveau de l’écosystème, le recyclage des nutriments tel le
carbone dépend d’un réseau de divers organismes qui interagissent entre eux, de même qu’avec le sol et l’air.
Les propriétés émergentes ne sont pas exclusives au vivant.
Une boîte contenant toutes les pièces d’une bicyclette ne
vous mènera nulle part, mais si celles-ci sont assemblées
d’une façon précise, vous pourrez pédaler jusqu’où bon vous
semble. Il en va de même du graphite formant la mine d’un
crayon et d’un diamant serti sur une alliance : tous deux se
composent de carbone pur, mais leurs propriétés sont très
différentes parce que leurs atomes de carbone sont arrangés
différemment. Ces deux exemples illustrent l’importance du
concept d’organisation, mais rien ne peut rivaliser avec les
systèmes biologiques en matière de complexité. Celle-ci fait
des propriétés émergentes de la vie un sujet d’étude particulièrement stimulant.
Les forces et les faiblesses du réductionnisme
Puisque les êtres vivants présentent des propriétés qui
émergent de leur organisation complexe, les scientifiques
qui s’attachent à comprendre les processus biologiques font
face à un dilemme. D’une part, il est impossible d’expliquer
totalement un niveau d’organisation supérieur en le réduisant à ses parties. Un animal disséqué ne vit plus ; une cellule
réduite à ses constituants chimiques n’a plus rien d’une cellule. D’autre part, il est vain d’essayer d’analyser une chose
aussi complexe qu’un organisme ou une cellule sans la réduire
à ses composantes.
Une stratégie efficace en biologie, appelée réductionnisme, consiste à fragmenter les systèmes complexes en
éléments plus simples et plus faciles à manipuler en vue de
les étudier. Par exemple, c’est en se penchant sur la structure
moléculaire d’une substance extraite de cellules que James
Watson et Francis Crick ont déduit, en 1953, que l’ADN
constitue le fondement chimique de l’hérédité. Cependant,
on comprit mieux le rôle crucial de l’ADN des cellules et des
organismes lorsque les scientifiques réussirent à étudier ses
interactions avec d’autres molécules. Les biologistes doivent
recourir à la stratégie réductionniste sans perdre de vue l’objectif plus global qui est de comprendre les propriétés émergentes, c’est-à-dire la façon dont les parties des cellules, les
organismes et les niveaux supérieurs d’organisation, comme
les écosystèmes, interagissent. C’est l’objectif de la biologie des
systèmes, une approche mise au point il y a plus de 50 ans.
La biologie des systèmes
Un système n’est qu’une combinaison de composantes fonctionnant ensemble. Un biologiste peut étudier un système à
n’importe quel niveau d’organisation. Une seule cellule d’une
feuille d’arbre peut être considérée comme un système, tout
comme une grenouille, une colonie de fourmis ou l’écosystème d’un désert. Pour comprendre le fonctionnement de
tels systèmes, il ne suffit pas de connaître la liste de leurs
composantes, aussi complète soit-elle. Après avoir compris ce
principe, de nombreux chercheurs ont commencé à enrichir
le réductionnisme de nouvelles stratégies leur permettant
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ConCept
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Les thèmes qu’explore cet ouvrage
établissent des ponts entre
les différents domaines de la biologie
La biologie est un sujet qui ratisse large, et les bulletins de
nouvelles révèlent chaque jour des découvertes excitantes en
ce domaine. Il existe très probablement de meilleures façons
d’acquérir une vision cohérente du vivant qu’en mémorisant
les données factuelles de ce colossal sujet. Il est sûrement préférable de s’engager plus activement en établissant des liens
entre tous les faits que vous découvrez et en en dégageant
une série de thèmes qui couvrent tous les domaines de la biologie. En vous concentrant sur quelques grandes idées – des
façons de penser ce qu’est la vie qui demeurent toujours
vraies au cours du temps –, vous arriverez plus facilement à
organiser vos connaissances et à comprendre la signification
de toutes les informations que vous découvrirez en étudiant
la biologie. Pour vous faciliter la tâche, nous vous proposons
huit thèmes unificateurs qui vous serviront de repères tout
au long de ce livre.
thème : De nouvelles propriétés
émergent à chaque niveau de la hiérarchie
de l’organisation biologique
L’étude du vivant commence à l’échelle microscopique, celle
des molécules et des cellules composant les organismes, et
s’étend jusqu’à celle de la planète prise dans sa globalité.
Nous pouvons découper ce formidable champ d’action en
divers niveaux d’organisation biologique.
Imaginez que vous êtes dans l’espace à regarder la Terre,
puis que vous zoomez graduellement pour observer la vie terrestre de plus en plus près. C’est le printemps au Québec, et
vous mettez le cap sur l’une de ses forêts afin de procéder à
l’examen moléculaire d’une feuille d’érable. La figure 1.4
(dans les deux pages qui suivent) raconte cette exploration de
plus en plus détaillée du monde vivant. En suivant la numérotation, examinez la série d’images qui vous fera passer du
niveau de la biosphère à celui de l’atome.
Les propriétés émergentes des systèmes
Examinons encore la hiérarchie de l’organisation biologique
à la figure 1.4, mais cette fois-ci en prenant du recul, c’està-dire en partant du niveau moléculaire. Chaque fois qu’on
monte d’un niveau dans la hiérarchie, nous voyons apparaître de nouvelles propriétés qui n’étaient pas présentes au
niveau précédent. Ces propriétés émergentes résultent
de l’arrangement des composantes et de leurs interactions de
plus en plus complexes. Par exemple, même si on mélange
de la chlorophylle et toutes les molécules d’un chloroplaste
dans une éprouvette, la photosynthèse ne peut se dérouler,
car cette réaction dépend de la façon très spécifique dont la
chlorophylle et les autres molécules sont organisées dans un
chloroplaste intact. Prenons un autre exemple. Si un traumatisme crânien grave perturbe l’architecture complexe d’un
cerveau humain, celui-ci risque de cesser de fonctionner correctement, même si toutes ses parties sont encore présentes.
gentes d’un réseau complexe de neurones. À un niveau d’organisation biologique encore plus élevé, en l’occurrence au
niveau de l’écosystème, le recyclage des nutriments tel le
carbone dépend d’un réseau de divers organismes qui interagissent entre eux, de même qu’avec le sol et l’air.
Les propriétés émergentes ne sont pas exclusives au vivant.
Une boîte contenant toutes les pièces d’une bicyclette ne
vous mènera nulle part, mais si celles-ci sont assemblées
d’une façon précise, vous pourrez pédaler jusqu’où bon vous
semble. Il en va de même du graphite formant la mine d’un
crayon et d’un diamant serti sur une alliance : tous deux se
composent de carbone pur, mais leurs propriétés sont très
différentes parce que leurs atomes de carbone sont arrangés
différemment. Ces deux exemples illustrent l’importance du
concept d’organisation, mais rien ne peut rivaliser avec les
systèmes biologiques en matière de complexité. Celle-ci fait
des propriétés émergentes de la vie un sujet d’étude particulièrement stimulant.
Les forces et les faiblesses du réductionnisme
Puisque les êtres vivants présentent des propriétés qui
émergent de leur organisation complexe, les scientifiques
qui s’attachent à comprendre les processus biologiques font
face à un dilemme. D’une part, il est impossible d’expliquer
totalement un niveau d’organisation supérieur en le réduisant à ses parties. Un animal disséqué ne vit plus ; une cellule
réduite à ses constituants chimiques n’a plus rien d’une cellule. D’autre part, il est vain d’essayer d’analyser une chose
aussi complexe qu’un organisme ou une cellule sans la réduire
à ses composantes.
Une stratégie efficace en biologie, appelée réductionnisme, consiste à fragmenter les systèmes complexes en
éléments plus simples et plus faciles à manipuler en vue de
les étudier. Par exemple, c’est en se penchant sur la structure
moléculaire d’une substance extraite de cellules que James
Watson et Francis Crick ont déduit, en 1953, que l’ADN
constitue le fondement chimique de l’hérédité. Cependant,
on comprit mieux le rôle crucial de l’ADN des cellules et des
organismes lorsque les scientifiques réussirent à étudier ses
interactions avec d’autres molécules. Les biologistes doivent
recourir à la stratégie réductionniste sans perdre de vue l’objectif plus global qui est de comprendre les propriétés émergentes, c’est-à-dire la façon dont les parties des cellules, les
organismes et les niveaux supérieurs d’organisation, comme
les écosystèmes, interagissent. C’est l’objectif de la biologie des
systèmes, une approche mise au point il y a plus de 50 ans.
La biologie des systèmes
Un système n’est qu’une combinaison de composantes fonctionnant ensemble. Un biologiste peut étudier un système à
n’importe quel niveau d’organisation. Une seule cellule d’une
feuille d’arbre peut être considérée comme un système, tout
comme une grenouille, une colonie de fourmis ou l’écosystème d’un désert. Pour comprendre le fonctionnement de
tels systèmes, il ne suffit pas de connaître la liste de leurs
composantes, aussi complète soit-elle. Après avoir compris ce
principe, de nombreux chercheurs ont commencé à enrichir
le réductionnisme de nouvelles stratégies leur permettant