L'émergence et la complexité biologique

Emergence and biological complexity

Institut Jacques Monod, CNRS, Universités Paris 6 et Paris 7

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Reçu : 16 Novembre 2005

Résumé

Les réseaux biologiques possèdent une organisation qui est en fait l'expression d'une information. Une fonction, I(X:Y)_N, appelée information mutuelle d'intégration, définit, sur des bases quantitatives, trois types possibles d'organisation. Si I(X:Y)_N = 0, les propriétés du système global XY peuvent être réduites à celles des sous-systèmes constitutifs X et Y. Ainsi, XY n'est pas un vrai système possédant des propriétés collectives, mais le simple regroupement de X et de Y. Ses propriétés sont simplement celles des sous-systèmes X et Y. Si I(X:Y)_N > 0, le système est intégré. Bien qu'il se comporte comme un tout cohérent, il ne possède que peu de propriétés collectives. Enfin, si I(X:Y)_N < 0, le système peut être considéré comme complexe, car il possède de nombreuses propriétés émergentes qui ne peuvent pas être prédites à partir de l'étude indépendante de ses deux sous-systèmes X et Y. Dans un système biologique, l'émergence d'information signifie habituellement l'émergence d'une fonction. C'est probablement ce qui se passe avec les enzymes. Si une protéine fixe deux ligands théoriquement capables d'interagir, et si la condition évoquée plus haut est satisfaite, alors la protéine se comporte comme une enzyme capable de catalyser effectivement la réaction chimique entre les réactifs considérés.

Abstract

Biological networks possess an organization that expresses their potential information. A function, I(X:Y)_N, called mutual information of integration, define, on a quantitative basis, three types of organization. If I(X:Y)_N = 0, the properties of the global system XY can be reduced to the properties of its component sub-systems X and Y. Hence, XY is not a real system displaying collective properties but the mere collection of X and Y. Its properties are the properties of the sub-systems X and Y. If I(X:Y)_N > 0, the system is integrated. Although it behaves as a coherent whole, it does not possess many collective properties. Last, if I(X:Y)_N < 0, the system possesses emergent collective properties and can be considered complex for it possesses many collective properties that cannot be predicted from the independent study of component sub-systems X and Y. In a biological system, the emergence of information usually means the emergence of a novel function. This is probably what is occurring with enzymes. If a protein binds two ligands able to interact, and if the condition above is fulfilled, then the protein behaves as an enzyme able to allow a catalytic reaction between the two reagents.