Multistabilité, oscillations et chaos dans les systèmes biologiques.

Abstract

Les oscillations métaboliques, les sécrétions hormonales, la propagation de certains signaux intercellulaires, les rythmes circadiens constituent des prototypes d’activités biologiques périodiques. Quelques-unes de ces activités pourraient présenter une dynamique chaotique (battements cardiaques). La multistabilité constitue une autre propriété remarquable des systèmes interactifs à régulation non linéaire : suite à une petite perturbation, un système multistable peut se retrouver dans un nouvel état dont les caractéristiques ne se comparent en rien à celles de l’état précédent. La multistabilité permet d’interpréter un grand nombre de manifestations normales ou pathologiques (cycle cellulaire, mémoire immunitaire, maladies à prions, etc.). Ces propriétés dynamiques sont retrouvées à toutes les échelles du vivant, du moléculaire au supracellulaire. Elles ont également pu être caractérisées dans les systèmes purement chimiques. Si les processus oscillants, chaotiques et multistables gouvernent la dynamique du vivant, leur origine n’a donc pas à être recherchée du côté d’une quelconque « programmation » du matériel biologique. Ils ne témoignent que de l’existence de couplages et d’interactions non linéaires au sein de systèmes hautement intégrés. Leur caractérisation et leur étude nécessitent de définir le niveau d’intégration approprié. Apprendre à connaître et à maîtriser les dynamiques complexes pourrait aider au choix de la stratégie thérapeutique la mieux adaptée pour combattre les maladies qui se développent au sein des systèmes interactifs que sont, par essence, les systèmes vivants.

Metabolic oscillations, hormone secretions, intercellular signalling, circadian rhythms appear as the prototypes of periodic biological activities. Some of them, such as heart beating, might correspond to chaotic processes. The coexistence between several stable steady states constitutes another important dynamic property of living systems. The characteristics of a multistable system can suddenly change as a consequence of small fluctuations. Multistability allows us to understand a variety of emergent properties of living systems at several levels of organization (cell cycle, memory in immune networks, prion diseases, etc.). Oscillatory phenomena, chaotic behaviour and properties due to multistability also occur in purely chemical systems. Hence, the origin of such phenomena does not appear to be based on the genetic programm of living organisms. The same feedback loops act with identical dynamic consequences on both chemical and biochemical systems. Studying the nature of change, and the dynamic organization of matter above the molecular state - i.e. the macroscopic approach - might be beneficial to developments and advances in medical applications, allowing to choose the best strategy to fight against diseases occurring in complex, interactive biological systems. [References: 46]