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Différentes facettes de la complexité du vivant

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Vendredi 27 Mai, de 14h à 17h (attention au changement de jour et d’horaire!), nous organisons une séance exceptionnelle, autour de la complexité biologique. A cette occasion, nous accueillons Evelyn Fox Keller et Annick Lesne, qui donneront deux conférences sur ce thème.

La séance, introduite et modérée par Giuseppe Longo, est organisée en collaboration avec l’Institut des Systèmes Complexes et le Réseau National des Systèmes Complexes, et se tiendra à l’Institut des Systèmes Complexes, 57-59  rue Lhomond, 75005 Paris.


What is special about biological complexity?

Evelyn Fox Keller

Massachusetts Institute of Technology

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Complexity of living systems : multiscale organization and robustness

Annick Lesne

CNRS/Université Paris 6

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Programme détaillé:

14h00 – 14h20:  Giuseppe Longo 
(CNRS, Ecole Normale Supérieure)

   Introduction

14h20 – 15h00:   Evelyn Fox Keller (Massachusetts Institute of Technology)

   What is special about biological complexity?



15h00 – 15h10 : Questions

15h10 – 15h30 : Pause café

15h30 – 16h10:   Annick Lesne (CNRS, Université Paris 6)

                      Complexity of living systems : multiscale organization and robustness

16h10 – 16h20 : Questions

16h20 – 17h00:   Discussion générale

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Franck Varenne

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Lundi 2 Mai, à 17h (attention au changement de jour!), nous accueillons Frank Varenne.

Pour préparer la séance: Varenne, F. (2010): Formaliser le vivant : lois, théories, modèles ?, Paris, Hermann.

Les biologies théoriques relationnelles au 20ème siècle  : diversité des enjeux et évolutions

Franck Varenne

Université de Rouen et GEMASS (UMR 8598 / CNRS / Paris Sorbonne)

RÉSUMÉ: Prôner l’avènement d’une biologie pleinement « relationnelle » est devenu récurrent dans différents contextes de la biologie théorique au 20ème siècle. Aujourd’hui encore, la primauté de la relation – et de ses diverses formes – sur les termes de la relation (molécules, matières, organes, forces, dimensions…) est nettement affirmée par un certain nombre de biologistes théoriciens. Pour quelles raisons ? Pour quels enjeux ? Méthodologiques, épistémologiques ou plus fondamentaux encore ? Cet exposé mènera l’enquête en revenant sur quelques figures majeures du passé récent. On trouve cette incitation à passer du physicalisme au relationnisme aussi bien, avant-guerre, chez Joseph Henry Woodger (dans le contexte d’une embryologie théorique influencée par l’épistémologie de l’empirisme logique), qu’après-guerre (dans un contexte, bien différent celui-ci, de biologie théorique mathématique et de biotopologie), en particulier chez Nicholas Rashevsky puis chez Robert Rosen. A travers l’évocation succincte du travail de ces trois chercheurs, et en se fondant notamment sur les analyses présentées dans (Varenne, 2010), cet exposé tentera de mettre en lumière la signification et les enjeux de tels appels aux relationnel, dans leur diversité, comme dans leurs évolutions, en particulier sous l’effet de la concurrence croissante, dans l’après-guerre, des approches modélistiques, cybernétiques puis computationnelles. Avec cette proposition d’interprétation et de mise en perspective, la question de la pertinence et du caractère actuel de ces appels au relationnel pourra également être posée avec plus de précision.

Références :

Rashevsky, N. : Mathematical Principles in Biology and their Applications, Springfield, C.C. Thomas Publisher, 1961.

Rosen, R. : Life Itself, New York, Columbia University Press, 1991.

Varenne, F. : Du modèle à la simulation informatique, Pais, Vrin, 2007.

Varenne, F. : Formaliser le vivant : lois, théories, modèles ?, Paris, Hermann, 2010.

Woodger, J. H. : The Axiomatic Method in Biology, London, Cambridge University Press, 1937


Jean-Jacques Kupiec

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Mardi 15 Mars, à 18h (attention au changement d’horaire!), nous accueillons Jean-Jacques Kupiec.

Pour préparer la séance: Kupiec, J.-J. (2008). L’Origine des individus, Le Temps des Sciences, Paris, Fayard.

Ontophylogenèse

Jean-Jacques Kupiec

Centre Cavaillès, Ecole Normale Supérieure, Paris.

 

 

RÉSUMÉ: La biologie reconnait deux entités dont l’existence semble une donnée immédiate de la perception et non une élaboration théorique ou le résultat d’une démarche expérimentale. Ces entités premières sont l’espèce et l’individu, dont la biologie cherche à expliquer la genèse et le fonctionnement. Cette reconnaissance structure la biologie dans ses champs disciplinaires et dans ses théories. En effet, elle aboutit à une séparation : d’un côté les disciplines qui concernent l’espèce (les sciences de l’évolution, la systématique …), de l’autre côté celles qui expliquent l’individu (l’embryologie, la physiologie …). Du même coup, le développement des organismes individuels (ontogenèse) et l’évolution des espèces (phylogenèse) sont considérés comme deux phénomènes distincts supposant deux mécanismes distincts n’ayant pas de rapport causal direct et nécessitant donc deux théories distinctes pour les expliquer : D’une part, la théorie de la sélection naturelle explique l’évolution des espèces et d’autre part, celle du programme génétique explique le développement des organismes individuels.

Au cours du séminaire je soutiendrai que cette manière de scinder la biologie n’est plus tenable au regard des données expérimentales acquises récemment et j’avancerai une nouvelle théorie dite de l’ontophylogenèse qui, au contraire, l’unifie. Dans son cadre, l’évolution des espèces et le développement embryonnaire sont tous les deux le résultat d’un seul processus de sélection naturelle étendue. Ce nouveau cadre théorique suppose une réévaluation des entités premières qui structurent la biologie. Ainsi, l’espèce et l’individu sont les deux facettes d’une seule réalité : la lignée généalogique. Il implique également un nouveau modèle de différenciation cellulaire : les gènes fournissent les protéines, mais leurs interactions sont probabilistes et elles sont triées par les contraintes sélectives aux niveaux, cellulaire, multicellulaire et environnemental. Les cellules changent de phénotype à cause d’événements stochastiques au niveau de l’expression des gènes et elles sont stabilisées par les interactions avec leur environnement. Ce modèle est testable et donne lieu à un programme de recherche expérimentale ainsi qu’à des simulations numériques.

Laura Nuño de la Rosa

Mardi 22 février, à 17h, nous accueillons Laura Nuño de la Rosa.

Pour préparer la séance: Nuño de la Rosa, L.  (2010).  Becoming organisms: the organisation of development and the development of organisation. History and Philosophy of the Life Sciences, 32(2-3), 289-315.

Becoming organisms: the organisation of development and the development of organisation

Laura Nuño de la Rosa

Departamento de Filosofía I (Universidad Complutense de Madrid, Spain) and IHPST (Université Paris 1-Sorbonne, France). Currently Visiting Fellow at the Konrad Lorenz Institute (Austria)

RÉSUMÉ:  Despite its radical importance in the development of organicism, embryology remains philosophically underexplored as a theoretical and empirical resource to clarify the nature of organisms. In my presentation I will discuss how developmental biology can help develop the organizational definition of the organism as a differentiated, functionally integrated, and autonomous system. I distinguish two views of development that yield two different organicist conceptions of living beings. The life history view claims that organisms can be considered as such during their whole ontogeny; the constitutive view distinguishes two periods in life history, namely the period of generation and the period of self-maintenance of a constitutive organization. I will argue that the organizational criteria for the definition of organism (i.e., differentiation, functional integration, and autonomy) can be applied to the developmental system only when it has entered the period of self-maintenance of a constitutive organization. In the light of current research in developmental biology, I will show that it is possible to make explicit how organisms come to be as organisms. To this end, I explore key ontogenetic events in vertebrate development that help us clarify the core aspects of animal organization and allow us to identify the developmental stage (the fetal or the larval stage in the case of vertebrates) that marks the ontological transition between an organism in potency and an organism in actuality.

Biographical Note: Laura Nuño de la Rosa is currently a KLI fellow, writing up her PhD dissertation, « The Problem of Organismal Form in Contemporary Biology: A Philosophical Examination » supervised by Prof. José Luis González Recio (Complutense University, Madrid) and Prof. Jean Gayon (Paris 1-Sorbonne). After graduating in Humanities at the University of Alicante, she entered the doctoral program in Philosophy of Science at Complutense University, Madrid, where she defended her DEA thesis, “Philosophical History of the Idea of Organismal Form: From Aristotelian Hylemorphism to Cellular Microanatomy” in 2005. In 2010 she obtained a Masters Degree in Biophysics at the Autonomous University of Madrid. Her masters project on “The Origin of Paired Fins,” supervised by Prof. Gerd B. Müller and Dr. Brian Metscher, was carried out in the Department of Theoretical Biology, University of Vienna. Laura Nuño de la Rosa received several grants for specialization abroad, spending time at the Institute of Philosophy, University of Havana, Cuba, at the Institut d’Histoire et de la Philosophie des Sciences et des Techniques (IHPST) in Paris, and at the KLI.

Christophe Malaterre

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Mardi 18 janvier, à 17h, nous accueillons Christophe Malaterre.

Pour préparer la séance: Lifeness signatures and the roots of the tree of life et On what it is to fly can tell us something about what it is to live.

De l’inerte au vivant: modes et degrés


Christophe Malaterre

Institut d’Histoire et de Philosophie des Sciences et des Techniques (IHPST), CNRS/Université Paris 1, Paris, France

 

 

RÉSUMÉ: L’existence d’une pluralité de définitions de la vie est souvent perçue comme une situation insatisfaisante qui résulterait d’une connaissance scientifique encore incomplète du phénomène vital. Pour certains, cette pluralité doit être éliminée au profit d’une unique définition de la vie restant à élaborer. Dans cette communication, je défends au contraire une thèse pluraliste selon laquelle l’existence d’une pluralité de définitions de la vie irait de pair avec l’existence d’une pluralité de types de systèmes vivants, et je propose de rendre compte de cette pluralité par la notion de « signature de vie ».

Nadine Peyriéras

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Mardi 14 novembre, à 17h, nous accueillons Nadine Peyriéras.

Pour préparer la séance: Olivier N. et al. (2010), Cell Lineage Reconstruction of Early Zebrafish Embryos Using Label-Free Nonlinear Microscopy, Science, 329, 967-971.

La reconstruction phénoménologique est-elle une étape utile voire nécessaire d’une reconstruction théorique en biologie?


Nadine Peyriéras

Institut de Neurobiologie Alfred Fessard, CNRS UPR 3294, Gif-sur-Yvette, France

RÉSUMÉ: Nous avons fait du schéma suivant le fondement d’une approche intégrée de la morphogenèse d’organismes modèles. Ce choix est justifié par un argument de nécessité d’une approche quantitative et formelle des processus biologiques afin de mettre en évidences propriétés émergentes et immergentes aux différents niveaux d’organisation du vivant. Cette approche dite de « reconstruction des dynamiques multiéchelles » dont nous attendons l’élucidation des causalités sous-jacentes au fonctionnement du vivant et un nouvelle compréhension des processus biologiques, conduit a une profonde transformation de l’activité scientifique dans le domaine de l’embryologie.

Au plan expérimental, ce schéma implique la mise en oeuvre de protocoles pensés avec les théoriciens pour répondre à la question de l’acquisition de mesures à même de restreindre le champ des paramètres dans les simulations numériques de modèles théoriques. Ce choix conduit à une description formelle de concepts que les embryologistes définissent jusque là au moyen de descriptions verbales : épibolie, invagination, involution, intercalation, extension
convergence, champ morphogénétique, territoire présomptif, histoire cellulaire clonale, sont autant de concepts qui faute d’être qualifiés formellement, sont difficilement partageables, mesurables et comparables d’un organisme modèle à l’autre ou d’une séquence spatiotemporelle à l’autre. Mais trouver une représentation formelle de ces concepts à partir de mesures de positions, de trajectoires, de formes et de transformations n’est pas une opération immédiate. Reformuler les hypothèses de l’embryologie, former de nouvelles hypothèses et les tester dans une approche quantitative et formelle des comportements cellulaires est un champ de recherche ouvert.
Nous pensons que se joue aussi une réconciliation entre biologie théorique et biologie expérimentale qui devrait considérablement enrichir les deux domaines. Ces questions seront abordées au cours du séminaire à partir de la mise en oeuvre du schéma proposé dans l’étude des mouvements cellulaires dans l’embryogenèse précoce du poisson zébré, fondement d’une reconstruction des dynamiques multiéchelles de la gastrulation.

Luis Rocha

Jeudi 18 novembre, à 17h, nous accueillons Luis Rocha.

Reality is stranger than fiction: Exploring the Evolutionary Role of RNA Editing with Computational Models


Luis Rocha

Luis Rocha

Center for Complex Networks and Systems / Cognitive Science Program
Indiana University, Bloomington, USA.

Luis M. Rocha is an Associate Professor and director of the Complex Systems graduate Program in Informatics, member of the Center for Complex Networks and Systems, and core faculty of the Cognitive Science Program at Indiana University, Bloomington, USA. He is also the director of the Computational Biology Collaboratorium and in the Direction of PhD program in Computational Biology at the Instituto Gulbenkian da Ciencia, Portugal. His research is on complex systems, computational biology, artificial life, embodied cognition and bio-inspired computing. [More on Luis Rocha]

Resumé:

During the last two decades, biology witnessed tremendous advances in our understanding of life. Most of these have resulted from the emphasis on genomics. During the same time, the field of Artificial Life gave us a scientific methodology to consider and study the general principles of life at large. The main assumption of the field was that instead of focusing on the carbon-based, living organization, life could be better explained by synthesizing its « logical forms » from simple—where, « fictional » machines substituted real biochemistry. The expectation was that this « out-of-the-box », synthetic methodology would gain us a wider scientific understanding of life. We would be able to entertain alternative scenarios for life, challenge the dogmas of biology, and ultimately discover the design principles of life. Yet, it is from biology, not artificial life, that the strangest and most exciting discoveries and design principles of life arise today.

One concept that has been lacking and needs updating in artificial life is its view of the genotype/phenotype relationship. Indeed, very few artificial life models deal with the complexity of genomic-proteomic interaction. Genotype and phenotype are intertwined in a complex manner, but each operates under different principles that are often overlooked in artificial life. Thus, artificial life rarely approaches issues of genomic structure and regulation, or the co-existence of DNA and RNA as different types of informational carriers. This could well be because artificial life models tend to regard genes solely as mechanisms of generational (vertical) inheritance, rather than as (informational) mechanisms of ontogenetic (horizontal) development, regulation, maintenance, phenotypic plasticity, and response to environmental change. This way, most artificial life models do not test, or even deal with, possible genomic structure architectures and their impact on development and evolution. This is a big shortcoming in the field since, as we have seen in the last two decades, the molecular biology gene and the genomic structure it implies are behind many essential principles of life.

In this talk, we will describe computational model for studying the evolutionary implications of RNA Editing: the genomic post-transcription alteration of genetic information. Our latest agent-based model of genotype editing is defined by two distinct genetic components: a coding portion encoding phenotypic solutions, and a non- coding portion used to edit the coding material. This set up leads to an indirect, stochastic genotype/phenotype mapping which captures essential aspects of RNA editing found in Nature. Previously, we have established the quantitative performance advantages of genotype editing against the canonical evolutionary algorithm in static and dynamic environments of various types. In this talk, we present a study of the qualitatively different evolutionary solutions attainable via genotype editing in drastically changing environments.

In particular, we show how genotype editing can be advantageous in dynamical environments, namely with the emergence of regulatory signals and memory of previous environment—a capacity not attainable by evolutionary algorithms that use only coding genetic material. Our research goal is twofold: (1) to study the role of RNA Editing regulation in the evolutionary process, and (2) to investigate the conditions under which genotype edition improves the optimization performance of bio-inspired evolutionary algorithms. We have shown that genotype edition allows evolving agents to perform better in several classes of fitness functions, both in static and dynamic environments. We are also investigating the ways in which the indirect genotype/phenotype mapping resulting from genotype editing leads to a better exploration/exploitation compromise in the search process.

Denis Noble

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Le jeudi 28 octobre à 11h nous accueillons Denis Noble.

La séance, organisée en collaboration avec l’Institut des Systèmes Complexes, l’Institut Jacques Monod et l’Institut Curie, se tiendra exceptionnellement à l’Institut Curie,  Amphithéâtre Burg, 12 rue Lhomond, 75005 Paris, Métro Monge, RER Luxembourg.

Pour préparer la séance:

http://www.musicoflife.co.uk/pdfs/Biophysics%20and%20Systems%20Biology.pdf

Systems Biology : evolution or revolution?

(Biologie des systèmes : évolution ou révolution?)

Denis Noble

Department of Physiology, Anatomy and Genetics, Oxford, UK

RÉSUMÉ: Computational biology has expanded rapidly during the first decade of the twenty-first century and, through its contribution to what is now called systems biology, it is set to revise many of the fundamental principles of biology, including the relations between genotypes and phenotypes. Evolutionary theory, in particular, will require re-assessment. Contrary to the neo-darwinists, ‘lamarckism’ should not be excluded. To succeed in this, computational and systems biology will need to develop the theoretical framework required to deal with multilevel interactions. While computational power is necessary, and is forthcoming, it is not sufficient. We will also require mathematical insight, perhaps of a nature we have not yet identified. This lecture is therefore also a challenge to mathematicians to develop such insights.

La biologie computationnelle s’est développée rapidement lors de la première décennie du 21ieme siècle.  Par ses contributions à ce que l’on appelle biologie des systèmes, elle exige une révision des principes fondamentaux de la biologie, et surtout des rapports entre génotypes et phénotypes. La théorie de l’évolution, surtout, doit être revisitée. Au contraire des idées neo-darwiniennes, le ‘lamarckisme’ n’est pas exclu.  Pour réussir dans ce projet, il nous faut des approches mathématiques qui puissent rendre compte des interactions multi-échelle. Cette conférence sera un défi lancé aux mathématiciens pour développer les structures formelles nécessaires.

Chrisantha Fernando & Vera Vasas

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The Beginnings of Life and its Dead Ends

Le mercredi 6 octobre à 18h nous accueillons Vera Vasas et Chrisantha Fernando.

Pour préparer la séance: Fernando, C., Vasas, V. (à paraître). The Cooptive Evolution of Chemical Networks and the Origin of Evolvability. Dans Genesis: Origin of life on Earth and Planet.

 

Lack of evolvability in self-sustaining autocatalytic networks: A constraint on the metabolism-first path to the origin of life.

Vera Vasas

Departament de Genètica i de Microbiologia, Grup de Biologia Evolutiva (GBE), Universitat Autònoma, Barcelone, Espagne

RÉSUMÉ: A basic property of life is its capacity to experience Darwinian evolution. The replicator concept is at the core of genetics-first theories of the origin of life, which suggest that self-replicating oligonucleotides or their similar ancestors may have been the first “living” systems and may have led to the evolution of an RNA world. But problems with the nonenzymatic synthesis of biopolymers and the origin of template replication have spurred the alternative metabolism-first scenario, where self-reproducing and evolving proto-metabolic networks are assumed to have predated self-replicating genes. Recent theoretical work shows that “compositional genomes” (i.e., the counts of different molecular species in an assembly) are able to propagate compositional information and can provide a setup on which natural selection acts. Accordingly, if we stick to the notion of replicator as an entity that passes on its structure largely intact in successive replications, those macromolecular aggregates could be dubbed “ensemble replicators” (composomes) and quite different from the more familiar genes and memes. In sharp contrast with template-dependent replication dynamics, we demonstrate here that replication of compositional information is so inaccurate that fitter compositional genomes cannot be maintained by selection and, therefore, the system lacks evolvability (i.e., it cannot substantially depart from the asymptotic steady-state solution already built-in in the dynamical equations). We conclude that this fundamental limitation of ensemble replicators cautions against metabolism-first theories of the origin of life, although ancient metabolic systems could have provided a stable habitat within which polymer replicators later evolved.

 

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Spontaneous formation and evolution of autocatalyctic set within compartments

Chrisantha Fernando

Department of Informatics, University of Sussex, UK

 

 

RÉSUMÉ: Biological evolution came to existence with the first living organism and we are still only guessing about the mechanisms of chemical evolution that could have operated before this time. The replication-first theory envisions polymer strands capable of template replication, meaning that the sequence of molecules on the parent strand is replicated (with mutation) to the child strand by a topographic mapping between the parent and child strand. Others point out the extreme improbability of the spontaneous emergence of such polymers and turn to investigate the appearance of catalytic reaction networks that could have been capable of producing complex organic molecules, and eventually, DNA and RNA strands. The GARD model was demonstrated by Vasas et al to lack evolvability. Are any other systems capable of undergoing natural selection prior to the origin of template replicators? We examine the ability of autocatalytic sets of linear polymers to form spontaneously and to sustain heredity when enclosed in compartments. Unlike GARD they are capable of sustaining multiple attractors that selection can act upon, and of evolving by co-optive evolution. The chemical network motifs responsible for heredity are examined.