Miscellanées scientifiques du mois d'avril 2020 spécial Coronavirus

Ce mois-ci une présentation des différents modèles de propagation de l'épidémie de covid-19, la façon dont sont classés les virus, Germaine Benoit, scientifique oubliée, John H. Conway et son jeu de la vie, un site qui diffuse en direct la propagation de l'épidémie, le livre du mois : «infravie» de Thomas Heams, comment le virus utilise le système immunitaire pour se propager, et toujours les jeux.

Mathématique et épidémiologie

La pandémie actuelle de Covid19 imprime un bouleversement majeur à notre société, c'est presque une banalité que de le constater. Elle le trouble pour deux raisons essentielles : d'une part l'impact direct qu'il peut avoir dans notre vie, soit que nous ressentions le poids du confinement, soit que nous ou l'un de nos proches en soit directement affecté (malade, voire pire). Mais il y a un impact plus indirect, mais qui n'est pas pour rien dans la sorte de sidération qui nous accable, c'est également parce qu'il ouvre a une grande incertitude sur notre présent et surtout notre avenir. Nous vivons dans l'illusion d'un présent et d'un avenir proche complétement maitrisé, et c'est cette illusion que le virus détruit.

C'est dans cette dernière perspective que les données probabilistes données par les épidémiologistes font sens : quand est-ce que le sommet de la vague épidémique sera-t-elle atteinte, quels seraient les résultats de l'épidémie si le confinement n'avait pas eu lieu ? Autant de question dont une bonne partie de la réponse dépend de données incertaines résultants d'un traitement mathématique des données disponibles Les résultats de ces analyses n'ont pas la certitude que peuvent avoir certaines données scientifiques (on dit dans le jargon qu'elles sont « probabilistes) elles ont cependant l'immense mérite d'exister et de donner des grilles d'interprétation de la réalité à un moment où on en a un pressant besoin. Un grand problème de ces modèles c'est qu'on n'explique absolument pas comment ils sont élaborés, quelles sont leurs limites et leur forces et quel est véritablement leur but.

Avant de rentrer dans des détails plus techniques, il parait nécessaire de rappeler une affirmation d'un des responsable de ces modèles : "Les modèles vont du peu précis, mais pratique aux grandes échelles, au très détaillé qui ne décrit qu’un contexte très spécifique. Les modèles développés dans le cadre du Covid-19 entrent dans la première catégorie." En fait il existe deux types de modèles : un "local" à l'échelle de l'individu et un "global" a l'échelle des populations. Le premier est très précis, mais ce qui vaut pour un individu déterminé n'est pas forcément valable pour un autre, le second est facilement généralisable mais peu précis et à ajuster en permanence. Par eilleurs, les deux modèles font appel à des outils mathématiques totalement différents dans leur nature et leur utilisation, donc dans leurs possibilités et leurs limites objectives.

En ce qui concerne le covid19 c'est la seconde approche qui est utilisée, avec des "équations différentielles" qui décrivent l'état de quatre types de populations : Saines, exposées, affectées et en rémission Évidemment les volumes de ces quatre groupes a un instant donné ne sont pas connus avec certitude surtout quand on manque cruellement de tests qui permettraient de connaitre plus précisément le volume de chacune de ces catégories/ . Il est vrai qu'on peut procéder à des sondage auprès d'une "population de référence" supposée... Le problème c'est que si on connait mal (et c'est le cas du Covid19) l'affection en question, il est difficile de déterminer les critères de représentativité qui permettent de déterminer (en fonction de la maladie) si cet objectif est atteint.

Mais d'autres critères rentrent également en ligne de compte comme la dangerosité du virus, les différents scénarios de lutte envisagés, le degré de contamination du virus. Celle ci est à son tour dépendante de trois catégories : le nombre de contacts entre individus sains et infectés, la facilité qu’a le pathogène à se transmettre lors de ces contacts et la durée pendant laquelle les patients sont infectieux.

Ces modèles sont très simplifiés et doivent être ajustés en permanence en fonction des données dont on dispose et des connaissance sur la pandémie à traiter. Dans un premier temps, la propagation d'une épidémie se fait d'une façon trés aléatoire, et on privilégie les "modèles stochastiques" mais ensuite la "loi des grands nombre" prend le dessus et on utilise des modéles plus "déterministes" Les modèles aident aussi à mieux comprendre le virus. En comparant les prédictions aux statistiques du terrain, les scientifiques repèrent les paramètres qui expliquent les éventuelles différences. Ils en tirent des informations qui leur échapperaient sinon et affinent leurs modèles.

Un des principaux obstacles a l'élaboration des modèles pertinents en France est le peu de personnes testées et donc la difficulté a connaître précisément un certain nombre de critères, et en particulier le facteur qu'on appelle "R zéro" qui devient le nombre de personnes infectée par un malade lors d'une épidémie Quelques éléments de comparaison : des maladies extrêmement infectieuses comme la rougeole ou la varicelle ont un facteur R0 de 15. La grippe a un facteur de 1.5. Le covid19 a un facteur de l'ordre de 3 (le double de la grippe) et l'objectif est de le faire descendre au dessous de 1 ce qui signifie que l'épidémie a terme s'arrête. De ce point de vue, il y a les masques, et le confinement. Mais pour être efficace ils doivent etre massifs, Or ce n'est pas le cas pour le confinement en France (comparer à la chine ou a la Corée du sud) et ne parlons même pas de la question du masque.

Un des principaux scientifiques associés aux opérations de mesures des épidémies, de leurs propagations et de leur réussite est Samuel Alizon, par ailleurs directeur de recherche au laboratoire de recherche sur la propagation des épidémies situé à Montpellier : « L’important est de bien prendre en compte la sensibilité aux hypothèses des modèles, conseille Samuel Alizon. Les modèles sont toujours issus d’une simplification de la réalité, parfois sur plusieurs aspects à la fois. Ensuite, il faut prêter attention aux intervalles de confiance et ne pas se concentrer uniquement sur la médiane. » En effet, si on lit que 2 % des personnes infectées vont décéder, mais que la marge d’erreur est même de seulement un point de pourcentage, le nombre final varie en réalité... entre moitié moins et moitié plus.

propagation-epidemie

Différentes ressources sur les modéles utilisés en épidémiologie 

Un article pédagogique du cnrs qui présente la façon dont les différents modéles sont élaborés et utilisés. Les renseignement de cet article ont été utilisés pour l'élaboration de ce billet :

https://lejournal.cnrs.fr/articles/covid-19-comment-sont-concus-les-modeles-des-epidemies

une présentation du cours donné au Collège de france par le professeur Arnaud Fontanet.

Les pandémies et l'épidémiologie © Collège de France

On peut trouver son cours donné au Collège de France ici https://youtu.be/q6AJ8gGwXyo

On peut également trouver un compte -endu "vulgarisé" de ses travaux sérologiques ici : https://www.franceinter.fr/ce-que-dit-la-premiere-etude-serologique-menee-sur-le-covid-19-par-l-institut-pasteur

un cours sur les modèles mathématiques utilisés en épidémiologie par le professeur Etienne Pardoux

E Pardoux Modèles mathématiques des épidémies © Etienne Pardoux

Le classement de Baltimore 

On connait actuellement un peu plus de 5000 virus. Ceux la sont très nombreux, et très différents. Il existe autant de différences entre les différents virus qu'entre une puce et un éléphant. Et sans compter leur taille, on peut également distinguer leur rôle (certains sont mortels, et c'est a priori ceux qu'on connait le mieux, d'autres sont utiles, certains même indispensables), la façon dont ils se propagent (les "arboravirus" se propagent en utilisant les insectes par exemple) leurs manifestations extérieures (les "poxvirus" par exemple, qui provoquent la variole et la myxomatose par exemple sont des "virus qui provoquent des pustules") 

Le classement des virus est maintenant donné par une structure officielle l'ITCV Il utilise une caractéristique centrale la façon dont le virus modifie le comportement des cellules qu'il infecte. Pour cela il détourne le fonctionnement normal de l'appareil génétique 

Rappelons succinctement le fonctionnement de cet appareil (de façon TRES simplifiée) :  il nous faut de l'ADN : acide désoxyribonucléique qui contient le génome, l'ensemble des caractéristiques génétiques d'un individu, de l'ARN  acide ribonucléique qu'on pourrait considérer comme une forme "simplifiée" et moins stable d'ADN et des protéines qui sont une sorte de "machines" produite par les cellules. Le mécanisme très simplifié est le suivant : l'ADN (deux brins d'ADN copies conformes l'un de l'autres) va produire un ARN particulier (ARN messager qui contient une partie du message de l'ADN "codant"; et qui lui-même va susciter la production des protéines spécifiques de chaque cellules (c'est une partie de la simplification extrême du fonctionnement, on explique pas comment à partir d'un même ADN, une cellule de cheveux ne produit absolument pas les mêmes protéines qu'une cellule du foie, ou du cerveau).

Virus à ADN

Le virus "à ADN" est composé d'un adn. Lequel va se substituer à l'ADN normal de la cellule pour produire "ses" propres protéines. Lesquelles produisent un ADN entouré d'une enveloppe (la capside) qui va infecter à son tour d'autres cellules 

Il y a plusieurs types de "virus à ADN" : des virus "simple brins" ou "doubles brins"...  

Virus a ARN 

Les virus à ARN se substituent à l'ARN "messager" (celui qui produit les protéines) Il existe des ARN "simples brins", "doubles brins", et selon la façon dont ils sont "codés" on parle de "polarité positive" et de "polarité inverse" (comme pour l'écriture humaine on peut écrire de droite à gauche et de gauche à droite. Le SARS-CoV-2 -nom du virus provoquand le Covid-19 est un virus a ARN simple brin alors que les virus de la grippe sont des virus a ARN simple brin a polarité négative. 

Virus à transcriptase inverse  

Ces virus utilisent la "transcriptase inverse", un processus qui permet de créer de l'ADN à partir d'ARN. Le virus le plus connu utilisant cette transcriptase inverse est le virus du sida.

Scientifique oubliée : Germaine Benoit 

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Un des fondateurs de la sociologie des science, Robert King Merton, le créateur de la notion de « paradigme » dans le domaine de la avait décrit l'effet Matthieu (selon un verset de l'évangile “Car on donnera à celui qui a, et il sera dans l'abondance, mais à celui qui n'a pas on ôtera même ce qu'il a.”, selon lequel certains grands personnages sont reconnus au détriment de leurs proches qui, souvent, sont à l'origine de la découverte source de cette renommée.) Dans les années 80 une historienne des sciences, Margareth Rossiter, va prendre ce concept et l'adapter au fait comment les femmes ont été exclues de toute reconnaissance envers leurs travaux scientifique. Elle va appeler cet effet l’effet Mathilda en hommage a la militante féministe Mathilda Joslyn Gage. La première femme qu'elle cite en exemple est l'Italienne Trotula de Salerne. Cette femme médecin et chirurgienne écrivit plusieurs ouvrages traitant principalement de la santé des femmes mais dés la renaissance, son importance et son existance même sont remises en doute, alors même qu'il existe de nombreux témoignage de son importance et de son rayonnement.

Mais c'est d'une autre éminente scientifique dont je vais maintenant vous parler, et qui était également citée en illustration à cet « effet Mathilda », Germaine Benoit, une ingénieure chimiste passée maître dans la synthèse de médicaments, en particulier d'anti viraux.... Elle a également réussi la synthèse de plusieurs classes de médicaments dont certains actifs contre le paludisme et la tuberculose. Germaine Benoit a reçu le prix Louis de l’Académie de Médecine en 1923, elle a été une des rares femmes de son époque à diriger un grand laboratoire, celui de Chimie thérapeutique de l’Institut Pasteur. Elle contribue à la découverte de molécules actives dans de nombreux secteurs de la santé. Elle fait partie de ces nombreux « travailleurs de la preuve » sans lequel il n'y aurait pas de science possible, et nul doute que toutes celles qui continuent son travail dans les laboratoires contribuent a nous fournir les solutions dont nous avons tellement besoin.

Le jeu de la vie, John Horton Conway et le covid 19 

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On ne déplore heureusement pas encore de décès dus au covid19 parmi les scientifiques connus et autres récipiendaires du Nobel. Nous sommes cependant endeuillés par le décès d'un des plus important mathématicien de la fin du XX siècle et du début du XXI siècle, John Horton. Nous reviendrons plus en détail sur ses travaux, mais nous tenons à parler plus en détail d'une de ses réalisation pour lequel il est le plus connu. 

Parmi les mathématiciens amateurs, John Horton Conway est principalement connu pour sa théorie des jeux combinatoires et pour avoir inventé le jeu de la vie, un automate cellulaire. Il a écrit en 1976 le premier livre traitant du sujet, On Numbers and Games, puis coécrit en 1982 avec Elwyn Berlekamp et Richard Guy le livre Winning Ways for your Mathematical Plays.

Il est également l'un des inventeurs du jeu Sprouts ainsi que du Phutball (en) (le « football du philosophe »). Il a développé des analyses détaillées de nombreux autres jeux et casse-tête, comme le Cube Soma, le solitaire, et les Soldats de Conway (en). Il est aussi à l'origine du problème de l'ange finalement résolu en 2006 ainsi que de la suite de Conway.

Le jeu de la vie est un « jeu à zéro joueur », puisqu'il ne nécessite pas l'intervention du joueur lors de son déroulement. Il s’agit d’un automate cellulaire, un modèle où chaque état conduit mécaniquement à l’état suivant à partir de règles pré-établies.

Le jeu se déroule sur une grille à deux dimensions, théoriquement infinie (mais de longueur et de largeur finies et plus ou moins grandes dans la pratique), dont les cases — qu’on appelle des « cellules », par analogie avec les cellules vivantes — peuvent prendre deux états distincts : « vivante » ou « morte ».

Une cellule possède huit voisins, qui sont les cellules adjacentes horizontalement, verticalement et diagonalement.

À chaque étape, l’évolution d’une cellule est entièrement déterminée par l’état de ses voisines

Trois régles d'évolutions sont définies :

une cellule entourée de moins de trois cellules meurt (par isolement)

une cellule entourée de plus de trois cellules meurt (par étouffement)

une cellule vide entourée de trois cellules vit

La richesse et l'élégance d'un jeu se défini par le fait qu'a partir de régles trés simples on arrive a une complexité (de la stratégie comme au jeu de go, ou du hasard comme dans nombre de jeu de cartes) qui en fait tout le sel. Et c'est ainsi que le "jeu de la vie" a suscitée réflexions et études approfondies. Car ces régles trés simples montrent des comportements complexes, comme la vie elle même. Et c'est sans doute également une leçon du covid19....

Ci dessous un déroulé "typique" du jeu de la vie :

Le jeu de la vie © interactivemedialab

Ci dessous une explication plus détaillée du "jeu de la vie" par l'excellent blog "Science étonnante"

Le Jeu de la Vie - Science étonnante #49 © ScienceEtonnante

ci-dessous, le jeu de la vie programmée en python : https://codes-sources.commentcamarche.net/source/54104-jeu-de-la-vie-simple-et-graphique-tkinter-en-python-

Un site web pour connaitre la propagation des épidémies

.Nexstrain est une plateforme internet dévolue au suivi des différentes épidémies et de leur diffusion sur le plan national et international. A partir des données génomiques recueillies sur des milliers d'échantillons de Sars-Cov-2, la plateforme Nexstrain permet de retracer la chronologie et la diffusion spatiale de l'épidémie de Covid-19.

Une explication plus poussée de l'utilité de cette plate forme et de son fonctionnement peut etre trouvée ci dessous

https://www.sciencesetavenir.fr/sante/covid-19-la-traque-genomique-du-virus-sur-nexstrain_143189

Ci dessous, copie d'écran de la situation en europe au 23/04/2020  La carte montre la contribution des différents pays et la transmission mondiale de l'épidémie.

carte-europe

 

Le livre du mois : infravie de Thomas Heams 

Notre vie est bouleversée par la présence d'un virus. C'est un bon momment pour se demander "Qu'est ce que c'est que la vie, comment apparait elle, comment se maintient elle, comment évolue elle ?" Le livre de Thomas Heams apporte une réponse originale aux questions que tous nous nous posons. Et il fait tenir dans le processus de la vie un role central aux virus. C'est d'autant plus paradoxal que le virus n'a pas été considéré comme du "vivant" a proprement parler et que même maintenant les scientifiques se disputent encore sur cette question. Mais Thomas Heams n'a pas peur des paradoxes ni même des phrases chocs. Quand il affirme «la vie n’est jamais apparue» ou encore «la vie n’existe pas», il nous embarque  nous embarquer dans un long voyage vers l'inconnu. Nous avons un peu l'impression d'etre avec Christophe colomb dans une de ses trois caravelles...

Présentation de l'ouvrage par l'éditeur :

« Qu'est-ce que la vie ? », se demandent depuis des siècles naturalistes, biologistes et philosophes. Et si, pour tenter d'y répondre, on renonçait à donner du monde vivant une définition figée, pour mieux prendre en compte sa nature dynamique et ses échanges permanents avec le reste de l'univers ? De fait, la nature et maintenant les laboratoires recèlent un incroyable bestiaire d’infravies, des entités qui défient la classification binaire entre vivant et non-vivant. Plus surprenant encore, il ne s'agit pas d'exceptions mais, au contraire, des éléments mêmes sur lesquels repose l’existence du monde vivant.
Ce livre révèle ces infravies et les accueille dans une nouvelle perspective théorique. Il propose une caractérisation scientifique inédite du vivant, qui exige d'abandonner certaines des métaphores les plus puissantes de notre temps, comme celle du vivant-machine. Cette épistémologie renouvelée, amenant à concevoir une vie sans frontières, a des répercussions majeures sur le regard éthique que nous posons sur les vivants.
Un ouvrage d’une puissante originalité.

Thomas Heams est maître de conférences en génomique animale à AgroParisTech, et chercheur à l’INRA.
Il enseigne les biotechnologies et l’histoire des idées scientifiques. Il est aussi l’auteur d’un roman, Cent seize chinois et quelques, publié avec succès au Seuil (2010).

La découverte du mois : comment le covid19 utilise l'interféron pour infecter les cellules 

Le virus du covid19 est un virus plein de ruse. Des chercheurs viennent de mettre en évidence la façon "ingénieuse" dont il détourne les mécanismes immunitaires pour infecter les cellules et lui permettre de se répliquer. En effet pour se multiplier (un virus n'étant pas une entité "vivante" a proprement parler ne se reproduit pas, il se multiplie en détournant le fonctionnement "normal" d'une cellule) le virus doit d'abord se fixer à une cellule, puis la pénétrer, afin de detourner les mécanismes génétiques de la cellule (ADN produisant un "ARN" messager qui  lui même engendre des protéines (les protéines en question produisant elle même de nouveaux virus qui vont aller infecter de nouvelles cellules) 

En effet l'interféron (substance majeure de l'immuninologie) va favoriser la production d'une enzyme (une substance chimique et biologique favorisant elle même l'expression d'une protéine) qui est liée au mécanisme avec laquelle le virus se fixe aux cellules qu'elle infecte.  

https://www.lemonde.fr/blog/realitesbiomedicales/2020/04/26/covid-19-comment-le-coronavirus-exploite-la-reponse-immunitaire-pour-attaquer-des-cellules-respiratoires-et-intestinales/ 

Le jeux du mois

Ce billet participe au "journalisme d'investigation" cher à Médiapart Il vous donne en exclusivité la formule qui sera utilisée pour déterminer la destination de vos vacances 

 

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Or cet algorithme donne un résultat assez étrange.... Pourvez vous expliquer son comportement ?

 

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