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Cours "Systèmes et programmation génétiques"
Bibliographie commentée par Daniel Mange et Victor Jongeneel (24.9.2003)
1. Filière embryonique
D. Mange, Systèmes microprogrammés: une introduction au magiciel, Presses polytechniques et universitaires romandes, Lausanne, 1990.
Cet ouvrage tente de répondre à trois défis: un défi pédagogique, l'introduction d'un enseignement de niveau universitaire conduisant le lecteur de la théorie classique des systèmes logiques à celle de l'architecture des processeurs, y compris leur microprogrammation; un défi scientifique, une tentative de synthèse de la théorie des systèmes logiques et de celle de la programmation séquentielle; un défi technique, la mise en oeuvre d'automatismes microprogrammés (commandes de machine, horloges, par exemple) en lieu et place des systèmes logiques câblés ou des microprocesseurs classiques. Ces trois défis sont relevés en basant l'ensemble du volume sur la notion d'équivalence entre système logique câblé (matériel) et microprogrammé (logiciel).
Ce livre constitue à la fois un exposé rigoureux sur la microprogrammation, une introduction originale aux concepts fondamentaux de la programmation séquentielle et un traitement exhaustif du magiciel, défini comme la théorie des transformations et des équivalences entre le matériel et le logiciel.
E. Schrödinger, Qu'est-ce que la vie? Christian Bourgois, 1986.
(édition originale: What is Life? Cambridge University Press, 1967)
Ce petit bouquin (235 pages), publié en 1944 par le fameux prix Nobel, n'a pas pris une ride. C'est une vision prophétique, pour son époque, de l'explication physique des phénomènes de la biologie moléculaire. L'auteur démontre d'abord la nécessité pour les êtres vivants d'être complexes, c'est-à-dire constitués d'un très grand nombre d'atomes. Après avoir rappelé les lois de l'hérédité et l'existence des gènes, l'auteur postule l'existence d'une structure chimique à très haute régularité, qu'il définit comme un cristal apériodique, et qui porterait tous les caractères héréditaires (la future double hélice de l'ADN). Il conclut en montrant que les êtres vivants survivent en consommant de l'entropie négative.
F. Jacob, La logique du vivant, Gallimard, Paris, 1970.
Un grand classique, qui est une fresque, à travers le temps, du développement de la biologie jusqu'aux récentes découvertes de l'ADN et de son code. Jacob se réfère à une représentation classique pour l'ingénieur: une pyramide de modèles, partant des plus macroscopiques (la structure visible) pour aboutir au plus microscopiques (le gène, la molécule). En sus d'analogies très pertinentes entre la biologie et les sciences de l'ingénieur (pp. 17-18: ADN et programme d'ordinateur, p. 103: horloge mécanique et autoreproduction), ce livre ne manque pas d'ouvertures sur la philosophie et la métaphysique (p. 330: "les deux inventions les plus importantes, ce sont le sexe et la mort").
F. Jacob, La statue intérieure, Odile Jacob, Paris, 1987.
Autobiographie de F. Jacob, qui a obtenu, avec A. Lwoff et J. Monod, le prix Nobel de médecine en 1965. Cette remarquable biographie est écrite dans une langue de haute qualité; la seconde partie, consacrée aux activités de recherche de F. Jacob à l'Institut Pasteur, est une passionnante description des activités du chercheur, et des mécanismes de la recherche internationale.
L. Wolpert, Le triomphe de l'embryon, Dunod, Paris, 1992.
Comment se fait-il, par exemple, qu'un bras ressemble beaucoup à une jambe, mais que ces deux membres soient en même temps si différents? Comment, à partir d'une seule cellule fécondée, en arrive-t-on à des types cellulaires aussi divers que les neurones, les globules rouges, les cellules formant le foie, le pancréas, les muscles, les cartilages ou la peau? Comment les organes des animaux acquièrent-ils la forme que nous leur connaissons? Pourquoi un membre s'arrête-t-il un beau jour de grandir?
La réponse à ce genre de questions nous la devons, d'une part à l'irruption de la biologie moléculaire au sein de la recherche moderne et, de l'autre aux progrès enregistrés par le génie génétique. Aujourd'hui, les vieilles idées à propos du préformisme sont parfaitement enterrées et les concepts de base ont pour nom: gènes et protéines.
Cependant, nous sommes loin d'avoir tout démêlé, tout analysé, tout compris. Lewis Wolpert l'explique fort bien dans cet ouvrage remarquable dont la langue, à la fois simple et claire, nous invite à partager la passion de cet homme pour l'un des problèmes les plus envoûtants de la recherche actuelle: la biologie du développement.
E. Coen, The art of genes, Oxford University Press, Oxford (UK), 2000.
How is a tiny fertilised egg able to turn itself into a human being? How can an acorn transform itself into an oak tree? Over the past twenty years there has been a revolution in biology, and we have begun to understand how organisms make themselves. The art of genes gives an account of these new findings, and of their broader significance for how we view ourselves.
Through a highly original synthesis of science and art, Enrico Coen vividly describes this revolution in our understanding of how plants and animals develop. Drawing on a wide range of examples –from flowers growing petals instead of sex organs to works of art by Leonardo and Magritte- he explains in lively, accessible prose the language and meaning of genes.
2. Filière phylogénique
M. Sipper, Machine
Nature,
An enthralling look at how computer scientists have crossed the line between machines and living organisms. Despite being marvels of complexity and human ingenuity, computers are notoriously bad at learning new things and dealing with new situations. Researchers at the frontiers of computer science have turned to nature for solutions to the problem of machine adaptation and learning. By applying models of complex biological systems to the realm of computing machines, they have given rise to anew breed of adaptive software and hardware. In Machine Nature, computer scientist Moshe Sipper takes you for a fascinating spin through the terra nova of computing, exposing much of the novel terrain in an informal, conversational style.
J.-P. Rennard, Vie artificielle, où la biologie rencontre l'informatique, Vuibert Informatique, Paris, 2002.
Vie: état de ce qui n'est pas inerte.
Vie artificielle: domaine de recherche destiné à préciser la définition précédente.
Cette formule illustre avec humour l’objet de ce livre: une discipline encore mystérieuse qui regroupe informaticiens, philosophes ou biologistes. Elle a pour objet de mieux comprendre ce qu'est la vie en recherchant et en tentant de reproduire les processus généraux qui la gouvernent. Mais elle cherche aussi à transposer les mécanismes du vivant au sein d'algorithmes et d’artefacts spécifiques (biomimétiques) à l'efficacité souvent époustouflante. Ce livre vous invite à un fascinant voyage au cœur de cette discipline. Vous y rencontrerez les univers virtuels des automates cellulaires et la «matière programmable», mais aussi des colonies de fourmis, un groupe de basilosaures ou des robots évolutifs et autres créatures purement algorithmiques. Accompagné de nombreuses illustrations et d’une riche bibliographie, ce texte introductif est destiné au public de culture scientifique comme aux étudiants et professionnels intéressés. Il introduit le sujet d'une manière claire, accessible et rigoureuse, en présentant tant les concepts essentiels que les nombreuses applications pratiques.
Site Web consacré au précédent livre de J.-P. Rennard, "Vie articielle, où la biologie rencontre l'informatique".
Ce site est consacré à la Vie Artificielle. Son objectif est de participer à la popularisation de cette nouvelle science auprès d'un public qui n'a actuellement que peu conscience de son existence même. Ce domaine de recherche, outre son caractère fascinant, est pourtant susceptible d'avoir une incidence réelle sur le quotidien des décennies à venir.
Ancien universitaire (mais dans un domaine qui a peu à voir avec le sujet), je m'efforcerai de maintenir la rigueur intellectuelle nécessaire au sérieux des différentes présentations tout en limitant autant que possible les recours techniques.
Le site présentera progressivement les principaux chapitres de ce domaine et les illustrera par une application ou une applet. En parallèle, il sera largement ouvert sur internet et ses précieux contributeurs (malheureusement encore trop largement limités à la langue anglaise).
La vie artificielle est un thème fascinant. J'essaierai de rendre les programmes faciles et agréables. Certains sujets sont néanmoins un peu délicats ou peu spectaculaires, et il vous faudra parfois fournir quelques efforts, mais vous découvrirez alors que la réalité peut être très proche de la Science Fiction.
S. Wolfram,
A New Kind of Science, Wolfram Media,
This long-awaited work from one of the world's most respected scientists presents a series of dramatic discoveries never before made public. Starting from a collection of simple computer experiments -illustrated in the book by striking computer graphics- Stephen Wolfram shows how their unexpected results force a whole new way of looking at the operation of our universe.
Wolfram uses his approach to tackle a remarkable array of fundamental problems in science, from the origins of apparent randomness in physical systems, to the development of complexity in biology, the ultimate scope and limitations of mathematics, the possibility of a truly fundamental theory of physics, the interplay between free will and determinism, and the character of intelligence in the universe.
Written with exceptional clarity, and illustrated by nearly a thousand original pictures, this seminal book allows scientists and nonscientists alike to participate in what promises to be a major intellectual revolution.
J.-C. Heudin, La vie artificielle, Hermès, Paris, 1994.
Un excellente introduction, en français, à la vie artificielle. Toutes les références classiques s'y trouvent et permettent d'approfondir chaque chapitre. Le livre traite successivement des fondements (définition de la vie naturelle et artificielle, histoire des automates et des automates autoreproducteurs mécaniques selon Penrose, génotype et phénotype), de l'autoreproduction (automates de von Neumann, Langton, du jeu de la vie selon Conway, de Wolfram), de la morphogenèse (fractals, biomorphs, systèmes L), de l'évolution (algorithmes, classifieurs et programmation génétiques), de la diversité (réseaux autocatalytiques, intelligence collective, réseaux neuromimétiques, robotique évolutive, nanotechnologies, virus informatiques), des théories sur la vie (origines et propriétés de la vie, autopoièse) et des philosophies y-relatives. En résumé... un excellent digest!
Simulateur de l'automate de von Neumann en langage JAVA (seulement pour PC!).
A. Tettamanzi, M. Tomassini, Soft
Computing, Integrating Evolutionary, Neural, and Fuzzy Systems, Springer Verlag,
Soft computing encompasses various computational methodologies, which, unlike conventional algorithms, are tolerant of imprecision, uncertainty, and partial truth. Soft computing technologies offer adaptability as a characteristic feature and thus permit the tracking of a problem through a changing environment. Besides some recent developments in areas like rough sets and probabilistic networks, fuzzy logic, evolutionary algorithms, and artificial neural networks are core ingredients of soft computing, which are all bio-inspired and can easily be combined synergetically.
This book presents a well-balanced integration of fuzzy logic, evolutionary computing, and neural information processing. The three constituents are introduced to the reader systematically and brought together in differentiated combinations step by step. The text was developed from courses given by the authors and offers numerous illustrations.
C. Teuscher, Turing's Connectionism, An
Investigation of Neural Network Architectures, Springer,
Turing's connectionism provides a detailed and in-depth analysis of Turing's almost forgotten ideas on connectionist machines. In a little known paper entitled "Intelligent Machinery", Turing already investigated connectionist models as early as 1948. Unfortunately, his work was dismissed by his employer as a "schoolboy essay" and went unpublished until 1968, 14 years after his death. In this book, Christof Teuscher analyzes all aspects of Turing's "unorganized machines". Turing himself also proposed a sort of genetic algorithm to train the networks. This idea has been resumed by the author and genetic algorithms are used to build and train Turing's unorganized machines. Teuscher's work starts from Turing's initial ideas, but importantly goes beyond them. Many new kinds of machines and new aspects are considered, e.g., hardware implementation, analysis of the complex dynamics of the networks, hypercomputation, and learning algorithms.
3. Documents généraux
H. Lodish, D. Baltimore, A. Berk, S.L. Zipursky, P. Matsudaira, J. Darnell, Molecular cell biology, Scientific American Books, W. H. Freeman & Co, New York, USA, 1995.
Un ouvrage de référence, très complet, couvrant tous les domaines de la biologie moléculaire et cellulaire. Très bien illustré et lisible, mais pas un livre de chevet.
B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson, Molecular biology of the cell, Garland Publishing, New York, USA, 1994.
Le concurrent direct de l'ouvrage ci-dessus, l'ayant précédé d'un ou deux ans. Tout aussi recommandé, et probablement même mieux écrit, mais avec des illustrations moins éclatantes.
J.D. Watson, Molecular biology of the gene, W.A. Benjamin Inc, Menlo Park, USA, 1965, 1970, 1977, 1987.
Les éditions plus anciennes de ce classique sont probablement les meilleures. La clarté et l'originalité du discours de Jim Watson, le co-découvreur de la structure de l'ADN, en font une lecture passionnante, même pour le non-spécialiste. Les éditions plus récentes sont plus proches du "textbook" universitaire, essayant de couvrir les progrès de la biologie moléculaire et donc s'épaississant graduellement.
R. Dawkins, The selfish gene, Oxford University Press, Oxford, UK, 1991.
Cet ouvrage expose avec une grande lucidité une vision du phénomène de la vie centrée sur le gène et non sur l'organisme. Dawkins est le père du concept de l'organisme en tant que machine de survie ad hoc pour les gènes qu'il contient. Le bouquin a été vertement critiqué par nombre de biologistes pour sa vision plutôt radicale, mais reste un "must" pour toute personne intéressée par la vie en tant que phénomène organisateur et par les mécanismes d'évolution des espèces.
J. Monod, Le hasard et la nécessité, Editions du Seuil, Paris, 1970.
Le credo de Jacques Monod, dans la meilleure tradition cartésienne. Les auteurs français ont souvent une approche beaucoup plus philosophique, et partant plus stimulante intellectuellement, que leurs collègues anglo-saxons. Jacques Monod était le chantre le plus persuasif de la biologie moléculaire en tant que nouveau paradigme.
E. Russo, D. Cove, Génie génétique, rêves et cauchemars, PPUR, Lausanne, 1996.
La révolution génétique a déjà commencé et son impact sur la société sera aussi fort que celui de la révolution industrielle. Ce livre s'adresse à tous ceux qui désirent comprendre les bénéfices et les risques de cette nouvelle révolution et contribuer ainsi à garantir que les techniques puissantes qu'elle nous offre seront exploitées avec discernement. Ecrit sous la forme d'un cours concis de biologie et de génétique, d'une présentation très claire, il évoque la responsabilité conjointe des principaux acteurs de l'économie et de la politique, du savant, de l'ingénieur et de l'homme de la rue au travers de nombreux exemples et faits historiques.
L'ouvrage est constitué de trois parties. Dans la première, les auteurs décrivent les processus impliqués dans le génie génétique et les bases scientifiques utiles à leur compréhension. La deuxième partie du livre présente quelques réussites que le génie génétique a déjà menées à terme et les potentialités qu'il offre pour un proche avenir. La dernière partie considère le génie génétique dans ses relations avec les autres intérêts de la société. Rêves ou cauchemars? Ce livre qui interpelle chacun d'entre nous apporte des éléments de réponse et invite le lecteur à se forger une opinion.
Ce site décrit un cours très voisin du nôtre, intitulé Biologically-Inspired Computing et donné au printemps 2003 à l'Université de Virginia, USA.
24 septembre 2003