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Informer et accompagner
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les professionnels de l’éducation Cycles 2 3 4
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Sciences de la vie et de la Terre
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Mettre en œuvre son enseignement dans la classe
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Thème 3 : le corps humain et la santé
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Une nouvelle biologie, qui prend mieux
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l’évolution en compte
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1. Le caractère aléatoire de l’expression génétique
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Dans le numéro du journal Science du 16 août 2002 un article fit grand bruit. Un même gène,
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dans des cellules présumées identiques, dans un environnement identique, ne s’exprime pas
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de la même façon. C’est le fruit d’une variabilité fondamentale qui résulte du comportement
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aléatoire de la machinerie cellulaire, comportement que nous avons désormais les moyens
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techniques de détecter, et surtout la prédisposition intellectuelle pour l’accepter. En effet,
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nous aimions bien penser auparavant que l’ordre apparent à grande échelle (celui du « bon
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fonctionnement » de l’organisme) provient d’un ordre à petit échelle, ordre donné par des
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instructions, des donneurs d’ordre, un programme. L’expression aléatoire des gènes suivie
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de phénomènes sélectifs nous offre désormais à penser un ordre à grande échelle (celle de
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la population) à partir de variations désordonnées parmi la multitude à petite échelle. Le
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caractère stochastique, c’est-à-dire aléatoire, de l’expression génétique était démontré, et n’a
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fait que se confirmer depuis. Il a des répercussions désormais considérées comme capitales
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pour le destin des cellules. Pour comprendre le fonctionnement des cellules, et plus largement
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les régularités de l’organisme, les modèles mécanistes, réductionnistes et ultra-déterministes
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du rôle des gènes ont progressivement laissé la place à une biologie probabiliste, où le hasard
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et la sélection naturelle entrent au cœur même des cellules. Pour forcer le trait et mesurer
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l’ampleur du changement de point de vue, on pourrait dire que « l’ADN fonctionne comme
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un générateur aléatoire de protéines soumis à des contraintes sélectives imposées par son
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environnement (Pour La Science n° 385, novembre 2009, p. 90). Les journaux français de
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vulgarisation scientifique se feront l’écho de cette nouvelle biologie et de ses conséquences (La
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Recherche, Octobre 2009, Pour La Science, Novembre 2009, Pour La Science dossier spécial
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Décembre 2013).
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2. La sélection naturelle entre dans le corps
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À quoi sert la sélection naturelle ? Nous avons appris à l’école qu’elle expliquait l’évolution des
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espèces. Qu’elle expliquait le changement. La variation dans les populations d’êtres vivants
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se fait dans toutes les directions, pas nécessairement selon les besoins futurs des individus
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qui les subissent. Les individus ont donc des aptitudes différentes. Le nombre de descendants
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qu’ils auront, et donc celles des aptitudes héritables qu’ils transmettront, dépendent des
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conditions locales du milieu dans lequel ils sont. Si l’on peut se permettre une métaphore,
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« la variation propose, le milieu dispose ». Si le milieu change, à long terme, les populations,
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et donc l’espèce, vont changer. Certes, cela reste vrai aujourd’hui, mais c’est insuffisant.
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Au vingtième siècle, nous avons oublié qu’à court terme la sélection naturelle peut être
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CYCLE 4 I Sciences de la vie et de la Terre I Mettre en œuvre son enseignement
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Thème 3 : le corps humain et la santé
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Il y a une raison à cet oubli. Au vingtième siècle, Ernst Mayr, l’un des principaux acteurs de la
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théorie synthétique de l’évolution, pratique ce qu’on appelle un « réalisme de l’espèce ». Pour
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lui, l’espèce est conçue ici et maintenant, en gros comme des populations dans lesquelles et
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entre lesquelles les gènes circulent. L’espèce est réelle. Pourtant, avec Simpson, l’espèce est
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conçue dans la profondeur du temps, et ce n’est qu’à cette condition que peut apparaître son
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caractère conventionnel, et non réel. Mais dans ce que va retenir la théorie synthétique de
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l’évolution, en gros entre 1937 et 1977, c’est que les espèces existent dans le monde matériel.
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Le rôle de la sélection naturelle va donc consister principalement à expliquer le changement
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des espèces. Pourtant, si l’on relit attentivement Charles Darwin, la sélection naturelle est
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d’abord une source de stabilisation. Elle ne sera une source de changements que si le milieu
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change significativement. Il est remarquable de constater que le sous-titre du fameux livre
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« L’Origine des espèces » ne comporte pas le mot « évolution », ni « transformation », ni «
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transmutation ». Il comprend le mot « préservation » : « L’Origine des espèces par le moyen
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de la sélection naturelle, ou la préservation des races favorisées au cours de la lutte pour
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l’existence ». Pour résumer, pour Ernst Mayr, la sélection naturelle explique le changement
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de espèces ; pour Darwin la sélection naturelle explique la préservation momentanée d’une
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moyenne des organismes, une ressemblance à laquelle nous donnons un nom d’espèce. Pour
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Mayr, l’espèce est réelle, pour Darwin elle est conventionnelle. Mayr se demande pourquoi et
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comment ce qui est régulier (l’espèce) change, Darwin se demande pourquoi ce qui change
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tout le temps (les variations des individus) arrive encore à offrir à nos yeux une régularité (une
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ressemblance). Cet oubli du XXème siècle aura des conséquences considérables. En effet, la
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biologie aura besoin d’un principe de changement pour expliquer l’évolution des espèces, mais
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d’un principe de stabilité pour expliquer la régularité de la structure et du fonctionnement
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du corps et de ses organes. Comme la sélection naturelle n’est pas regardée comme un
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principe de régularité, elle ne sera pas utilisée en médecine ni en physiologie, ni en biologie
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moléculaire, ni en biochimie, aux échelles concernées. Ce principe de régularité résidera dans
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une métaphore importée en biologie depuis la cybernétique, celle du programme génétique.
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Dans le dernier tiers du XXème siècle, on enseignera encore à l’université que toutes les cellules
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d’un corps ont le même « programme », et même la même « information génétique », la
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différenciation cellulaire ne résultat que de l’allumage différents de diverses parties de ce
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même programme.
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Aujourd’hui, nous savons que cela est faux. Au sein d’un même corps biologique, les cellules
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subissent et enregistrent des variations génétiques. Ces cellules se divisent, et lors de la
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mitose, transmettent ces variations. Nous sommes donc en face de cellules faisant état de
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variabilité et d’héritabilité, et à partir de là, de cellules sélectionnables. Le couple variation-
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sélection naturelle est massivement entré dans le corps comme source de régularités à la
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charnière XXème-XXIème siècle. Depuis la démonstration faite au niveau moléculaire du caractère
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aléatoire de l’expression génétique en 2002, la biologie d’aujourd’hui est mûre pour reconnaître
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que des phénomènes sélectifs à petit échelon sont source de stabilité, de régularités dans
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l’organisme à plus grande échelle, là où l’on mobilisait jadis la notion de « programme »,
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devenue de moins en moins utile. Ces phénomènes ont commencé en immunologie, avant
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de toucher les neurosciences, le développement embryonnaire, et la cancérologie. Les
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bouleversements peuvent en être considérables. L’actualité nous démontre que l’évolution, et
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plus exactement la sélection naturelle, est utile à concevoir à tous les étages de la biologie.
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Par exemple, deux articles récents montrent l’actualité des deux piliers de la théorie
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darwinienne de l’évolution pour l’interprétation des tumeurs cancéreuses. Ces deux
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piliers sont le principe de sélection naturelle, d’une part, et la filiation généalogique avec
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modification, d’autre part. S’agissant du premier pilier, Enriquez-Navas et al. consacrent les
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thérapies darwiniennes contre le cancer qui font de la sélection une source de stabilité. Pour
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comprendre de quoi il s’agit, faisons un petit retour en arrière. Tout d’abord, il faut savoir
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Thème 3 : le corps humain et la santé
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qu’une tumeur cancéreuse détient une variabilité génétique considérable, supérieure à toute
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la diversité somatique partout ailleurs dans l’organisme. Jadis, nous pensions que pour
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guérir un patient, il fallait éradiquer les cellules tumorales prolifératives. D’où les traitements
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anti-cancéreux agressifs qui, à l’image des abus d’antibiotiques sur les populations de
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bactéries, finissaient par sélectionner involontairement des quelques cellules prolifératives
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résistantes au traitement (ce que les cancérologues appellent « competitive release »). Il s’en
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suivait parfois une bouffée de métastases qui tuait le patient. Le changement auquel nous
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assistons n’est pas que technologique, il est aussi dans nos idées : en réalité, les cellules sont
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prolifératives par défaut. C’est un équilibre sélectif et un dialogue cellulaire qui canalisent,
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régulent le potentiel prolifératif de chacune, exactement à l’image de ce qui se passe avec
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les espèces dans un écosystème. Ce qu’on croyait être la conséquence –la prolifération-
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n’est qu’un état par défaut, et ce qu’on croyait être la cause –la présence d’une mutation «
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driver » dans un gène- n’est qu’une prédisposition susceptible d’être canalisée, mais qui ne
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l’est pas en présence d’une instabilité sélective ou d’un déficit de dialogue. En cherchant à
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éradiquer les cellules tumorales, on ne rétablit ni dialogue, ni équilibre sélectif. On s’attaque
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à la conséquence, pas à la cause. Enriquez-Navas et al. montrent que les thérapies chimiques
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utilisant des raisonnements adaptatifs sont plus efficaces que les thérapies éliminatives. Les
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doses de substances anticancéreuses utilisant le coût en fitness du phénotype résistant sont
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fortes au début, puis aléatoires ensuite, pour maintenir une sélection naturelle modérée qui
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engage la tumeur dans une stabilité de cohabitation entre phénotypes cellulaires, laquelle
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requiert ensuite des doses décroissantes de substances. Ils montrent par là que les bonnes
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thérapies ne devraient pas être fondées l’éradication mais sur une biologie évolutionniste.
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Un autre article (Zhao et al.) s’intéresse à l’autre pilier, la filiation avec modification, en
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montrant que l’on peut reconstruire une phylogénie des cellules de la tumeur cancéreuse
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avec reconstruction des mutations somatiques ancestrales et inférence des temps de
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divergence entre lignées de cellules métastasiques. L’une des conclusions est que les
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cellules métastasiques ne sont pas nécessairement tardives dans la tumeur, mais peuvent
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apparaître dès le départ dans la tumeur primitive, et ceci avant même que le diagnostic ait eu
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le temps d’être dressé. La phylogénie permet de dresser l’ordre d’apparition des mutations
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signalétiques du cancer, permettant de développer des thérapeutiques anti-cancéreuses
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spécifiquement tournées vers ces mutations « signalétiques» primitives, et pour cela rendues
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plus efficaces. Les thérapies anti-cancéreuses vont être profondément revues, conséquence
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de l’introduction de la sélection naturelle comme principe de compréhension des phénomènes
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du corps.
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3. Heritabilité étendue
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Depuis une vingtaine d’années la biologie adopte une plus grande flexibilité concernant
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l’héritabilité. Ce qu’une population transmet à la génération suivante n’est plus qu’une affaire
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d’ « information génétique » qui serait codée dans le fameux ADN. Tout ce qui varie et qui
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se transmet est susceptible de subir, à l’échelle de la population, les effets de la sélection
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naturelle, et donc de concerner ce qu’on appelle l’évolution. Certes, les gènes continuent
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de transmettre ; seulement voilà ils ne sont plus les seuls. Une partie de ce que subit
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l’individu laisse des marques chimiques sur cet ADN, des « étiquettes » qui conditionnent
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la « lecture » des gènes. Ce sont les marques épigénétiques. Certes, une mère transmet
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une partie de ses gènes à son enfant, cependant elle lui transmet aussi, après sa naissance,
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sa flore du tube digestif. Et l’on sait aujourd’hui à quel point celle-ci est importante pour
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la santé et le phénotype de l’individu. Il en va de même pour la flore cutanée. Par exemple,
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une phylogénie des acariens de la flore cutanée résidente a été faite, elle correspond
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parfaitement à la généalogie des familles. Cela signifie que la transmission est assez fidèle.
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C’est la même chose pour les habitudes alimentaires qui, dans la population, ont tendance
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Thème 3 : le corps humain et la santé
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en retour à sélectionner certains gènes intervenant dans l’assimilation de composantes de
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la nourriture. Cela est vrai à d’autres échelles d’observation : on sait aujourd’hui que des
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cellules somatiques (les cellules d’un même corps) présentent entre elles de la variation
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génétique. Comme ces cellules se divisent par mitoses, ces variations sont transmises, et
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sont donc susceptibles de subir au sein même du corps des effets sélectifs. Ces constats
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sont courants aujourd’hui dans les neurosciences, en immunologie, en cancérologie par
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exemple. L’héritabilité dont nous parlons concerne donc aussi d’autres niveaux d’analyse des
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phénomènes biologiques. L’évolution du XXIème siècle n’a plus les yeux rivés sur le seul ADN.
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C’est, « à tous les étages » d’un organisme que des caractéristiques sont susceptibles de
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varier et de se transmettre. Le gène est désormais un partenaire, pas un notaire.
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Remarquons pour finir que l’on a coutume de dire que l’épigénétique annonce le retour de
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Lamarck. Cette idée courante est erronée à plusieurs titres. Premièrement parce qu’elle
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repose sur l’idée, en arrière-fond, que la différence entre Lamarck et Darwin résiderait
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dans l’héritabilité des caractères acquis au cours de la vie individuelle, qui serait admise
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par Lamarck et non par Darwin. C’est une erreur historique : Darwin l’admettait également
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(il ne connaissait pas les mécanismes fins de l’hérédité). Ce qui fait la différence entre ces
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deux auteurs tient surtout à deux idées. Lamarck s’intéresse à l’origine de la variation dans
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les populations, Darwin la tient pour acquise et s’intéresse surtout aux conséquences de la
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variation. Pour Lamarck, la variation apparaît en fonction des besoins de celui qui la porte,
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tandis que pour Darwin la variation apparaît au hasard, indépendamment de ces besoins.
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Pour Lamarck, le changement accumulé dans un lignage individuel reflète le changement
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de toute la population : il n’y a pas de différence de niveau entre aptitude et adaptation. Chez
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Darwin, ces deux niveaux sont découplés : les changements d’un lignage individuel ne reflète
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pas nécessairement la moyenne des changements stabilisés dans la population. Aptitude
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(de l’individu) et adaptation (de l’espèce) sont deux qualités distinctes qui correspondent à
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deux échelles d’observation. L’épigénétique moderne est darwinienne : en effet, les marques
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épigénétiques ne sont pas nécessairement bénéfiques aux individus qui les ont. L’héritabilité
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épigénétique des comportements et des effets du stress en est un exemple.
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Enfin, et ce n’est pas nouveau, l’environnement intervient dans l’expression génétique,
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manifestant chez les organismes ce qu’on appelle une plasticité. Par exemple, chez certaines
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espèces de papillons, la couleur des ailes dépendra du degré d’humidité dans l’environnement.
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En retour, une bonne partie des organismes modifient leur environnement, ce qui fait que
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ce qui reste stable, ou bien évolue, ce sont même parfois des boucles d’interactions. Le
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gène dépend de ses protéines environnantes, il dépend de l’environnement, il est donc un
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partenaire, il n’est plus conçu comme un « régisseur absolu », le détenteur d’un programme.
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La biologie du XXIème siècle est donc à même de reconnaître l’évolution par sélection
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naturelle (ou dérive) à tous les niveaux de l’organisation biologique où l’on trouve de la
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variation et de l’héritabilité de cette variation, et l’on sait aujourd’hui que ces phénomènes
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ne concernent pas que les gènes. Cela ne bouleverse pas tant la théorie de l’évolution, cela
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bouleverse surtout la médecine et une certaine conception de la génétique (y compris la
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génétique du développement embryonnaire) qui, dans la seconde moitié du XXème siècle,
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furent trop centrées sur les gènes et le tout-ADN.
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Dès lors, il n’existe pas un mécanisme différent pour expliquer le développement
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(l’ontogenèse) ou l’apparition et le maintien (le programme) d’un individu d’une part, et
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l’apparition et la stabilité d’une espèce d’autre part (la phylogénèse). C’est la sélection
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naturelle qui permet d’expliquer à la fois les stabilités relatives, et les changements lorsque
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l’environnement change, aux deux niveaux d’observation. D’où la proposition d’un nouveau
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mot, l’ontophylogenèse, pour redonner cohérence à la biologie.
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Les conséquences de ces bouleversements, c’est que la biologie du XXIème siècle est moins
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centrée sur l’ADN et moins encline à parler de « programme génétique ». La métaphore est
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tellement revisitée qu’elle s’étiole et s’estompe. Il s’agit là de la fraction des chercheurs qui
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réfléchissent sur la biologie. Dans le public, dans les programmes scolaires récents et pour
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une majorité de chercheurs non biologistes, la biologie du XXème siècle, génocentrée, ADN-
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centrée, excessivement réductionnisme et déterministe, reste dans les esprits. La notion de
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gène reste importante, mais son statut et sa contribution sont au cœur des discussions. Si le
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gène n’est qu’un partenaire, alors la différence de statut entre « génotype » et « phénotype
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» s’estompe. La notion de « plan d’organisation » n’est qu’une métaphore mnémotechnique
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et utilitaire pour apprendre son anatomie comparée à l’université, pas une inscription dans
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la réalité biologique. On devrait lui préférer la métaphore utilitaire de « carte », laquelle
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a d’ailleurs le mérite de la clarté. Au demeurant, la pensée phylogénétique à elle seule
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est incompatible avec cette notion de « plan » (Lecointre, 2013). La notion d’ « information
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génétique » est en débat, et l’on pourrait même dire que si on voulait la conserver il faudrait
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qu’elle soit redéfinie. Mais ce serait là l’objet d’un autre article.
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Guillaume Lecointre
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BIBLIOGRAPHIE
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Quelques articles de fond, surtout récents et par ordre chronologique, attestant ces change-
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||
ments
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||
Elowitz, M.B. et al. – « Stochastic, Gene expression in a single cell » - Science 297 (5584) - pp.
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||
1183-1186 - 16 août 2002.
|
||
Laland, K. et al. - « Does Evolutionary theory need a rethink? » - Nature 514 - pp. 161-164 - 9
|
||
octobre 2014.
|
||
Enriquez-Navas P.M. et al. – « Science Translational » - Medicine 8 (327) - 24 février 2016.
|
||
Zhao et al. - PNAS 113 (8) - pp. 2140-2145 - 24 février 2016.
|
||
Kiberstis P.A. - Science 352 (6282) - pp. 163 - 8 avril 2016.
|
||
Turajlic S. & Swanton - Science 352 (6282) - pp. 169-175. - 8 avril 2016.
|
||
Willyard C. - Nature 532 - pp. 166-168. - 14 avril 2016.
|
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||
Quelques livres et articles de vulgarisation pour aller plus loin
|
||
Dossier Pour La Science n°81 - « L’hérédité sans gènes » - Décembre 2013.
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||
La Recherche - « Le hasard au cœur de la Vie » - n° 434 - octobre 2009.
|
||
Pour La Science – « Hasard et incertitude » - n°385 - novembre 2009.
|
||
Capp, Jean-Pascal - Nouveaux regards sur les cellules souches - Editions Matériologiques -
|
||
2015.
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||
Heams, Thomas, Huneman, Philippe, Lecointre, Guillaume et Silberstein, Marc. Les Mondes
|
||
darwiniens. L’évolution de l’évolution. - Seconde Edition - Editions Matériologiques - Paris 2011.
|
||
Kupiec, Jean-Jacques, Olivier Gandrillon, Michel Morange et Marc Silberstein (éditeurs) – Le
|
||
hasard au cœur de la cellule - Editions Matériologiques - Paris 2009.
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CYCLE 4 I Sciences de la vie et de la Terre I Mettre en œuvre son enseignement
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Thème 3 : le corps humain et la santé
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Lecointre, Guillaume – Descendons-nous de Darwin ? - Le Pommier - 2015.
|
||
Lecointre, Guillaume – « Mauvais plan ! »– Espèces - revue d’histoire naturelle - n°9 - pp. 58-59
|
||
- 2013.
|
||
Autres publications
|
||
Deutsch, Jean - Le gène. Un concept en évolution – Seuil – Paris - 2012
|
||
Gage, Fred et Muotri, Alysson – « Des gènes sauteurs dans le cerveau » - Dossier Pour La
|
||
Science n°81 « L’hérédité sans gènes », pp. 18-23 - 2013.
|
||
Heams, Thomas. - « Biologie moléculaire : affronter la crise de la cinquantaine » -pp. 237-261
|
||
in Dubessy, Jean, Lecointre, Guillaume et Silberstein, Marc (éditeurs) - Les matérialismes (et
|
||
leurs détracteurs) – Syllepse – Paris – 2004.
|
||
Heams, Thomas – « Vers une théorie probabiliste du vivant » - Prisme n°12 - publié par le
|
||
Centre Cournot pour la recherche en économie – Paris -2008.
|
||
Heams, Thomas – « Expression stochastique des gènes et différenciation cellulaire » pp. 31-62
|
||
- in Kupiec, Jean-Jacques, Olivier Gandrillon, Michel Morange et Marc Silberstein (éditeurs) -
|
||
Le hasard au cœur de la cellule - Editions Matériologiques – Paris - 2009.
|
||
Heams, Thomas – « Existe-t-il un programme génétique ? » - pp. 131-146 in Kupiec, Jean-
|
||
Jacques - La vie, et alors ? – Belin – Paris - 2013.
|
||
Kupiec, Jean-Jacques - L’origine des individus – Fayard – Paris - 2008.
|
||
Kupiec, Jean-Jacques – L’ontophylogenèse. Evolution des espèces et développement de l’individu.
|
||
- Collection Sciences en questions – Quae – Versailles - 2012.
|
||
Kupiec, Jean-Jacques - La vie, et alors ? – Belin – Paris - 2013.
|
||
Lewontin, Richard - La triple hélice. Les gènes, l’organisme, l’environnement – Seuil – Paris -
|
||
2003.
|
||
Longo, Giuseppe, Miquel, Paul-Antoine, Sonnenshein, Carlos, Soto Ann. - « Is information a
|
||
proper observable for Biological organization ? » - Progress in Biophysics and Molecular Biology,
|
||
109 (3) – pp. 108-114 - 2012.
|
||
Mayr, Ernst. - Principles of systematic zoology - McGraw-Hill - New York - 1969.
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Mayr, Ernst. - Histoire de la biologie – Fayard –Paris - 1982.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 6
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