Mathématiques et Biologie au 21e siècle : nouvelles frontières interdisciplinaires

Lors d’une table ronde « Les Mathématiques et le vivant, une nouvelle frontière ? » à l’UNESCO, François Taddei, généticien, Pierre-Yves Oudeyer, roboticien et Annick Harel-Bellan, biologiste, ont évoqué les contributions de trois disciplines, les mathématiques, l’informatique et la robotique pour des applications en sciences du vivant. Du décryptage du génome humain en bio-informatique à la modélisation de comportements socio-cognitifs par des robots, MyScienceWork revient sur certaines des collaborations interdisciplinaires les plus prometteuses.

À l’aube du 21e siècle, nous commençons seulement à percevoir le fonctionnement du vivant dans son intégralité en partant des processus moléculaires et chimiques jusqu’aux processus cognitifs.

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Au 21e siècle, la biologie prendra la place qu’avait la physique au 20e siècle. François Taddei

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Les sciences du vivant sont guidées par la volonté d’observer le monde qui nous entoure et de le quantifier. Ainsi, cette discipline relève des défis de plus en plus complexes au fur et à mesure de la découverte de nouveaux mécanismes biologiques. Pourtant difficilement modélisables, les sciences du vivant ont obtenu, ces dernières années, de brillants succès portés par des projets de recherche faisant fi des frontières interdisciplinaires.

 

Les mathématiques : des méthodes de plus en plus efficaces de modélisation du vivant. source : James Thew - Fotolia.com
tableau mathématique géométrie

En étudiant le vivant, les scientifiques cherchent en premier lieu les régularités et l’ordre, deux notions bien comprises par les mathématiciens. Dans les faits, le vivant mélange des motifs réguliers à de nombreux phénomènes aléatoires. Cette part d’aléatoire, présente dans chaque organisme, est fortement liée à l’importante diversité des objets présents au sein du vivant. Pour répondre à l’augmentation croissante des données et à la complexité des phénomènes étudiés, les scientifiques devront employer les divers outils et compétences et s’unir pour soulever les défis scientifiques du 21e siècle. Mais comment travailler ensemble lorsque les enseignements dissocient encore les différentes disciplines ?

Les 30 et 31 janvier 2012, la Commission nationale française pour l’UNESCO, l’Institut des hautes études scientifiques (IHÉS) et la Fondation Cartier pour l’art contemporain avec le soutien de la Casden et du Commissariat à l’énergie atomique (CEA) ont organisé le colloque « Mathématiques pour tous ? » Lors de ces deux journées, les développements récents des mathématiques et leur impact dans notre société ont été évoqués sous la forme de tables rondes réunissant journalistes, scientifiques et personnalités diverses. À partir du thème « Les Mathématiques et le vivant, une nouvelle frontière ? », François Taddei, généticien, Pierre-Yves Oudeyer, roboticien et Annick Harel-Bellan, biologiste sont revenus sur les collaborations entre mathématiciens, biologistes et informaticiens afin de redéfinir leur cadre de collaboration pour les générations à venir.

 

La bio-informatique

« Nous vivons actuellement une révolution dans laquelle la biologie effectue une transition du qualitatif au quantitatif, du descriptif au prédictif et de la thérapeutique à la prévention. » François Taddei

« Les mathématiques prennent une place de plus en plus importante en biologie, » explique Annick Harel-Bellan. « Ceci est notamment lié aux évolutions récentes de cette discipline de recherche. Tout d’abord, la naissance de la biologie intégrative dont le développement pose des difficultés théoriques complexes et spécifiques issues des mathématiques, de la physique et de la biologie. Ensuite, les quantités de données que les biologistes traitent sont en constante augmentation. Enfin, l’étude de la dynamique des populations de cellules au cours du temps nécessite l’intervention de simulations numériques sophistiquées. »

La biologie intégrative, évoquée par Annick Harel-Bellan, est un domaine de recherche relativement récent dans lequel des formalismes mathématiques et physiques sont développés dans le but d’écrire une description théorique du vivant intégrant les multiples mécanismes intervenant dans les divers niveaux de l’organisation structurale et fonctionnelle. L’intégration spatiotemporelle des interactions au niveau génétique, moléculaire puis à l’échelle des tissus et des organismes pose de nombreux défis que seule une grande collaboration des vues et des esprits pourra résoudre.

« L’analyse d’image et les statistiques sont aujourd’hui primordiales pour l’analyse des données biologiques, » conclut cette biologiste dont l’objet d’étude est la brisure de l’équilibre entre prolifération et différentiation cellulaire dans les cellules cancéreuses.

 

Des robots et des scientifiques

La collaboration entre l’homme et la machine a aussi été extrêmement profitable aux sciences. L’apparition de l’informatique a évidemment permis aux mathématiques une plus grande implication dans les domaines appliqués comme la physique et les sciences du vivant. Les progrès technologiques des ordinateurs de calcul et le niveau de simulation qu’ils permettent aujourd’hui leur sont d’une grande utilité. Le décryptage du génome humain est un exemple flagrant de réussite interdisciplinaire. Lors de cette collaboration internationale, les moyens ont été mis en œuvre pour effectuer l’acquisition en masse de banques de données de gènes de manière quasi-automatique. Grâce à ces « catalogues » de génomes, l’étude des gènes est devenue quasi-systématique. Chaque semaine est aujourd’hui marquée par de nouvelles découvertes en génétique. Ces découvertes ouvrant à chaque fois de nouvelles opportunités pour le développement de traitements thérapeutiques.

Grâce aux robots, les hommes vont aujourd’hui plus loin dans l’exploitation de cette nouvelle frontière.

« Les robots offrent un support pour comprendre l’origine des mécanismes du vivant. » Pierre-Yves Oudeyer

À l’interface de nombreuses disciplines, la simulation robotique de phénomènes biologiques permet la visualisation et l’expérimentation des différentes contraintes physiques, mécaniques. Pour illustrer ces propos, Pierre-Yves Oudeyer, chercheur en robotique à l’INRIA de Bordeaux, montre la vidéo d’un robot capable de marcher sans apport extérieur d’énergie. Ce robot fournit un excellent moyen de tester le rôle du corps, de la posture et de la gravité sur la locomotion bipède.

La simulation robotique permet aussi de tester des algorithmes théoriques appliqués aux comportements sociocognitifs. Une étude a par exemple démontré qu’il était possible de reproduire le comportement de papillons en présence d’une source lumineuse grâce à un ensemble simple de capteurs et de câblages. Cette expérience a permis de réfuter l’hypothèse que l’insecte était guidé par des sentiments d’attirance et de peur.

Tous les outils évoqués précédemment permettent donc une approche plus précise pour décrire, étudier et formaliser le vivant. Dès 1917 le zoologiste  D’arcy Thompson, considéré comme le premier biomathématicien, développa de magnifiques théories géométriques montrant le rôle de la physique et de la mécanique dans l’évolution et la croissance des structures spatiotemporelles du vivant.

 

 

Thompson donna un certain nombre d'exemples de corrélation entre des formes biologiques et des phénomènes mécaniques. Il montra les relations numériques entre des structures en spirale et la suite de Fibonacci. source : ChibiJosh / Flikr
coquillages forme spirale

Les automates cellulaires sont des grilles virtuelles contenant un ensemble de cellules dont l’état évolue au cours du temps selon les lois de l’évolution qui leur sont imposées et en fonction de l’état des cellules voisines. Ces schémas issus de l’informatique théorique permettent l’étude dynamique des systèmes complexes et de la croissance des structures du vivant.

 

Travailler ensemble

Le scientifique debout devant un tableau noir une craie à la main n’est plus. De la même manière, les sciences de la vie ne sont plus dissociables de l’informatique et des autres disciplines. Cependant, les acteurs de ces recherches, à savoir les biologistes, mathématiciens roboticiens, ont des langages et des modes opératoires très distincts. Selon François Taddei, c’est par l’enseignement qu’il faut opérer cette transition. « Il faut permettre aux jeunes générations de s’intéresser aux autres disciplines pour travailler ensemble. Les mathématiques peuvent répondre aux défis de la complexité du vivant mais il faut établir un langage commun. »

Annick Harel-Bellan  rajoute que « pour que cela fonctionne, il faut que chacun y trouve son compte. Il faut énoncer des problèmes à partir des sciences du vivant qui soient intéressants aux mathématiciens. »

Lors de cette passionnante discussion, Pierre-Yves Oudeyer a évoqué le besoin de redéfinir des concepts empiriques pour s’adapter aux évolutions de la science : « Puisque certains automates ont réussi à s’auto-reproduire selon les principes de base, ne serait-t-il nécessaire de reformuler notre définition du vivant ? »

En définitive, au 21e siècle les disciplines scientifiques subissent une évolution structurelle. Les frontières interdisciplinaires se redéfinissent et la multidisciplinarité devient l’élément clef face à la complexité. La biologie se trouve aujourd’hui face à des défis majeurs qu’elle ne pourra relever qu’en prenant entièrement possession des outils mathématiques et technologiques aujourd’hui disponibles. Des efforts multidisciplinaires de recherche dans les secteurs privés et publics ne seront pourtant efficaces qu’après l’élaboration de langues et de lieux communs grâce auxquels les jeunes générations progresseront dans un effort collectif et international de recherche scientifique.

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