Un dispositif simple qui révèle la portée et l’échelle de tous les processus biologiques

Alors que la biologie progresse vers une ère numérique, elle crée de nouvelles opportunités de découverte.

De plus en plus, les informations issues des recherches sur les aspects de la biologie, de l’écologie à la biologie moléculaire, sont disponibles sous forme numérique. Les anciennes informations « héritées » sont en cours de numérisation. Ensemble, les informations numériques sont accumulées dans des bases de données à partir desquelles elles peuvent être récoltées et examinées avec une gamme croissante d’outils algorithmiques et de visualisation.

De cette tendance a émergé une vision selon laquelle, un jour, nous devrions être capables d’analyser tous les aspects de la biologie dans ce monde numérique.

Cependant, avant que cela ne puisse se produire, il faudra une infrastructure qui recueille les informations de TOUTES les sources, les transforme en données standardisées à l’aide de métadonnées et d’ontologies universelles, et les rende librement disponibles pour analyse.

Ces informations doivent également être acheminées vers des référentiels fiables pour garantir l’accès permanent aux données dans un état soigné et parfaitement adapté à la réutilisation.

La première couche de l’infrastructure est celle qui rassemble toutes les informations anciennes et nouvelles, qu’il s’agisse des migrations des mammifères marins, de la séquence des bases de l’ARN ribosomal ou des emplacements connus d’espèces particulières de protozoaires ciliés.

Combien de ces sous-domaines y aura-t-il ? Pour répondre à cette question, nous devons avoir une idée de la portée et de l’échelle de la biologie.

Avec « Nature’s Envelope », nous avons, pour la première fois, un modèle simple qui décrit la portée et l’échelle de la biologie. Présentée comme un dispositif rhétorique par son auteur, le Dr David J. Patterson, Université de Sydney, Australie, Nature’s Envelope est décrite dans un Forum Paper, publié dans la revue open-science Idées de recherche et résultats (RIO).

Ceci est réalisé en compilant des informations sur les processus menés par tous les organismes vivants. Les processus se produisent à tous les niveaux d’organisation, des transactions sous-moléculaires, telles que celles qui sous-tendent les impulsions nerveuses, à celles à l’intérieur et entre les plantes, les animaux, les champignons, les protistes et les procaryotes. De plus, ce sont aussi les actions et les réactions des individus et des communautés ; mais aussi la somme des interactions qui composent un écosystème ; et enfin, les conséquences de la biosphère dans son ensemble.

Dans Nature’s Envelope, les informations sur la taille des participants et la durée des processus à tous les niveaux d’organisation sont tracées sur une grille. La grille utilise une échelle logarithmique (base 10), qui a environ 21 ordres de grandeur de taille et 35 ordres de grandeur de temps. Les informations sur les processus allant des processus subatomiques aux écosystèmes, en passant par les molécules, les cellules, les tissus, les organismes, les espèces et les communautés sont attribuées aux blocs décennaux appropriés.

Les exemples incluent les mouvements du mouvement pas à pas de molécules comme la kinésine qui avancent de 8 nanomètres en environ 10 millisecondes; ou les migrations des sternes arctiques qui suivent des routes de 30 000 km ou plus de l’Europe vers l’Antarctique en trois à quatre mois.

Les extrêmes des processus de la vie sont déterminés par les entités les plus petites et les plus grandes à participer, et les processus les plus brefs et les plus durables. L’événement le plus bref à inclure est le transfert d’énergie d’un photon à un pigment photosynthétique lorsque le photon traverse une molécule de chlorophylle de plusieurs nanomètres de largeur à une vitesse de 300 000 km par seconde. Cette transaction est effectuée en 10 à 17 secondes environ. Comme il s’agit des plus petites particules subatomiques, il définit le coin inférieur gauche de la grille.

Le plus durable est le processus d’évolution qui progresse depuis près de 4 milliards d’années. L’influence de ce dernier a créé la biosphère (le plus grand objet vivant) et affecte la teneur en gaz de l’atmosphère. Ce processus a établi l’extrême droite supérieure de la grille.

Tous les processus biologiques s’inscrivent dans une large enveloppe en forme de S qui comprend environ la moitié des blocs décennaux de la grille. L’enveloppe dessinée autour des exemples initiaux est l’enveloppe de la nature.

« L’enveloppe de la nature sera un complément utile à de nombreuses discussions, qu’elles traitent de l’infrastructure qui gérera l’ère numérique de la biologie, ou qu’elles fournissent le contexte de l’éducation sur la diversité et la gamme des processus dans lesquels les systèmes vivants s’engagent. La version de Nature’s Enveloppe, publiée dans le RIO journal, est considéré comme une première version, à affiner et à améliorer grâce à la participation de la communauté », explique Patterson.