algorithme génétique

Les archives familiales des Pays-Bas conservent des registres de mariages depuis 1600. De ces registres, comme d'un vieux livre de comptes, on peut extraire deux colonnes : combien d'enfants une personne a eus et combien d'années elle a vécu. Les biologistes de l'évolution en débattent depuis un demi-siècle : ces colonnes sont-elles liées ?

Un vieux matelas cesse de rebondir : le rembourrage s'agglomère en paquets et les ressorts perdent leur élasticité. L'ovaire d'une femme évolue un peu de la même façon avec l'âge, sauf qu'à la place du rembourrage s'y développe un tissu conjonctif rigide, et que le rôle des ressorts est tenu par les cellules qui soutiennent les ovocytes.

Imaginez une carte des vents au-dessus d'une chaîne de montagnes. Le vent souffle principalement vers le bas des pentes, obéissant aux différences d'altitude. Mais si l'on y regarde de plus près, dans certaines vallées, l'air s'enroule en petits tourbillons qui empêchent le vent de simplement descendre.

Deux coureurs s'élancent sur une piste dont la pente varie. L'un part plus tôt, l'autre plus tard, et l'arbitre mesure leurs vitesses sans connaître la différence de départ. C'est la même chose avec les variants du virus : les données arrivent avec des retards, et si ces retards ne sont pas identiques, l'estimation de l'avantage compétitif peut être grossièrement erronée.

Dans une salle d'entretien, mille candidats se présentent, mais seuls deux cents seront embauchés. On pensait autrefois que pour estimer précisément l'âge à partir de l'ADN, il fallait interroger chacun des mille segments où une marque chimique modifie l'activité d'un gène.

Un ingénieur en protéines ressemble à un cuisinier qui essaie de préparer un plat à la fois savoureux, sain et économique. En modifiant un ingrédient, il risque d'en gâcher un autre. Autrefois, les assistants informatiques ne pouvaient évaluer les propriétés des protéines qu'individuellement, sans voir comment elles sont liées entre elles.

Deux photographes prennent la même montagne. L'un prend une centaine de clichés depuis le sommet et seulement deux au pied, l'autre fait l'inverse. Si l'on tente de superposer leurs images, l'algorithme pourrait décider que le sommet sur une photo correspond au sommet sur l'autre simplement parce qu'il y a beaucoup de points similaires, et non parce qu'il s'agit du même endroit.

La recherche d'un nouveau matériau ressemble à la cuisine sans recette : on essaie, on essaie, et souvent on jette. Avant, les scientifiques feuilletaient les articles à la main et testaient les compositions une par une. Maintenant, un « robot-cuisinier » est apparu, qui lit lui-même la littérature, mélange les composants et regarde ce que ça donne.

En tournant lentement le bouton de réglage d'un vieux poste de radio, vous entendez le son émerger du bruit non pas progressivement, mais par un saut brusque, au moment où l'antenne entre en résonance avec l'onde. C'est à peu près ainsi que se comportent les gènes dans une cellule vivante.

Le monde quantique ressemble à une cuisine où des particules surgissent soudainement de « rien ». Mais il faut un cuisinier : un champ classique qui agit comme une source externe. Le théorème de Glauber, bien connu en optique, est maintenant généralisé : il montre comment le champ « cuisine » les particules, qu'il s'agisse de photons ou de gravitons.

Un immense orchestre sans chef. Chaque musicien est un gène, et la mélodie est le travail complexe de la cellule. Autrefois, en regardant une photo de tissu, l'ordinateur essayait de deviner la partition de chaque instrument individuellement. Il ne savait pas que les violons jouent généralement avec les altos, et les trompettes avec les trombones.

Le cerveau ne se contente pas de réagir au monde – il ne cesse de deviner ce qui va se passer l'instant d'après. Ce principe porte le nom de codage prédictif : les neurones comparent leurs attentes à la réalité et mettent à jour leur représentation interne lorsqu'une erreur survient. Mais comment un système aussi complexe peut-il être organisé dans le tissu vivant du cortex ?

Un réseau où les lions mangent les zèbres et où les hyènes finissent les restes, ce n'est pas qu'une liste de repas. C'est une carte de survie pour toute une région. Quand le climat change, les animaux se déplacent et la carte se déchire. Pour comprendre où elle se déchirera et où elle tiendra, il faut trouver son « squelette » immuable – ces connexions qui se répètent d'un endroit à l'autre.

L'esprit humain ressemble à un jeu de construction qui s'auto-construit. Les nouvelles idées ne meurent pas avec leur créateur : elles se transmettent, se mélangent et sont sélectionnées. Ce processus est appelé évolution culturelle : les inventions utiles se consolident, les inutiles tombent dans l'oubli. C'est le principe du cliquet, ce mécanisme qui ne tourne que dans un sens.

Une protéine glisse le long du brin d'ADN comme une clé sur un trousseau, cherchant sa serrure. Un mauvais tournant, et le gène reste éteint. Pour savoir où la protéine s'agrippera solidement, il faut mesurer la force de cette prise, c'est-à-dire l'énergie de liaison.

Reconstituer une image complète à partir de fragments, c'est un peu comme essayer de distinguer la mélodie d'un orchestre dans une salle bruyante. De telles tâches se posent en photométrie, où l'on reconstitue la luminosité d'une étoile à partir de faibles scintillements.

Le livre de recettes se réécrit de génération en génération, mais un jour, la recette du bortsch reçoit un ingrédient secret d'un pâtissier. Dès lors, le goût ne se souvient plus seulement des ancêtres, mais aussi du voisin. Dans le modèle standard de l'évolution, les gènes se comportent de la même manière.

Un groupe de robots explorateurs, c'est un peu comme une brigade de cuisiniers qui goûtent le même plat. Chacun prélève un échantillon de sa zone et donne son avis : libre, occupé, ou incertain. Mais les goûts sont subjectifs — l'un n'a pas remarqué le pied de chaise, l'autre n'a léché que le bord.

Longtemps, les biologistes se sont demandé : si un groupe d'animaux maintient stablement un mélange d'individus agressifs et pacifiques, chaque individu alterne-t-il son comportement, ou certains se battent-ils toujours tandis que d'autres cèdent toujours ? Dans les équations classiques, ces deux scénarios sont indistinguables.

Les gènes sont comme des maisons dans une ville : dans certaines, la vie grouille, dans d'autres, c'est le silence. Ce paysage génétique « urbain » a été analysé chez mille femmes atteintes d'un cancer du sein.

Le robot jongleur attrape et lance des balles en parfaite cadence avec l'humain, tels deux pulsars émettant leurs impulsions à l'unisson. Jongler avec trois balles, c'est le classique «cascade», un enchaînement régi par une pulsation régulière, semblable à la rotation d'un phare cosmique. Que l'on casse le rythme, et le motif s'effondre.

Les données sur l'activité des gènes ressemblent généralement à une longue rangée de chiffres, comme une bande arc-en-ciel (spectroscopie) sans liens visibles. Dans le modèle scVision, ces chiffres sont transformés en une image signifiante — non pas une liste d'ingrédients, mais une photo du plat fini.

Au plus profond de l'Univers, lorsqu'une étoile massive s'effondre en trou noir ou qu'un magnétar naît, un sursaut gamma s'embrase — l'espace d'un instant, il éclipse toutes les étoiles de l'Univers observable.

Dans les profondeurs du cosmos, la gravité maîtrise l'art du camouflage. Depuis un quart de siècle, les astrophysiciens tentent de percer la nature de l'énergie noire qui accélère l'expansion de l'univers.

Un essaim de robots ressemble à une nuée de lucioles : chacun se déplace au hasard « là où c'est plus libre », et le chaos se transforme en ordre. Pendant longtemps, on s'est demandé comment, sans communication ni commandes, naissait cette coordination.

Un cuisinier qui apprend à cuisiner avec des images dessinées risque de rater chaque plat. Le même piège attend la vision par ordinateur : les modèles ont besoin de milliers d'images annotées, mais les collecter à la main est coûteux et fastidieux. Les images synthétiques résolvent le problème, à condition qu'elles ressemblent à de vraies.

Un grand réseau de neurones, comme Whisper, maîtrise des centaines de langues et ressemble au modèle standard de l'univers : tout est équilibré. Mais l'apprentissage d'une langue rare rompt cet équilibre — elle se transforme en trou noir qui attire toutes les ressources d'apprentissage.

Dans une casserole de bouillon flottent des molécules. Certaines se copient elles-mêmes, d'autres aident leurs voisines, d'autres encore ne font que gêner. Ce n'est pas une soupe, mais un modèle de la vie primitive — un système réplicateur. On considère généralement que les règles du jeu sont fixées une fois pour toutes : celui qui se reproduit le plus vite gagne.

La méthylation de l'ADN, ce sont de minuscules marques chimiques sur nos gènes. Au fil des ans, elles évoluent selon un calendrier assez strict. Les horloges épigénétiques classiques observent ces marques et affichent un seul chiffre : l'âge biologique. Mais un chiffre ne raconte pas comment le motif des marques s'est réorganisé jour après jour, année après année.

Les systèmes de recommandation qui décident quel message vous verrez ensuite fonctionnent sur des réseaux de neurones profonds composés de milliers d'opérations — des graphes de calcul complexes (des schémas d'opérations sur les données).

Un robot dans un labyrinthe avance vers une impasse. Une minute plus tard, il trouve la sortie avant tout le monde. Cette manœuvre illogique est de l'exploration, pas une erreur. C'est ainsi qu'un cartographe contourne une montagne pour voir ses versants.

60 souris, 1980 échantillons, 234 patients atteints d'un cancer du poumon. Derrière chaque chiffre se cachent des milliers de gènes. Leur activité est mesurée pour comprendre la maladie.

La cellule ressemble à une bibliothèque où l'on recopie chaque jour des milliers de livres. Les machines moléculaires – polymérases et ribosomes – glissent le long du brin modèle et assemblent une copie, maillon par maillon. Ces machines ont plusieurs états : elles peuvent ralentir, se tromper ou changer de mode.

Une personne tend la main à un inconnu à l'autre bout de la ville. Celui-ci ne lui rendra jamais la pareille — ils ne se reverront pas. Pourquoi alors aider ? Les biologistes appellent cela la réciprocité indirecte : le bien ne revient pas de celui qu'on a aidé, mais de quelqu'un d'autre — par une chaîne. Dans cette nouvelle étude, deux variantes de cette réciprocité s'affrontent.

Le système immunitaire ressemble à un éditeur infatigable qui corrige le brouillon des anticorps, les rendant de plus en plus accrocheurs aux virus et aux bactéries.

Un épais manuel en plusieurs volumes, c'est le génome humain de référence. Et les petits bouts de phrases éparpillés sur la table, ce sont les millions de fragments d'ADN séquencés. Le rôle d'un navigateur comme BWA-MEM est de trouver pour chaque fragment sa place exacte dans le manuel.

Un ingénieur règle une antenne : il tire sur un segment — la fréquence dérive, il change l'angle — le gain chute. C'est à peu près ainsi que fonctionne le développement des peptides thérapeutiques (de courtes chaînes protéiques).

Un réseau de neurones, telle une feuille de papier quadrillé, reçoit des signaux homogènes en entrée – et trace lui-même sa grille de coordonnées. D'abord, les connexions entre les entrées et les cellules du réseau deviennent semblables à une colline douce : la réponse est plus forte au centre et s'atténue vers les bords.

Vous achetez une nouvelle balance de cuisine, mais au lieu d'un poids précis, elle n'affiche que l'écart par rapport à une « norme » quelconque. Pour connaître le poids d'une pomme, il faut d'abord peser des dizaines d'autres pommes et calculer la moyenne.

De nombreux calculs de pointe en physique se heurtent à un mur : ce qui les freine n'est pas un manque d'idées, mais l'arithmétique. Il s'agit d'intégrales qui expriment la probabilité de collision de particules ou la forme d'une onde gravitationnelle.