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Peut-on prédire l’évolution?

À titre de lauréat de l’un des 6 prix Sofja-Kovalevskaja, Matteo Smerlak, postdoctorant à l’Institut Périmètre, appliquera la mécanique statistique et les mathématiques à la théorie de l’évolution de Darwin.

L’une des idées les plus connues de l’humanité — la théorie de l’évolution de Darwin — repose presque uniquement sur des données historiques et laisse peu entrevoir ce qui pourrait arriver dans l’avenir. Est-ce parce que l’évolution future ne peut pas être prédite ou parce que nous n’avons pas poussé la théorie assez loin?

Matteo Smerlak, postdoctorant à l’Institut Périmètre, espère répondre à cette question grâce au prix Sofja-Kovalevskaja, d’une valeur de 1,65 million d’euros sur 5 ans, qui lui a été attribué par la Fondation Alexander-von-Humboldt.

C’est un plongeon délibéré dans un sujet fondamental qui, depuis 5 ans, intéresse de plus en plus M. Smerlak. Celui-ci a commencé sa carrière en étudiant la gravitation et les trous noirs, pour ensuite se consacrer à la recherche sur les systèmes complexes.

Au cours de la prochaine année, M. Smerlak constituera une équipe de biologistes et de physiciens à l’Institut Max-Planck de mathématiques des sciences, à Leipzig, en Allemagne. Cette équipe mettra à profit des compétences et points de vue différents pour étudier les aspects mathématiques de la dynamique de l’évolution.

« J’aimerais que les gens confrontent différents points de vue sur ce qu’est l’évolution, a-t-il déclaré. C’est cela qui pourrait être productif. » [traduction]

En physique, une théorie fructueuse réalise des prédictions vérifiables. Une grande théorie survit à des tests répétés et fournit une feuille de route pour des découvertes futures. À titre d’exemple, la théorie de la relativité générale a postulé l’existence des ondes gravitationnelles un siècle avant la première détection de ces ondulations de l’espace-temps.

Dans la théorie de l’évolution, les biologistes reconstruisent l’histoire de la vie à partir de fossiles et de génomes. L’arbre phylogénétique, ou arbre de la vie, qui en résulte constitue l’un des grands succès de la science.

Représentation de l’arbre de la vie réalisée par le Smithsonian

Les deux démarches semblent diamétralement opposées, mais Matteo Smerlak voit un lien possible : « La physique est en grande partie structurée de telle sorte que, lorsque certaines conditions sont remplies, on peut formuler des hypothèses sur ce qui va se produire. Y a-t-il quelque chose de semblable dans la théorie de Darwin?

« Il est clairement impossible de prédire des résultats de l’évolution : on ne peut pas dire si, dans 50 millions d’années, les oiseaux auront ou non 4 paires d’ailes. Mais la théorie de l’évolution est en réalité une théorie statistique. Elle concerne beaucoup plus des modèles statistiques que des résultats spécifiques observables. » [traduction]

Le rôle de la sélection naturelle

La sélection naturelle constitue un exemple éloquent de la manière dont la physique peut étendre notre compréhension de l’évolution.

La sélection naturelle est le mécanisme par lequel, avec le temps, les traits qui permettent à un organisme de croître plus rapidement ou de mieux survivre l’emporteront sur les traits qui n’ont pas ces propriétés. Ces « meilleurs » traits — que les biologistes appellent aptitudes — finissent par se répandre dans toute la population.

Aux yeux d’un physicien, ce processus semble étonnamment familier. « Si l’on représente cette distribution des aptitudes comme quelque chose qui évolue dans le temps, explique M. Smerlak, cela ressemble alors à un problème évolutif au sens physique, avec des conditions initiales, des équations dynamiques et des prédictions possibles. » [traduction]

Dans l’article intitulé Limiting fitness distributions in evolutionary dynamics (Limitation des distributions d’aptitudes en dynamique évolutive), Matteo Smerlak et son collaborateur Ahmed Youssef ont utilisé la mécanique statistique pour montrer que la distribution des aptitudes — lorsqu’elle subit l’action de la sélection naturelle — présente une forme statistique caractéristique. « Vous pouvez voir cela comme une signature de la sélection naturelle » [traduction], dit M. Smerlak.

Dans un article subséquent, intitulé Universal statistics of selected values (Statistiques universelles en sélection naturelle), les 2 chercheurs ont fait remarquer que cette signature est valable quel que soit l’objet de la sélection : la taille des joueurs de basketball de la NBA, l’indice de profit à vie des races de bovins, ou l’efficacité qu’ont des anticorps aléatoires de se fixer à une cible moléculaire.

Pour M. Smerlak, cela ouvre la possibilité captivante que l’évolution offre de nouvelles avenues de découverte : « Il n’y a aucune raison pour laquelle je ne pourrais pas concevoir une expérience menée sur des microbes en évolution et formuler une hypothèse sur la base de certains calculs, en disant ‘Voici la forme du résultat que nous obtiendrons — essayons pour voir’. » [traduction]

L’idée n’est pas nouvelle. Un certain nombre de physiciens se sont mis à étudier des systèmes biologiques, et le tout premier numéro de la revue Nature Ecology and Evolution contenait un article intitulé Predicting Evolution (Prédire l’évolution), de Ville Mustonen ainsi que des physiciens Michael Lässig et Aleksandra Walczak.

Les auteurs ont écrit : « Pour un nombre croissant de systèmes, nous assistons à la transition vers un nouveau type de biologie évolutive prédictive. Nous nous attendons à ce que l’analyse prédictive modifie notre perception globale des sciences de la vie. » [traduction]

Les biologistes ont eu des réactions diverses face à cette nouvelle orientation. Certains affirment que la théorie de l’évolution devrait — et éventuellement peut uniquement — être fondée sur des preuves historiques.

D’autres, dont les chercheurs en oncologie de l’Institut des systèmes biologiques de Seattle, que M. Smerlak a visité l’an dernier, sont très intéressés par l’idée d’un élargissement possible de la théorie de l’évolution.

« La sélection naturelle vise la vitesse de reproduction et la qualité de la survie, explique M. Smerlak. C’est exactement ce que font les cellules cancéreuses dans le corps : elles se reproduisent plus vite et résistent mieux aux assauts du système immunitaire que les autres cellules anormales. » [traduction]

Avec son déménagement à Liepzig en 2018, Matteo Smerlak bouclera la boucle : ces recherches ont commencé en Allemagne, alors que lui et Ahmed Youssef discutaient en prenant le petit-déjeuner à Berlin et en sont venus à parler d’évolution, ce qui a déclenché leur plongeon au cœur de la théorie de l’évolution.

« Pour nous, la question principale était celle de la prédiction, ajoute M. Smerlak. Je ne sais pas jusqu’à quel point nous pourrons progresser et jusqu’où cela peut mener, mais c’est pour cette raison que selon moi c’est intéressant. » [traduction]

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