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Théorie de l'organisation fonctionnelle hiérarchique
 
 


Représentation hiérarchique pour une théorie biologique de l'organisation fonctionnelle (MTIP : Mathematical Theory of Integrative Physiology)


Nous avons vu à la page précédente que la MTIP est une théorie de l'organisation et de l'action, à la fois topologique et géométrique. En effet, on peut partir d'un principe d'Interaction fonctionnelle entre structures biologiques, et d'un principe d'organisation hiérarchique pour les structures que sont le noyau, la cellule, le tissu et l'organe. La combinatoire de ces interactions conduit à l'organisation fonctionnelle observée. J'ai déjà également précédemment évoquée les deux propriétés des interactions, la non-symétrie et la non-localité, qui jouent un rôle essentiel dans le développement de l'être vivant.

Comment représenter ces interactions qui sont des actions non-symétriques et non-locales d'une structure sur une autre ? Quels processus leur sont associés ?
La première voie consiste à utiliser la théorie des graphes pour représenter la hiérarchie fonctionnelle induite par la combinaison des interactions. La seconde voie, complémentaire de la première, consiste à utiliser la théorie des champs pour représenter dans le temps et dans l'espace de l'action orientée, non symétrique, c'est-à-dire du produit échangé entre les unités structurales entre une source et un puits. Un champ en mathématiques est une quantité variable en tout point de l'espace. A un instant donné et en un point donné de l'espace physique (la source), un opérateur propage, à un instant ultérieur, cette quantité vers un autre points (le puits). Cette description abstraite de la dynamique de l'action offre l'intérêt de tenir compte implicitement de l'anatomie du système vivant, tout en explicitant la propagation engendrée par les transformations qui ont lieu dans la source.

Une question en découle naturellement : pourquoi des Interactions fonctionnelles apparaissent-elles ?
Avant d'atteindre l'état adulte, l'organisme passe par une phase de développement au cours de laquelle son organisation structurale et son organisation fonctionnelle se modifient. Il existe un programme génétique qui dirige cette évolution. Mais pourquoi ce programme agit-il de la façon qui est observée ? Refusant le finalisme, cette doctrine philosophique qui impose une raison finale à l'existence de toute structure, nous devons comprendre pourquoi une association entre deux structures existe alors qu'elle rend le système plus complexe et que chaque unité prise individuellement se suffit, potentiellement, à elle-même. Or, contrairement à ce qui est généralement obtenus dans les systèmes physiques, j'ai démontré de façon physique et mathématique[1]) qu'un système biologique est d'autant plus stable qu'il est complexe[2] : il y a stabilisation par association de structures (ce que j'ai appelé le principe d'auto-association stabilisatrice, ou PAAS, principe général organisateur en biologie qui décrit pourquoi deux structures ont tendance à s'associer, réalisant de ce fait, une fonction nouvelle). En termes biologiques, la conservation obligatoire de l'homéostasie au cours du développement entraîne l'association des structures pour que la stabilité de la dynamique physiologique augmente. Le PAAS conduit à une construction de nature mathématique du système biologique : les unités associées existent parce que leurs processus fonctionnels associés en un autre sont devenus plus stables, et qu'une perturbation environnementale, qui auparavant les détruisait, ne peut plus les détruire [voir schéma].

Ainsi, la théorie que je propose consiste en un principe général, le PAAS, en l'existence nécessaire de l'Interaction fonctionnelle élémentaire, et une construction mathématiquement organisée des unités structurales à partir des interactions fonctionnelles. L'organisation hiérarchique selon les échelles d'espace et de temps est un élément fondamental de cette théorie.
Cette organisation permet d'obtenir une classification des données biologiques selon des critères (l'espace et le temps) nécessaires à leur compréhension intégrée. Les mécanismes physiologiques élémentaires sont alors classés selon un graphe hiérarchique qui peut être mathématiquement étudié. Ensuite, on peut obtenir une véritable intégration des processus fonctionnels observés.

Pour aller plus loin ( public averti)
  Organisation fonctionnelle et champ à n niveaux
 Théorie
 Formalisme
 

[1] Notamment lorsqu'il s'agit de deux voies biochimiques (Chauvet et Costalat, 1995), mais aussi dans les cas beaucoup plus complexes, comme par exemple la dynamique du cervelet (Chauvet et Chauvet 1999). Le PAAS est une constante, un principe général organisateur en biologie.
(2) C'est le contraire dans les système physiques (sauf conditions à respecter) : l'explication de cette différence avec les systèmes biologiques réside dans le type de causalité : événementielle pour les systèmes biologiques, non-événementielle pour les systèmes physiques.

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