A la fin de ce billet, vous connaîtrez le point commun entre Escherichia Coli, Guy Lux et Jérome Kerviel.

Etre une bactérie n’est pas de tout repos : vous risquez d’être avalée par inadvertance par un animal supérieur, d’être attaquée par des créatures aussi cauchemardesques que C. elegans, vous devez même lutter contre vos petites soeurs pour pouvoir manger. Cependant, vous avez un atout de taille : si vous gagnez la lutte, vous vous reproduirez très rapidement et votre descendance aura tôt fait de conquérir votre petite sphère d’influence.

Autre atout : les bactéries ont aussi l’étrange propriété de pouvoir changer au hasard de phénotype à partir du même génotype. Une bactérie peut exprimer un gène A donné pendant une période, puis, totalement aléatoirement, exprimer un autre gène B pendant une autre période, etc … Ce genre de comportement s’appelle commutation phénotypique (phenotypic switching).

Du coup, les bactéries peuvent développer des stratégies de survie très différentes des animaux supérieurs. Plutôt que de s’adapter à l’environnement (comme le ferait un animal utilisant son cerveau), il est plus malin pour une colonie d’utiliser cette commutation phénotypique pour conserver constamment dans la population des individus adaptés à tous les environnements imaginables, et de laisser la sélection naturelle agir.
Examinons un exemple concret. Imaginez que 5% des bactéries aient un phénotype “métabolisme ralenti”. Supposons que tout d’un coup la colonie soit soumise à un antibiotique qui attaque la bactérie lors de la division cellulaire. Les 95% de bactéries “normales” qui continuent à se diviser sont alors complètement anéanties. Mais les 5% au métabolisme ralenti, ne sont pas gênées par l’antibiotique si elles ne se divisent pas. Une fois l’antibiotique disparu, il suffit qu’une bactérie ralentie retourne de façon aléatoire au phénotype normal pour se reproduire rapidement et la colonie renaît de ses cendres. Ce comportement est appelé “persistance”, car la colone initiale parvient à persister, malgré l’exposition à l’antibiotique[1]. Notez que c’est un effet fondamentalement collectif : quel que soit l’environnement (avec ou sans antibiotique), on sacrifie une partie de la population (dans un cas les 5% au métabolisme ralenti, dans l’autre cas celles au métabolisme normal) mais ce n’est pas grave car les bactéries se reproduisent toujours très vite ensuite.

En 2005, Kussell et Leibler ont publié un très joli papier théorique dans Science dans lequel ils ont essayé de quantifier cet effet un peu plus finement. Ils ont considéré des populations d’individus soumis à un environnement changeant, et ont calculé le taux de croissance de la population. Les individus ont alors deux stratégies : soit ils “sentent” leur environnement et s’adaptent constamment à celui-ci (stratégie coûteuse car il faut “investir” dans un outil de perception et d’analyse), sot ils choisissent la stratégie des bactéries et changent aléatoirement de comportement avec une probabilité fixée. La figure ci-contre illustre ces deux stratégies : en haut, les individus se comportent tous de la même façon car ils utilisent leurs senseurs pour avoir de l’information sur l’environnement, en bas, les bactéries changent aléatoirement de destins et c’est la sélection naturelle qui permet au comportement adapté de dominer.

Kussell et Leibler ont montré que si le coût du de l’outil sensitif est important, il est plus avantageux de choisir la deuxième stratégie. Il y a alors un calcul très intéressant sur la façon dont l’évolution va optimiser les taux de commutation phénotypique des bactéries. En effet, choisir d’exprimer un gène A ou un gène B en n’ayant aucune information sur l’environnement peut se résumer en un mot : parier . Si la bactérie exprime le gène A dans l’environnement A, bingo : elle va se reproduire rapidement par rapport à ses petites soeurs ayant parié sur l’environnement B. On peut alors appliquer à ce problème un formalisme inspiré de la théorie des jeux : une bactérie qui parie sur l’environnement A ou B, c’est exactement comme un turfiste qui parie sur le cheval A ou B ou un trader sur le portefeuille d’action A ou B !(Ajout 5 Avril : c’est ça le point commun que j’annonce au début du billet entre les bactéries, Lux et Kerviel : tous sont des parieurs)

Et comme dans tous ses problèmes, il y a une stratégie optimale, calculable mathématiquement : joie du physicien, le résultat fait apparaître explicitement une quantité très intéressante, l’information sur l’environnement (au sens de Shannon). Ainsi est-il possible de créer des ponts entre évolution et théorie de l’information [2] …

[1] A ne pas confondre avec la résistance qui est encodée génétiquement (voir l’expérience de Luria et Delbruck); or dans la persistance, toutes les bactéries ont le même génome.
[2] ou biologie et trading, pour ceux qui veulent se reconvertir …

Référence :

Phenotypic diversity, population growth and information in fluctuating environments, Kussell & Leibler, Science, 309 (200)

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Billet publié le Friday, April 4th, 2008 à 9:13 pm dans les catégories Evolution, Physique. Lien vers le flux de commentaires : RSS 2.0 . Vous pouvez laissez un commentaire, ou faire un rétrolien.