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Le concept de mécanisme en biologie
Perspectives historique et épistémologique

Frédérique Théry, Philosciences.com, 2010.


Dans les sciences du vivant, les explications proposées prennent fréquemment la forme de description de mécanismes : qui n'a pas entendu parler des mécanismes de l'évolution du vivant, du mécanisme d'action des hormones, ou encore du mécanisme de la contraction musculaire ?





Introduction

L'importance des explications mécanistes est particulièrement frappante dans le domaine de la biologie moléculaire, qui étudie le monde vivant à l'échelle moléculaire, et qui s'est développée d'une façon considérable au cours de la seconde moitié du 20ème siècle. Dans ce domaine, les explications mécanistes mettent en jeu des interactions variées entre des molécules ou des complexes moléculaires (un complexe moléculaire est un ensemble de molécules), afin de rendre compte du fonctionnement du vivant. Francis Crick, co-découvreur de structure en double hélice de la molécule d'ADN, écrit ainsi : « ce sont des mécanismes qui sont découverts en biologie, des mécanismes constitués de composants chimiques »1.

L'importance du concept de mécanisme en biologie, et en particulier au sein de l'approche moléculaire du vivant, incite à porter une attention particulière à ce concept. Nous nous proposons ici d'aborder les explications mécanistes par un angle double : historique et épistémologique. Pour cela, nous retracerons la naissance et l'évolution du concept de mécanisme. Nous nous attarderons ensuite sur les caractéristiques des mécanismes en biologie, rejoignant la question philosophique majeure : qu'est-ce qu'un mécanisme ? Nous nous pencherons pour finir sur l'avenir du concept de mécanisme, en envisageant les perspectives nouvelles qui se dessinent pour les explications mécanistes en biologie moléculaire : la révolution technologique majeure dont a bénéficié la biologie au cours de la dernière décennie bouleverse en effet la nature des ces explications.


1. Le concept de mécanisme de Descartes à nos jours

A la fin du 16ème siècle se déroule la 'révolution scientifique', telle qu'elle a été nommée, et qui a entraîné de profonds bouleversements dans le monde scientifique. Cette révolution, qui remet en cause la philosophie de la nature d'Aristote, est marquée par la découverte des lois de Kepler, par la géométrie de Descartes, par la mécanique de Galilée et par les lois du mouvement énoncés par Newton. Toutes ces découvertes concourent à adopter une approche mécanique du monde : les objets naturels obéissent à des lois mécaniques, et le monde est perçu lui-même comme une machine. Cette philosophie mécaniste, incarnée principalement par René Descartes (1596-1650), Thomas Hobbes (1588-1679), Pierre gassendi (1592-1655), et Robert Boyle (1627-1691), modèle ses explications des phénomènes naturels sur les caractéristiques d'une machine, représentée de façon emblématique par l'horloge.

La métaphore de la machine, loin d'être cantonnée aux domaines de l'astronomie ou de la physique, est extrapolée au fonctionnement des êtres vivants. En effet, d'une part il n'existe à cette époque aucune frontière bien définie entre les êtres vivants et les objets inanimés, et d'autre part le fonctionnement des êtres vivants est appréhendé comme un reflet du fonctionnement déjà élucidé pour les autres objets naturels. Cette conception des êtres vivants en tant que machines transparaît dans les écrits de Descartes : « car jusques ici j'ai décrit cette terre, et généralement tout le monde visible, comme si c'était seulement une machine en laquelle il n'y eût rien à considérer que les figures et les mouvements de ses parties » ; ou encore, «  Lorsqu'une montre marque les heures par les moyens des roues dont elle est faite, cela ne lui est pas moins naturel qu'il n'est à un arbre de produire des fruits »2. Selon Descartes, les propriétés d'un objet se comprennent à partir de l'arrangement de la matière. Les mécanismes qu'il invoque sont donc fondamentalement de type géométrico-mécanique : seules des figures, des grandeurs, et des mouvements y apparaissent. A cette même époque, les modèles de circulation sanguine et de fonctionnement du cœur développés par William Harvey (1578-1657) sont des illustrations patentes de ces explications géométrico-mécaniques.

Notons enfin que la philosophie naturelle de Descartes comporte deux aspects étroitement liés : d'une part le mécanisme constitue une ontologie de la nature, en ce sens que les êtres vivants sont assimilés à des machines ; d'autre part il est utilisé comme épistémologie, puisqu'il fournit une approche pratique en vue de décrire et d'analyser les propriétés structurales et fonctionnelles des organismes.

La philosophie mécaniste a évolué au cours des siècles suivants, recouvrant différentes significations en fonction des débats animant la communauté scientifique. Au cours du vingtième siècle, les explications mécanistes ont gagné l'ensemble des disciplines de la biologie (neurosciences, écologie, évolution, génétique, etc.), jusqu'à envahir le champ d'étude du vivant au niveau moléculaire. Ces mécanismes correspondent à une description étape par étape de la manière dont les composants d'un système biologique interagissent entre eux pour produire un phénomène. Quel rapport entretiennent ces mécanismes avec la tradition mécaniste cartésienne ? La composante épistémologique est bien évidemment présente : l'approche mécaniste permet d'appréhender le fonctionnement des organismes. Quant à l'aspect ontologique, les biologistes se positionnent de diverses manières : si certains se refusent à établir une analogie entre les êtres vivants et des machines, la métaphore de la machine reste cependant bien présente dans la littérature scientifique. Un exemple emblématique est celui de l'ATP synthase, une enzyme qui synthétise l'ATP (la monnaie énergétique des cellules), et qui est couramment décrite comme la juxtaposition d'un rotor et d'un stator : c'est ici le fonctionnement d'un moteur qui est employé pour décrire le mode d'action de cette enzyme. Autre exemple, Bruce Alberts, éditeur en chef de la célèbre revue Science, écrit : « la cellule entière peut être considérée comme une usine qui contient un réseau élaboré de lignes d'assemblage emboîtées, chacune d'entre elles étant composée d'un ensemble d'imposantes machines protéiques »3 . Même les mécanismes cellulaires les plus complexes sont donc toujours parfois envisagés sous l'angle de l'analogie avec des machines.

Le concept de mécanisme dans la biologie contemporaine a ainsi hérité à certains égards du mécanisme cartésien, témoin de l'héritage culturel fort que constitue la vision mécanique du monde dominante depuis le 17ème siècle. Toutefois, il serait absurde de prétendre que ces deux conceptions mécanistes sont en tout point identiques. Le mécanisme cartésien, géométrique, a en effet révélé ses limites. Premièrement, les opérations géométriques ne sont pas les seules opérations qui sont à l'œuvre dans le vivant. Deuxièmement, les mécanismes biologiques ne peuvent pas être détachés du contexte dans lequel ils opèrent : il est important de considérer le contexte cellulaire, le contexte de l'organisme, voire le contexte environnemental induisant ou accompagnant leur déroulement. Troisièmement, l'organisation du monde vivant étant hiérarchique (molécules, cellules, tissus, organes, etc.), il s'avère parfois nécessaire d'intégrer hiérarchiquement les mécanismes entre eux.


2. Qu'est-ce qu'un mécanisme

Depuis deux décennies, les philosophes des sciences ont reconnu l'importance du concept de mécanisme dans les sciences biologiques. La conception 'causale-mécanique' de l'explication scientifique, définie ainsi par le philosophe des sciences Wesley Salmon4, rompt avec le modèle 'nomologique-déductif' de l'explication scientifique, soutenu par les partisans de l'empirisme logique et faisant à des lois ayant un pouvoir prédictif.

Une des questions centrales autour de laquelle s'organisent les études de la nouvelle philosophie mécaniste est celle de définir ce qu'est un mécanisme. Diverses définitions ont été proposées5 ; bien qu'elles présentent des divergences certaines, il est néanmoins possible de dégager des similitudes les unissant, et constituant une base conceptuelle solide en vue d'appréhender ce qu'est un mécanisme6.

a) Un mécanisme rend compte d'un phénomène.

Un mécanisme cherche toujours à expliquer un phénomène, c'est-à-dire un comportement d'un système biologique, auquel le biologiste s'intéresse. C'est pour cela que le terme de mécanisme n'est jamais utilisé seul, mais toujours accompagné du (ou des) phénomène (s) en question : les biologistes parlent du « mécanisme de ... » : par exemple, du mécanisme de transmission synaptique (c'est-à-dire la transmission du message nerveux entre deux neurones). La nature du phénomène d'intérêt n'est pas figée, mais est au contraire susceptible d'être redéfinie par le chercheur, au fur et à mesure que s'accumulent les connaissances sur le mécanisme correspondant. Par ailleurs, la détermination du phénomène dont le biologiste cherche à rendre compte spécifie quels sont les composants qui devront être intégrés dans le mécanisme, et quels sont ceux qui devront en être exclus.

b) Un mécanisme est constitué de parties.

La description d'un mécanisme fait intervenir des composants, ou parties. Dans l'exemple du mécanisme de la transmission synaptique, ces parties sont : le neurotransmetteur, le calcium, la vésicule pré-synaptique, le récepteur post-synaptique, etc. Les parties des mécanismes possèdent des propriétés qui sont pertinentes pour justifier leur présence au sein du mécanisme et le déroulement de celui-ci. Les propriétés structurales et de distribution des charges du neurotransmetteur et de son récepteur permettent ainsi de rendre compte de la liaison de ces deux molécules qui se produit lors du processus de transmission synaptique. Seules sont intégrées dans l'explication mécaniste les propriétés des parties qui sont essentielles à la compréhension des étapes du mécanisme.

L'identification des parties d'un mécanisme constitue une phase majeure du processus de découverte des mécanismes.


c) Les parties d'un mécanisme interagissent causalement entre elles. 

Disposer des parties composant un mécanisme n'est pas suffisant pour obtenir une explication mécaniste satisfaisante. Il est indispensable d'élucider la manière dont ces parties interagissent physiquement entre elles, dans des relations d'ordre causal : il s'agit de déterminer ce qu'elles font au sein du mécanisme (leurs opérations ou activités, selon les philosophes). Par exemple, les vésicules contenant le neurotransmetteur fusionnent avec la membrane du neurone pré-synaptique ; le neurotransmetteur diffuse dans la fente synaptique (l'espace entre les deux neurones) et se lie à son récepteur sur la membrane post-synaptique.

La nature de ces opérations est variable. Il peut s'agir d'opérations géométrico-mécaniques (les seules reconnues par Descartes), lorsque les parties bougent, subissent des rotations ou des torsions, ou entrent en contact les unes avec les autres. Mais il existe également d'autres types d'opérations : les opérations électrico-chimiques (par exemple lorsqu'il existe une attraction électrique entre deux molécules), énergétiques (cas de la diffusion d'une molécule, s'expliquant par des considérations thermodynamiques), ou électro-magnétiques.

La connaissance des parties du mécanisme et de leurs opérations permet d'établir la continuité des étapes du mécanisme, sans aucune lacune, depuis les conditions initiales du mécanisme jusqu'à ses conditions finales.

d) Les parties du mécanisme et leurs relations sont organisées spatialement et temporellement.

Les composants des mécanismes et leurs opérations doivent être organisés spatialement et temporellement afin d'assurer la production du phénomène. Ces aspects spatio-temporels font partie intégrante d'une explication mécaniste complète. L'organisation spatiale du mécanisme inclut entre autre la localisation des parties du mécanisme ainsi que leurs positions relatives, leur forme, taille, orientation. L'organisation temporelle englobe quant à elle l'ordre de l'enchaînement des étapes, la durée et la fréquence de ces étapes. L'aspect dynamique des mécanismes, sur lequel nous reviendrons plus, a par ailleurs été mis en valeur par certains philosophes.

Enfin, la possibilité d'une intégration hiérarchique des mécanismes n'est pas constitutive de ce qu'est un mécanisme, mais son importance a été soulignée par les nouveaux philosophes mécanistes7. La description des mécanismes de la mémoire spatiale englobe par exemple 4 niveaux : le niveau de l'organisme (description des différents types de mémoire, et des conditions sous lesquelles ces différentes mémoires sont mises en jeu) ; le niveau de l'hippocampe, une région du cerveau impliquée dans les processus de mémoire (mécanismes par lesquels il traite l'information, etc.) ; le niveau de la synapse (mécanismes par lesquels le message nerveux est transmis à l'échelle synaptique) ; le niveau moléculaire. L'explication mécaniste rendant compte du processus de mémorisation est donc multi-niveaux. Au fur et à mesure que de nouveaux résultats expérimentaux s'accumulent, les parties ainsi que les opérations qu'elles effectuent sont intégrées sur différents niveaux : un composant d'un niveau donné est inclus au sein d'un mécanisme de plus haut niveau, et les propriétés de ce composant peuvent être expliqués grâce à un mécanisme de plus bas niveau. Les neurosciences sont un domaine particulièrement propice à de telles explications mécanistes multi-niveaux.


3. Le concept de mécanisme en biologie moléculaire

Afin d'envisager quelques perspectives concernant le concept de mécanisme, il nous semble judicieux de nous focaliser sur les données issues de la biologie moléculaire. Ce domaine des sciences du vivant a en effet été profondément transformé au cours de la dernière décennie par des avancées technologiques considérables. Les projets de séquençage des génomes de divers organismes, mis en place dans les années 1990, ont plongé la biologie dans l'ère dite génomique. L'analyse des nombreuses données en résultant a quant à elle permis le passage de la biologie dans l'ère qualifiée de 'post-génomique' : les composants et processus cellulaires sont désormais étudiés à une échelle plus large (des études de l'ensemble des protéines cellulaires, ou de l'ensemble des gènes, sont par exemple entreprises). Parallèlement, l'ère post-génomique est excessivement féconde pour le développement des techniques expérimentales possédant un haut pouvoir de résolution (résolution quantitative, spatiale, temporelle). Quelles sont les implications de ces développements pour les explications mécanistes qui sont fournies par les biologistes, et, plus généralement ?

a) Mécanismes, motifs, et biologie des systèmes :

La biologie des systèmes est une discipline récente qui vise à comprendre le fonctionnement des systèmes biologiques. Elle caractérise les différents composants de ces systèmes, étudie leurs relations les uns par rapport aux autres, et analyse le comportement global des systèmes, à l'aide entre autres de modélisations informatiques. A cette fin, les composants biologiques sont regroupés en réseaux (réseaux métaboliques, réseaux d'interaction protéique, etc.), qui peuvent être décomposés en modules (un module est un ensemble de composants d'un réseau collaborant pour accomplir une tâche biologique), pouvant eux-mêmes être subdivisés en motifs. Un motif fait référence à la structure des interactions entre plusieurs composants, et consiste par exemple en une boucle de rétro-action négative (un premier composant active un second composant qui va en retour inhiber le premier composant).

Le développement de la biologie des systèmes fournit des données en termes de motifs, modules, ou réseaux, qui sont articulées avec les explications mécanistes et les enrichissent. Une véritable diversité des motifs présents au sein des mécanismes est ainsi dévoilée.

b) Mécanismes : conservation ou foisonnement évolutif ?

Grâce aux projets de séquençage, les biologistes disposent désormais d'un grand nombre de génomes d'organismes très variés. Les comparaisons de ces séquences ont permis de réaliser l'étude d'un point de vue évolutif de nombreux gènes (codant des protéines ou des ARN). Ces analyses comparatives, effectuées grâce à l'outil informatique (et faisant de ce fait partie du domaine de la 'bio-informatique'), sont couplées à des études expérimentales biochimiques, ce qui nous renseigne sur l'histoire évolutive des mécanismes dans lesquels ces gènes, protéines, ou ARN sont impliqués.

A l'ère post-génomique, les explications mécanistes sont donc susceptibles d'être articulées avec des explications évolutionnistes. Les résultats qui en sont issus révèlent que les mécanismes peuvent évoluer de façon variée : si certains ont été remarquablement conservés au cours de l'histoire évolutive du vivant, ou bien dans un groupe phylogénétique donné, d'autres en revanche se sont considérablement diversifiés entre différents organismes.

c) Une composante quantitative de plus en plus marquée

Les explications mécanistes présentent obligatoirement une composante qualitative : la simple description des interactions entre les parties du mécanisme correspond à un aspect qualitatif. Cependant, le développement de l'étude du vivant à l'échelle moléculaire s'accompagne de plus en plus d'une étude quantitative des processus moléculaires. Prenons l'exemple de la régulation de l'expression génétique par un facteur de transcription. Un facteur de transcription est une protéine pouvant s'associer au promoteur d'un gène (le promoteur étant la région à partir de laquelle est initiée la transcription du gène en ARN). Cette association peut entraîner, selon le facteur de transcription et le contexte cellulaire, soit une diminution de l'activité du gène, soit une augmentation de son activité : on parle de régulation de l'expression génétique. Le phénomène de régulation comporte un aspect qualitatif : il s'agit du simple fait que l'activité du gène est modifiée, soit à la hausse, soit à la baisse. Mais il est également possible d'adjoindre à la description de ce phénomène une composante quantitative, correspondant au niveau précis auquel l'activité du gène est régulée. Cet aspect quantitatif n'est pas trivial, puisqu'une modification parfois légère du niveau d'expression d'un gène peut être responsable de pathologies.

Depuis une dizaine d'années, le perfectionnement des techniques de puces à ADN, et leur usage de plus en plus répandu dans les laboratoires, permet d'analyser toujours plus finement le niveau d'expression des gènes. Ces données quantitatives (ici la concentration d'un composant du mécanisme) complètent alors avantageusement l'aspect qualitatif des mécanismes de régulation de l'expression génétique.

Plus généralement, c'est tout un ensemble de techniques utilisées aujourd’hui en routine par les biologistes qui conduisent à mettre l'accent sur l'aspect quantitatif des processus cellulaires (pour les connaisseurs, en voici quelques unes : hybridation in situ, RT-PCR quantitative, puces, PCR en temps réel sur cellule unique, etc.). Notons que les données quantitatives sont un aspect important des modélisations effectuées par la biologie des systèmes.

d) Des mécanismes dynamiques

L'aspect dynamique des mécanismes a été souligné par le philosophe des sciences William Bechtel. Cette dynamique mécanistique peut se comprendre de la manière suivante : il s'agit de la « façon dont les parties et opérations organisées du mécanisme sont orchestrées en temps réel pour produire des phénomènes dynamiques »8. Les rythmes biologiques circadiens par exemple, lorsqu'ils sont envisagés à l'échelle moléculaire, doivent être appréhendés dans leur aspect dynamique afin de pouvoir rendre pleinement compte du phénomène d'intérêt.

La dynamique d'un mécanisme peut être appréhendée au moins à deux niveaux. Premièrement, il peut s'agir du suivi d'une partie du mécanisme au cours du temps (quels sont les aspects temporels de son comportement ?). La mise en place d'approches expérimentales particulières est requise pour réaliser ces études : par exemple, des techniques telles que l'imagerie in vivo permettent de suivre l'évolution spatio-temporelle des molécules à l'intérieur d'une cellule, et ce à un niveau de résolution élevé. L'ère post-génomique a justement vu se développer de telles méthodes. Deuxièmement, l'aspect dynamique peut renvoyer à l'évolution de tout un système biologique au cours du temps. Si ce système est constitué des composants d'un mécanisme, c'est alors la dynamique du mécanisme qui est étudiée dans sa globalité. La biologie des systèmes étudie ce second niveau de dynamisme.

De plus en plus de mécanismes peuvent ainsi être étudiés d'un point de vue dynamique, soit au niveau d'un de leurs composants, soit dans leur globalité. Des dynamiques très différentes d'un mécanisme à l'autre sont à cette occasion révélées.

e) Des mécanismes stochastiques

Historiquement, le concept de mécanisme en biologie a été attaché à une vision déterministe du fonctionnement du monde vivant. Cela s'explique d'une part par la prégnance de la philosophie cartésienne, laissant peu de place au hasard, et d'autre part par la construction de la biologie moléculaire autour de la notion de stéréospécificité (les molécules biologiques sont supposées interagir entre elles de manière spécifique, à la manière d'un puzzle).

Cependant, depuis une quinzaine d'années, une multitude de travaux suggèrent que certains processus cellulaires comportent une composante stochastique. C'est le cas du processus d'expression génétique : deux cellules bactériennes, placées dans le même environnement, et possédant le même matériel génétique, peuvent présenter une expression différentielle de leurs gènes. L'amélioration récente des techniques d'étude sur cellule unique, ainsi que de la résolution quantitative de certaines approches expérimentales, a favorisé l'émergence de telles données.

L'étude des mécanismes du vivant sous l'angle de la stochasticité est prometteuse. Il semble d'ores et déjà très probable qu'un continuum entre des mécanismes totalement déterministes et des mécanismes ayant une forte composante stochastique sera révélé.

Conclusion

Le concept de mécanisme ainsi que la nature des explications mécanistes dans les sciences du vivant ont grandement évolué depuis leur mise en place au 17ème siècle. Avec le développement rapide, au cours de la dernière décennie, des techniques informatiques, expérimentales, de modélisation, de nouveaux éléments sont intégrés au sein des explications mécanistes, ou articulées avec elles. Ces éléments explicatifs font apparaître les mécanismes du vivant dans toute leur diversité. Les nouvelles perspectives qui émergent offrent un bel avenir à la nouvelle philosophie mécaniste dans le paysage de la philosophie des sciences.


Bibliographie


  1. Crick, F.H.C. (1988). What mad pursuit: a personal view of science. Basic Books, New York, p. 138.

  2. Descartes, R. (1644). Principes de la philosophie, IV.

  3. Alberts, B. (1998). The cell as a collection of protein machines: preparing the next generation of molecular biologists. Cell, 92, 291-294.

  4. Salmon, W.C. (1984). Scientific explanation and the causal structure of the world. Princeton: Princeton University Press.

  5. Voir par exemple : Machamer, P., Darden, L., and Craver, C. (2000). Thinking about mechanisms. Philosophy of Science, 67, 1–25. Glennan, S.S. (1996). Mechanisms and the nature of causation. Erkenntnis, 44, 49-71. Glennan, S.S. (2002). Rethinking mechanistic explanation. Philosophy of Science (Supplement): S342-353.

  6. Craver, C.F., and Bechtel, W. (2006). Mechanism. In Philosophy of science: an encyclopedia, S. Sarkar & J. Pfeifer (eds), New York: Routledge, pp. 469-478.

  7. Craver, C.F. (2001). Role functions, mechanisms and hierarchy. Philosophy of Science, 68, 31-55. Craver, C.F. (2002). Interlevel experiments and multilevel mechanisms in the neuroscience of memory. Philosophy of science Supplemental, S83-97.

  8. Bechtel, W., and Abrahamsen, A. (2009). Dynamic mechanistic explanation: computational modeling of circadian rhythms as an exemplar for cognitive science. Studies in History and Philosophy of Science, part A.


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