La notion d'information en biologie, bilan et perspectives Paris, le 24 octobre 2014 - J. Segal, maître de conférences en histoire des sciences et épistémologie,

La notion d'information en biologie, bilan et perspectives Paris, le 24 octobre 2014 - J. Segal, matre de confrences en histoire des sciences et pistmologie, [email protected] Journe scientifique Origines organise au MNHN par Marie-Christine Maurel et Philippe Grandcolas (UMR 7205)

I Codage et transmission Rapide historique La notion dinformation au cur de proccupations techniques La notion dinformation en physique La notion dinformation en agronomie II Convergences, 1942 Une interdisciplinarit de circonstance La premire confrence Macy Lillumination structuraliste Au mme moment, quelques rflexions continentales sur la biologie III Axiomatisation, 1948 Shannon: un ingnieur-mathmaticien-bricoleur Claude Shannon gnticien ? Alan Turing et la morphognse (1952) La cyberntique IV 1953, une publication qui fait date Linformation dans le modle de Crick et Watson A la recherche du code , 1953-1961 Les espoirs en 1968 V Prodiges et vertiges de lanalogie du code La notion dinformation et limprialisme de la biologie molculaire Des dbats de socit Plus srieusement

I Codage et transmission 1.1 Claude Chappe (1763-1805) 1.1. Rapide historique

Auguste Kerckhoffs (1835-1903) Cryptologue militaire nerlandais La Cryptographie militaire (1883) La Cryptographie militaire (1883) William F. Friedman (1891-1969) Cryptologue de l'arme de terre amricaine The Index of Coincidence and its Applications in Cryptography (1920) 1.2

Les cbles transatlantiques sont installs partir de 1866 et certains restent utiliss jusquaux annes 60 Encombrement de lespace d au dveloppement des lignes tlphoniques Ralph Hartley (1888-1970) Harry Nyquist (1889-1976) Karl Kpfmller (1897-1977) Bell Laboratories Siemens & Halske 1.3 1.2. La notion dinformation au cur de proccupations techniques

Synthse paramtrique de la parole utilisant les caractristiques statistiques des frquences vocales H.W. Dudley, Remaking speech , J. of the Acoustical Society of America,11, 1939, pp.169-77 1.4 Coder la voix humaine - le Vocoder

1.5 Petite dmonstration Synthse vocale avec le Voder

1.6 Science Newsletter, January 14, 1939

1.7 Dmonstration complte The 1939 Worlds Fair in New York

1.3. La notion dinformation en physique W reprsente le nombre dtats du systme tudi. Au niveau microscopique, lentropie mesure de la capacit dun systme acqurir un grand nombre dtats. Lentropie na rien voir avec le dsordre, notion minemment subjective. Vienne, Zentralfriedhof Si vous cherchez une tombe http://www.findagrave.com ! Ludwig Boltzmann (1844-1906) S = k log W 1.8

Robert Brown (1773-1858) Mouvement brownien Marjan von Smoluchowski (1872-1917) en 1912 Leo Szilard (1898-1964) en 1929 (le dmon doit tre renseign [unterrichtet]) Dmon de Maxwell (1874) Gilbert N. Lewis (1875-1946) crit en 1930 : Gain in entropy always means loss of information, and nothing more. 1.9

1.4. La notion dinformation en agronomie Sir Ronald Fisher (1890-1962) Il est vident aussi, quen introduisant le concept de quantit dinformation, nous ne voulons pas donner un nom arbitraire une quantit calculable, mais devons nous prparer justifier le terme employ, en relation avec ce que requiert le sens commun, et dire si le terme est appropri et utile comme instrument pour penser. Les consquences mathmatiques de lidentification, comme je le propose, de la prcision intrinsque de la courbe derreur avec la quantit dinformation extraite, peuvent donc maintenant tre rsumes, surtout afin de pouvoir juger daprs notre sens commun pr-mathmatique, si elles ont bien les proprits quelles doivent avoir. (1935) Intrt pour linformation pertinente et pour les gnes pertinents 1.10 Lobjet de la mthode statistique est la rduction des donnes. Il faut remplacer une masse de donnes, si importante quelle en est inintelligible, par un nombre relativement petit de quantits qui doivent reprsenter correctement cette masse, ou, en dautres mots, doivent contenir la plus grande part possible si ce nest la totalit de linformation pertinente contenue dans les donnes d'origine. (1925)

II Convergences, 1942 2.1 National Defense Research Committee Premire runion officielle du NDRC le 2 juillet 1940. Assis de gche dte : Brigadier General George V. Strong, James B. Conant, Vannevar Bush, Richard C. Tolman et Frank B. Jewett. Debouts : Karl T. Compton, Irvin Stewart, and Rear Admiral Harold G. Bowen. Missing is Commissioner of Patents et Conway P. Coe.

6 000 scientifiques sont sous la responsabilit de V. Bush lorsque celui-ci dirige lO.S.R.D. Cinq divisions Armes et artillerie, prside par R.C. Tolman, Californian Technology Univiversity Bombes, explosifs et chimie, J.B. Conant, Harvard Univiversity Tlcommunications et transport, F.B. Jewett, Bell Labs et Acadmie des Sciences Dtection, commande et instruments, K.T. Compton, M.I.T. Brevets et inventions, C.P. Coe, US-Commision of Patents. 2.2 ! 2.1. Une interdisciplinarit de circonstance

Fin 1942, le National Defense Research Committee est rorganis autour de 18 divisions, dont une pour la conduite de tir et une pour le radar. Un groupe interdisciplinaire consacr aux mathmatiques appliques est cr en plus, le Applied Mathematics Pannel. Des aspects institutionnels importants 2.3

2.2. La premire confrence Macy La publication de 1943 2.4

Lillumination structuraliste Roman Jakobson (1896-1982) Claude Lvi-Strauss (n en 1908) 2.5

2.6 Erwin Schrdinger (1887-1961) 2.4. Au mme moment, quelques rflexions continentales sur la biologie Cimetire dAlpbach, Autriche http://www.findagrave.com !

En donnant la structure des fibres chromosomiques le nom de code, nous entendons signifier que lesprit omniscient conu un jour par Laplace, et qui tout rapport causal serait immdiatement connu, pourrait immdiatement dduire de cette structure si luf, plac dans des conditions convenables, se dvelopperait en coq noir ou en poule tachete, en mouche ou plante de mas, rhododendron, scarabe, souris ou femme 2.7

3.1 Claude Shannon (1916-2001) 1936 : Bachelor of Science (Mathematics & Electricial Engineering) 1937 : travail de maintenance sur l analyseur diffrentiel 1938 : Masters 1939 : Lettre Vannevar Bush 1940 : PhD in mathematics au MIT (gntique) 1945 : Thorie mathmatique de la cryptographie (rapport confidentiel dclass en 1957) 1948 : Une thorie mathmatique de la communication 1949 : La thorie mathmatique de la communication 1950 : Programming a computer for playing Chess 1956 : Quitte les Bell Labs (41-56) pour le MIT III Axiomatisation, 1948 3.1. Shannon: un ingnieur-mathmaticien-bricoleur

3.2 Un Master qui fait date Les deux circuits ci-dessus sont quivalents. Le deuxime est videmment beaucoup plus simple, ce qui signifie un cot moindre (car moins de composants) et surtout une plus grande fiabilit.

3.3 La lettre Vannevar Bush Lettre de Shannon Bush Lettre de Shannon Bush, 16 fvrier 1939 Library of Congress Archives (Bush Papers) Le memex (1945)

3.4 A Mathematical Theory of Cryptography (1945) Rapprochement entre information et entropie La non rencontre avec Alan Turing (1942-1943)

3.5 A Mathematical Theory of Communication (1948) W est la largeur de bande, P la puissance du signal reu et N celle du bruit considr additif, gaussien et blanc. Capacit dune voie de communication dans le cas continu :

3.2. Claude Shannon gnticien ? 3.6

3.3. Alan Turing et la morphognse (1952) 3.8

3.10 Norbert Wiener (1894-1964) 3.4. La cyberntique

4.1 Watson & Crick, 1953 Strasser 2003 IV 1953, une publication qui fait date 4.1 Linformation dans le modle de Crick et Watson

Le RNA Tie Club, fond en 1954 (ici Francis Crick, Leslie Orgel (derrire), Alexander Rich et James Watson (devant)) 1955 4.2 Le code diamant Crick : The importance of Gamow's work was that it was really an abstract theory of coding, and was not cluttered up by a lot of unnecessary chemical details.... 4.2. A la recherche du code , 1953-1961

Code ou tableau de correspondances ? 4.3 1961 Marshall W. Nirenberg et H. Matthaei Lily E. Kay, 2000

4.4 Les Lettres franaises 14 fvrier 1968 4.3 Les espoirs en 1968

V - Prodiges et vertiges de lanalogie du code 5.1 1.De l'art de passer pour un scientifique aux yeux des littraires 2.L'inculture scientifique des littraires est-elle la vraie responsable du dsastre ? 3.Comment les coupables se transforment en victimes et en accusateurs 4.Les avantages de lignorance et la confusion considre comme une forme de comprhension suprieure 5.Les malheurs de Gdel ou lart d'accommoder un thorme fameux la sauce des philosophes 6.Largument Tu quoque ! 7.Qui sont les vrais ennemis de la philosophie ? 8.Laffaire Sokal et aprs : la leon sera-t-elle comprise ? 9.La libert de penser sans la libert de critiquer ?

Jacques Monod, 1970 dangers de la dgradation gntique dans les socits modernes (). Dans la mesure o joue encore une slection, elle [la slection] ne favorise pas la survivance du plus apte, cest--dire en des termes plus modernes la survivance gntique de ce plus apte par une expansion plus grande de sa descendance. Le Hasard et la Ncessit Linus Pauling proposait quon tatoue sur le front les adolescents porteurs de gnes codant pour des maladies mortelles (1968) Francis Crick, 1962 Aucun enfant nouveau-n ne devrait tre reconnu humain avant davoir pass un certain nombre de tests portant sur sa dotation gntique (...). Sil ne russit pas ces tests, il perd son droit la vie. 5.2 5.1 La notion dinformation et limprialisme de la biologie molculaire

Franois Jacob en 1974 dans un article sur le modle linguistique en biologie dnonce la tendance frquente en biologie prendre le modle pour une explication et les analogies pour des identits. 5.3 et finit en lanant Cest peut-tre I Ching quil faudra tudier pour saisir les relations entre hrdit et langage. Leibniz, en 1703 : Ce quil y a de surprenant dans ce calcul, cest que cette arithmtique par 0 et 1 se trouve contenir le mystre des lignes dun ancien roi et philosophe nomm Fohy, quon croit avoir vcu il y a plus de quatre mille ans et que les Chinois regardent comme le fondateur de leur empire et de leurs sciences.

5.7 La prochaine tape sera le transfert dinformations et de la personnalit dun individu vieillissant son propre clone encore jeune, (...) comme le font les lohim avec leur 25 000 ans d'avance scientifique Les Raliens 5.2 Des dbats de socit

N. S. : Je ne suis pas d'accord avec vous. J'inclinerais, pour ma part, penser qu'on nat pdophile, et c'est d'ailleurs un problme que nous ne sachions soigner cette pathologie. Il y a 1200 ou 1300 jeunes qui se suicident en France chaque anne, ce n'est pas parce que leurs parents sen sont mal occups ! Mais parce que, gntiquement, ils avaient une fragilit, une douleur pralable. Prenez les fumeurs : certains dveloppent un cancer, d'autres non. Les premiers ont une faiblesse physiologique hrditaire. Les circonstances ne font pas tout, la part de l'inn est immense. 5.8 M. O. : Il y a beaucoup de choses que nous ne choisissons pas. Vous navez pas choisi votre sexualit parmi plusieurs formules, par exemple. Un pdophile non plus. Il na pas dcid un beau matin, parmi toutes les orientations sexuelles possibles, dtre attir par les enfants. Pour autant, on ne nat pas homosexuel, ni htrosexuel, ni pdophile. Je pense que nous sommes faonns, non pas par nos gnes, mais par notre environnement, par les conditions familiales et socio-historiques dans lesquelles nous voluons. et lancien prsident de la Rpublique

5.3 Plus srieusement (trois exemples de travaux contemporains) 2014 5.9

Au niveau molculaire, un tri doit tre fait entre protines normales et protines dysfonctionnelles, tri entre triplets codant et non codants. Les nouveau-ns proviennent dorganismes gs. Comment parvenir une reproduction qui donne une descendance plus jeune ? Cest leffacement dinformation qui ncessite de lnergie (Landauer 1961, Bennett 1988). Recherche du principe qui fait merger les entits qui ont accumul de linformation. La slection naturelle vue comme processus de pigeage de linformation. 5.10

() mainstream evolutionary theory has come to focus almost exclusively on genetic inheritance and processes that change gene frequencies. 5.12

We hold that organisms are constructed in development, not simply programmed to develop by genes. Living things do not evolve to fit into pre- existing environments, but co-construct and coevolve with their environments, in the process changing the structure of ecosystems. Comment from David Tyler (Universitat de Valncia, Cell Biology): It seems to me that the key issues relate to biological information and the word evolution needs to be defined in a way that does justice to the origin (or loss) of information. The story that standard evolutionary theory (SET) tells is simple: new variation arises through random genetic mutation; inheritance occurs through DNA; and natural selection is the sole cause of adaptation, the process by which organisms become well-suited to their environments. In this view, the complexity of biological development the changes that occur as an organism grows and ages are of secondary, even minor, importance. In our view, this gene-centric focus fails to capture the full gamut of processes that direct evolution. Missing pieces include how physical development influences the generation of variation (developmental bias); how the environment directly shapes organisms traits (plasticity); how organisms modify environments (niche construction); and how organisms transmit more than genes across generations (extra- genetic inheritance). For SET, these phenomena are just outcomes of evolution. For the extended evolutionary synthesis (EES), they are also causes. 5.13

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