Multi-scale complexity of the immune system : Evolution, from chaos to fractals

Complexité multi-échelle du système immunitaire: Evolution, du chaos aux fractales

Véronique Thomas-Vaslin (1, 2)

1 UPMC - Université Pierre et Marie Curie - Paris 6
2 CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique

The immune system is a complex biological microscopic system at the interface of the environment, with a multi-scale organization. This system insures the molecular identity and the integrity of polygenomic-organized organisms and the resilience of living systems, based on dissipative energy from food absorption. Stochasticity and historicity, participate to the hierarchical temporo-spatial organisation of the system from ontogeny, with restrictions of physical laws. The loss of organization and functionality of the immune system during the course of perturbations and/or aging, observable at various scale levels, represent a prototype of irreversible, critic and chaotic dynamic systems, regulated by feedback loops. First, I consider theoretical hypothesis based on the evolution of the immune system in an arborescent, evolutive, dissipative and fractal-like system following hyperbolic trajectories and chaotic dynamics. This evolutive organization of the immune system in space and time, allows the differentiation and diversity of lymphocytes involved in antigens cognition. Then, examples of experimental observations coupled with statistical and dynamical modelling (ODE, agents) illustrate the multi-scale alterations and the variability of the dynamic behaviour and diversity that occur during perturbations and aging.

Le système immunitaire, système biologique microscopique complexe avec une organisation multi-échelle à l’interface de l’environnement, assure l’identité moléculaire et l’intégrité des organismes polygénomiques et la résilience des systèmes vivants, organisés et dissipatifs d’énergie. Des phénomènes aléatoires conjointement à l’historicité guident l’organisation globale du système dès l’ontogénie, par la formation de structures hiérarchisées contraintes par des restrictions. Pourtant les pertes d’organisation et de fonctionnalité du système immunitaire au cours de perturbations et/ou du vieillissement, observables à différents niveaux d’échelles avec des boucles de régulations, en font un objet d’étude des dynamiques irréversibles, critiques et chaotiques. Je considère d’abord des hypothèses théoriques sur l’évolution du système immunitaire vu comme un système arborescent évolutif, dissipatif d’énergie, de type fractal, suivant des trajectoires hyperboliques et des dynamiques chaotiques. Cette organisation évolutive du système immunitaire globalement dans l’espace et le temps biologique permet la différenciation et diversité des lymphocytes pour assurer la cognition des antigènes. Ensuite, des exemples d’observations expérimentales chez la souris et de modélisations statistiques ou dynamiques bien que réductionnistes (ODE ou agents) permettent d’illustrer le comportement dynamique, la diversité, les transitions et la variabilité multi-échelles qui sont altérées au cours du vieillissement ou de perturbations.

Mots clés: immune system; ageing; perturbations; résilience; fractal; multi-scale

Domaines: Immunité adaptative; Interactions entre organismes; Complexité [cs.CC]; Informatique et langage [cs.CL]; Système multi-agents [cs.MA]; Modélisation et simulation; Systèmes dynamiques [math.DS]

Véronique Thomas-Vaslin. Complexité multi-échelle du système immunitaire: Evolution, du chaos aux fractales . Nicolas Glade, Angélique Stéphanou. Le vivant critique et chaotique, , pp.333-402, 2015, 978-2-919694-93-8. ⟨hal-01298282⟩