Les engins créateurs L'avènement des nanotechnologies K. Eric Drexler Préface de Marvin Minsky Les engins créateurs K. Eric Drexler Les engins créateurs Traduit de l'anglais par Marc Macé Préface de Marvin Minsky Préface "Les engins créateurs" d'Eric Drexler est un ouvrage extrêmement original sur les conséquences des nouvelles technologies. Ambitieux et inventif, il est surtout techniquement irréprochable. Mais comment peut-on prédire où la science et la technologie vont nous mener ? Bien que de nombreux scientifiques et technologues s'y soient essayés, il est curieux de constater que les tentatives les plus fructueuses furent celles d'auteurs de science-fiction comme Jules Verne, H. G. Wells, Frederik Pohl, Robert Heinlein, Isaac Asimov ou Arthur C. Clarke. Il faut reconnaître que la plupart de ces écrivains avaient une connaissance très approfondie de la science de leur époque. Mais il est probable que la source de leurs succès vint aussi de leur intérêt pour les influences et les choix dont ils imaginaient l'émergence dans leurs sociétés. Comme Clarke l'a lui-même souligné, il est pratiquement impossible de prédire avec un demi-siècle d'avance les futures technologies. De même, pour une technologie donnée, il est également impossible de prévoir quelles alternatives se révéleront exploitables. Pourquoi ? Tout simplement parce que s'il était possible de voir clairement ce qui va se produire aussi loin dans le temps, il serait sûrement possible d'y parvenir dans un délai plus court en se dotant de la volonté de le faire. Un autre problème très difficile concerne la prédiction des évolutions sociales. Etant donné toutes ces incertitudes, prévoir l'avenir revient à construire une tour très grande et très étroite. Et nous savons tous que ces édifices sont fragiles par nature. Comment peut-on construire plus solidement ? Tout d'abord, les fondations doivent être fermes : Drexler a bâti ses idées en prenant appui sur les connaissances techniques les mieux établies. Ensuite, on doit s'assurer que chaque conclusion intermédiaire est étayée par plusieurs arguments avant de passer à l'étape suivante, ceci parce qu'aucune explication n'est assez robuste pour résister seule face à tant d'incertitudes. En conséquence, Drexler donne de multiples arguments pour soutenir chacune de ses affirmations. Enfin, il est risqué de s'appuyer uniquement sur son propre jugement étant donné que nous avons tous des espoirs et des peurs qui influencent nos pensées - même inconsciemment. Mais à la différence de la plupart des iconoclastes, Drexler expose depuis de nombreuses années de manière très courageuse et très ouverte ses idées, tant aux conservateurs les plus sceptiques qu'aux technophiles les plus rêveurs (issus de communautés scientifiques très sérieuses, comme celle du MITa). Il a toujours écouté ses interlocuteurs attentivement et changé parfois son point de vue en conséquence. Les engins créateurs commence par l'observation suivante : ce que nous sommes capables de faire dépend de ce que nous sommes en mesure de construire. Ceci nous mène à une analyse rigoureuse des différentes manières d'empiler les atomes avec précision. Puis, Drexler se demande : "Que peut-on construire avec ces dispositifs d'assemblage des atomes ?" D'abord, on peut fabriquer des machines à assembler plus petites encore que des cellules vivantes, ainsi que des matériaux plus solides et légers que tout ce qui se fait actuellement (donc, de meilleurs vaisseaux spatiaux). On peut également produire de petits engins qui peuvent voyager dans les capillaires pour aller réparer les cellules, donc soigner les maladies, inverser les dégâts provoqués par le temps ou encore rendre notre corps plus rapide et plus solide. On pourrait fabriquer des machines ayant la taille de virus et fonctionnant à une vitesse inimaginable. Et lorsque nous saurons faire ces machines, nous aurons alors la possibilité de les assembler par billions pour former des systèmes intelligents capables de traiter en parallèle des informations pour les décrire, les comparer à des modèles enregistrés et tirer parti des essais antérieurs. Ainsi ces nouvelles technologies ne changeront pas uniquement les matériaux et la manière de les utiliser mais aussi les activités que nous serons alors capables de mener, quel que soit le monde que nous construirons. Si l'on en revient à la remarque d'Arthur C. Clarke à propos des difficultés qu'il y a à prédire l'apparition d'une technologie cinquante ans à l'avance, nous constatons que le sujet dont traite Drexler rend ce point de vue presque discutable. Dès que le contrôle atomique de la matière sera apparu, alors "seulement un demi-siècle" pourra apporter plus de changements que tous ceux qui ont eu cours depuis les temps médiévaux. Il me semble que, contrairement à tout ce que nous entendons à propos des révolutions technologiques modernes, celles-ci n'ont guère apporté de changements dans nos vies durant ces cinquante dernières années. Est-ce que la télévision a véritablement changé notre monde ? Sûrement moins que la radio ne le fit et encore moins que le téléphone. Qu'en est-il des avions ? Ils ont simplement réduit les durées de voyages de quelques jours à quelques heures, alors que le train et l'automobile avaient déjà opéré un changement d'une plus grande ampleur en réduisant ces trajets de semaines en jours ! Mais Les engins créateurs préfigure une véritable révolution. Les nanotechnologies pourraient bouleverser notre existence de manière encore plus grande que les deux fantastiques inventions qui ont eu lieu dans ce domaine : le remplacement des bâtons et des pierres par du métal et du ciment, puis la domestication de l'électricité. De la même manière, on peut comparer les conséquences possibles de l'intelligence artificielle sur la manière dont nous pensons avec seulement deux inventions antérieures : le langage et l'écriture. Nous aurons bientôt à faire face à certaines de ces perspectives. Comment doit-on s'y préparer pour les maîtriser ? Les engins créateurs explique comment ces nouvelles alternatives pourront être orientées vers nos préoccupations humaines les plus vitales : la richesse et la pauvreté, la santé et la maladie, la paix et la guerre. Drexler ne nous fournit pas uniquement un inventaire de possibilités mais une multitude d'idées et de propositions pour commencer à les évaluer. Les engins créateurs est jusqu'à présent le meilleur ouvrage qui soit paru dans le but de nous faire réfléchir à ce que nous allons devenir, en supposant que l'on continue à inventer de nouvelles technologies. Marvin Minsky Professeur d'université en sciences Massachusetts Institute of Technology Remerciements Les idées développées dans ce livre ont été façonnées par de nombreux esprits. Tout auteur a une dette incalculable envers les précédents écrivains et penseurs et la section "Notes et Références" est une reconnaissance partielle de ma dette personnelle. Mais certaines personnes ont eu une influence plus directe sur la genèse de ce livre en parcourant ou critiquant une partie ou la totalité des nombreuses publications, articles et premières versions de ce livre. Leurs contributions vont de brèves lettres à des critiques très complètes et très détaillées, en passant par des suggestions et des relectures. La majeure partie des évolutions du manuscrit vers sa forme et son contenu actuels leur revient. Les erreurs qui pourraient cependant subsister relèveraient de ma seule responsabilité. En conséquence, je voudrais remercier Dale Amon, David Anderson, Alice Barkan, James Bennett, David Blackwell, Kenneth Boulding, Joe Boyle, Stephen Bridge, James Cataldo, Fred et Linda Chamberlain, Hugh Daniel, Douglas Denholm, Peter Diamandis, Thomas Donaldson, Allan Drexler, Hazel Drexler, Arthur Dula, Freeman Dyson, Erika Erdmann, Robert Ettinger, Mike Federowicz Carl Feynman, David Forrest, Christopher Fry, Andy, Donna, Mark et Scott Gassmann, Hazel et Ralph Gassmann, Agnes Gregory, Roger Gregory, David Hannah, Keith Henson, Eric Hill, Hugh Hixon, Miriam Hopkins, Joe Hopkins, Barbara Marx Hubbard, Scott A. Jones, Arthur Kantrowitz, Manfred Karnovsky, Pamela Keller, Tom et Mara Lansing, Jerome Lettvin, Elaine Lewis, David Lindbergh, Spencer Love, Robert et Susan Lovell, Steve Lubar, Arel Lucas, John Mann, Jeff MacGillivray, Bruce Mackenzie, Marvin Minsky, Chip Morningstar, Philip Morrison, Kevin Nelson, Hugh O'Neill, Gayle Pergamit, Gordon et Mary Peterson, Norma et Amy Peterson, Naomi Reynolds, Carol Rosin, Phil Salin, Conrad Schneiker, Alice Dawn Schuster, Rosemary Simpson, Leif Smith, Ray Sperber, David Sykes, Paul Trachtman, Kevin Ulmer, Patricia Wagner, Christopher Walsh, Steve Witham, David Woodcock et Elisa Wynn. Etant donné que cette liste a été constituée à partir de fichiers incomplets et de monceaux de petites notes manuscrites, je présente des excuses à ceux que j'aurais pu oublier. Je dois des remerciements aux membres de nombreux auditoires, du MIT et d'ailleurs, pour les questions posées qui m'ont permis de mieux affiner certaines idées et leur présentation. Pour leur aide et leurs encouragements, je voudrais remercier mon agent d'édition, Norman Kurz et mes éditeurs, James Raimes, Dave Barbor et Patrick Filley. Finalement, pour une contribution d'une qualité particulière et d'une grande ampleur tout au long de ce travail, je voudrais remercier Mark S. Miller et, plus que tout autre, Christine Peterson. Sans leur aide, ce livre n'aurait jamais vu le jour. Table des matières Préface 7 Remerciements 11 Première partie : les bases de la prédiction 15 Les engins constructeurs 17 Les principes du changement 35 Prédictions et projections 52 Deuxième partie : les scénarios du possible 63 Les engins d'abondance 65 Machines pensantes 75 Le monde au-delà de la Terre 92 Les engins de guérison 107 Longue vie dans un monde ouvert 124 Une porte sur le futur 136 Les limites de la croissance 152 Troisième partie : dangers et espoirs 172 Les engins de destruction 174 Stratégies et survie 193 Analyser les faits 204 Le réseau du savoir 217 Beaucoup de mondes et de temps 230 Postface, 1990 240 Postface, 1996 243 Glossaire 245 Notes et références 250 Première partie Les bases de la prédiction 1 Les engins constructeurs1 a L'ingénierie protéique [...] représente2 le premier grand pas vers une capacité plus générale d'ingénierie moléculaire qui nous permettra de structurer la matière atome par atome. Kevin Ulmer Directeur des recherches Genex Corporation Charbon et diamant, sable et microprocesseur, cancer et tissu sain : à travers l'histoire, les différents arrangements des atomes ont fait la différence entre ce qui est bon marché et ce qui est précieux, entre maladie et bonne santé. Assemblés d'une manière, les atomes forment le sol, l'air et l'eau ; assemblés d'une autre, ils donnent des fraises mûres. Assemblés d'une façon, ils constituent nos maisons et l'air pur, assemblés d'une autre, ils sont cendres et fumées. Notre technologie trouve ses fondations dans sa faculté à arranger les atomes. Nous sommes allés très loin dans ce domaine : de la confection des pointes de flèches en silex à la fabrication d'aluminium pour construire des vaisseaux spatiaux. Nous sommes fiers de notre technologie, avec nos médicaments qui sauvent des vies et nos ordinateurs de bureau. Cependant, nos fusées sont encore rudimentaires et nos ordinateurs stupides, et les molécules de nos tissus continuent à se désorganiser avec l'âge, dégradant d'abord notre santé, puis empêchant notre vie elle-même. Malgré toutes nos avancées dans la manière de placer les atomes, nous utilisons encore des méthodes primitives. Avec notre technologie actuelle, nous sommes encore contraints de manipuler les atomes par amas informes. Mais les lois de la nature laissent encore beaucoup de place au progrès et la pression économique mondiale nous pousse en avant. Pour le meilleur ou pour le pire, les plus fantastiques percées technologiques sont encore à venir. Deux styles de technologie Notre technologie moderne est fondée sur une tradition ancienne. Il y a 30 000 ans, la taille du silex était de la haute technologie. Nos ancêtres empoignaient des pierres contenant des billions de billions d'atomes et en enlevaient des éclats contenant des milliards de billions d'atomes pour tailler leurs haches de pierre. Ils effectuaient un travail précis nécessitant une habilité difficile à imiter aujourd'hui. Ils ont aussi peint des fresques sur les murs de grottes en France, en utilisant leurs mains comme des pochoirs sur lesquelles ils soufflaient des poudres colorées. Plus tard, ils ont fabriqué des pots en cuisant de l'argile, puis du bronze en chauffant des roches. Ils façonnèrent le bronze, puis le fer, puis l'acier en les chauffant, les battant et en leur enlevant des copeaux. Nous fabriquons maintenant des céramiques très pures et des aciers plus solides mais nous continuons à les mettre en forme en utilisant les mêmes techniques. Nous fabriquons du silicium pur, le coupons en tranches et dessinons des motifs à leurs surfaces en utilisant de fins patrons et des pinceaux de lumière. Nous appelons ces objets des "puces" et nous les considérons comme très élaborés, du moins comparés à des haches de pierre. Notre technologie micro-électronique a été capable de faire tenir sur quelques puces contenues dans des ordinateurs de poche toute la puissance délivrée par les ordinateurs de la fin des années 50 qui occupaient des pièces entières. Les ingénieurs fabriquent maintenant des composants plus petits encore, en plaçant des monceaux d'atomes à la surface d'un cristal pour faire des fils électriques et divers composants d'une taille inférieure au dixième du diamètre d'un cheveu. Ces microcircuits sont peut-être petits pour les standards des tailleurs de pierre mais chaque transistor contient encore des billions d'atomes et les soi-disant "micro-ordinateurs" sont encore visibles à l'¦il nu. Pour les standards d'une technologie nouvelle et plus puissante, ils paraîtront gargantuesques. Le type de technologie qui nous a mené de la hache de pierre aux puces en silicium manipule les atomes en vrac. Appelons-la technologie grossière. La nouvelle technologie manipulera les atomes et les molécules individuellement en les contrôlant avec précision; appelons-la technologie moléculaire. Elle va changer le monde bien plus que nous ne pouvons l'imaginer. Les microcircuits se mesurent en micromètres (c'est-à-dire, en millionièmes de mètre) mais les molécules se mesurent en nanomètres, soit un millier de fois plus petit. On peut utiliser indifféremment les termes "nanotechnologie" et "technologie moléculaire" pour définir ce nouveau type de technologie. Les ingénieurs en nanotechnologies construiront à la fois des nanocircuits et des nanomachines. Technologie moléculaire d'aujourd'hui Un dictionnaire3 définit la machine en ces termes : "tout système, généralement constitué de parties rigides, assemblées pour modifier, transmettre et diriger des forces appliquées d'une manière déterminée pour accomplir un objectif spécifique, comme la réalisation d'un travail utile". Les machines moléculaires répondent parfaitement à cette définition. Pour imaginer ces machines, on doit d'abord imaginer les molécules. On peut se représenter les atomes comme des perles et les molécules comme des assemblages de perles. D'ailleurs, les chimistes modélisent parfois les molécules en utilisant des boules de plastique (certaines peuvent se lier dans plusieurs directions, comme les pièces d'un mécano). Les atomes sont arrondis comme des perles et bien que les liaisons dans les molécules ne soient pas des bouton-pression, cette représentation a l'avantage de faire ressortir la notion essentielle que les liaisons peuvent être cassées et reformées. Si un atome avait la taille d'une petite bille, une assez grosse molécule aurait la taille de votre poing. Cela donne une image utile mais les atomes ont en fait une taille 10 000 fois inférieure à celle d'une bactérie et les bactéries sont déjà 10 000 fois plus petites que les moustiques. (Un noyau atomique, toutefois, est 100 000 fois plus petit qu'un atome lui-même ; la différence entre un atome et son noyau est du même ordre que celle entre une réaction chimique et une réaction nucléaire). Les choses autour de nous réagissent comme elles le font du fait du comportement des molécules. L'air ne garde ni sa forme ni son volume parce que ses molécules se déplacent librement, rebondissant et ricochant à travers l'espace. Les molécules d'eau s'attirent entre elles alors qu'elles sont en mouvement, c'est pourquoi l'eau a un volume constant mais peut changer de forme. Le cuivre garde sa forme parce que les atomes qui le constituent sont reliés entre eux en motifs spatiaux réguliers ; on peut le tordre et le marteler parce que ses atomes peuvent glisser les uns sur les autres en conservant leurs liaisons. Le verre se brise quand on le frappe, parce que ses atomes se séparent sans pouvoir glisser. Le caoutchouc est constitué de réseaux de molécules pliées, comme un enchevêtrement de ressorts. Quand on l'étire et qu'on le relâche, les molécules se redressent, puis s'enroulent à nouveau. Ces motifs moléculaires simples constituent des substances passives. Des schémas plus complexes sont à l'origine des nanomachines biologiques dans les cellules vivantes. Les biochimistes travaillent déjà avec ces machines, qui sont surtout faites de protéines, le principal matériel d'ingénierie des cellules vivantes. Ces machines moléculaires ont relativement peu d'atomes ; elles ont donc des surfaces granuleuses, comme des objets constitués de petites billes collées ensemble. En outre, beaucoup de paires d'atomes sont assemblées par des liaisons qui peuvent se courber ou tourner : les machines protéiques sont donc exceptionnellement flexibles. Comme toutes les machines, elles ont des pièces de différentes formes et différentes tailles qui remplissent des tâches utiles. Toutes les machines utilisent des atomes pour constituer leurs pièces ; simplement les machines protéiques en utilisent moins. Les biochimistes rêvent de concevoir et fabriquer de telles machines mais il reste auparavant des difficultés à surmonter. Les ingénieurs utilisent des faisceaux lumineux pour graver des motifs à la surface des puces mais les chimistes doivent construire d'une manière beaucoup plus indirecte. Lorsqu'ils assemblent des molécules en différentes séquences, ils n'ont qu'un contrôle limité de ce processus. Quand les biochimistes ont besoin de machines moléculaires complexes, ils sont encore obligés de les emprunter aux cellules. Cependant, des machines moléculaires avancées leur permettraient de construire des nanocircuits et des nanomachines aussi facilement et directement que les ingénieurs construisent actuellement des microcircuits ou des machines à laver : le progrès deviendrait rapide et spectaculaire. Les ingénieurs en génétique montrent déjà la voie. D'habitude, quand les chimistes fabriquent des chaînes moléculaires (appelées polymères), ils déposent des molécules en solution dans un récipient pour qu'elles se cognent et réagissent entre elles de manière aléatoire. Les chaînes ainsi formées ont des longueurs variables et les molécules sont assemblées entre elles sans ordre particulier. Grâce aux machines modernes4 qui synthétisent des gènes, les ingénieurs en génétique construisent des polymères plus ordonnés (des molécules d'ADN spécifiques) en combinant des molécules dans un ordre particulier. Ces molécules sont les nucléotides de l'ADN (les lettres de l'alphabet génétique, également appelées bases) et les ingénieurs en génétique ne les placent pas toutes en même temps. Au lieu de cela, ils programment la machine pour qu'elle ajoute les différents nucléotides dans un ordre particulier, afin de composer un message précis. Ils établissent d'abord une liaison entre un nucléotide précis et la fin de la chaîne en construction, puis ils évacuent le surplus de nucléotide et ajoutent des produits chimiques pour préparer le bout de la chaîne à recevoir la base suivante. Ils allongent la chaîne en accrochant des nucléotides, un par un, en une séquence programmée. Ils attachent le tout premier nucléotide à une surface solide afin de conserver la chaîne lors des rinçages. Ainsi, ils possèdent une grosse machine maladroite qui assemble des structures moléculaires précises à partir de pièces cent millions de fois plus petites qu'elle-même. Mais ce processus de fabrication aveugle omet parfois des nucléotides dans quelques chaînes. Et la probabilité d'erreur dans une chaîne croît avec la taille de celle-ci. Comme des ouvriers qui jettent les mauvaises pièces avant d'assembler une voiture, les ingénieurs en génétique réduisent les erreurs en se débarrassant des mauvaises chaînes. Ensuite, pour assembler ces courtes chaînes triées en des gènes fonctionnels (typiquement de plusieurs milliers de nucléotides de long), ils ont recours à des machines moléculaires que l'on trouve dans les bactéries. Ces machines protéiques, appelées enzymes de restriction, "lisent" certaines séquences d'ADN comme des "couper ici". Elles lisent ces motifs génétiques par le toucher, en se collant à eux et elles coupent ces chaînes en réarrangeant quelques atomes. D'autres enzymes raccordent des pièces ensemble, en lisant les parties à assembler comme des "coller ici" (en "lisant" de même les chaînes par des contacts physiques et les collant en réarrangeant quelques atomes). Les ingénieurs en génétique sont ainsi capables, grâce à des machines qui synthétisent des gènes et à des enzymes qui les coupent et les collent, de fabriquer ou de modifier n'importe quel message d'ADN. Mais l'ADN est une molécule inutile en elle-même. Elle n'est ni solide -comme le Kevlar- ni colorée -comme une teinture- ni active -comme une enzyme- et cependant, elle possède quelque chose pour laquelle l'industrie est prête à investir des millions de dollars : sa capacité à diriger des machines moléculaires appelées ribosomes. Dans les cellules, des machines moléculaires transcrivent d'abord l'ADN, copiant l'information qu'il contient dans des "cassettes" d'ARN. Puis, un peu à la manière des premières machines à commande numérique travaillant le métal à partir d'instructions contenues dans des bandes magnétiques, les ribosomes fabriquent les protéines à partir des instructions contenues dans les brins d'ARN. Et les protéines sont utiles. Les protéines, comme l'ADN, ressemblent à des colliers de perles inégales. Mais à la différence de l'ADN, les protéines se replient pour former de petits objets qui possèdent des fonctions précises. Certaines sont des enzymes, des machines qui peuvent construire et détruire des molécules (et copier l'ADN, le transcrire et fabriquer d'autres protéines qui interviennent dans le cycle de la vie). D'autres sont des hormones, qui se fixent à d'autres protéines pour indiquer aux cellules qu'elles doivent modifier leur comportement. Les ingénieurs en génétique peuvent facilement faire produire ces objets par les machines moléculaires efficaces et bon marché que l'on trouve dans les organismes vivants, alors que les ingénieurs responsables d'une usine chimique doivent travailler avec des cuves de réactifs (dans lesquelles les atomes s'arrangent souvent mal et forment des sous-produits nocifs). Les ingénieurs qui travaillent avec des bactéries peuvent leur faire absorber des produits chimiques, dont elles réarrangent avec précaution les atomes, puis stockent le produit synthétisé ou le libèrent dans le milieu environnant. Les ingénieurs en génétique ont maintenant des bactéries programmées, capables de fabriquer des protéines allant de l'hormone de croissance humaine à la présure, une enzyme utilisée pour faire des fromages. L'entreprise pharmaceutique Eli Lilly (Indianapolis) vend actuellement sous le nom d'Humulin des molécules d'insuline humaine fabriquées par des bactéries. Machines protéiques existantes Ces hormones protéiques et ces enzymes s'accrochent sélectivement à d'autres molécules. Une enzyme modifie la structure de sa cible, puis s'en détache ; une hormone modifie le comportement de sa cible uniquement quand elles sont liées ensemble. Les hormones et les enzymes peuvent être décrites en termes mécaniques bien que leur comportement soit le plus souvent de nature chimique. Cependant, d'autres protéines ont un rôle purement mécanique5. Certaines poussent et tirent, d'autres agissent comme des cordes ou des supports et les parties de quelques molécules constituent d'excellents roulements. La machinerie du muscle, par exemple, est faite de grappes de protéines qui attrapent une "corde" (également faite de protéines), la tirent, puis l'attrapent un peu plus loin. A chaque fois que vous bougez, vous utilisez ces machines. Les amibes comme les cellules humaines bougent et changent de forme en utilisant des fibres et des barres qui agissent comme des muscles moléculaires et des os. Un moteur réversible, à vitesse variable, propulse les bactéries dans l'eau en faisant tourner une hélice en forme de tire-bouchon. Si on pouvait construire des voitures miniatures autour de tels moteurs, plusieurs milliards de milliards tiendraient dans une poche et une autoroute de 150 voies pourrait être construite dans vos capillaires les plus fins. Des appareils moléculaires simples se combinent pour former des systèmes qui ressemblent à des machines industrielles. Dans les années 50, les ingénieurs ont réalisé des machines-outils qui découpaient le métal sous le contrôle d'une bande de papier perforé. Un siècle et demi auparavant, Joseph-Marie Jacquard avait construit un métier à tisser qui exécutait des motifs complexes sous le contrôle d'une chaîne de cartes perforées. Cependant, plus de trois milliards d'années avant Jacquard, les cellules avaient développé la machinerie du ribosome. Les ribosomes sont la preuve que les nanomachines construites à partir de protéines et d'ARN peuvent être programmées pour construire des molécules complexes. Regardons maintenant les virus. L'un d'entre eux, le phage T4, se comporte comme une seringue motorisée digne de figurer dans un catalogue industriel. Il s'accroche à une bactérie, perce un trou et y injecte son ADN viral (et oui, même les bactéries souffrent d'infections !). Comme un conquérant qui agrandit les usines pour construire plus de chars d'assaut, cet ADN viral redirige la production de la machinerie cellulaire pour construire de multiples copies de lui-même et des seringues en conséquence. Comme tous les organismes, les virus existent parce qu'ils sont assez stables et très efficaces pour se recopier. Qu'elles soient dans les cellules ou non, les nanomachines obéissent aux lois universelles de la nature. Des liaisons chimiques ordinaires maintiennent leurs atomes ensemble et des réactions chimiques ordinaires (orientées par d'autres nanomachines) les assemblent. Les protéines peuvent même se lier entre elles pour former des machines sous la seule action de l'agitation thermique et des interactions électrostatiques. En mélangeant des protéines virales (et l'ADN qu'elles encapsulent) dans un tube à essai, les biologistes moléculaires ont assemblé des phages T4 fonctionnels. Cette faculté est surprenante : imaginez que vous mettiez toutes les pièces d'une auto dans une grosse boîte et qu'après l'avoir agitée, vous en ressortiez une voiture parfaitement assemblée ! Et les virus T4 ne sont qu'un des nombreux exemples de structures douées d'auto-assemblage6. Les biologistes moléculaires ont réussi à ré-obtenir en tube à essai des ribosomes fonctionnels après en avoir séparé la cinquantaine de protéines et de fragments d'ARN qui les composent. Pour comprendre comment un tel processus peut avoir lieu, imaginez plusieurs chaînes protéiques de T4 flottant dans un liquide. Chaque chaîne se replie pour donner une structure en creux et bosses, avec pour chacune un motif particulier de charges électriques et de zones hydrophiles et hydrophobes. Imaginez-les maintenant en train d'errer, bousculées par les vibrations thermiques des molécules d'eau environnantes. De temps en temps, deux d'entre elles vont s'entrechoquer et rebondir. Parfois, cependant, deux protéines virales vont se rencontrer et rester assemblées, parce que leurs reliefs vont correspondre, tout comme leurs différents motifs. De cette façon, des parties de virus s'assemblent, puis ces parties elles-mêmes se combinent pour donner un virus entier. Les ingénieurs en protéines n'auront pas besoin de "nanobras" et de "nanomains" pour assembler des nanomachines complexes. Mais de petits manipulateurs seront utiles et ils seront construits. A l'instar des ingénieurs qui construisent aujourd'hui des machines aussi complexes que des robots joueurs de piano ou des bras articulés à partir de moteurs, roulements et pièces mobiles ordinaires, les biochimistes de demain seront à même d'utiliser les protéines comme des moteurs, des roulements et des parties mobiles pour construire des bras robots qui seront eux-mêmes capables de manipuler individuellement les molécules. Concevoir des protéines7 Sommes-nous encore loin d'accéder à cette capacité ? Quelques avancées ont eu lieu mais le plus gros du travail reste à faire. Les biochimistes ont déjà cartographié la structure spatiale de nombreuses protéines. Et avec des machines qui synthétisent des gènes pour les aider à écrire des "cassettes" d'ADN, ils peuvent faire fabriquer à des cellules toutes les protéines imaginables8. Mais ils ne savent pas encore concevoir des chaînes protéiques qui se replieront pour donner la bonne forme et la bonne fonction. Les forces qui font se replier les protéines sont faibles et les différentes possibilités qu'a une protéine pour se replier sont extrêmement nombreuses. C'est pourquoi concevoir entièrement une grosse molécule en partant de rien est difficile. Les forces qui sont à l'origine des repliements des chaînes protéiques sont également celles qui maintiennent les protéines ensemble pour former des machines complexes. Les différentes formes des acides aminés (les perles moléculaires qui forment la chaîne protéique) et les différents types d'attractions qu'ils exercent font que la protéine se replie d'une manière spécifique pour former un objet d'une forme particulière. Les biochimistes ont appris des règles qui permettent d'évaluer la manière dont les chaînes d'acides aminés peuvent se replier mais ces règles ne sont pas absolues. Tenter de prévoir de quelle manière une chaîne va se replier revient un peu à faire un puzzle dont les pièces, découpées dans une surface unie, pourraient s'assembler plus ou moins de différentes manières, une seule étant la bonne. La recherche des règles de conformation d'une protéine donnée pourrait occuper plusieurs vies et une réponse correcte ne serait peut-être même pas reconnue. Les biochimistes qui utilisent les meilleurs programmes informatiques disponibles à l'heure actuelle ne peuvent toujours pas prédire la manière dont une grosse protéine naturelle va se replier et certains désespèrent d'y parvenir en un délai raisonnable. Ceci dit, la plupart des biochimistes travaillent en tant que chercheurs, pas en tant qu'ingénieurs. Ils s'attachent plutôt à déterminer de quelle manière les protéines naturelles se replient ; pas à modéliser des protéines qui vont se replier selon les calculs effectués. Ces tâches peuvent sembler similaires9 mais elles sont en réalité très différentes : la première est un défi scientifique, la seconde est un défi d'ingénieur. Pourquoi les protéines naturelles devraient-elles se replier d'une manière que les scientifiques trouvent facile à prévoir ? Tout ce dont la nature a besoin, c'est que les protéines se replient correctement, pas que ces repliements s'effectuent d'une manière qui paraisse évidente. Mais les protéines peuvent être conçues dès le départ pour que leur repliement soit plus prédictible. Carl Pablo, dans Nature10, a proposé une stratégie de modélisation fondée sur cette approche et quelques ingénieurs en biochimie ont imaginé et construit de courtes chaînes de quelques dizaines d'acides aminés11 qui se sont repliées et nichées à la surface d'autres molécules comme prévu. Ils ont réussi à construire en partant de zéro une protéine12 dont les propriétés s'apparentent à celles de la mélittine, une toxine contenue dans le venin d'abeille. Ils ont modifié des enzymes existantes, changé leurs comportements d'une manière prédictible13. Notre compréhension des protéines grandit de jour en jour. Selon le biologiste Garrett Hardin14, en 1959, des généticiens ont déclaré l'ingénierie génétique impossible ; aujourd'hui, c'est devenu une industrie. La biochimie et la conception de molécules assistée par ordinateur sont des domaines en pleine explosion et comme Frederick Blattner l'a écrit dans le journal Science15, "les programmes de jeux d'échecs ont déjà atteint le niveau des grands maîtres. Peut-être que la solution au problème du repliement des protéines est plus proche que l'on ne croit." William Rastetter de Genetech, écrivant dans Applied biochemistry and biotechnology16 a demande : "Quelle distance nous sépare encore de la conception d'enzymes et de leur synthèse de novo ? Dix ans ? Quinze ans ?" et il répond : "Peut-être moins que cela." Forrest Carter, du U.S. Naval Research Laboratoryb, Ari Aviram et Philip Seiden de chez IBM, Kevin Ulmer de Genex Corporation et d'autres chercheurs dans des laboratoires universitaires ou industriels à travers le monde, ont déjà commencé le travail théorique et les expériences en vue de fabriquer des interrupteurs et des mémoires moléculaires ainsi que d'autres structures qui pourraient être utiles à la fabrication d'un ordinateur biologique. Le U.S. Naval Research Laboratory a organisé deux conférences internationales sur les appareils électroniques moléculaires17 et une rencontre patronnée par la U.S. National Science Foundationc insistait sur le besoin de développer les recherches18 sur les ordinateurs moléculaires. Le Japon a annoncé le lancement d'un programme de plusieurs millions de dollars dans le but de développer des moteurs et des ordinateurs moléculaires capables de s'auto-assembler. A San José, la société VLSI Research19 annonce quant à elle : "Il semble que la course pour les bio-pucesd (un autre terme pour désigner les systèmes moléculaires électroniques) ait déjà commencé". NEC, Hitachi, Toshiba, Matsushita, Fujitsu, Sanyo-Denki et Sharp ont commencé les efforts de recherche à grande échelle dans le domaine des bio-puces pour "bio-ordinateur". Les biochimistes ont d'autres raisons de vouloir apprendre l'art de la conception des protéines. De nouvelles enzymes promettent en effet de rendre faciles et propres des réactions chimiques qui demeurent pour l'instant polluantes et coûteuses. De nouvelles protéines offriront toute une nouvelle gamme d'outils aux biotechnologistes. Nous sommes déjà sur la route de l'ingénierie protéique et comme Kevin Ulmer le fait remarquer dans l'en-tête de ce chapitre tiré de Science, cette route nous mène "vers une capacité plus générale d'ingénierie moléculaire qui nous permettra de structurer la matière atome par atome". Nanotechnologies de seconde génération Malgré leur polyvalence, les protéines ont quelques faiblesses en tant que matériel d'ingénierie. Les machines protéiques s'arrêtent quand on les déshydrate, gèlent quand on les refroidit, cuisent quand on les chauffe. On ne construit pas des machines avec de la chair, des poils et de la gélatine. A travers les siècles, nous avons appris à utiliser nos mains de chair et d'os pour construire des machines en bois, céramique, acier et plastique. Nous continuerons à faire de même dans le futur. Nous utiliserons des machines protéiques pour construire des nanomachines faites de matériaux plus solides que les protéines. A mesure que les nanotechnologies se passeront des protéines, elles deviendront plus ordinaires du point de vue des ingénieurs. Les molécules seront assemblées comme les pièces d'un mécano et les parties correctement assemblées resteront liées ensemble. A la manière dont des outils ordinaires peuvent assembler des machines ordinaires à partir de leurs pièces, les outils moléculaires dont nous disposerons assembleront les molécules ensemble pour faire de petits engrenages, moteurs et leviers et les regrouperont pour former des machines complexes. Les pièces qui ne contiennent que quelques atomes sont bosselées mais les ingénieurs peuvent travailler avec des parties bosselées si celles-ci reposent sur des paliersa suffisamment lisses. Certaines liaisons entre les atomes constituent des paliers satisfaisants ; cela signifie que des pièces peuvent être montées par l'intermédiaire d'une seule liaison chimique20 qui les laissera tourner librement et régulièrement. Comme un palier peut être fabriqué en utilisant seulement deux atomes (et des parties mobiles n'en nécessitent que quelques-uns), les nanomachines peuvent réellement avoir des composants de taille moléculaire. Comment ces machines plus performantes seront-elles construites ? Depuis des années, les ingénieurs utilisent la technologie pour faire progresser la technologie. Ils ont manipulé des outils métalliques pour travailler le métal en des outils meilleurs encore et les ordinateurs pour concevoir et programmer des ordinateurs plus puissants. De la même manière, ils utiliseront des nanomachines protéiques pour construire des nanomachines plus performantes. Les enzymes nous indiquent la voie : elles assemblent des grosses molécules en "attrapant" des petites molécules dispersées dans le liquide environnant, puis en les maintenant ensemble jusqu'à ce qu'une liaison se forme. Les enzymes assemblent l'ADN, l'ARN, les protéines, les graisses et les hormones de cette manière -et plus généralement toutes les molécules que l'on trouve dans le règne du vivant. Les ingénieurs en biochimie seront capables de construire de nouvelles enzymes qui assembleront les atomes en de nouveaux motifs. Par exemple, ils feront peut-être une machine similaire à une enzyme qui ajoutera des atomes de carbone à un endroit précis couche après couche. S'ils sont assemblés correctement, les atomes formeront une fine fibre de diamant21 flexible, qui aura 50 fois la résistance de l'acier pour une densité égale à celle de l'aluminium. Les compagnies aérospatiales se bousculeront pour acheter de telles fibres en grande quantité afin d'élaborer des composites avancés (et là encore, la course aux armements sera un puissant moteur en faveur du développement des nanotechnologies). Mais l'avancée majeure aura lieu lorsque les machines protéiques seront capables d'assembler des structures plus complexes que de simples fibres. Ces machines protéiques programmables ressembleront aux ribosomes programmés par l'ARN ou encore à l'ancienne génération de machines-outils programmées par bandes perforées. Elles ouvriront un vaste champ de possibilités, permettant aux ingénieurs d'échapper aux limitations des protéines pour construire de manière plus simple des machines compactes et robustes. Comme les enzymes naturelles, les protéines artificielles assembleront et sépareront les molécules. Les protéines existantes se lient à une grande variété de molécules, les utilisant comme des outils chimiques ; les protéines artificielles utiliseront tous ces outils et bien d'autres encore. De plus, en chimie organique, les chimistes ont montré que les réactions chimiques peuvent produire des résultats remarquablement ordonnés, même en l'absence de nanomachines pour les guider. Les chimistes n'ont pas de contrôle direct sur les mouvements désordonnés des molécules dans un liquide, qui peuvent donc réagir de toutes les manières possibles, selon leurs rencontres. Les chimistes parviennent toutefois à influer sur les molécules22 pour qu'elles forment des structures régulières comme des cubes, des dodécaèdres ou des structures qui semblent encore plus improbables comme des anneaux moléculaires avec des liaisons très tendues. Les machines moléculaires seront encore plus habiles à réaliser des liaisons interatomiques, parce qu'à la différence des chimistes, elles pourront guider les mouvements des molécules. En effet, c'est parce qu'il est encore impossible aux chimistes de diriger les mouvements des molécules qu'ils réussissent rarement à en assembler de complexes selon un plan préétabli. Les plus grosses molécules qu'ils réalisent en respectant un schéma spécifique et complexe sont toutes des chaînes linéaires. Ils les forment en ajoutant une à une des molécules à une chaîne en formation, selon une séquence ordonnée (comme dans la machine à assembler des gènes). Avec seulement un site de liaison par chaîne, ils sont sûrs d'ajouter la pièce suivante à la bonne place. Mais si une grosse molécule arrondie et bosselée possède (par exemple) une centaine d'atomes d'hydrogène à sa surface, comment les chimistes peuvent-ils en retirer un en particulier (celui placé cinq atomes au-dessus et trois atomes à droite de la bosse placée à l'avant de la molécule), pour ajouter autre chose à cette place ? Mélanger ensemble de simples produits chimiques ne donnera que très rarement le bon résultat, parce que de petites molécules ne peuvent être que faiblement sélectives quand elle réagissent avec une grosse molécule. En revanche, les machines protéiques auront cette sélectivité. Une machine protéique flexible et programmable pourra se saisir d'une grosse molécule (la pièce à travailler) et amener d'autre part une petite molécule contre elle, juste à la bonne place. Comme une enzyme, elle liera alors les deux molécules ensemble. En accrochant des molécules les une après les autres à la pièce de travail, la machine assemblera une structure de plus en plus large en maintenant un contrôle total sur l'arrangement de ses atomes. C'est le facteur clé qui a manqué aux chimistes. Comme les ribosomes, de telles nanomachines peuvent travailler sous le contrôle de "bandes" moléculaires. A la différence des ribosomes, elles manipuleront une grande variété de petites molécules (pas seulement des acides aminés) et les lieront à la pièce en construction au bon endroit et pas seulement à l'extrémité. Les machines protéiques combineront alors la faculté de créer et briser des liaisons au caractère programmable des ribosomes. Mais là où les ribosomes ne peuvent construire que de fragiles protéines, ces machines protéiques construiront des objets, solides et petits, en métal, en céramique ou en diamant. Ces objets seront invisibles mais pourtant très robustes. Dans des situations où nos doigts de chair sont susceptibles d'être meurtris ou brûlés, nous utilisons des pinces en acier. Dans des situations où les machines protéiques seront susceptibles d'être détruites ou désintégrées, nous nous tournerons vers des nanomachines faites de matériaux plus résistants. Assembleurs universels La seconde génération de nanomachines -construites à partir d'autres matériaux que des acides aminés- fera tout ce que les protéines sont capables de faire et bien plus encore23. En particulier, certaines joueront un rôle important, en tant qu'outils améliorés, dans l'assemblage des structures moléculaires. Capables de tolérer selon leur conception les acides ou le vide, le gel ou les fortes chaleurs, les nanomachines de seconde génération seront à même d'utiliser comme des "outils" presque tous les réactifs utilisés par les chimistes ; mais elles les manieront avec la précision de machines programmées. Elles seront capables de lier les atomes entre eux dans pratiquement toutes les configurations stables possibles en les ajoutant par petits groupes à la molécule en formation, jusqu'à ce que la structure complexe soit terminée. Pensez à de telles machines comme à des assembleurs24. Parce que les assembleurs nous permettront de placer les atomes dans presque tous les arrangements possibles25, ils nous permettront de construire presque tout ce que les lois de la nature autorisent. En particulier, ils nous permettront de réaliser presque tout ce que nous pouvons concevoir; y compris d'avantages d'assembleurs. Les conséquences en sont énormes, parce qu'avec nos outils grossiers, nous n'avons exploré qu'une parcelle de ce que permettent les lois de la nature. Les assembleurs marqueront le début d'une nouvelle ère technologique. Les avancées dans les domaines de la médecine, de l'espace, de l'informatique, de la production -et de la guerre- sont toutes dépendantes de notre faculté à arranger les atomes. Avec des assembleurs, nous serons en mesure de remodeler notre monde ou de le détruire. Ainsi, il est temps de prendre un peu de recul et d'analyser les perspectives ouvertes le plus sereinement possible, afin de vérifier si les assembleurs et les nanotechnologies ne sont pas un mirage prospectif. Réponses aux objections Dans tout ce que je viens de décrire, j'ai pris soin de rester près de faits démontrés en chimie et en biologie moléculaire. Cependant, certaines personnes émettent régulièrement des objections dont les arguments s'appuient sur la physique ou la biologie. Ces questions méritent des réponses plus directes. l Le principe d'incertitude de la physique quantique empêchera-t-il les nanomachines de fonctionner ? Ce principe interdit, entre autres choses, de préciser à la fois la position et la vitesse d'une particule. Ceci limite les possibilités des machines moléculaires, de la même manière que cela limite tout ce qui peut être fait. Malgré tout, les calculs montrent que le principe d'incertitude limite peu le maintien des atomes en place, au moins en ce qui concerne notre sujet d'étude. En revanche, le principe d'incertitude rend la position des électrons très floue ; c'est même cette incertitude sur la position qui détermine la taille et la structure des atomes. Cependant un atome, pris comme un tout, a une position relativement bien précise, définie par celle de son noyau. Si les atomes n'occupaient pas de position bien définie, les molécules n'existeraient pas. Il est inutile d'étudier la physique quantique pour admettre ces conclusions, parce que les cellules vivantes démontrent le bon fonctionnement des machines moléculaires. l Les vibrations moléculaires dues à la chaleur rendront-elles les machines moléculaires inutilisables ou très peu fiables ? L'agitation thermique pose plus de problèmes que le principe d'incertitude mais encore une fois, les machines moléculaires existantes prouvent de manière directe que les machines moléculaires peuvent fonctionner à température ambiante. Malgré les vibrations thermiques, la machinerie responsable de copier l'ADN26 fait, dans certaines cellules, moins d'une erreur sur 100 000 000 000 d'opérations. Toutefois, pour atteindre cette exactitude, les cellules utilisent des machines (comme l'enzyme ADN polymérase I) qui vérifient la copie et corrigent les erreurs. Les assembleurs nécessiteront certainement de tels systèmes de correction d'erreurs s'ils doivent produire des résultats fiables. l Les radiations désorganiseront-elles les machines moléculaires jusqu'à les rendre inutilisables ? Les radiations de haute énergie peuvent briser des liaisons chimiques et perturber les machines moléculaires. Mais les cellules vivantes montrent qu'une fois encore la solution existe : elles fonctionnent sans interruption pendant des années en réparant et remplaçant les éléments endommagés par les radiations27. Les machines moléculaires sont très petites, elles représentent donc des cibles très réduites pour les radiations et elles ne sont que rarement touchées. Cependant, pour être fiable, un système de nanomachines devra être capable de tolérer certains dégâts et de réparer ou remplacer les parties endommagées. Cette approche de la fiabilité est bien connue des concepteurs d'avions et de fusées. l Etant donné que l'évolution n'est pas parvenue à produire des assembleurs, cela ne montre-t-il pas qu'ils sont irréalisables ou inutiles ? Les réponses aux questions précédentes s'appuyaient en partie sur le fait que les machines moléculaires existent dans les cellules. Ceci est un exemple simple et probant permettant d'affirmer que les lois de la nature autorisent l'utilisation de groupes d'atomes comme des machines programmées, capables de construire d'autres nanomachines. Malgré leur ressemblance fondamentale avec les ribosomes, les assembleurs différeront de tout ce que l'on peut trouver dans des cellules. Toutefois, avec des mouvements moléculaires et des réactions ordinaires, ils créeront des choses nouvelles : par exemple, aucune cellule, ne fabrique de fibres de diamant. L'idée que de nouvelles sortes de nanomachines nous procureront de nouvelles capacités peut paraître surprenante : malgré plusieurs milliards d'années d'évolution, la vie n'a jamais abandonné28 sa dépendance envers les machines protéiques. Cela signifie-t-il cependant que des améliorations sont impossibles ? L'évolution progresse au travers de petits changements et l'évolution de l'ADN peut difficilement remplacer l'ADN. Etant donné que le système ADN/ARN/ribosome est spécialisé dans la fabrication de protéines, la vie n'a pas eu réellement le choix pour évoluer de manière alternative. Tout directeur de production peut facilement en apprécier les raisons : plus encore que pour une usine, la vie ne peut pas se permettre de s'arrêter pour remplacer ses vieux systèmes. Une machine moléculaire améliorée ne devrait pas nous surprendre plus que des alliages d'acier qui sont dix fois plus résistants que des os ou que des fils de cuivre, qui transmettent les signaux électriques un million de fois plus vite que les nerfs. Les voitures battent les guépards à la course, les avions à réaction volent plus vite que les faucons et les ordinateurs calculent déjà plus vite que des humains se grattant la tête. Le futur apportera encore davantage d'exemples d'améliorations face à l'évolution biologique et parmi ces exemples figureront les nanomachines de seconde génération. La physique montre clairement que les assembleurs évolués seront capables de faire plus que les machines protéiques existantes. Ils seront programmables comme des ribosomes mais ils seront capables d'utiliser un échantillon d'outils plus large que toutes les enzymes d'une cellule rassemblées. Et parce qu'ils seront constitués de matériaux plus solides, stables et rigides que les protéines, ils seront capables d'exercer des forces plus grandes, de se déplacer avec une meilleure précision et d'endurer des conditions plus sévères. Tout comme un bras robot industriel -mais à la différence de tout ce qui existe dans une cellule- ils seront à même de faire tourner et de mouvoir les molécules en trois dimensions sous le contrôle d'un programme, autorisant l'assemblage précis d'objets complexes. Ces avantages leur permettront d'assembler un éventail de structures moléculaires bien plus vaste que ce que les cellules vivantes ont fait. l Y a-t-il quelque chose de magique, inhérent à la vie, essentiel au fonctionnement des machineries moléculaires ? On pourrait douter de la possibilité pour les nanomachines artificielles d'égaliser les performances des nanomachines cellulaires, s'il y avait des raisons de penser que les cellules contiennent une sorte de force magique qui les ferait fonctionner. Cette idée s'appelle le "vitalisme". Les biologistes l'ont abandonnée parce qu'ils ont trouvé des explications physiques et chimiques pour toutes les propriétés des cellules jusqu'à présent étudiées, y compris leurs mouvements, leur croissance et leur reproduction. En fait, ces connaissances sont les fondations mêmes des biotechnologies. Des nanomachines naturelles, extraites de cellules et placées en suspension dans des tubes à essai stériles, ont pu accomplir toutes les activités de base qu'elles effectuent à l'intérieur des cellules. En partant des produits chimiques qui se trouvent dans l'air ambiant, les biochimistes sont parvenus à synthétiser des machines protéiques fonctionnelles sans l'aide de cellules. R. B. Merrifield, par exemple, a utilisé des techniques chimiques29 pour assembler de simples acides aminés afin de fabriquer une ribonucléase pancréatique de b¦uf, une enzyme qui désassemble les molécules d'ARN. La vie est spéciale dans sa structure, dans son comportement mais aussi dans ce sentiment qui nous habite, que nous sommes vivants ; et cependant les lois de la nature qui gouvernent les machineries moléculaires de la vie sont les mêmes que celles qui gouvernent le reste de l'univers. l Les preuves concernant la faisabilité des assembleurs et des autres nanomachines peuvent sembler solides mais pourquoi ne pas plutôt attendre et regarder, pour voir si elles peuvent être développées, avant de s'intéresser aux implications et aux applications possibles ? La curiosité pure semble être une raison suffisante pour examiner les possibilités ouvertes par les nanotechnologies mais il y a des raisons plus convaincantes. Ce déploiement des nanotechnologies va balayer le monde dans les dix à cinquante années qui viennent -c'est-à-dire dans un laps de temps correspondant à notre espérance de vie ou celle de nos proches. De plus, les conclusions des chapitres suivants suggèrent qu'une politique de type "wait and see" pourrait coûter très cher -cela pourrait coûter des millions de vies et peut-être même signifier la fin de la vie sur la Terre. Les arguments en faveur de la faisabilité des nanotechnologies et des assembleurs sont-ils assez solides pour être pris au sérieux ? Il semble que oui, parce que le c¦ur du problème repose sur deux faits scientifiques bien établis : (1) que les machines moléculaires existantes remplissent un éventail de fonctions simples et (2) que les pièces servant à effectuer ces fonctions de base peuvent être assemblées pour construire des machines complexes. Comme les réactions chimiques peuvent lier des atomes ensemble de diverses manières et comme les machines moléculaires peuvent diriger ces réactions chimiques selon des instructions programmées, les assembleurs sont assurément réalisables. Nano-ordinateurs Les assembleurs seront à l'origine d'une percée technologique d'une importance évidente : les ingénieurs les utiliseront pour réduire la taille et le coût des microprocesseurs et pour augmenter leur vitesse de manière spectaculaire. Avec notre technologie grossière d'aujourd'hui, les ingénieurs dessinent des motifs à la surface des puces de silicium en jetant dessus des atomes et des photons mais les motifs restent plats et des défauts de taille moléculaire sont inévitables. Avec des assembleurs, cependant, les ingénieurs pourront construire avec une précision atomique des circuits en 3 dimensions. Les limites exactes de l'électronique restent aujourd'hui incertaines parce que le comportement quantique des électrons dans un réseau complexe de minuscules structures représente des problèmes sérieux, dont certains découlent directement du principe d'incertitude. Cependant, quelles que soient les limites, elles seront atteintes avec l'aide des assembleurs. Les ordinateurs les plus rapides utiliseront des composants électroniques mais ce ne sera pas forcément le cas pour les ordinateurs les plus petits. Cela peut paraître étrange mais les bases du calcul informatique n'ont rien à voir avec l'électronique. Un ordinateur numérique est un assemblage d'interrupteurs capables de s'ouvrir et de se fermer mutuellement. Ces interrupteurs démarrent dans une position donnée (par exemple, représentant 2 + 2) et basculent dans une nouvelle configuration (représentant 4), etc. De telles configurations d'interrupteurs peuvent représenter à peu près tout ce que l'on veut. Les ingénieurs construisent les ordinateurs à partir de petits interrupteurs électroniques connectés par des fils électriques simplement parce que les interrupteurs mécaniques, connectés par des tiges ou des ficelles seraient gros, lents, peu fiables et très chers, du moins aujourd'hui. L'idée d'un ordinateur purement mécanique n'est pas vraiment nouvelle. C'est Charles Babbage, dans les années 185030, qui inventa le premier un ordinateur mécanique avec des engrenages en laiton. Augusta Ada, la comtesse de Lovelace, qui travaillait au projet, inventa la programmation informatique. Les multiples changements de plans de Babbage, les problèmes techniques et les obstacles financiers (des investisseurs doutèrent même de l'utilité des ordinateurs !) eurent raison de ce projet avant son achèvement. Suivant la même voie, Danny Hillis et Brian Silverman, du laboratoire d'intelligence artificielle du MIT, ont construit un ordinateur uniquement mécanique dédié au jeu du morpion. Mesurant plus de deux mètres de côté, rempli de tiges et de cadres mobiles qui représentent l'état du plateau de jeu et les stratégies utilisées, il repose désormais au musée de l'ordinateur à Boston. Il ressemble à un énorme modèle moléculaire de chimiste, construit avec les pièces d'un mécano. Les engrenages en laiton et les pièces de mécano ne permettent de construire que des ordinateurs gros et lents. Mais avec des composants larges de quelques atomes, un ordinateur mécanique simple tiendra dans un centième de micron cube, soit un volume plusieurs milliards de fois inférieur aux composants qualifiés à l'heure actuelle de micro-électroniques. S'il lui fallait stocker un milliard d'octets de données, un nano-ordinateur tiendrait encore dans une boîte d'un micron de côté31, équivalent à la taille d'une petite bactérie. Et il serait rapide. Bien que les déplacements mécaniques32 soient 100 000 fois plus lents que les signaux électriques des machines actuelles, ils n'auraient à parcourir qu'un millionième de la distance et mettraient donc moins de temps. Ainsi, un simple ordinateur mécanique travaillera plus vite que les bêtes de courses électroniques d'aujourd'hui. Les nano-ordinateurs électroniques seront probablement des milliers de fois plus rapides que les micro-ordinateurs électroniques -et peut-être même des centaines de milliers de fois, si la prédiction faite par le prix Nobel Richard Feynman33 se révèle être réalisable. L'accroissement de la vitesse, autorisé par la réduction de la taille, est une vieille histoire en électronique. Désassembleurs Les ordinateurs moléculaires contrôleront les assembleurs moléculaires, leur fournissant l'important flux d'instructions nécessaire pour diriger le placement de grandes quantités d'atomes. Les nano-ordinateurs possédant des mémoires moléculaires serviront également à stocker des données en provenance du processus inverse de l'assemblage. Les assembleurs aideront les ingénieurs à fabriquer des choses ; leurs proches parents, les désassembleurs, aideront les scientifiques et les ingénieurs à analyser celles-ci. Les arguments en faveur des assembleurs résident dans le fait que les enzymes et les réactions chimiques forment des liaisons et que des machines contrôlent ce processus. Les enzymes, les acides, les oxydants, les métaux alcalins, les ions et les groupes d'atomes réactifs appelés radicaux libres peuvent tous casser des liaisons et retirer des groupes d'atomes. Parce que rien n'est parfaitement à l'abri de la corrosion, il semble que les outils moléculaires seront capables de tout déstructurer, par petits paquets d'atomes. De plus, une nanomachine peut aussi bien (par besoin ou commodité), appliquer des forces mécaniques, libérant ainsi par effet de levier des groupes d'atomes. Une nanomachine capable de faire ceci, en même temps qu'elle enregistre tout ce qu'elle retire, couche après couche, est un désassembleur34. Les assembleurs, les désassembleurs et les nano-ordinateurs travailleront ensemble. Par exemple, un système de nano-ordinateurs sera capable de diriger le désassemblage d'un objet, d'enregistrer sa structure, puis de diriger l'assemblage de copies parfaites. Ceci nous donne une idée de la puissance des nanotechnologies. Le monde renouvelé Les assembleurs mettront des années à émerger mais leur arrivée semble presque inévitable. Car bien que le chemin qui mène aux assembleurs nécessite plusieurs étapes, chaque avancée mettra la suivante à notre portée et chaque pas apportera des bénéfices immédiats. Les premières étapes ont déjà été franchies, sous les noms de "biotechnologies" et "ingénierie génétique". Mais d'autres voies menant aux assembleurs sont envisageables. A part en cas de destruction ou de contrôle planétaire, la course technologique continuera, qu'on le veuille ou non. Et à mesure que les progrès dans le domaine de la conception assistée par ordinateur des outils moléculaires s'accéléreront, les avancées réalisées en ce qui concerne la fabrication des premiers assembleurs se feront plus rapides. Pour avoir un espoir de comprendre notre futur, nous devons imaginer les conséquences qu'auront les assembleurs, les désassembleurs et les nano-ordinateurs. Ils sont porteurs de changements aussi importants que ceux qu'auraient produits la révolution industrielle, les antibiotiques et les armes atomiques arrivant tous ensemble en une percée massive. Pour comprendre un futur si profondément bouleversé, il est utile de rechercher les principes de changement qui ont prévalu lors des plus grands tumultes du passé : ce seront des guides utiles. 2 Les principes du changement Le processus de conception35 implique tout d'abord l'invention d'alternatives puis leur confrontation à toute une série d'exigences et de contraintes. Herbert A. Simon Les assembleurs moléculaires apporteront une révolution sans précédent depuis l'apparition des ribosomes, les assembleurs primitifs des cellules. Les nanotechnologies résultantes pourront aider la vie à se répandre au-delà des limites de la terre : un événement unique depuis que la vie s'est répandue à travers les mers et les continents. Elles pourront permettre l'émergence de l'intelligence dans les machines, une évolution sans précédent depuis qu'elle a émergé chez les primates. Et elles permettront à notre esprit de renouveler et de remodeler notre corps, un événement sans aucun équivalent. Ces révolutions apporteront des dangers et des possibilités trop vastes pour que notre imagination puisse les saisir. Cependant, les principes du changement qui se sont appliqués aux molécules, aux cellules, aux animaux, aux esprits et aux machines devraient également s'appliquer dans une ère de biotechnologies, de nanomachines et de cerveaux artificiels. Les lois qui régissent la vie dans les mers, sur la terre et dans les airs devraient continuer de s'appliquer lorsque nous répandrons la vie au-delà des limites de la Terre. Comprendre les grands principes qui gouvernent les changements nous aidera à comprendre les potentialités (bonnes ou mauvaises) des nouvelles technologies. L'ordre émergeant du chaos L'ordre peut survenir du chaos sans que personne n'intervienne : bien avant que le soleil, la Terre et la vie apparaissent, des cristaux ordonnés se sont condensés dans les gaz interstellaires. Le chaos permet aussi la formation d'un ordre cristallin dans des conditions plus familières. Imaginez une molécule -de forme régulière ou encore toute tordue et pleine d'excroissances comme une racine de gingembre. Maintenant, imaginez une grande quantité de ces molécules en mouvement dans un liquide, se bousculant et s'entrechoquant comme des boules de billard dans un tambour de machine à laver. Imaginez le liquide en train de s'évaporer et de se refroidir, obligeant les molécules à se rapprocher et les ralentissant. Ces molécules aux formes alambiquées vont-t-elles simplement se rassembler en tas informes ? En général, non. Elles vont plutôt former des structures cristallines, chaque molécule bien alignée avec ses voisines, aussi parfaitement que sur un échiquier, quoique de manière souvent plus complexe. Ce processus ne s'explique ni par la magie ni par une propriété spéciale des molécules ou des forces en mécanique quantique. Il ne requiert même pas les formes particulières que l'on trouve à la surface des protéines et qui leur permettent de s'auto-assembler en des nanomachines. Si l'on secoue un plateau contenant des billes de taille identique, celles-ci se disposent également en motifs réguliers. Les cristaux grandissent par essais et suppression d'erreurs, par construction puis sélection. Il n'y a pas de petites mains pour les assembler. Un cristal commence à grandir à partir d'un petit amas de molécules. Les molécules se déplacent, se rencontrent et s'accrochent au hasard. Mais elles s'accrochent mieux lorsqu'elles le font en respectant l'ordre cristallin. Les autres molécules se heurtent alors à ce premier petit cristal. Certaines s'accrochent dans la mauvaise position ou avec une mauvaise orientation. Mais elles sont faiblement liées et l'agitation les décroche. Il arrive que certaines se présentent avec la bonne orientation. Elles se lient plus solidement et restent accrochées la plupart du temps. Couche après couche, le cristal se construit. Bien que les molécules se rencontrent au hasard, elles ne se lient pas au hasard. L'ordre émerge du chaos à travers un processus de variation et de sélection. Molécules en évolution Lors de la croissance des cristaux, chaque couche constitue un modèle pour la suivante. Des couches uniformes s'accumulent pour former un bloc solide. Dans les cellules, les brins d'ADN et d'ARN peuvent également servir de modèles ; aidés par des enzymes qui agissent comme des copieurs moléculaires. Mais les sous-unités des chaînes d'acides nucléiques peuvent être ordonnées en une multitude de séquences différentes et une chaîne modèle peut être séparée de sa copie. Ces deux chaînes36 peuvent alors être copiées à leur tour. Le biochimiste Sol Spiegelman37 a utilisé une machine à copier (une protéine virale) dans un tube à essai. Dans un environnement simple, dépourvu de vie, cette protéine peut dupliquer l'ARN. Représentez-vous un brin d'ARN flottant dans un tube à essai avec des copieurs moléculaires et des sous-unités d'ARN. La chaîne tourne et se tord jusqu'à ce qu'elle rencontre une machine à copier orientée correctement pour s'y accrocher. Des sous-unités d'ARN s'entrechoquent autour jusqu'à ce que l'une d'entre elles, du bon type, se présente dans la bonne position pour se fixer en vis-à-vis du brin modèle. Quand une sous-unité du bon type arrive par hasard dans la bonne position, la machine s'en saisit et l'accroche à la copie naissante. Bien que les sous-unités se présentent de manière aléatoire, la machine les accroche sélectivement. Pour finir, le modèle, la machine et la copie se séparent. Richard Dawkins, zoologiste à Oxford38, appelle réplicateur un élément qui fabrique une copie de lui-même. L'ARN est donc un réplicateur : une molécule unique en donne deux, puis quatre, huit, seize, trente-deux et ainsi de suite, de manière exponentielle. Par la suite, le taux de réplication plafonne : la quantité limitée de machines protéiques limite le débit de production des copies d'ARN et ceci quel que soit le nombre de molécules modèles en compétition pour être répliquées. Plus tard encore, les matériaux bruts utilisés pour la fabrication de l'ARN deviennent rares et la réplication cesse. L'explosion de population des molécules atteint un maximum : la croissance s'arrête. Cependant, la machinerie qui recopie l'ARN commet parfois des erreurs, comme des insertions, des délétions ou de mauvais appariements de sous-unités. Le brin d'ARN mutant diffère de l'original par sa taille ou la séquence de ses sous-unités. De tels changements sont à peu près aléatoires et s'amplifient avec le temps : des molécules mal copiées peuvent elles-mêmes être mal recopiées. Ces nouvelles molécules prolifèrent et se différencient les unes des autres. Tout cela semble être une recette pour fabriquer du chaos. Les biochimistes ont constaté que différentes molécules d'ARN se répliquent à des vitesses variables en fonction de leur taille et de l'arrangement de leurs sous-unités. Les descendants des réplicateurs les plus rapides deviennent naturellement les plus nombreux. Si un type de molécules se réplique simplement dix pour cent plus vite que ses congénères, sa descendance est mille fois plus importante que celle des autres au bout de cent générations. De petites différences au cours d'un processus de croissance exponentielle prennent une ampleur considérable. Quand, dans un tube à essai, les matériaux qui servent à fabriquer de l'ARN arrivent à épuisement, il est facile de prendre un échantillon de cet ARN pour en "infecter" un nouveau tube. Le phénomène se poursuit et les molécules qui avaient déjà commencé à prendre l'avantage au cours de la première manche distancent encore plus leurs poursuivants. De petits changements se produisent, devenant avec le temps de profonds remaniements. Quelques molécules se répliquent plus vite et leurs espèces dominent les autres. Quant les ressources s'épuisent à nouveau, il suffit de recommencer dans un nouveau tube, etc. Cette expérience met en valeur un processus naturel : quelle que soit la séquence d'ARN que l'expérimentateur introduit au départ, le chaos apparent des erreurs aléatoires mène toujours à une seule sorte de molécule d'ARN (à quelques erreurs de copie près). Sa version la plus courante a une séquence bien définie de 220 sous-unités. C'est le meilleur réplicateur d'ARN dans cet environnement : il est le seul à subsister parce qu'il supplante tous les autres. Une compétition prolongée entre des ARN réplicateurs apporte toujours le même résultat, quelles que soient la taille et la séquence de l'ARN initial. Bien que personne n'ait pu prédire la séquence gagnante, tout le monde peut se douter que les mutations et la compétition conduiront à un unique vainqueur. Il ne peut pas se produire grand-chose d'autre dans un système aussi simple. Si ces réplicateurs avaient des effets marqués les uns sur les autres (peut-être en s'attaquant ou en s'aidant sélectivement), alors le résultat pourrait relever d'une écologie plus complexe. Mais placés dans ces conditions, ils ne font qu'entrer en compétition pour leurs ressources. Une variante de cette expérience nous apprend autre chose : les molécules d'ARN s'adaptent différemment à des environnements différents. Une ribonucléase est une machine moléculaire qui peut saisir une molécule d'ARN présentant une certaine séquence de sous-unités exposées et la couper en deux. Mais les molécules d'ARN, comme les protéines, se replient dans l'espace en fonction de leur séquence ; en se repliant correctement, elles peuvent protéger leurs points vulnérables à la ribonucléase. Les expériences ont montré que les molécules d'ARN n'évoluent pas cette fois-ci vers un accroissement de leur vitesse de réplication mais vers une meilleure protection quand la ribonucléase est présente. A nouveau, un meilleur compétiteur émerge. Vous remarquerez que de nombreux termes biologiques se retrouvent dans cette description : puisque les molécules se répliquent, le terme "génération" semble approprié ; les molécules qui "descendent" des mêmes "ancêtres" sont des "parents" et les mots "croissance", "reproduction", "mutation" et "compétition" semblent également corrects. Pourquoi cela ? Parce que ces molécules se répliquent en introduisant de petites variations, comme le font les gènes dans les organismes vivants. Quand différents réplicateurs ont plus ou moins de succès, ce sont les plus adaptés qui finissent par prédominer. Ce processus, où qu'il se déroule, est une "évolution". Dans cet exemple du tube à essai, nous pouvons voir l'évolution réduite à sa plus simple expression, libérée de l'inévitable émotion attachée à l'évolution du vivant. Les ARN réplicateurs et les machines à copier protéiques sont des assemblages bien définis d'atomes qui obéissent à des principes bien compris et se développent dans des conditions reproductibles en laboratoire. Les biochimistes peuvent fabriquer des protéines et de l'ARN à partir de produits chimiques simples, sans l'aide du vivant. Les biochimistes ont emprunté ces machines à copier à une espèce de virus qui infecte les bactéries et utilise l'ARN comme matériel génétique. Pour se reproduire, ce virus entre dans une bactérie, détourne ses ressources pour faire des copies de lui-même, puis ressort de la bactérie pour aller en infecter d'autres. Des erreurs dans la copie de l'ARN viral produisent des virus mutants et les virus qui se répliquent le mieux deviennent majoritaires. C'est une évolution par sélection naturelle ; probablement appelée "naturelle" parce que l'homme n'y intervient pas. Mais à la différence de l'ARN du tube à essai, l'ARN viral ne doit pas seulement se répliquer. Il doit également diriger la synthèse des protéines virales par les ribosomes bactériens. Ces protéines sont essentielles aux virus pour sortir des bactéries puis survivre à l'extérieur et enfin en infecter de nouvelles. Toutes ces informations supplémentaires donnent aux ARN viraux une taille minimale de 4 500 paires de bases. Pour se reproduire avec succès, l'ADN des organismes plus complexes doit effectuer encore plus de tâches, comme diriger la fabrication de dizaines de milliers de machines protéiques différentes et le développement de tissus complexes et d'organes. Ceci requiert des milliers de gènes codés par des millions ou des milliards de sous-unités d'ADN. Néanmoins, l'essentiel du processus par variation et sélection reste le même, que ce soit dans les tubes à essai, les virus ou les organismes supérieurs. Expliquer l'ordre Il y a au moins trois manières d'expliquer la structure d'une population évoluée de réplicateurs moléculaires, selon qu'il s'agit d'ARN seul, de gènes viraux ou de gènes humains. La première est un historique détaillé de tous les événements survenus : comment telle mutation spécifique est apparue et comment elle s'est répandue. C'est impossible à faire sans un enregistrement de tous les événements moléculaires : un tel travail serait immensément fastidieux. La deuxième manière s'appuie sur un mot en l'occurrence trompeur : le but. Car pour les molécules, les modifications sont aléatoires et les survivantes sont celles qui sont répliquées sélectivement. C'est en regardant le résultat final que l'on peut imaginer que les molécules ou les cellules qui ont survécu ont "atteint le but" de la réplication. Pourquoi les molécules d'ARN qui évoluent sous la menace de la ribonucléase se replient-elles comme elles le font ? La réponse est bien sûr longue et fastidieuse, alors que dire simplement que les molécules "veulent contrer les attaques et survivre pour se répliquer" conduirait au même résultat. Parler de buts permet des raccourcis commodes (essayez donc de discuter sans eux du comportement humain) mais l'apparence de finalité ne résulte pas forcément de l'action d'un esprit. L'exemple de l'ARN l'illustre très clairement. La troisième, et souvent la meilleure des explications, -d'un point de vue évolutif- considère que l'ordre émerge de la variation et de la sélection des réplicateurs. Une molécule se replie d'une manière particulière parce qu'elle ressemble à une molécule ancestrale qui s'est multipliée avec beaucoup de succès (en évitant les attaques, etc.) et qui a laissé des descendants, en commençant par elle-même. Comme Richard Dawkins le souligne39, parler d'intention, mais avec prudence, peut être utilisé pour parler d'évolution. L'élimination des changements inadaptés est la voie royale de l'évolution. L'effet positif qui en résulte s'appuie donc en fait sur un processus en double négatif -une explication d'un genre plutôt difficile à saisir. Pire, ceci explique un résultat visible (des entités autonomes, douées d'intention) par un processus invisible (les entités sans succès, qui ont disparu). Seuls les animaux ayant eu un succès évolutif ont jonché le paysage de leurs os ; les nombreux échecs du passé n'ont pu laisser beaucoup de fossiles. L'esprit humain a tendance à se focaliser sur le visible. Il recherche des causes positives pour des résultats positifs, comme une force ordonnante derrière des résultats ordonnés. Cependant, à travers la réflexion, nous pouvons nous rendre compte que ce grand principe a façonné notre passé et qu'il modèlera notre futur : l'évolution procède par variation et sélection des réplicateurs. Evolution des organismes L'histoire de la vie est l'histoire d'une course aux armements fondée sur des machines moléculaires. Aujourd'hui, alors que cette course aborde une phase nouvelle et s'accélère, nous avons besoin d'être sûrs de comprendre combien l'évolution est profondément enracinée dans le vivant. En des temps où l'idée d'évolution biologique est souvent traitée à la légère dans les écoles et quelquefois attaquée, nous devons nous souvenir que les preuves sont aussi solides que le roc et aussi nombreuses que les cellules. La Terre elle-même, dans des pages de pierre, a conservé la trace de l'histoire de la vie. Au fond des lacs et des mers, des coquilles, des os et du limon se sont empilés, couche après couche. Parfois, un courant sous-marin ou un bouleversement géologique met à jour ou emporte ces couches. Dans les autres cas, elles sont simplement enfouies. Les premières couches, enfoncées profondément ont été écrasées, cuites et immergées dans des eaux minérales, ce qui les a transformées en pierre. Depuis des siècles, les géologues ont étudié les roches pour lire le passé de la terre. Il y a longtemps déjà, ils trouvèrent des coquillages très haut dans les roches broyées et déformées des chaînes de montagnes. En 1785 -soit soixante-quatorze ans avant la publication du livre honni de Darwin40- James Hutton était déjà parvenu à la conclusion que la boue du fond des mers avait été compressée en roches, puis que celles-ci avaient été érigées en montagnes par des forces encore inconnues. Que pouvaient penser les géologues, sinon que la nature avait menti ? Ils virent que les fossiles et les os étaient différents d'une couche à la suivante. Ils se rendirent compte également que les coquilles de telle couche correspondaient bien à celle trouvée dans telle autre, alors qu'elles pouvaient être séparées par une grande étendue de terre. Ils nommèrent les couches (A, B, C, D... ou Coniacien, Turonien, Cénomanien, Albien...) et utilisèrent les caractéristiques des fossiles pour identifier les couches sédimentaires. La formation de la croûte terrestre n'a laissé nulle part une séquence complète de couches mises à nu. Mais quand les géologues trouvent à un endroit A, B, C, D, E puis C, D, E, F, G, H,I, J dans un autre et encore J, K, L dans un troisième, il leur est facile de reconstituer la séquence complète. Les prospecteurs pétroliers (même ceux qui ne s'intéressent pas à l'évolution et à ses conséquences) utilisent toujours de tels indices fossiles pour dater et suivre des couches géologiques d'un puits de forage à un autre. Les scientifiques sont arrivés à cette conclusion évidente : les espèces disparues qui vivaient autrefois sur la terre occupaient de vastes étendues, tout comme les espèces qui vivent actuellement. Et les couches qui s'empilent aujourd'hui font comme celles qui se sont déposées il y a plusieurs milliards d'années. Des coquilles similaires dans des couches similaires indiquent une époque de sédimentation identique. Les espèces sont différentes d'une couche à l'autre parce qu'elles évoluent. Voici ce que les géologues ont trouvé, écrit avec des coquilles et des os dans les pages de pierre de la Terre. Les couches supérieures de roche contiennent les os des animaux les plus récents. Les couches plus profondes contiennent les fossiles d'espèces maintenant éteintes. Des couches plus anciennes encore ne montrent plus trace d'animaux modernes. Sous les os des mammifères se trouvent les os des dinosaures puis ceux des amphibiens puis des fossiles de poissons et des coquilles et enfin plus d'os ou de coquilles du tout. Les plus anciennes roches fossiles portent les traces microscopiques de cellules uniques. Les datations radioactives de ces roches indiquent qu'elles sont âgées de plusieurs milliards d'années. Les cellules plus complexes que les bactéries datent d'un peu plus d'un milliard d'années. L'histoire des vers, des poissons, des amphibiens, des reptiles et des mammifères couvre quelques centaines de millions d'années. On retrouve les premiers os ressemblant à ceux des humains il y a quelques millions d'années. Les restes des civilisations datent de quelques milliers d'années. En trois milliards d'années, la vie a évolué de cellules uniques capables d'intégrer des produits chimiques, à des assemblages de cellules qui font émerger un esprit capable d'intégrer des idées. En moins d'un siècle, la technologie a évolué des locomotives à vapeur et de la lumière électrique aux vaisseaux spatiaux et aux ordinateurs électroniques -et les ordinateurs sont déjà en train d'apprendre à parler et écrire. Par l'association de l'esprit et de la technique, la vitesse de l'évolution s'est accélérée d'un facteur d'un million ou plus. Autres empreintes du temps Le livre de la pierre rapporte l'existence d'organismes disparus depuis bien longtemps mais les cellules aussi contiennent des enregistrements : des textes génétiques qui ne sont révélés que maintenant. Tout comme celles de la géologie, les idées essentielles de l'évolution étaient déjà présentes avant que Darwin41 ne les couchât sur le papier. Dans les temples et les monastères, des générations de scribes ont copié et recopié des manuscrits. Parfois ils modifiaient des mots ou des phrases -par erreur, volontairement ou sur ordre de l'autorité locale- et au fur et à mesure des copies effectuées par ces machines à écrire humaines, les erreurs s'accumulaient. Les erreurs les plus grossières étaient le plus souvent corrigées et les passages les plus fameux conservés intacts mais les différences allaient en grandissant. Les livres anciens existent rarement dans leur version originale. Les plus vieilles copies sont souvent plus jeunes de plusieurs siècles que les originaux perdus. Néanmoins, en comparant différentes copies dont les erreurs sont différentes, les savants peuvent reconstruire des versions plus proches de l'original. Ils comparent les textes. Ils peuvent reconstituer les lignées des différentes versions en analysant les erreurs communes à plusieurs copies, parce que les erreurs trahissent des origines communes : les instituteurs savent bien cela : de bonnes réponses identiques ne sont pas des indices -sauf dans des rédactions- mais il n'en est pas de même pour des erreurs communes !. Quand toutes les copies s'accordent sur un point, les chercheurs supposent que l'original -ou l'ancêtre commun des copies existantes- contenait ces mots. Là où les copies diffèrent, les savants étudient les copies qui descendent séparément d'ancêtres distants, parce que les parties concordantes indiquent une origine commune dans une version ancestrale. Les gènes ressemblent à des manuscrits écrits avec un alphabet de quatre lettres. Tout comme un même message peut être exprimé de différentes manières dans le langage ordinaire -reformuler une idée en utilisant des mots complètements différents n'est pas si difficile-, différents assemblages de "mots" génétiques peuvent conduire à la fabrication de protéines identiques. Qui plus est, des protéines différentes peuvent remplir des fonctions identiques. Une collection de gènes dans une cellule est comme un livre entier et les gènes -comme les vieux manuscrits- ont été recopiés par des scribes infidèles. A la manière dont les érudits étudient les textes anciens, les biologistes travaillent généralement avec des copies récentes de leur matériel d'étude ; il n'y a hélas pas de "Manuscrits de la mer Morte" des débuts de la vie. Ils comparent les êtres vivants qui se ressemblent (les lions et les tigres, les chevaux et les zèbres, les rats et les souris) et trouvent de grandes similitudes quand ils analysent leurs gènes et leurs protéines. Et plus deux organismes diffèrent (les lions et les lézards, les humains et les tournesols), plus leurs gènes et leurs protéines diffèrent, même pour des machines moléculaires qui remplissent les mêmes fonctions. Plus révélateur encore, les animaux similaires font les mêmes erreurs : aucun primate, par exemple, ne possède plus l'enzyme permettant de synthétiser la vitamine C. Cette incapacité n'est partagée que par deux autres mammifères : le cochon d'Inde et la chauve-souris frugivore. Ceci indique que nous, primates, avons copié nos sources génétiques d'un ancêtre commun, il y a bien longtemps. Le principe qui permet de comprendre les lignées des versions des textes anciens -et qui aide à corriger les erreurs de copie- s'applique donc également aux gènes des êtres vivants. Il permet de révéler les lignées dont sont issues les formes de vie actuelle. Et il indique que tous les êtres vivants connus partagent un ancêtre commun. L'ascension des réplicateurs Les premiers réplicateurs de la Terre ont développé des facultés qui vont au-delà de celles que peuvent acquérir les molécules d'ARN en tube à essai. Avec le temps, ils ont atteint le stade bactérien : ils ont développé le système "moderne" d'utilisation de l'ADN, de l'ARN et des ribosomes pour construire des protéines. Les mutations ne changeaient désormais plus seulement l'ADN qui se réplique mais également les machines protéiques et les structures vivantes qu'elles construisent et modèlent. Des groupes de gènes modelèrent des cellules encore plus élaborées, puis guidèrent la coopération cellulaire vers les organismes complexes. Les variations et la sélection ont favorisé des groupes de gènes qui modelaient des animaux avec une peau protectrice et une bouche affamée, animés par des nerfs et des muscles, dirigés par un cerveau et des yeux. Comme Richard Dawkins le fait remarquer42 : les gènes construisent des machines à survivre encore plus élaborées pour subvenir à leur propre réplication. Quand des gènes de chiens se répliquent, ils sont souvent mélangés à ceux d'autres chiens qui ont été sélectionnés par des éleveurs qui choisissent alors quels chiots garder et nourrir. A travers les millénaires, l'homme a modelé des animaux ressemblant à des loups en lévriers, caniches, bassets et saint-bernard... En sélectionnant les gènes qui survivent, les hommes ont remodelé la morphologie et le comportement des chiens. Les désirs des humains ont été les facteurs de succès pour les gènes canins ; d'autres pressions avaient désigné les gènes de loups comme vainqueurs. Au cours des âges, les mutations et la sélection des gènes ont recouvert le monde de prairies et d'arbres, d'insectes, de poissons et d'hommes. Plus récemment, d'autres objets sont apparus et se sont multipliés : les outils, les maisons, les avions et les ordinateurs. Et comme les molécules d'ARN sans vie, ce matériel a évolué. Evolution de la technologie Tout comme les roches terrestres relatent l'apparition de formes de vie de plus en plus complexes et évoluées, les écrits de l'humanité relatent l'émergence de matériel de plus en plus élaboré. Nos plus vieux outils sont eux-mêmes en pierre, enterrés avec les fossiles de nos ancêtres ; nos plus récents gravitent au-dessus de nos têtes. Considérez un moment l'ancêtre hybride de la navette spatiale. Par son côté avion, elle descend des jets en aluminium des années 60, qui eux-mêmes s'inspirent d'une succession d'inventions : les avions en métal de la seconde guerre mondiale, les biplans en bois et en tissu de la première, les planeurs motorisés des frères Wright et les planeurs miniatures et autres cerfs-volants. Par son côté fusée, la navette s'apparente aux fusées lunaires, aux missiles militaires, aux roquettes d'artillerie du siècle dernier et finalement aux feux d'artifices et aux jouets pyrotechniques. L'hybride avion/fusée vole et en faisant évoluer à la fois les composants et la conception, les ingénieurs en aérospatiale en construiront de meilleurs encore. Les ingénieurs parlent de générations de technologies. Le projet japonais de "cinquième génération" d'ordinateur montre à quel point certaines technologies évoluent et se répandent vite. Les ingénieurs parlent "d'hybrides", de "technologies concurrentes" et de leur "prolifération". Ralph E. Gomory, directeur de recherche chez IBM, met l'accent sur la nature évolutive de la technologie, en écrivant que "le développement technologique consiste bien plus en une évolution permanente qu'en des révolutions ou des percées successives comme le pensent la plupart des gens". Même pour des percées aussi importantes que la fabrication des assembleurs moléculaires, de nombreuses petites étapes seront à franchir. Dans la citation placée en tête de ce chapitre, le professeur Herbert A. Simon de l'université de Carnegie-Mellon nous enjoint à envisager le processus de conception comme l'invention d'alternatives suivi de leur confrontation à toute une série d'exigences et de contraintes. L'invention et le test de celles-ci sont synonymes de variation et sélection. Parfois, plusieurs variantes existent déjà. Dans le chapitre "Une boîte à outils hautement évoluée", dans Le prochain catalogue de la terre entière43, J. Baldwin écrit : "Notre atelier portatif évolue maintenant depuis environ vingt ans. Il n'y a rien de très spécial dans notre atelier, sauf qu'il est le résultat d'un processus permanent d'évolution, puisque nous retirons sans cesse des outils obsolètes ou inadéquats pour les remplacer par de plus adaptés. Il en résulte un système créateur d'objets plutôt qu'un amoncellement de quincaillerie". Baldwin utilise le terme "évoluer" de manière appropriée. L'invention et l'usage millénaire de l'outil l'ont modifié. Baldwin ne choisit ses outils qu'après une sélection compétitive ; il ne conserve donc que ceux qui fonctionnent le mieux pour servir ses besoins. A travers des années de variation et de sélection, son système a évolué. Ainsi, il recommande de ne jamais essayer d'acquérir d'un coup un jeu complet d'outils. Au lieu de cela, il recommande d'acheter les outils qui sont le plus souvent empruntés car ils sont sélectionnés par la pratique et non par la théorie. Les variantes technologiques sont souvent délibérément inventées, parce que les ingénieurs sont payés pour inventer et tester. Cependant, quelques nouveautés restent le fruit du hasard, comme la découverte de la consistance naturelle du Téflon dans un cylindre supposé être rempli de tétrafluoréthylène gazeux et dont les parois révélèrent la présence d'un étrange solide lisse et cireux. D'autres inventions sont le résultat de recherches systématiques : Edison essaya de carboniser tout ce qu'il pouvait imaginer quand il tentait de trouver une substance qui pourrait servir de filament d'ampoule, testant du papier, du bambou comme de la toile d'araignée. Charles Goodyear mit le désordre dans une cuisine pendant des années en essayant de transformer la gomme naturelle en une substance résistance jusqu'à ce qu'enfin, par chance, il réalise la première vulcanisation grossière en faisant tomber de la gomme enrichie en soufre sur une cuisinière. Dans le domaine de l'ingénierie, le processus efficacement dirigé d'essais et d'erreurs, à l'opposé de la conception directe par des cerveaux infaillibles, a permis la plupart des avancées. C'est la raison pour laquelle les ingénieurs construisent des prototypes. Peters et Waterman44, dans leur livre A la recherche de l'excellence montrent que ceci reste vrai en ce qui concerne les améliorations de la productivité des entreprises et de la gestion des états. C'est pourquoi les très bonnes entreprises créent "un environnement et un ensemble d'attitudes qui favorisent l'expérimentation". Il en résulte pour celles-ci une évolution très "darwinienne". Les usines s'améliorent par variation et sélection. Des systèmes de contrôle de qualité grossiers testent et rejettent les pièces défectueuses avant qu'elles ne soient assemblées. Des systèmes de contrôle plus évolués utilisent des méthodes statistiques pour dépister les défauts jusqu'à leur source, aidant ainsi les ingénieurs à modifier le processus de fabrication pour réduire les erreurs. Les ingénieurs japonais, en s'appuyant sur le travail de W. Edwards Deming en contrôle statistique de qualité, ont fait de la variation et de la sélection des processus industriels un pilier de la réussite économique de leur pays. Des systèmes utilisant les assembleurs nécessiteront aussi de pouvoir mesurer les résultats pour éliminer les défauts. Le contrôle de qualité est une sorte d'évolution, qui n'a pas pour but de changer mais d'éliminer les variations nuisibles. Cependant tout comme l'évolution darwinienne peut préserver et répandre des mutations bénéfiques, de bons systèmes de contrôle de qualité peuvent aider les ingénieurs et les ouvriers à promouvoir des processus de fabrication plus efficaces, qu'ils soient fortuits ou voulus. Tout ce bricolage effectué par les ingénieurs et les fabricants prépare les produits pour leur test ultime. Sur le marché, une variété infinie de clefs à mollette, de voitures, de chaussettes et d'ordinateurs sont en compétition pour s'attirer les faveurs des consommateurs. Quand ceux-ci sont informés et libres de choisir, des produits qui ne conviennent pas ou qui coûtent trop cher finissent par ne plus être re-produits. Comme dans la nature, la compétition fait des meilleurs compétiteurs d'hier les fossiles d'aujourd'hui. "L'écologie" et 'l'économie" ont plus en commun que des racines linguistiques. Aussi bien sur la place du marché que sur les champs de bataille réels ou imaginaires, la compétition globale pousse les entreprises à inventer, acheter, demander et voler des technologies de plus en plus efficaces. Des sociétés ont pour but principal de fournir aux gens des marchandises de qualité supérieure ; d'autres de les intimider avec des armes supérieures. La pression de l'évolution les dirige tous les deux. La course technologique globale s'accélère depuis des milliards d'années. La cécité des vers de terre ne peut pas bloquer le développement des oiseaux aux yeux acérés. Le petit cerveau des oiseaux et leurs ailes maladroites ne peuvent pas bloquer le développement des mains et des cerveaux des humains ni celui de leurs fusils. De la même manière, la prohibition locale ne peut pas stopper les avancées technologiques dans les domaines militaire et commercial. Il semble que nous devions nous résoudre à orienter la course technologique ou mourir. La puissance de l'évolution technologique tourne en dérision les efforts de ceux qui s'opposent à elle. En outre, des mouvements démocratiques pour une modération des progrès techniques ne pourraient influencer que les démocraties, pas le monde dans son ensemble. L'histoire de la vie et les possibilités qu'offriront de nouvelles technologies suggèrent quelques solutions comme nous le verrons dans la troisième partie. Evolution de la conception Il peut sembler que la conception est une alternative à l'évolution mais elle implique en fait l'évolution de deux manières différentes. Premièrement, les pratiques de conception évoluent elles-mêmes. Non seulement les ingénieurs accumulent des produits de conception qui fonctionnent mais également des techniques de conception efficaces. Cela va des manuels pour choisir des tuyaux à des systèmes de travail permettant d'organiser la recherche et le développement. Et, comme Alfred N. Whitehead l'a indiqué45 : "La plus formidable invention du XIXème siècle fut celle de la méthode d'invention". Deuxièmement, la conception elle-même procède par variation et sélection. Les ingénieurs utilisent souvent des lois mathématiques évoluées pour décrire (par exemple) la conduction thermique et l'élasticité afin de tester des concepts simulés avant de réaliser des prototypes. Ils font évoluer les plans à travers un cycle de conception, calcul, critique et re-conception, évitant ainsi les coûts de fabrication de prototypes. La création par conception permet ainsi de procéder à une évolution immatérielle. La loi de Hooke, par exemple, décrit comment un métal se plie et s'étire. La déformation est proportionnelle à la force appliquée : deux fois plus de tension double l'étirement. Bien qu'approximative, cette loi demeure applicable jusqu'à ce que l'élasticité du métal cède sous la force appliquée. Les ingénieurs peuvent utiliser une forme de la loi de Hooke pour concevoir une barre de métal qui peut supporter une charge donnée sans trop se tordre, puis la faire un tout petit peu plus épaisse afin de parer aux imprécisions de la loi mathématique et des calculs. Ils peuvent également utiliser une forme de la loi de Hooke pour décrire la courbure et la torsion des ailes d'avions, des raquettes de tennis et des châssis de voitures. Mais des équations mathématiques simples ne décrivent pas parfaitement des formes si contournées. Les ingénieurs doivent adapter les équations à des formes plus simples, des parties de l'objet, puis rassembler ces solutions partielles pour décrire la flexion de l'ensemble. C'est une méthode -appelée "analyse par éléments finis"- qui nécessite énormément de calculs et elle serait impossible à mettre en ¦uvre sans ordinateur. Avec eux, elle est devenue courante. De telles simulations prolongent une tendance ancienne. Nous imaginons toujours les conséquences, en bien ou en mal, lorsque nous devons choisir entre plusieurs possibilités d'actions. Des modèles mentaux plus simples (innés ou acquis) sont sans doute aussi présents chez les animaux. Lorsqu'elles sont fondées sur des modèles mentaux précis, les expériences de pensée peuvent remplacer des expériences physiques plus coûteuses -ou même létales. C'est une faculté que l'évolution a favorisé. Les simulations des ingénieurs étendent simplement cette faculté de ne commettre des erreurs que virtuellement. Dans une "Une boîte à outils hautement évoluée", J. Baldwin discute de la façon dont les outils et la pensée interagissent dans un travail d'atelier : "La méthode que vous choisissez pour construire des objets vous donne une compétence dans le domaine de l'outillage. Comme tous ceux qui fabriquent beaucoup d'objets vous le diront, les outils font au bout d'un moment automatiquement partie du processus de conception. Mais c'est impossible si vous ne savez pas lesquels sont disponibles et à quoi ils servent". Pouvoir déterminer quels outils vont être utiles dans un projet précis est important à court terme mais aussi quand on élabore une stratégie permettant d'exploiter les percées technologiques des décennies à venir. Plus nous serons capables de prévoir les outils du futur et plus nos plans pour survivre et prospérer seront précis. Un artisan dans un atelier peut garder ses outils en vue ; il travaille avec tous les jours et ils sont familiers à ses yeux, ses mains et son esprit. Il apprend à connaître leur usage de manière instinctive et il peut mettre cette connaissance au service d'une création immédiate. Mais nous qui devons comprendre le futur avons un défi plus grand à relever, parce que les outils du futur n'existent qu'à l'état d'idées et de possibilités implicites des lois de la nature. Ces outils ne sont pas accrochés au mur et ne deviendront pas familiers à nos sens tant que nous ne les aurons pas fabriqués. Dans les années de préparation qui viennent, seules l'étude, l'imagination et la pensée46 peuvent révéler leurs capacités. Quels sont les nouveaux réplicateurs ? L'histoire nous montre que le matériel évolue. Les tubes à essai d'ARN, les virus et les chiens nous montrent tous que l'évolution procède par la modification et la sélection de réplicateurs. Mais les objets, aujourd'hui, ne peuvent se répliquer : où donc sont les réplicateurs derrière l'évolution de la technologie ? Quelles sont les machines à gènes ? Bien sûr, nous n'avons pas forcément à identifier les réplicateurs pour reconnaître une évolution. Darwin a décrit l'évolution avant que Mendel ne découvrît les gènes et les généticiens apprirent beaucoup sur l'hérédité avant que Watson et Crick ne découvrent la structure de l'ADN. Darwin n'avait pas besoin de connaissances en génétique moléculaire pour voir que les organismes variaient et que certains avaient plus de descendants. Un réplicateur est quelque chose qui peut produire des copies de lui-même. Il peut avoir besoin d'aide : sans machines protéiques pour le recopier, l'ADN ne pourrait pas se répliquer. En fixant ces règles, certaines machines sont des réplicateurs ! Les entreprises fabriquent souvent des machines qui tombent entre les mains d'un concurrent. Celui-ci en apprend alors les secrets de fabrication et en construit des copies. Tout comme les gènes "utilisent" des machines protéiques pour se répliquer, ces machines "utilisent" le cerveau et les mains des humains pour se reproduire. Avec des nano-ordinateurs dirigeant des assembleurs et des désassembleurs, la réplication des objets pourrait même être automatisée. L'esprit humain est cependant un engin d'imitation bien plus subtil que les machines protéiques et les assembleurs. La voix, l'écriture et le dessin peuvent transmettre des concepts d'un esprit à un autre avant qu'ils ne deviennent des objets réels. Les idées qui sous-tendent les méthodes de conception sont encore plus subtiles : plus abstraites que le matériel, elles ne se répliquent et ne fonctionnent que dans le monde de l'esprit et des systèmes symboliques. Les gènes ont évolué à l'échelle de générations et d'ères géologiques ; les réplicateurs mentaux évoluent maintenant à l'échelle des jours et des décennies. Comme les gènes, les idées se séparent, se combinent et adoptent des formes multiples (les gènes peuvent être transcrits d'ADN en ARN et vice versa ; les idées peuvent être traduites d'une expression en une autre). La science ne permet pas encore de décrire la forme neurale que prennent les idées dans le cerveau mais tout le monde peut voir que les idées mutent, se répliquent et entrent en compétition : les idées évoluent. Richard Dawkins appelle les petits bouts d'idées qui se répliquent des "schèmes"47. Il indique que les schèmes peuvent être des airs de musique, des idées, des phrases retenues, des modes vestimentaires, des façons de construire des poteries ou des arches. Tout comme les gènes se propagent en passant d'un corps à un autre, d'une génération à une autre, au moyen des spermatozoïdes et des ovules, les schèmes se propagent en passant d'un esprit à un autre en utilisant un processus, qui, au sens large, peut être appelé imitation". Les créatures de l'esprit Les schèmes se répliquent parce que les gens apprennent et enseignent à la fois. Ils varient parce que les gens en fabriquent de nouveaux et modifient les anciens. Ils sont en partie sélectionnés parce personne ne croit ni ne répète tout ce qu'il entend. A la manière dont les molécules d'ARN sont en compétition pour accéder aux machines à copier et aux sous-unités, les schèmes doivent livrer bataille pour une ressource rare : l'attention et les efforts humains. Comme les schèmes influencent les comportements, leurs succès ou leurs échecs sont d'une importance capitale. Depuis les temps anciens, les modèles mentaux et les types de comportement se transmettent des parents aux enfants. Les schèmes qui aident à la survie et à la reproduction ont eu tendance à se répandre : "Ne mange cette racine qu'après l'avoir fait cuire, ne mange pas ces baies, ce mauvais alcool va te percer les intestins". Année après année, les gens ont modifié leurs actions avec des succès variables. Année après année, certains sont morts tandis que d'autres ont survécu. Les gènes ont façonné des cerveaux habiles à l'imitation, parce que les comportements imités avaient une grande valeur -leurs porteurs, après tout, avaient survécu pour les répandre. Les schèmes eux-mêmes subissent leur propre système de "vie" et de "mort". Etant des réplicateurs, ils évoluent seulement pour survivre et se répandre. Comme des virus, ils peuvent se répliquer sans contribuer à la survie ou au bien-être de leurs hôtes. Par exemple, le schème d'être martyr pour une cause peut se répandre et se concrétiser par la mort de son hôte. Les gènes, comme les schèmes, survivent grâce à différentes stratégies. Quelques gènes de canards se sont répandus en encourageant les canards à rester en couple pour prendre soin de leurs ¦ufs et de leurs petits porteurs de gènes. Quelques gènes de canards se sont répandus chez les mâles et les encouragent au viol, d'autres, chez les femelles, les encouragent à placer des ¦ufs dans d'autres nids. On trouve encore chez les canards des gènes de virus, qui peuvent se répandre sans contribuer à faire plus de canards. La protection des ¦ufs aide les espèces de canards (et les gènes individuels) à survivre ; le viol aide un ensemble de gènes à prendre le dessus sur d'autres ; les infections aident les gènes viraux aux dépends des gènes de canard en général. Comme Richard Dawkins le fait remarquer, les gènes "ne font attention" qu'à leur propre réplication : ils paraissent égoïstes. Mais l'égoïsme peut encourager la coopération48. Des gens qui recherchent argent et reconnaissance pour eux-mêmes coopèrent pour fonder des entreprises qui vont servir les désirs d'autres personnes. Des gènes égoïstes coopèrent pour construire des organismes qui eux-mêmes coopèrent souvent entre eux. Même ainsi, imaginer que les gènes servent automatiquement un dessein supérieur -celui de leur chromosome ? De leur cellule ? De leur corps ? De leur espèce ?- est prendre l'effet pour la cause. Ignorer l'égoïsme des réplicateurs revient à se bercer d'une illusion dangereuse. Certains gènes dans les cellules sont de véritables parasites. Les gènes de l'herpès insérés dans le génome humain en sont un bon exemple : ils exploitent les cellules et portent atteinte à leurs hôtes. Si les gènes peuvent être des parasites, pourquoi pas les schèmes ? Dans Le phénotype étendu49, Richard Dawkins décrit un vers qui parasite les abeilles et finit son cycle dans l'eau. Il passe de l'abeille dans l'eau en faisant plonger l'abeille jusqu'à ce que mort s'ensuive. De manière similaire, un vers parasite le cerveau de la fourmi et doit passer dans le mouton pour compléter son cycle de vie. Pour accomplir ceci, les vers se mettent dans le cerveau de la fourmi et font en sorte qu'elle "veuille" grimper en haut des herbes et attendre là, pour être éventuellement mangée par un mouton. Tout comme les vers, les schèmes entrent dans les autres organismes pour survivre et se répliquer. En fait, l'absence de schèmes exploitant les gens pour leurs propres buts égoïstes serait stupéfiante, elle serait un signe de l'existence d'un puissant -et presque parfait- système immunitaire mental. Mais les schèmes parasites existent clairement. Les virus évoluent pour stimuler les cellules afin de fabriquer d'autres virus ; les rumeurs évoluent pour être plausibles et alléchantes, stimulant leur répétition. Ne demandez pas si une rumeur est vraie, demandez plutôt comment elle s'est répandue. L'expérience montre que les idées qui évoluent pour être des réplicateurs à succès n'ont pas besoin de rester proches de la vérité. Au mieux, les chaînes de lettres, les fausses rumeurs, les modes folles et autres parasites mentaux font du tort aux gens en leur faisant perdre leur temps. Au pire, elles implantent des conceptions erronées mortelles. Ces systèmes de schèmes exploitent l'ignorance et la vulnérabilité humaine. Les répandre s'apparente à passer son rhume à un ami en éternuant près de lui. Bien que beaucoup de schèmes agissent comme des virus, le pouvoir infectieux n'est pas forcément mauvais (pensez à une bonne humeur contagieuse ou à un sourire communicatif). Si un ensemble d'idées est appréciable, alors son pouvoir infectieux augmente sa valeur -le meilleur enseignement éthique nous apprend également à enseigner l'éthique. De bonnes revues peuvent distraire, enrichir la compréhension et aider le jugement -et faire de la publicité pour des cadeaux d'abonnement. Répandre des systèmes de schèmes utiles est comme offrir des graines utiles à un ami jardinier. Sélectionner les idées Les parasites ont forcé les organismes à développer des systèmes immunitaires, comme les enzymes que les bactéries utilisent pour couper les virus ou les globules blancs qui patrouillent dans nos corps pour détruire les bactéries. Les schèmes parasites ont forcé les cerveaux à adopter des systèmes de schèmes qui servent de systèmes immunitaires mentaux. Le plus ancien et le plus simple des systèmes immunitaires mentaux peut être interprété comme ceci : "crois ce qui est ancien, rejette ce qui est nouveau". Un système approchant conserve généralement les anciennes tribus dans leurs manières traditionnelles de vivre. Il les tient à l'écart de nouveautés extravagantes -comme celle de croire qu'obéir aux ordres de fantômes prescrivant de détruire tout le bétail et le grain de la tribu pourrait amener une abondance miraculeuse de nourriture et une armée d'ancêtres pour chasser les étrangers. (Ce groupe de schèmes a infecté la tribu des Xhosa50 en Afrique du Sud en 1856 et l'année suivante 68 000 étaient morts, principalement de faim). Votre système immunitaire corporel suit le même genre de règles : il accepte généralement tous les types cellulaires présents dans les premiers jours de la vie, puis rejette tout ce qui est nouveau, comme des cellules cancéreuses ou des bactéries, en les considérant comme étrangères et donc dangereuses. Ce mécanisme simple consistant à rejeter le nouveau a très bien fonctionné jusqu'à maintenant mais à l'ère des transplantations d'organes, il peut tuer. De la même manière, en des temps où la science et la technologie présentent des faits qui sont à la fois nouveaux et dignes de confiance, un système immunitaire humain rigide devient un dangereux handicap. Malgré tous ses défauts, cependant, le principe de rejeter ce qui est nouveau est simple et présente de véritables avantages. La tradition garde principalement ce qui a été essayé et est vrai -ou, sinon vrai, du moins qui fonctionne. Le changement est risqué : tout comme la plupart des mutations sont mauvaises, la plupart des nouvelles idées sont fausses. Même la raison peut être dangereuse : face à une tradition où la peur des fantômes entraîne un comportement prudent, une attitude rationnelle trop confiante rejettera à la fois les fantômes et la prudence. Malheureusement, des traditions qui ont évolué pour être vraies peuvent avoir moins de charme que des idées qui ont évolué pour sonner vrai -une tradition sage peut être remplacée par de mauvaises idées qui séduisent plus un esprit rationnel. Cependant, les schèmes qui protègent l'esprit contre l'intrusion de nouvelles idées se protègent eux-mêmes d'une manière suspecte, en s'auto-servant. Bien qu'ils protègent des traditions de valeur contre des modifications maladroites, ils peuvent aussi éviter à des absurdités parasites d'être confrontées à la vérité. En des temps de changements rapides, ils peuvent rendre les esprits dangereusement rigides. La plus grande partie de l'histoire de la philosophie et des sciences peut être perçue comme la recherche des meilleurs systèmes immunitaires mentaux, de meilleures manières de rejeter le faux, l'inutile et le nuisible. Ils respectent la tradition et encouragent l'expérimentation. Ils suggèrent des standards pour évaluer les schèmes, permettant à l'esprit de différencier les outils des parasites. Les principes de l'évolution fournissent un moyen de percevoir le changement, que ce soit dans les molécules, les organismes, les technologies, les esprits ou les cultures. Les mêmes questions de base reviennent sans cesse : quels sont les réplicateurs ? Comment varient-ils ? Qu'est-ce qui détermine leur succès ? Comment se défendent-ils contre les envahisseurs ? Ces questions se poseront à nouveau quand nous envisagerons les conséquences de la révolution des assembleurs et quand nous considérerons les méthodes que les sociétés devront utiliser pour maîtriser ces conséquences. Les principes profondément enracinés du changement évolutif façonneront le développement des nanotechnologies, même quand les frontières entre l'inerte et le vivant commenceront à devenir floues. Ces principes nous en apprennent beaucoup sur ce que nous pouvons ou non espérer atteindre et ils nous aideront à concentrer nos efforts pour modeler le futur. Ils nous indiquent également ce que nous pouvons ou non prévoir, parce qu'ils guident l'évolution de la technologie et de la connaissance elle-même. 3 Prédictions et projections L'attitude critique51 peut être décrite comme une tentative consciente d'entretenir en nous la confrontation de nos théories et de nos conjectures pour la victoire des plus adaptées. Cela nous donne une chance de survivre à l'élimination d'hypothèses inadéquates, alors qu'une attitude plus dogmatique les éliminerait en nous éliminant. Sir Karl Popper Quand nous regardons vers l'avenir pour voir où la course technologique nous conduit, nous devrions nous demander ce qui est possible, ce qui est réalisable et ce qui est souhaitable. Tout d'abord, pour la matière, les lois naturelles fixent les limites du possible. Parce que les assembleurs ouvriront une voie vers ces limites, comprendre comment les assembleurs fonctionnent est la clé pour comprendre ce qui est possible. Ensuite, les principes du changement et notre situation actuelle fixent les limites de ce qui est accessible. Parce que l'évolution des réplicateurs jouera un rôle majeur, les principes de l'évolution sont très importants pour comprendre ce qui est réalisable. Quant à ce qui est désirable et indésirable, nos rêves diffèrent et stimulent des quêtes qui laissent dans le futur de la place à la diversité ; mais nos peurs communes permettent de tracer les contours d'un futur plus sûr. Ces trois questions -du possible, du réalisable et du souhaitable- structurent notre approche de la prospective. Premièrement, la connaissance scientifique et technique dessine les limites du possible. Bien qu'encore floue et incomplète, cette carte met en relief les limites absolues à l'intérieur desquelles le futur évoluera. Deuxièmement, les principes de l'évolution déterminent quels chemins restent ouverts et fixent les limites de ce qui est réalisable -y compris les limites inférieures, parce que les avancées qui promettent d'améliorer la vie et d'augmenter la puissance des armes militaires ne peuvent pas être stoppées. Ceci permet de faire une prédiction limitée : si la course à l'évolution qui se déroule depuis des milliards d'années ne s'arrête pas brutalement d'une manière quelconque, les pressions compétitives vont modeler notre futur technologique aux contours des limites du possible. Finalement, à l'intérieur des larges limites du possible et du réalisable, nous pouvons essayer d'atteindre un futur que nous souhaitons. Les pièges de la prédiction Mais comment prédire le futur ? Les tendances politiques et économiques sont notoirement variables et le hasard absolu règne sur le monde. Même les avancées technologiques qui sont pourtant comparativement plus régulières échappent à la prédiction. Les champions des pronostics tentent souvent d'estimer le temps et le coût de développement d'une nouvelle technologie. Quand ils tentent d'atteindre des limites situées au-delà de l'horizon, ils se trompent généralement. Par exemple, bien que la navette spatiale fit clairement partie du domaine du possible, les prédictions sur son coût et sur son lancement initial furent erronées de plusieurs années et de plusieurs milliards de dollars. Les ingénieurs ne peuvent pas prédire avec précision quand une technologie aboutira, parce que son développement comprend toujours des incertitudes. Mais nous devons quand même essayer de prévoir et de guider les développements. Allons-nous développer la technologie des monstres avant celle des cages ou après ? Quelques monstres, après avoir été libérés, ne peuvent plus être remis en cage. Pour survivre, nous devons accélérer certains développements et en ralentir d'autres. Bien qu'une technologie puisse parfois bloquer les dangers d'une autre (défense contre attaque, contrôle de pollution contre pollution), des technologies concurrentes vont souvent dans la même direction. Le 29 décembre 1959, Richard Feynman, maintenant lauréat d'un prix Nobel, donna une conférence52 à une réunion annuelle de la société de physique américaine intitulée "Il y a plein de place là-dessousa". Il décrivit une manière non-biochimique de fabriquer une nanomachinerie -en travaillant avec des machines de plus en plus petites, pas à pas, utilisant de plus grosses machines pour en construire de plus petites- et constata que les principes de la physique "n'interdisaient pas la possibilité de man¦uvrer la matière atome par atome. Ce n'est pas une tentative pour violer une quelconque loi ; c'est quelque chose qui, en principe, peut être réalisé mais qui n'a jamais été fait en pratique parce que nous sommes trop grands. De manière ultime, nous pourrons faire de la synthèse chimique ; nous pourrons placer les atomes exactement là où le chimiste l'indique et donc fabriquer le produit désiré". En bref, il ébaucha un autre chemin, non-biochimique, pour parvenir aux assembleurs. Il indiqua aussi, à cette époque, que c'était "un développement qui, à son avis, ne peut pas être évité". Comme j'en discuterai dans les chapitres 4 et 5, les assembleurs et les machines intelligentes simplifieront de nombreux problèmes concernant le temps et le coût des développements technologiques. Mais les questions de délai et d'argent obscurciront encore notre vue pour la période qui va de nos jours à ces premières percées. Richard Feynman avait vu en 1959 que les nanomachines peuvent diriger la synthèse chimique donc vraisemblablement celle de l'ADN. Cependant, il ne fut capable de prévoir ni le temps ni l'argent nécessaires pour y arriver. Bien sûr, les biochimistes inventèrent des techniques pour fabriquer de l'ADN sans recourir à des nanomachines programmables, en utilisant des raccourcis fondés sur des astuces chimiques spécifiques. Les technologies gagnantes doivent souvent leur succès à des détails ou des ruses difficiles à prévoir. Au milieu des années 50, les physiciens voyaient que les principes physiques des semi-conducteurs permettent de réaliser des microcircuits mais ne pouvaient prévoir la méthode pour les fabriquer -les détails du masquage, de l'insolation, de la résistance, de l'oxydation, de l'ionisation, de la gravure et la complexité de toutes ces étapes. Les nuances des détails et les avantages compétitifs qui font le succès d'une technique rendent la course technologique complexe et ses voies impénétrables. Mais la prédiction à long terme est-elle pour autant impossible ? Dans la course vers les limites fixées par les lois de la nature, la ligne d'arrivée est connue, même si les chemins empruntés et les rythmes soutenus par les coureurs ne le sont pas. Ce ne sont pas les caprices des humains mais les lois immuables de la nature qui départagent ce qui est physiquement possible et ce qui ne l'est pas -aucun acte politique, aucun mouvement social ne peut changer la loi de la gravité d'un iota. Ainsi, bien qu'elles semblent très futuristes, les projections judicieuses des possibilités technologiques sont très différentes des prédictions. Elles s'appuient sur les lois intemporelles de la nature, pas sur les fantaisies des événements. Il est regrettable que cette idée demeure rare. Sans elle, nous serions étourdis par la diversité des paysages du possible, mélangeant les montagnes et les mirages et ne prenant en compte aucun des deux. Nous regardons de l'avant avec des esprits et des cultures qui prennent leurs racines en des temps plus lents où la science et la technologie n'avaient pas leur force et leur vitesse actuelle. Nous n'avons que récemment commencé une tradition de prédiction technologique. La science et les lois naturelles Science et technologie sont étroitement imbriquées. Les ingénieurs utilisent des connaissances produites par les scientifiques et ceux-ci utilisent des outils fabriqués par les ingénieurs. Les scientifiques et les ingénieurs travaillent avec des descriptions mathématiques des lois de la nature et testent leurs idées par des expériences. Mais la science et la technique diffèrent radicalement par leurs bases, leurs méthodes et leurs buts. Comprendre ces différences est crucial pour asseoir des prédictions. Bien que les deux champs d'études couvrent des systèmes de schèmes en évolution, ils changent sous l'influence de pressions différentes. Voyez par exemple les racines de la connaissance scientifique. Au cours de leur histoire, les hommes ont généralement mal compris l'évolution. Les philosophes pensaient que les preuves sensorielles, à travers la raison, devaient d'une certaine manière imprimer dans le cerveau toute la connaissance humaine -y compris la connaissance des lois de la nature. Mais en 1737, le philosophe écossais David Hume leur fit un cadeau empoisonné : il montra que les observations ne permettaient pas de prouver logiquement une règle générale et que, par exemple, le fait que le soleil brille tous les jours ne prouvait pas logiquement qu'il brillerait demain. Et en effet, un jour, le soleil ne brillera plus, réfutant cette logique. Ce problème de Hume parut détruire l'idée de connaissance rationnelle, inquiétant grandement les philosophes rationalistes (donc lui-même). Ceux-ci passèrent de mauvais moments et l'irrationalisme gagna du terrain. En 1945, le philosophe Bertrand Russel observa53 que "la croissance de la déraison à travers tout le XIXème siècle et ce qui s'en est transmis au XXème est la conséquence naturelle de la destruction de l'empirisme par Hume. Le schème du problème de Hume a entamé l'idée même de connaissance rationnelle, au moins celle que les gens s'en étaient faite. Plus récemment, le philosophe Karl Popper (peut-être le philosophe des sciences le plus apprécié des scientifiques), Thomas Kuhn et d'autres ont reconnu la science comme un processus évolutif. Ils ne la voient pas comme un processus mécanique par lequel les observations généreraient des conclusions mais comme une bataille où les idées sont en compétition pour leur acceptation. Toutes les idées, en tant que schèmes, sont en compétition mais le système de schèmes de la science est spécial : il suit une tradition délibérée de mutation des idées et possède un unique système immunitaire pour contrôler les mutants. Les résultats de l'évolution varient selon la pression sélective appliquée, que ce soit parmi des molécules d'ARN dans un tube, des insectes, des idées ou des machines. Le matériel qui a évolué pour réfrigérer est différent de celui qui a évolué pour transporter : par conséquent, les réfrigérateurs font de très mauvaises voitures. En général, des réplicateurs qui ont évolué pour un but A diffèrent de ceux qui ont évolué pour un but B. Les schèmes ne font pas exception. De manière générale, les idées peuvent évoluer afin de paraître vraies ou d'être vraies54, et être perçues comme vraies par des gens qui vérifient les idées avec attention. Les anthropologues et les historiens ont décrit ce qui arrive lorsqu'une idée évolue pour sembler vraie à des gens qui ne raisonnent pas scientifiquement. Les résultats (la théorie de la maladie provoquée par le mauvais esprit ou la théorie des lumières accrochées à un dôme pour expliquer les étoiles, etc.) étaient mondialement répandus. Des psychologues ont examiné les idées fausses et naïves sur la manière dont les objets tombent en testant ces idées sur des personnes ignorant la théorie actuelle de la gravité : ils ont trouvé des avis similaires à ceux qui ont évolué en des systèmes pseudo-scientifiques au Moyen Age, avant les travaux de Galilée et de Newton. Galilée et Newton firent des expériences et des observations pour tester des idées à propos des objets et des mouvements ouvrant ainsi une ère de progrès scientifique rapide. Newton fit évoluer une théorie qui survécut à tous les tests disponibles à l'époque. Leur méthode de test délibéré détruisit les idées qui s'éloignaient par trop de la vérité, y compris les idées qui avaient évolué pour séduire les naïfs. Cette tendance s'est poursuivie. Des variations et des tests plus détaillés ont permis de faire progresser les idées scientifiques, en en confirmant d'aussi étranges que le temps variable et l'espace courbe de la relativité -ou la probabilité de présence d'une onde-particule de la mécanique quantique. Même la biologie a abandonné l'existence d'une force spéciale à la vie espérée par les premiers biologistes, pour se rabattre sur des systèmes élaborés de machines moléculaires invisibles. Des idées qui avaient évolué pour être vraies (ou proches de la réalité), apparurent de plus en plus fausses -ou incompréhensibles. Le vrai et le "vrai-semblant" sont devenus aussi différents que des voitures et des réfrigérateurs. Les idées dans les sciences physiques ont évolué selon plusieurs règles simples. D'abord, les scientifiques ignorent celles dont les conséquences ne sont pas vérifiables ; ils se gardent ainsi des activités inutiles ou parasites. Ensuite, ils cherchent des idées pour remplacer celles qui ont échoué aux tests. Enfin, ils recherchent celles qui permettent le plus grand nombre de prédictions exactes. La loi de gravitation, par exemple, décrit la manière dont les pierres tombent, celle dont les planètes orbitent et les galaxies tournoient et permet de faire des prédictions exactes, facilement vérifiables. La précision et l'omniprésence de cette théorie permettent de l'utiliser dans de nombreuses applications et les ingénieurs s'en servent pour construire des ponts comme pour programmer des vols spatiaux. La communauté scientifique constitue un environnement au sein duquel de tels schèmes se répandent, forcés d'évoluer par la compétition et les tests vers plus de puissance et de précision. L'accord général sur l'importance apportée à la vérification des théories maintient la communauté scientifique unie bien que de violentes controverses ébranlent les théories en elles-mêmes. Un indice limité, approximatif, ne peut jamais prouver qu'une théorie générale est exacte -comme Hume l'a montré- mais il peut réfuter des théories et aider ainsi les scientifiques à choisir parmi elles. Comme d'autres processus évolutifs, la science crée quelque chose de positif, un répertoire grandissant de théories utiles, à travers un système en double négatif : la réfutation des théories incorrectes. Le rôle central joué par des preuves négatives rend compte pour une part de l'inquiétude que suscite parfois la science. Par leur pouvoir de réfutation, elles peuvent déraciner des croyances chéries, laissant des vides psychologiques qu'elles n'ont cure de combler. En pratique, bien sûr, l'essentiel de la connaissance scientifique est aussi solide que le rocher qui vous tombe sur l'orteil. Nous savons maintenant que la Terre tourne autour du soleil -bien que nos sens nous indiquent le contraire-, parce que cette théorie explique un nombre infini d'observations, -et parce que nous savons pourquoi nos sens sont trompés. Nous avons plus qu'une simple théorie concernant l'existence des atomes : nous pouvons les relier pour former des molécules, leur faire émettre de la lumière, les voir (difficilement) sous le microscope et les briser en morceaux. Nous avons plus qu'une simple théorie de l'évolution : nous avons observé dans nos laboratoires des mutations et des sélections. Nous avons trouvé les traces de l'évolution passée dans les roches de notre planète. Et nous avons observé l'évolution à travers celle de nos outils, de nos cerveaux et de nos idées -y compris l'idée de l'évolution elle-même. Le processus utilisé par la science a forgé une explication unifiée de nombreux faits, comme la manière dont les gens et la science sont apparus. Quand la science finit par réfuter certaines théories, les survivantes sont souvent si proches les unes des autres55 qu'il est quasiment impossible de les différencier. Mais après tout, même une petite différence pratique entre deux théories peut être utilisée et testée pour réfuter l'une d'entre elles. Les différences entre les théories modernes de la gravitation, par exemple, sont bien trop subtiles pour que les ingénieurs en tiennent compte lorsqu'ils programment des vols à travers le champ de gravité de l'espace. Dans les faits, les ingénieurs utilisent la théorie réfutée de Newton pour programmer des voyages spatiaux, parce qu'elle est plus simple que celle d'Einstein et qu'elle est suffisamment précise. La théorie de la gravité d'Einstein a survécu à tous les tests jusqu'à maintenant mais il n'y a pas de preuve absolue de sa véracité et il n'y en aura jamais. Sa théorie fait des prédictions exactes à propos de tout et partout (au moins en ce qui concerne la gravitation) mais les scientifiques ne peuvent mesurer qu'approximativement quelque chose à un endroit donné. Et, comme Karl Popper le souligne56, quelqu'un peut toujours inventer une théorie si similaire à une autre que les preuves existantes ne permettent pas de les départager. Bien que les débats médiatiques mettent souvent en exergue les frontières branlantes et contestées de la connaissance, la science reste à l'évidence capable de faire l'unanimité. Dans quel autre domaine trouve-t-on une entente qui aurait grandi d'une manière aussi rapide et universelle ? Sûrement pas dans les domaines politiques, religieux ou artistiques. En fait, le principal rival de la science est un cousin : l'ingénierie, qui a aussi évolué à travers des propositions et des tests rigoureux. Science contre technologie Comme le dit Ralph E. Gomory57, le directeur des recherches chez IBM, "le public confond souvent l'évolution du développement technologique avec celui de la science ". Cette confusion gêne nos efforts pour prévoir l'avenir. Si les ingénieurs marchent souvent en terrain incertain, ils n'y sont pas condamnés, à la différence des savants. Ils peuvent échapper au risque d'avoir à présenter des théories scientifiques universelles. Les ingénieur