Organisation biologique

structures et systèmes biologiques complexes qui définissent la vie , selon une approche réductionniste . La hiérarchie traditionnelle, détaillée ci-dessous, s'étend des atomes aux biosphères . Les niveaux supérieurs de ce schéma sont souvent désignés par le terme de concept d'organisation écologique , ou encore par celui de domaine de l'écologie hiérarchique .

Chaque niveau de la hiérarchie représente une augmentation de la complexité organisationnelle , chaque « objet » étant principalement composé de l’unité de base du niveau précédent. Le principe fondamental de cette organisation est le concept d’ émergence : les propriétés et les fonctions présentes à un niveau hiérarchique donné sont absentes et sans pertinence aux niveaux inférieurs.

L'organisation biologique du vivant est un postulat fondamental de nombreux domaines de la recherche scientifique , notamment en sciences médicales . Sans ce degré d'organisation nécessaire, il serait beaucoup plus difficile, voire impossible, d'appliquer l'étude des effets de divers phénomènes physiques et chimiques aux maladies et à la physiologie (fonctionnement de l'organisme). Par exemple, des domaines tels que les neurosciences cognitives et comportementales ne pourraient exister si le cerveau n'était pas composé de types cellulaires spécifiques, et les concepts fondamentaux de la pharmacologie seraient inexistants si l'on ignorait qu'une modification au niveau cellulaire peut affecter un organisme entier. Ces applications s'étendent également aux niveaux écologiques . Par exemple, l'effet insecticide direct du DDT se produit au niveau subcellulaire , mais affecte des niveaux supérieurs, jusqu'à de multiples écosystèmes . Théoriquement, la modification d'un seul atome pourrait modifier la biosphère entière .

L'unité la plus simple de cette hiérarchie est l'atome, comme l'oxygène. Deux atomes ou plus forment une molécule, comme le dioxyde. De nombreuses petites molécules peuvent se combiner lors d'une réaction chimique pour former une macromolécule, telle qu'un phospholipide. Plusieurs macromolécules forment une cellule, comme une cellule de Clara. Un groupe de cellules fonctionnant ensemble constitue un tissu, par exemple le tissu épithélial. Différents tissus forment un organe, comme un poumon. Les organes fonctionnent ensemble pour former un système d'organes, comme le système respiratoire. L'ensemble des systèmes d'organes constitue un organisme vivant, comme un lion. Un groupe d'organismes identiques vivant ensemble dans une zone donnée forme une population, comme une troupe de lions. Deux populations ou plus interagissant entre elles forment une communauté, par exemple les populations de lions et de zèbres. Les communautés interagissant non seulement entre elles, mais aussi avec leur environnement physique, constituent un écosystème, comme l'écosystème de la savane. L'ensemble des écosystèmes forme la biosphère, l'espace où la vie est présente sur Terre.

Le schéma d'organisation biologique standard simple, du niveau le plus bas au niveau le plus élevé, est le suivant :

Pour les niveaux inférieurs aux atomes, voir Particule subatomique
Niveau acellulaire et niveau précellulaire	Atomes
	Molécule	Groupes d'atomes
	Complexe biomoléculaire	Groupes de (bio)molécules
Niveau subcellulaire	Organite	Groupes fonctionnels des biomolécules, réactions biochimiques et interactions
Niveau cellulaire	Cellule	Unité de base de toute vie et regroupement des organites
Niveau supracellulaire (niveau multicellulaire)	Tissu	Groupes fonctionnels de cellules
	Organe	Groupes fonctionnels de tissus
	Système d'organes	Groupes fonctionnels d'organes
Niveaux écologiques	Organisme	Le système vivant de base, un groupement fonctionnel des composants de niveau inférieur, comprenant au moins une cellule
	Population	Groupes d'organismes de la même espèce
	Guilde	Groupes interspécifiques d’organismes remplissant la même fonction écologique (par exemple, les herbivores ).
	Communauté (ou biocénose )	Des groupes d'organismes issus de tous les domaines biologiques , et leurs interactions dans un lieu spécifique.
	Écosystème	Groupes d'organismes en interaction avec l' environnement physique ( abiotique ).
	Biome	Regroupement d'écosystèmes à l'échelle continentale (zones contiguës sur les plans climatique et géographique présentant des conditions climatiques similaires).
	Biosphère ou écosphère	Toute vie sur Terre ou toute vie plus l'environnement physique (abiotique)
Pour les niveaux supérieurs à la biosphère ou à l'écosphère, voir la position de la Terre dans l'Univers.

Les schémas plus complexes intègrent de nombreux niveaux supplémentaires. Par exemple, une molécule peut être considérée comme un regroupement d' éléments , et un atome peut être subdivisé en particules subatomiques (ces niveaux sont hors du champ de l'organisation biologique). Chaque niveau peut également être décomposé en sa propre hiérarchie, et certains types d'objets biologiques peuvent avoir leur propre schéma hiérarchique. Par exemple, les génomes peuvent être subdivisés en une hiérarchie de gènes .

Chaque niveau de la hiérarchie peut être décrit par ses niveaux inférieurs. Par exemple, l'organisme peut être décrit à chacun de ses niveaux constitutifs, y compris les niveaux atomique, moléculaire, cellulaire, histologique (tissulaire), organique et systémique. De plus, à chaque niveau de la hiérarchie, de nouvelles fonctions nécessaires au maintien de la vie apparaissent. Ces nouvelles fonctions ne sont pas assurées par les composants des niveaux inférieurs et sont donc qualifiées de propriétés émergentes .

Tout organisme est organisé, mais pas nécessairement au même degré. Un organisme ne peut être organisé au niveau histologique (tissulaire) s’il n’est pas composé de tissus.

Émergence de l'organisation biologique

On pense que l'organisation biologique a émergé dans le monde primitif de l'ARN, lorsque les chaînes d'ARN ont commencé à exprimer les conditions fondamentales nécessaires au fonctionnement de la sélection naturelle telle que conçue par Darwin (hérédité, variation des types et compétition pour des ressources limitées). La valeur sélective d'un réplicateur d'ARN (son taux d'accroissement par individu) était probablement fonction de capacités adaptatives intrinsèques (en ce sens qu'elles étaient déterminées par la séquence nucléotidique) et de la disponibilité des ressources. Les trois principales capacités adaptatives pourraient avoir été :

(1) la capacité de se reproduire avec une fidélité modérée (donnant lieu à la fois à l’héritabilité et à la variation du type).

(2) la capacité d’éviter la dégradation.

(3) la capacité d’acquérir et de traiter des ressources.

Ces capacités auraient été initialement déterminées par la conformation des réplicateurs d'ARN (voir « Ribozyme »), elle-même codée dans leurs séquences nucléotidiques respectives. Le succès compétitif entre différents réplicateurs d'ARN aurait dépendu de l'importance relative de ces capacités adaptatives. Par la suite, chez les organismes plus récents, le succès compétitif aux différents niveaux d'organisation biologique a vraisemblablement continué de dépendre, au sens large, de l'importance relative de ces capacités adaptatives.

Principes fondamentaux

Empiriquement, une grande proportion des systèmes biologiques (complexes) que nous observons dans la nature présentent une structure hiérarchique. Théoriquement, on pourrait s'attendre à ce que les systèmes complexes soient hiérarchisés, dans un monde où la complexité découle nécessairement de la simplicité. L'analyse des hiérarchies systémiques réalisée dans les années 1950 a posé les fondements empiriques d'un domaine qui allait devenir, à partir des années 1980, l' écologie hiérarchique

Les fondements théoriques sont résumés par la thermodynamique. Lorsque les systèmes biologiques sont modélisés comme des systèmes physiques , dans son abstraction la plus générale, ce sont des systèmes ouverts thermodynamiques qui présentent un comportement auto-organisé , et les relations ensemble/sous-ensemble entre les structures dissipatives peuvent être caractérisées dans une hiérarchie.

Une manière plus simple et plus directe d'expliquer les fondements de « l'organisation hiérarchique de la vie » a été introduite en écologie par Odum et d'autres comme le « principe hiérarchique de Simon » ; Simon a souligné que la hiérarchie « émerge presque inévitablement à travers une grande variété de processus évolutifs, pour la simple raison que les structures hiérarchiques sont stables ».

Pour illustrer cette idée profonde, il proposa sa « parabole » sur des horlogers imaginaires.

Parabole des horlogers
Il était une fois deux horlogers, Hora et Tempus, qui fabriquaient de très belles montres. Le téléphone sonnait sans cesse dans leurs ateliers ; de nouveaux clients les appelaient constamment. Cependant, Hora prospérait tandis que Tempus s’appauvrissait de plus en plus. Finalement, Tempus perdit son atelier. Quelle en était la raison ? Chaque montre comportait environ 1000 pièces. Les montres fabriquées par Tempus étaient conçues de telle sorte que, lorsqu'il devait poser une montre partiellement assemblée (par exemple pour répondre au téléphone), elle se désassemblait immédiatement et devait être réassemblée à partir des éléments de base. Hora avait conçu ses montres de manière à pouvoir les assembler par sous-ensembles d'une dizaine de composants chacun. Dix de ces sous-ensembles pouvaient être assemblés pour former un sous-ensemble plus important. Enfin, dix de ces sous-ensembles plus importants constituaient la montre complète. Chaque sous-ensemble pouvait être posé sans se désassembler.

Parabole des horlogers

Il était une fois deux horlogers, Hora et Tempus, qui fabriquaient de très belles montres. Le téléphone sonnait sans cesse dans leurs ateliers ; de nouveaux clients les appelaient constamment. Cependant, Hora prospérait tandis que Tempus s’appauvrissait de plus en plus. Finalement, Tempus perdit son atelier. Quelle en était la raison ?

Chaque montre comportait environ 1000 pièces. Les montres fabriquées par Tempus étaient conçues de telle sorte que, lorsqu'il devait poser une montre partiellement assemblée (par exemple pour répondre au téléphone), elle se désassemblait immédiatement et devait être réassemblée à partir des éléments de base.

Hora avait conçu ses montres de manière à pouvoir les assembler par sous-ensembles d'une dizaine de composants chacun. Dix de ces sous-ensembles pouvaient être assemblés pour former un sous-ensemble plus important. Enfin, dix de ces sous-ensembles plus importants constituaient la montre complète. Chaque sous-ensemble pouvait être posé sans se désassembler.