Origine de la vie/Simulation

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Contexte

Il existe déjà un paquet de simulations/animations informatiques simplettes, mais qui pourtant présentent des résultats/comportements intéressants. eg :

  • modèle proie-prédateur etc

Dans cette lignée, pourrait-on tenter un "simulateur" de structures dissipatives ?

Il ne s'agit aucunement d'un simulateur de la physique-chimie existante (bien trop complexe). Mais bien plutôt d'une modélisation ultra-simplifiée des principes les plus basiques.

Le challenge est largement algorithmique (faire les simplifications appropriées) car il y a beaucoup à calculer. Si on pense que le réacteur de base est de grande taille (mètre ou plus) ... ça fait du volume.

Par ailleurs, il faut d'évidence démarrer avec les éléments prébiotiques les plus complexes/pertinents déjà disponibles en quantité. a priori, l'ARN est un élément prébiotique possible (synthétisé en 2015 par Sutherland et al.). Voir eg https://fr.wikipedia.org/wiki/Acide_ribonucléique#Hypothèse_du_monde_.C3.A0_ARN Si on démarre avec des protons et des électrons => prévoir 100 ans de simulation.

Travaux existants


Ingrédients

carbone, eau liquide, nutriments, énergie PLSD60

  • Du flux constant,
  • des éléments prébiotiques (sans doute en abondance) + des règles d'interactions entre eux
  • de la dégradation (vieillesse/usure),
  • des apports d'énergie ponctuels, ...


Grands volumes et grande durée

Du temps, beaucoup de temps (décennies/siècles) + des quantités (tonnes) + un grand réacteur. Le temps : ne serait-ce que, parce que, pour que la synthèse naturelle du vivant ne s'arrête pas, les premières structures vivantes ont probablement dues être produites en quantités abondantes, histoire de pouvoir amorcer les synthèses (plus élaborées) suivantes. L'histoire de la vie, la vie qui a pris sur terre (le scénario gagnant), est par définition une histoire de synthèses successives et différentes réussies longue et ininterrompue. L'endroit (ou les endroits) réunissant les conditions favorables est forcément un endroit susceptible de synthétiser en quantité et pendant longtemps (siècles/millénaires ou plus).

Une 1° production de masse de molécules nécessaires se réalise. à partir de cette 1° production, une 2° production en masse de molécules un peu plus complexes, se réalise. etc. Pour qu'un tel enchaînement arrive à terme (à comparer à une mise en orbite), il faut probablement démarrer avec des quantités abondantes.

La vie produite dans un recoin de 1 cm3 ... elle devient quoi ? elle est déjà apte à quitter la couveuse ? impossible. La structure vivante doit continuer à s'élaborer, se développer, se complexifier, pendant encore un moment.

NB : si le scénario grosses quantités + grande durée est correct, cela ne va pas simplifier les simulations.


Dégradation/vieillesse

Comment l'intégrer ?
a priori, la dégradation des divers éléments ne se produit pas par magie (pas d'horloge dans la simulation pour indiquer la fin des éléments). La dégradation est juste une conséquence de certaines interactions physiques (et peut être progressive). Il faut donc impérativement munir la simulation de telles règles. Si la simulation n'a que des règles "positives" ... il ne faudra pas s'étonner d'assister à un accroissement. Mais cela serait totalement non réaliste.
L'émergence de la vie, c'est précisément l'émergence de la vie au sein d'un processus largement destructeur/désagrégateur. Il y a une forme de combat entre les forces d'agrégation et les forces de désagrégation. L'enjeu du combat est la réussite d'agrégations pertinentes/efficientes, au milieu d'innombrables destructions.
a priori, les probabilités de destruction/désordre doivent être très élevées (~99%), mais c'est le fait de rejouer la partie une infinité de fois qui fait que l'événement complémentaire, individuellement très improbable, finit quand même par se produire.

à noter que, implémenté tel que, cela conduit a priori probablement à des simulations longues.

Flux

  • un flux, ou des flux : flux de matière, flux d'énergie (les 2 générants aussi du mouvement)
  • le flux peut prendre l'allure d'une cheminée hydrothermale, aka fumeur -> https://fr.wikipedia.org/wiki/Mont_hydrothermal
    • les gaz qui s’échappent du système hydrothermal de Rainbow, sur la dorsale océanique au large des Açores, renferment 45 pour cent d’hydrogène et 43 pour cent de dioxyde de carbone. On a aussi détecté dans ces fluides des hydrocarbures (molécules faites de carbone et d’hydrogène) comprenant entre 16 et 29 atomes de carbone PLSD60
    • l'intérêt d'un fumeur, c'est aussi le phénomène de trempe (refroidissement rapide) à proximité. La trempe est explicitement utilisée en biologie de synthèse de la vie (eg par André Brack)
    • les premiers fumeurs n'étaient pas forcément profonds
  • on peut penser aussi à un geyser
  • une simple convection, de courte durée, ne semble pas très réaliste. Une durée très longue (des années/siècles) semble indispensable. Cela semble impliquer une structure durable dans le temps, donc a priori plutôt grande
  • le flux apporte de la chaleur + du mouvement, ie brassage/translation/rotation des éléments
  • en 3D, un tore, cellule de Bénard -> https://fr.wikipedia.org/wiki/Cellules_de_Bénard,
  • un mouvement convectif => du mouvement du bas vers le haut, ainsi que du haut vers le bas, et de toutes orientations. C'est plus riche qu'un simple bombardement du haut vers le bas.
  • un éventuel rythme du flux principal est à envisager. Un geyser qui bouillonne non pas continûment, mais par intermittence.
  • il peut aussi y avoir un flux lumineux, également intermittent (jour/nuit)
  • des flux annexes : courants latéraux

On peut voir le flux comme une forme de nourrissage/gavage forcé. Comme un poumon artificiel. Un bouche à bouche sur de la matière encore inerte. Et, comme le disait Thom, la matière va prendre corps/s'organiser/s'implémenter autour de cela.


Eléments

  • des éléments composés (molécules organiques et inorganiques, eg minéraux) divers et en quantité, avec des règles d'interactions entre eux. (C'est réaliste).
    • on ne démarre pas ex-nihilo. La vie ne s'est pas formée directement à partir des atomes bruts. On démarre avec du non-vivant, mais du non-vivant déjà un peu intéressant
    • hydrocarbures, alcool, sucre, cétone, amines, acides aminés, etc
    • de l'eau : c'est le substrat de la mobilité. Mobilité externe ... mais aussi mobilité interne. Abondant. Totalement consubstantiel des flux. (Du flux, mais sur du solide, eg silicium, ça ne sert à rien.)
    • l'eau est aussi un lubrifiant. Pour faciliter la circulation interne, l'eau est un élément tout indiqué
    • argile : composant souvent mentionné. Abondant. Joue aussi le rôle de substrat/catalyseur.
    • il serait bon d'avoir des estimations réalistes des quantités respectives en jeu.


Bonus

  • des décharges d'énergie ? (éclairs)
    • pourquoi pas. Mais on peut douter que cela joue un rôle.
  • peut-être un certain rythme dans les itérations ? jour/nuit ? dessiccation/vitrification/réveil (comme les tardigrades) ?


Pratique

  • démarrer en 2D, mais avoir 3D à l'esprit
  • démarrer simplet, eg des éléments qui sont juste des segments bifaces
  • affichage débrayable pour l'essentiel du temps. La surveillance des simulations se fait via les mesures
  • l'espace est modélisé par un maillage cartésien (2D dans un 1° temps)
  • les éléments sont sur les coordonnées entières du maillage
  • le maillage est simple et discret, mais les éléments peuvent être arbitrairement complexes. On n'utilise pas l'encodage des automates cellulaires où les éléments s'étalent et se décrivent sur les cases cartésiennes du référentiel.
  • pour la visu, les éléments peuvent éventuellement être simplement repérés par un symbole, une lettre. Mais il faudrait aussi indiquer l'orientation de l'élément.
  • ... ce serait bien d'arriver à faire fonctionner un raspberrypi.
  • jouer le film à l'envers
  • ne considérer que les coups gagnants
  • démarrer avec des éléments déjà complexes, eg des vésicules, mais utiliser une description schématique simple, eg triangle, carré, sphère. (On ne va pas simuler une vésicule avec 1000 molécules, c'est hors de portée (et sans doute non pertinent)).


Mesures

  • enregistrement des paramètres initiaux évidemment
  • enregistrement de l'état du système à tout instant
  • nombre d'éléments individuels
  • mesures des éléments et des agrégats : nombre, surface moyenne, longueur périphérique, masse, âge, (température ?)
  • d'une manière ou d'une autre, une mesure de la dissipation d'énergie (entropie), "rendement thermodynamique". Comment ?


Expectations

S'il y a des configurations intéressantes, a priori on peut penser qu'il s'agit plutôt d'une minorité.

Il faut donc pouvoir enchaîner les simulations par milliers. Et pouvoir identifier rapidement les configurations stériles.

Ce qui est attendu, ce sont, tout bonnement, certaines des caractéristiques de la vie, (dans l'ordre supposé) :

  • individualité d'avec le milieu aka encapsulage/individuation/vésicule/etc
    • apparition de structures à membrane. Il y a une frontière/peau entre la structure et le substrat
    • compétition entre structures pour l'occupation de l'espace
    • certains auteurs imaginent des structures encastrées dans du minéral (micro-cuvettes), ie pas forcément d'enveloppe homogène continue, mais juste un "couvercle", c'est peut-être une piste ?
  • structure topologiquement torique ou multitorique
    • car c'est cette topologie (et elle seule) qui permet d'exploiter le flux (ses ramifications), qui s'organise naturellement autour des ramifications du flux. Le flux fabrique (par sa dynamique) les enveloppes matérielles de ses ramifications innombrables
    • structures qui consomment/métabolisent d'autres éléments ou structures
    • entrées de matière, sorties de matière
    • homochiralité -> https://fr.wikipedia.org/wiki/Asymétrie_des_molécules_biologiques
  • survie
    • apparition de structures stables/durables, augmentation de la stabilité/résilience des structures nouvelles ("la vie dans la nature", p 171, G. Chauvet)
    • esquisse de mécanismes de régulation/homéostase, dont échanges de chaleur
    • esquisse de mécanismes de régénération/réparation (c'est directement la lutte contre l'entropie)
    • structures qui fusionnent
    • accroissement de la dissipation
    • survie relativement à la quantité de destructions (mesurable) et survie assez longue pour permettre la reproduction
  • auto-catalyse/emballement
    • phénomène qui peut déjà être apparenté à la reproduction, tout en étant nettement plus simple
  • réplication/reproduction
    • a priori selon un scénario de moulage/démoulage : prise d'empreinte/moulage -> décrochage du moule -> remplissage du moule -> démoulage
    • accroissement de la dissipation
    • dernière propriété ama, car d'une part plus complexe/basé sur plus complexe, et d'autre part l'accroissement de la dissipation est déjà réalisé aux étapes précédentes (par des processus plus simples). De plus, ce n'est pas une caractéristique sine qua non de la vie. Il y a plein de trucs vivants, et qui ne se reproduisent pas. Quatuor : l'auto-catalyse est déjà un phénomène qui peut être apparenté à la reproduction (et nettement plus simple)
    • NB : certains auteurs pensent que la réplication est plutôt dans les premières propriétés : « À un moment donné, une molécule remarquable s’est formée par accident. Elle n’était peut-être pas la plus grande, ni la plus complexe, mais elle avait l’extraordinaire propriété de fabriquer des copies d’elle-même. » R. Dawkins


  • misc
    • structures qui se spécialisent (ie répétition/fréquence d'un comportement)
    • structures avec de nouvelles propriétés
    • accroissement de la complexité, qui est mesurable (voir travaux de J.P. Delahaye et al. sur la profondeur de Bennett)


Définitions/Données

  • molécule organique = molécule qui contient du carbone
  • Apparition de la vie sur terre = -4 milliards d'années
  • Le rayonnement solaire est tantôt réputé favorable à la vie (apport d'énergie), tantôt défavorable.
  • idem pour le bombardement UV, réputé tantôt défavorable (PLS464-2016 => un milieu protégé serait nécessaire) tantôt favorable à la synthèse du vivant


Eléments de scénario

Il n'est pas si facile de définir la frontière entre vivant et non-vivant. Mais, a priori, le vivant est caractérisé par plusieurs propriétés simultanées. C'est la simultanéité de l'occurrence de ces propriétés qui fait la vie.

Dualement, il existe des structures non-vivantes, mais qui possèdent certaines caractéristiques de la vie (eg structures dotées d'une membrane, mobilité, etc).

On peut imaginer que des "membranes" non-vivantes soient disponibles à la surface d'un liquide et que, par brassage, des molécules complexes, se retrouvent engluées, entourées puis finalement entourées par la membrane => proto-cellule

Il est a priori parfaitement probable que la première structure vivante ait été largement bricolée par assemblage aléatoire d'éléments pertinents, eg une membrane + 2 tubes plantés dans la membrane, un flux qui s'établit à l'intérieur de cette "cellule" primitive accidentelle ... et c'est parti !
« toute la matière a la vie en soi, à l’état actuel ou à l’état potentiel » - Stéphane Leduc
C'est exagéré, mais il n'y a aucune raison métaphysique à ce que les premières structures vivantes aient été seulement constituées d'éléments atomiques. Des molécules inorganiques un peu élaborées (tubes, etc) ont pu, par le fruit du hasard, se trouver intégrées dans les premiers assemblages opérationnels.


“A great way of dissipating more is to make more copies of yourself.” - Jeremy England
Une cheminée hydrothermale est un tore. La cheminée refabrique des répliques minuscules d'elle-même.

Il n'y a peut-être pas 36 façons d'implémenter la vie. Peut-être seulement quelques schémas possibles (voir Thom). Les singes dactylographes finissent par implémenter dans le matériel existant, un schéma viable.

Une plante est topologiquement un tore. Le tore étant la forme simplexe autour d'un flux.

On se rappelle qu'il suffit de 3 corps et d'une liaison d'expression simple entre eux pour obtenir du chaos.


Bibliographie

  • "Pour La Science" Dossier #60, juillet/septembre 2008, Où est née la vie ?. Plusieurs articles intéressants
    • Des machines inspirées par le vivant, Moshe Sipper & James Reggia. Très intéressant (décrit des travaux similaires à ceux qui m'intéressent)
  • PLS375-2009, pp84-87. Les jardins chimiques : un faux pas vers la vie synthétique.
    • il est explicitement question de réactions chimiques dans les fumeurs


(Ne pas hésiter à me contacter pour une copie de tel ou tel article PLS).


Liens


Pages connexes