Publications of 2015

Lacking an operational theory to explain the organization and behaviour of matter in unicellular and multicellular organisms hinders progress in biology. Such a theory should address life cycles from ontogenesis to death. This theory would complement the theory of evolution that addresses phylogenesis, and would posit theoretical extensions to accepted physical principles and default states in order to grasp the living state of matter and define proper biological observables. Thus, we favour adopting the default state implicit in Darwin’s theory, namely, cell proliferation with variation plus motility, and a framing principle, namely, life phenomena manifest themselves as non-identical iterations of morphogenetic processes. From this perspective, organisms become a consequence of the inherent variability generated by proliferation, motility and self-organization. Morphogenesis would then be the result of the default state plus physical constraints, like gravity, and those present in living organisms, like muscular tension.

Keywords: Animals, Biological Evolution, Biophysics/methods, Cell Division, Mice, Models, Morphogenesis, Thermodynamics

Ce texte présente un modèle pour le temps biologique ainsi qu’un certain nombre d’idées plus générales sur l’articulation entre mathématiques et objets biologiques, fondées sur des propositions théoriques. Nous décrivons d’abord un modèle géométrisant le temps des mammifères, basé en partie sur la notion d’allométrie. Ce modèle permet de mettre en évidence la structure de la variabilité des rythmes biologiques et de discriminer cas sains et cas pathologiques. Nous utilisons cet exemple pour illustrer les principes permettant la mathématisation. Nous discutons comment s’articulent mathématiques et définition théorique des objets physiques. Nous mettons en particulier l’accent sur le rôle que jouent les symétries théoriques pour justifier ces définitions, tant au niveau de la constitution d’un espace de description que de l’obtention d’équations déterminant la trajectoire suivie par un objet. Nous abordons aussi les transitions de phases comme situations paradigmatiques où les symétries d’un système changent. Ceci nous amène à proposer que les objets biologiques (organismes, cellules) sont caractérisés par une instabilité de leurs symétries théoriques. Les objets prennent alors un sens différent de celui qu’ils ont en physique : ils font preuve de variabilité et sont fondamentalement historiques. Ceci n’empêche pas la présence d’éléments de stabilité chez le vivant, mais les symétries biologiques prennent un sens différent des symétries fondamentales de la physique.

We propose a conceptual and formal characterisation of biological organisation as a closure of constraints. We first establish a distinction between two causal regimes at work in biological systems: processes, which refer to the whole set of changes occurring in non-equilibrium open thermodynamic conditions; and constraints, those entities which, while acting upon the processes, exhibit some form of conservation (symmetry) at the relevant time scales. We then argue that, in biological systems, constraints realise closure, i.e. mutual dependence such that they both depend on and contribute to maintaining each other. With this characterisation in hand, we discuss how organisational closure can provide an operational tool for marking the boundaries between interacting biological systems. We conclude by focusing on the original conception of the relationship between stability and variation which emerges from this framework.

Keywords: Biological organisation, Closure, Constraints, Symmetries, Time scales