Modéliser l'émergence physico-chimique de la sélection naturelle – EmergeNS

L’origine de la vie implique nécessairement l’émergence de dynamiques darwiniennes dans un monde non biologique. Pour expliquer cette transition, la première hypothèse, habituellement dénommée ‘gene first’, suppose l’émergence spontanée d’objets capables de se reproduire tout en subissant des mutations génératrices d’une variance héritable en fitness, par exemple sous la forme d’ARNs auto-répliquants. À cette perspective, on oppose généralement l’hypothèse ‘metabolism first’, qui met l’accent sur le caractère improbable de la première, et sur la nécessité d’une chimie déjà très élaborée pour donner lieu à l’existence d’objets et de propriétés aussi complexes. Plus réaliste d’un point de vue physico-chimique, cette seconde proposition se heurte néanmoins à une autre difficulté majeure : en mettant l’accent sur les processus purement chimiques, elle se prive de l’immense pouvoir explicatif des dynamiques darwiniennes, pourtant à même de faciliter l’émergence de la complexité. Selon notre hypothèse – développée dans un cadre conceptuel et théorique émergeant et reposant sur nos multiples piliers disciplinaires – la solution pourrait résider dans une réconciliation de ces deux perspectives : il s’agit d’envisager la possibilité d’une émergence graduelle des propriétés darwiniennes, dans des systèmes hors équilibre obéissant aux contraintes fondamentales de la thermodynamique.

Selon notre hypothèse, une telle articulation pourrait reposer sur l’autocatalyse, et sa capacité à engendrer des dynamiques d’abord écologiques, mais susceptibles de devenir progressivement darwiniennes. Nos outils récents permettent la détection exhaustive des cycles autocatalytiques dans de grands réseaux de réactions et l’analyse de leur dynamique par simulation, tout en respectant les contraintes imposées par la thermodynamique. La première étape du projet consistera à caractériser les paramètres affectant le taux d’accroissement de ces cycles, pris isolément ou collectivement, en utilisant des concepts et outils de l’écologie théorique. Ce faisant, nous évaluerons de façon formelle la proposition inspirante d’une véritable écologie des cycles autocatalytiques, fondée sur une grande diversité d’interactions synergiques ou antagonistes entre cycles. Dans un second temps, nous caractériserons les états stationnaires, atteints par ces réseaux de réactions lorsque la production de chaque entité est compensée par sa destruction. Nous chercherons en particulier à évaluer et comprendre la contribution de l’autocatalyse à la multistabilité, c'est-à-dire à l’existence de plusieurs états stationnaires possibles, chacun entouré de son bassin d’attraction dans l’espace des concentrations. En effet, la multistabilité pourrait constituer un analogue physique de la variance héritable, ouvrant la voie à des dynamiques darwiniennes élémentaires, dont l’analyse sera au cœur du troisième volet. En connectant plusieurs sous-systèmes par diffusion, chacun occupant un compartiment dans un métasystème spatialisé, nous testerons l’hypothèse selon laquelle une telle structuration de l’environnement pourrait donner l’avantage aux états stationnaires les plus prolifiques et non les plus robustes : non pas les plus résistants aux perturbations stochastiques, mais les plus à même de transmettre leur configuration vers les compartiments voisins. Ainsi, un état stationnaire caractérisé par un petit bassin d’attraction pourrait néanmoins envahir la population naissante composée de ces multiples compartiments connectés, par exemple en produisant, par autocatalyse, plus de matière que ses voisins. Dans ce contraste entre fitness et robustesse, nous entrevoyons la possibilité de saisir les principes fondamentaux et généraux des dynamiques darwiniennes les plus élémentaires. Tout en restant purement théorique, notre approche repose sur un réalisme thermodynamique solide. En ce sens, elle constitue une étape nécessaire et prometteuse vers l’investigation expérimentale de ces processus.