Les activités humaines dispersent quotidiennement une grande variété de produits chimiques dans l’environnement. Les populations d’organismes aquatiques sont ainsi exposées à des polluants chimiques tout au long de leur cycle de vie, ce qui pose la question de l’impact de ces polluants émergeants sur les écosystèmes aquatiques. Au cours de ce travail, nous avons étudié les traits d’histoire de vie de populations de moustiques Aedes aegypti exposées à trois polluants : l’ibuprofène, le bisphénol A et le benzo[a]pyrène. Nos observations rendent compte de modifications de traits d’histoire de vie susceptibles d’influencer la dynamique des populations de moustiques Aedes aegypti, observés lors d’exposition à des concentrations cohérentes avec les mesures effectuées dans l’environnement. Ces études révèlent notamment de nombreuses conséquences trans-générationnelles de l’exposition aux polluants. Une approche intégrative associant des études transcriptomique, métabolomique et hormonale réparties à différentes étapes du cycle de vie des individus exposés à l’ibuprofène a été adoptée afin de mieux comprendre les impacts de ce polluant sur les individus. Cette approche a révélé chez les larves exposées un mécanisme d’action similaire au mécanisme pharmacologique de ce médicament sur les vertébrés. Ces perturbations sont en outre accompagnées de modifications importantes de l’état physiologique de leur descendance. Ces modifications, mises en évidence notamment par la potentialisation de la signalisation hormonale par l’ecdysone ainsi que la surreprésentation des mécanismes de réponse aux stress, aboutissent à un développement plus rapide et à une meilleure tolérance de cette descendance aux périodes de jeun. Notre approche met en évidence l’intérêt de la prise en compte du cycle de vie dans sa globalité, incluant la descendance, dans l’évaluation des risques écotoxicologiques. / Human activities daily release a wide variety of chemicals in the environment. Populations of aquatic organisms are thus exposed to pollutants throughout their life cycle, raising the question of the impacts of these pollutants on aquatic ecosystems. In this work, we study life history traits of populations of Aedes aegypti mosquito exposed to three pollutants: ibuprofen, bisphenol A and benzo[a]pyrene. Our observations reveal life history traits alterations likely to affect Aedes aegypti populations dynamic at environmental concentrations, more particularly showing the importance of transgenerational effects in those modifications. An integrative approach combining transcriptomic, metabolomic and hormonal studies on several phases of the life cycle of individuals exposed to ibuprofen was adopted in order to deepen the understanding of impacts of this pharmaceutical on individuals. This approach reveals a mechanism of action similar to the pharmacological mode of action on vertebrates of this pharmaceutical. Those perturbations are associated with crucial changes in the physiological state of their progeny. The identified modifications include ecdysone signalling potentialization and stress response mechanism over-representation, leading to a faster development and an increased tolerance to starvation of this progeny. Overall, our approach highlights the importance of taking into account the all life cycle of organisms, including their progeny, in ecotoxicological risk assessment.

Les triarylbismuths sont des réactifs organométalliques d’un intérêt croissant en synthèse organique, pour leur aptitude à transférer leurs trois groupements aryles dans les réactions de couplage croisé C-C pallado-catalysées. Ces réactifs essentiellement non toxiques et « économiques en atomes » sont attrayants dans le cadre d’une chimie plus respectueuse de l’environnement, et présentent des applications en chimie pharmaceutique et en science des matériaux. Cependant, leur développement est ralenti par le manque de connaissances théoriques à leur sujet. Cette thèse vise alors à comprendre la réactivité de ces espèces en confrontant les données expérimentales avec celles obtenues à travers une étude théorique fondamentale (propriétés structurelles, spectroscopiques, thermodynamiques et cinétiques) résultant de calculs DFT. Le but ultime est de prévoir de nouvelles réactivités et sélectivités. Un premier volet se rapporte à une étude comparative de relation structure-propriétés sur des composés incluant un pnictogène comme atome central, tel que le bismuth, et sur différents organobismuths. Les données expérimentales existantes (cristallographiques, RMN, IR) ont été comparées aux résultats théoriques (structures, énergies, modes de vibration, indices de réactivité, etc.). Une fois les propriétés intrinsèques de ces composés mises en évidence et la méthode DFT validée, une nouvelle étude de relation structure-réactivité a été entreprise. Dans ce deuxième volet, nous avons validé le mécanisme des réactions de couplage croisé impliquant des triarylbismuths catalysées par le palladium. Les trois étapes principales du cycle catalytique ont été examinées, à savoir l'addition oxydante, la transmetallation et l'élimination réductrice, et validées en caractérisant les différents intermédiaires et états de transition. La deuxième étape de transmetallation impliquant les triarylbismuths a également fait l'objet d'une étude approfondie. En particulier, la transférabilité des trois groupements aryles et l'influence des substituants (effets électroniques et stériques) sur les barrières de transfert ont été évaluées. Enfin, la réactivité des triarylbismuths a été comparée avec celle d’autres organométalliques afin de développer de nouvelles voies de synthèse / Triarylbismuths are organometallic reagents of growing interest for organic synthesis, for their ability to transfer the three aryl moieties in C-C Pd-catalysed cross-coupling reactions. These essentially non-toxic, atom efficient reactants are attractive in the context of environment-friendly chemistry and have applications in pharmaceutical chemistry and in material science. However, their development is hampered by lack of theoretical understanding. This thesis aims to explore the reactivity of these species by comparing the experimental data to fundamental theoretical studies (structural, spectroscopic, thermodynamic and kinetic properties) resulting from DFT calculations. The ultimate goal is to predict new reactivities and selectivities. A first approach consists in a comparative study on the relation between structure and properties in compounds having a pnictogen central atom like bismuth, and in different organobismuths. The existing experimental data (crystallographic, NMR, IR) were compared to the results of theoretical calculations (structures, energies, vibrational modes, reactivity parameters, etc.). After highlighting the intrinsic properties of these compounds and validating the DFT method, a new study was undertaken to elucidate the relations between structure and reactivity. This second investigation enabled us to validate the mechanism of the cross-coupling reaction involving triarylbismuths under palladium catalysis. The three major steps of the catalytic cycle have been examined, i.e. the oxidative addition, transmetallation and reductive elimination, and validated by characterizing the different intermediates and transition states. The second transmetalation step involving the triarylbismuths has also been deeply investigated. The transferability of the three aryl groups and the influence of the electronic and steric effects of the substituents on the energy barrier have been evaluated. Finally, the reactivity of triarylbismuths has been compared with that of other organometallics, to develop new synthetic approaches

Les cytokinines sont des hormones régulant de nombreux processus physiologiques. Elles sont en particulier impliquées dans certaines interactions plantes-microorganismes pathogènes. Leur perception est assurée par les récepteurs Histidine Kinases (HK) dont la fonction est prédominante dans la transduction de signaux moléculaires et environnementaux. Ce travail a permis une caractérisation complète des cinq récepteurs aux cytokinines de type CHASE-Histidine Kinase (MdCHK) et d’un osmosenseur (MdHK1) chez le pommier, espèce d’intérêt économique soumise à l’attaque de nombreux pathogènes. La combinaison d’approches moléculaires et bio-informatiques a révélé les particularités fonctionnelles et les rôles spécifiques des MdCHK. Ces connaissances ont permis de sélectionner une souche de levures exprimant le récepteur MdCHK2 en tant que biosenseur de cytokinines. Ce nouvel outil biotechnologique optimisé pour la détection rapide de cytokinines a conduit à la mise en évidence d’une production de ces composés par Erwinia amylovora, bactérie pathogène du pommier. Le criblage de bactéries pathogènes humaines grâce au biosenseur a également révélé leur production par Staphylococcus aureus et Streptococcus agalactiae. Afin d’optimiser ce biosenseur, une approche mécanistique de MdCHK2 a été entreprise et dévoile l’importance de certains domaines dans ses spécificités de perception. / Cytokinins are hormones regulating numerous physiological processes. They are particularly involved in some plant-pathogen interactions. Their perception is ensured by Histidine Kinase (HK) receptors which play a prevailing role in transducing molecular and environmental signals. This work enabled the full characterization of the five cytokinin CHASE-Histidine Kinase receptors (MdCHK) and the osmosensor (MdHK1) in apple tree, a species of economic interest subjected to many pathogen attacks. Combining molecular and bioinformatics approaches led us to reveal the functional features and specific roles of the MdCHK. This knowledge allowed us to select a yeast expressing the MdCHK2 receptor as a cytokinin biosensor. This new biotechnological tool optimized for fast cytokinin detection led us to expose the production of such molecules in Erwinia amylovora, a pathogenic bacterium of apple. Screening human pathogenic bacteria with the biosensor also unveiled their production in Staphylococcus aureus and Streptococcus agalactiae. In order to optimize this biosensor, we initiated a mechanistic approach on MdCHK2 and showed the importance of some domains in its perception specificities.

Les cycles azotés font partie intégrante de la vie sur Terre. Cette thématique est transcrite dans les travaux de cette thèse à travers les tétrazoles et les morpholines. Les morpholines sont des azacycles saturés possédant de nombreuses propriétés physico-chimiques et structurales intéressantes, ce qui en fait un motif de choix en chimie médicinale. L'essor des morpholines est d'autant plus important que les industries pharmaceutiques tendent à limiter l'utilisation de cycles insaturés au profit de motifs permettant des structures plus complexes et occupant les trois dimensions de l'espace. Ainsi, le développement de nouvelles voies d'accès aux morpholines est contemporain. La contribution présentée dans ce manuscrit s'appuie sur la réduction de tétrazoles oxabicycliques par des hydrures. Le mécanisme du clivage réductif du tétrazole en amine a par ailleurs été étudié et élucidé. Les cyanamides forment un groupement fonctionnel intéressant grâce à leur nature électronique ambivalente. Elles sont de plus en plus utilisées en chimie médicinale en tant qu'inhibiteurs covalents. Alors que les cyanamides ont été découvertes à l'aube de la chimie organique, leurs synthèses ont traditionnellement eu recours à des sources de cyanure, composé extrêmement toxique. La métallation en position 5 des tétrazoles 1-substitués permet d'induire la rétrocyclisation spontanée conduisant à l'expulsion d'une molécule de diazote et d'un sel de cyanamidure. Ce sel a pu être isolé ou alkylé in situ, offrant une nouvelle voie d'accès aux cyanamides sans source de cyanure. Les cyanamides ainsi obtenues ont pu être diversifiées en amidines par addition d'organolithiens. La Polygonapholine est un alcaloïde contenant une morpholine 2,6-disubstituée isolé en 1997. La structure rapportée est probablement erronée et seule une synthèse en laboratoire peut confirmer son exactitude. Ainsi, la première synthèse totale de ce produit naturel a été débutée et est présentée dans le dernier chapitre de ce manuscrit. / Nitrogen-containing rings are core entities in the living world. This theme is conveyed in the manuscript through tetrazoles and morpholines. Morpholines are saturated azacycles possessing numerous physico-chemical and structural properties, which makes them a motif of interest in medicinal chemistry. The impact of morpholines is even more important as pharmaceutical industries try to avoid overuse of unsaturated rings in favor of saturated motifs that allow for more complex structures in the three dimensions. Therefore, development of new methods to access morpholines is an ongoing activity in many laboratories. The approach presented herein relies on the hydride reduction of oxabicyclic tetrazoles to morpholines. A detailed mechanism of the reductive cleavage of the tetrazole unit is presented. Cyanamides are endowed with an ambident electronic character that adds value to this functional group. They are widely used in drug design as covalent inhibitors. Even though cyanamides were discovered in late 19th century, their synthesis has traditionally relied on the cyanation of amines using toxic cyanide reagents. 1-Substituted 5-metalotetrazoles undergo rapid cycloreversion releasing dinitrogen and forming N-metalated cyanamide salts. The salts can be isolated or alkylated in situ, providing a new method for accessing cyanamides without the use of cyanide reagents. The obtained cyanamides could be subjected to an addition reaction with organolithium reagents, thereby yielding novel amidines. The alkaloid Polygonapholine is a 2,6-disubstituted morpholine isolated in 1997. The reported structure has never been confirmed, nor has the natural product been synthesized in the laboratory. Efforts towards its total synthesis and stereochemical confirmation is presented in the last chapter of the thesis.

Cette thèse est consacrée à l’étude de mécanismes de réactions catalysées par des métaux ainsi qu’au développement de nouveaux outils pour la rationalisation et la prévision du comportement catalytique. L’étape de transmétallation entre le bore et le nickel a été étudiée en détail à l’aide de méthodes expérimentales variées (electrochimie, RMN, cinétiques) et par DFT, permettant d’expliquer certaines limitations rencontrées par les experimentateurs. La seconde partie de cette thèse est dédiée à la rationalisation du comportement d’une famille d’acides de Lewis : les sels de triflate et de triflimidate. Leur comportement a été étudié sur des réactions modèles d’amination et d’oxidation et une nouvelle échelle théorique d’acidité de Lewis basée sur l’estimation du transfert de charge vers l’acide à permis de reproduire et prévoir l’activité catalytique. / In this thesis mechanistic studies of metal-catalyzed reactions as well as development of new tools to predict and rationalize the catalytic properties are presented. The boron-tonickel transmetalation step was thoroughly studied by experimental technics (electrochemistry, NMR, kinetics) and DFT calculations, allowing us to solve some of the limitation encountered by the synthetic chemists. In the second part of this thesis the behavior of a family of Lewis acids (triflates and triflimides) is rationalize. Two model reactions (SN and redox) were studied and a new theoretical scale of Lewis acidity was developed based on the charge transferred to the acid allowing us to reproduce and predict the catalytic activity of these salts.

Pour la recherche de candidats d’intérêt thérapeutique, l’accès à des systèmes carbonés toujours plus complexes peut se heurter à divers problèmes synthétiques. Afin d’enrichir la diversité structurales, il est nécessaire de pallier aux difficultés synthétiques par le développement de nouveaux outils de synthèse. Dans ce contexte, ce travail s’est principalement orienté sur l’accès de cycles carbonés par des réactions d’expansion de cycle via l’utilisation de composés polarisés. Une première partie est réalisée avec l’utilisation de l’α-chlorodiazoacétate d’éthyle dans la réaction d’expansion de cycle de Tiffeneau-Demjanov pour la synthèse de céto-esters cycliques avec l’incorporation d’un centre tétrasubstitué présentant un atome de chlore. Dans un second temps, le développement d’une réaction de cycloaddition (5+3) à partir de deux entités cyclopropaniques polarisées a été mené au laboratoire. Cette méthodologie a conduit à décrire une nouvelle réactivité des composés cyclopropanes donneurs-accepteurs pour former des lactones α,β,γ-trisubstituées via une activation avec un acide de BrØnsted. Une étude approfondie par des calculs théoriques ont permis d’appréhender le mécanisme réactionnel et la sélectivité de cette transformation. La dernière partie a examinée la réactivité d’une nouvelle classe de molécule : les vinylbiscyclopropanes. Ces composés peuvent conduire à la famille des benzocyclobutènes et aux composés cycliques à 8 chainons par des réactions de réarrangement ou de transposition sigmatropique [3.3] formelle. Ce dernier motif est toujours à l’étude et devrait permettre un accès rapide à de multiples structures carbonées. / In the quest for new therapeutic candidates, the description of novel synthetic approaches to access to increasingly complex carbon systems remains a daunting challenge. In order to increase the structural of such scaffolds, it is necessary to overcome the encountered difficulties by developing new straightforward an efficient tools. In this context, this work has mainly focused on the access of structurally defined carbon cycles by ring expansion reactions via the use of polarized compounds. The first part of this study has been devoted to the Tiffeneau-Demjanov ring expansion reaction using ethyl α-chlorodiazoacetate. This approach allowed us to access highly versatile cyclic keto esters displaying a tetrasubstitued carbon center bearing a chlorine atom. The next topic of this study has been focused on the development of a (5 + 3) cycloaddition reaction between two polarized cyclopropane entities. This methodology led to the description of a novel reactivity of donor-acceptor cyclopropanes compounds to form α,β,γ-trisubstituted lactones under a BrØnsted acid activation. In order to gain mechanistic insights, a theoretical study has also been conducted which led us to rationalize the mechanism and the selectivity of this transformation. The last part described the reactivity of a underexplored class of molecule, the vinylbiscyclopropanes. These compound, can lead to the benzocyclobutene family and to the 8 membered-ring compounds through rearrangement or formal [3.3] sigmatropic rearrangement reaction. This last class of compound is still under study and should allow rapid access to diverse cyclic structures.

Ce travail de thèse aborde l’étude mécanistique de systèmes photoamorceurs complexes et la modélisation cinétique du processus de photopolymérisation. Dans un premier temps, le mécanisme photochimique d’un système combinant le [Ru(bpy)3]2+ et des agents RAFT pour l’amorçage et le contrôle d’un processus radicalaire a été étudié. Un transfert d’énergie a été clairement démontré, contredisant le mécanisme de transfert d’électron généralement proposé. Un système photoamorceur à 3 composants bicyclique dual ITX/IOD+/RSH a ensuite été considéré pour la synthèse de matériaux hybrides organiques-inorganiques. Sous excitation lumineuse, ce système produit simultanément des radicaux et des protons, permettant d’amorcer, respectivement, des processus de polymérisation radicalaire et sol-gel. Dans un second temps, l’interdépendance entre les cinétiques de photopolymérisation et l’évolution des propriétés du milieu réactionnel a été étudiée par le biais du développement d’un modèle cinétique permettant la simulation de l’intégralité du processus de photopolymérisation. Des systèmes photoamorceurs de complexité croissante ont été inclus afin d’étudier les spécificités de leurs cinétiques. Un système de type I a permis de mettre en évidence les modes de terminaison majoritaires et leur évolution au cours de la synthèse des polymères, tandis que le rôle non négligeable du transfert d’électron inverse a été mis en exergue pour des systèmes photoamorceurs de type II. La fonction d’agent de terminaison d’un photoproduit issu d’un colorant cationique, ainsi que certaines spécificités des systèmes photocycliques à 3 composants, ont été finalement étudiés grâce à la modélisation. / This thesis deals with the mechanistic study of complex photoinitiating systems and the kinetic modeling of the photopolymerization process. In a first time, the photochemical mechanism of a system combining [Ru(bpy)3]2+ and RAFT agents for the initiation and control of a radical process has been studied. An energy transfer has been clearly demonstrated, contradicting the electron transfer mechanism generally proposed. A dual bicyclic three-component photoinitiating system ITX/IOD+/RSH has been considered for the synthesis of organic-inorganic hybrid materials. Under light exposure, this system produces simultaneously radicals and protons, enabling the initiation of a radical polymerization and a sol-gel process, respectively. In a second time, interdependence between photopolymerization kinetics and evolution of the medium’s properties has been studied, through developing a kinetic model for the simulation of the whole photopolymerization process. Photoinitiating systems of growing complexity have been included in order to study specificities of their kinetics. A type-I system has shown major termination modes and their evolution during the polymer synthesis, while the non-negligible role of back electron transfer has been highlighted for type-II photoinitiating systems. Role of terminating agent of a photoproduct based on a cationic dye, as well as some specificities of photocyclic three-component systems, have been finally studied with the model.

Les réactions de transfert couplé électron/proton et rupture de liaison sont présentes dans de nombreux processus, et notamment dans les réactions d'activation des petites molécules comme H2O ou CO2. Le contexte écologique actuel (ressources limitées en énergies fossiles et réchauffement climatique par les gaz à effet de serre émis) nous impose de trouver des sources d'énergies alternatives et non polluantes. L'énergie produite via l'utilisation de flux naturels (énergie solaire, éolienne...) doit être stockée pour permettre une utilisation à la demande. La liaison chimique peut permettre de répondre à cette problématique du stockage, ce qui passe par l'activation de petites molécules abondantes comme le CO2 (gaz à effet de serre) via des processus électrocatalytiques impliquant des complexes de métaux de transition comme catalyseurs. L'étude mécanistique de ces réactions est nécessaire afin de permettre l'élaboration raisonnée de ces catalyseurs moléculaires. L'étude de la réduction du CO2 en CO catalysée par une porphyrine de fer (FeTPP) et de la réduction des dérivés halogénoalkylés catalysée par la CoTPP a permis de mettre en lumière le rôle prépondérant du donneur de proton exogène et qu'une catalyse efficace passe par la concertation totale ou partielle des différents événements impliqués dans la réaction (transfert d'électron, transfert de proton et rupture de liaison C-O ou C-Métal) permettant ainsi d'éviter le passage par des intermédiaires coûteux en énergie. Ces observations nous ont permis d'élaborer de manière raisonnée deux catalyseurs de la famille des porphyrines de fer (CAT et FCAT) possédant le donneur de proton directement sur la molécule pour la réduction du CO2 en CO, réduction d'intérêt majeur actuellement. L'étude mécanistique a montré que la cinétique de l'étape cinétiquement déterminante était contrôlée par une étape mettant en jeu un transfert d'électron, la rupture d'une liaison C-O et un voire deux transferts de proton agissant de manière totalement concertés. La présence du donneur de proton sur la molécule est un élément incontournable d'une catalyse efficace, puisqu'il sert à la fois de relais pour les protons exogènes et permet de stabiliser l'intermédiaire formé (adduit Fe(0)-CO2) par liaisons hydrogènes. Une définition précise de la fréquence de renouvellement qui a permis de lier celle-ci à la surtension et une analyse comparative avec les autres catalyseurs présents dans la littérature a permis d'affirmer que FCAT est, actuellement, le meilleur catalyseur moléculaire homogène pour la réduction du CO2 en CO.

Ce travail concerne principalement la notion de modularité hiérarchique et son utilisation pour expliquer la structure et le comportement dynamique des systèmes complexes au moyen de modèles modulaires hiérarchiques, ainsi qu'un concept de ma proposition, l’antimodularité, relié à la possibilité de la détection algorithmique de la modularité hiérarchique. Plus précisément, je mets en évidence la portée pragmatique de la modularité hiérarchique sur la possibilité de l’explication scientifique des systèmes complexes, c’est-à-dire, systèmes qui, selon une description de base choisie par l’observateur, peuvent être considérés comme composés de parties élémentaires discrètes interdépendantes. Je souligne que la modularité hiérarchique est essentielle même au cours de l’expérimentation visée à découvrir la structure de ces systèmes. Mais la détection algorithmique de la modularité hiérarchique se révèle être une tâche affectée par la démontrée intraitabilité computationnelle de la recherche de la meilleure description modulaire hiérarchique, et par l’excessive cherté computationnelle même des méthodes de détection approximatives de la modularité. L’antimodularité consiste en le manque d’une description modulaire appropriée aux exigences de l’observateur, manque dû ou à l’absence de modularité dans la description basique choisie du système, ou à l’impossibilité de produire algorithmiquement une description hiérarchique valide, en raison des dimensions excessives du système à évaluer en relation à la cherté computationnelle des méthodes algorithmiques. Je souligne, de plus, que la modularité et l’antimodularité dépendent du choix pragmatique d’une spécifique description de base du système, choix fait par l’observateur sur la base de ses objectifs explicatifs. Je montre comment l’antimodularité entrave la possibilité d’appliquer au moins trois types bien connus d’explication: mécanique, déductive-nomologique et computationnelle. Un quatrième type, l’explication topologique, reste par contre indemne. Ensuite j’évalue la présence de modularité dans les systèmes biologiques, avec ses possibles conséquences, et l’éventualité d’encourir dans l’antimodularité en biologie et en autres sciences: éventualité assez probable, au moins dans la biologie des systèmes. Je me permet enfin quelques spéculations métaphysiques et historiques plutôt libres. D’un point de vue métaphysique, l’antimodularité semble suggérer une position possible, selon laquelle les espèces naturelles sont modules qui ont été détectés et, en raison de l’intraitabilité computationnelle de la détection de la meilleure description modulaire hiérarchique, il est improbable qu’ils constituent la meilleure façon possible de décrire le monde, parce que la modularité des espèces naturelles assez probablement ne reflète pas la meilleure modularité possible du monde. D’un point de vue historique, l’utilisation croissante des méthodes computationnels pour la détection de la modularité ou pour la simulation de systèmes complexes, en particulier dans certains domaines de la recherche scientifique, suggère la possibilité d’imaginer une multiplicité de disciplines scientifiques émergentes, guidées par une production croissante et auto-alimentante d’explications potentiellement inintelligibles pour les capacités cognitives humaines. Cela, à mon avis, constituerait un changement historique dans la science, qui, s’il n’a pas déjà eu lieu, pourrait bien être sur le point de se produire. / This work is mainly concerned with the notion of hierarchical modularity and its use in explaining structure and dynamical behavior of complex systems by means of hierarchical modular models, as well as with a concept of my proposal, antimodularity, tied to the possibility of the algorithmic detection of hierarchical modularity. Specifically, I highlight the pragmatic bearing of hierarchical modularity on the possibility of scientific explanation of complex systems, that is, systems which, according to a chosen basic description, can be considered as composed of elementary, discrete, interrelated parts. I stress that hierarchical modularity is also required by the experimentation aimed to discover the structure of such systems. Algorithmic detection of hierarchical modularity turns out to be a task plagued by the demonstrated computational intractability of the search for the best hierarchical modular description, and by the high computational expensiveness of even approximated detection methods. Antimodularity consists in the lack of a modular description fitting the needs of the observer, a lack due either to absence of modularity in the system’s chosen basic description, or to the impossibility, due to the excessive size of the system under assessment in relation to the computational cost of algorithmic methods, to algorithmically produce a valid hierarchical description. I stress that modularity and antimodularity depend on the pragmatic choice of a given basic description of the system, a choice made by the observer based on explanatory goals. I show how antimodularity hinders the possibility of applying at least three well-known types of explanation: mechanistic, deductive-nomological and computational. A fourth type, topological explanation, remains unaffected. I then assess the presence of modularity in biological systems, and evaluate the possible consequences, and the likelihood, of incurring in antimodularity in biology and other sciences, concluding that this eventuality is quite likely, at least in systems biology. I finally indulge in some metaphysical and historical speculations: metaphysically, antimodularity seems to suggest a possible position according to which natural kinds are detected modules, and as such, due to the computational hardness of the detection of the best hierarchical modular description, they are unlikely to be the best possible way to describe the world, because the modularity of natural kinds quite probably does not reflect the best possible modularity of the world. From an historical point of view, the growing use of computational methods for modularity detection or simulation of complex systems, especially in certain areas of scientific research, hints at the envisioning of a multiplicity of emerging scientific disciplines guided by a self- sustained, growing production of possibly human-unintelligible explanations. This, I suggest, would constitute an historical change in science, which, if has not already occurred, could well be on the verge of happening. / Questo lavoro riguarda principalmente il concetto di modularità gerarchica e il suo impiego nello spiegare la struttura e il comportamento dinamico di sistemi complessi mediante modelli modulari gerarchici, nonché un concetto di mia proposta, l’antimodularità, legato alla possibilità del rilevamento algoritmico di modularità gerarchica. Nello specifico, evidenzio la portata pragmatica della modularità gerarchica sulla possibilità di spiegazione scientifica dei sistemi complessi, cioè sistemi che, secondo una descrizione di base scelta dall’osservatore, possono essere considerati come composti da parti elementari discrete interrelate. Sottolineo che la modularità gerarchica è essenziale anche nel corso della sperimentazione volta a scoprire la struttura di tali sistemi. Il rilevamento algoritmico della modularità gerarchica si rivela essere un compito affetto dalla dimostrata intrattabilità computazionale della ricerca della migliore descrizione modulare gerarchica, e affetto dal comunque elevato costo computazionale anche dei metodi di rilevamento approssimati della modularità. L’antimodularità consiste nella mancanza di una descrizione modulare adatta alle esigenze dell’osservatore, mancanza dovuta o all’assenza di modularità nella descrizione di base del sistema scelta dall’osservatore, o all’impossibilità di produrre algoritmicamente una sua descrizione gerarchica valida, per le dimensioni eccessive del sistema da valutare in rapporto al costo computazionale dei metodi algoritmici. Sottolineo che modularità e antimodularità dipendono dalla scelta pragmatica di una certa descrizione di base del sistema, scelta fatta dall’osservatore sulla base di obiettivi esplicativi. Mostro poi come l’antimodularità ostacoli la possibilità di applicare almeno tre tipi noti di spiegazione: meccanicistica, deduttivo- nomologica e computazionale. Un quarto tipo di spiegazione, la spiegazione topologica, rimane sostanzialmente immune dalle conseguenze dell’antimodularità. Valuto quindi la presenza di modularità nei sistemi biologici, e le sue possibili conseguenze, nonché l’eventualità di incorrere nell’antimodularità in biologia e in altre scienze, concludendo che questa eventualità è abbastanza probabile, almeno in biologia dei sistemi. Infine, mi permetto alcune speculazioni metafisiche e storiche piuttosto libere. Dal punto di vista metafisico, l’antimodularità sembra suggerire una posizione possibile secondo cui i generi naturali sono moduli che sono stati rilevati, e in quanto tali, a causa dell’intrattabilità computazionale del rilevamento della migliore descrizione modulare gerarchica, è improbabile che essi siano il miglior modo possibile per descrivere il mondo, perché la modularità dei generi naturali molto probabilmente non rispecchia la migliore modularità possibile del mondo. Da un punto di vista storico, il crescente utilizzo di metodi computazionali per il rilevamento della modularità o per la simulazione di sistemi complessi, in particolare in alcuni settori della ricerca scientifica, suggerisce la possibilità di immaginare una molteplicità di discipline scientifiche emergenti, guidate dalla produzione di spiegazioni potenzialmente inintelligibili dal punto di vista cognitivo umano, produzione che potrebbe iniziare ad autoalimentarsi, portando potenzialmente ad una crescita inarrestabile. Suggerisco che questo scenario cos- tituirebbe un cambiamento epocale nel campo della scienza, che, se non è già avvenuto, potrebbe benissimo essere sul punto di realizzarsi.

Les challenges posés par les missions d’exploration du système solaire sont très différents de ceux de la Station Spatiale Internationale, puisque les distances sont beaucoup plus importantes, limitant la possibilité de ravitaillements réguliers. Les systèmes support-vie basés sur des plantes supérieures et des micro-organismes, comme le projet de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) MELiSSA (Micro Ecological Life Support System Alternative) permettront aux équipages d’être autonomes en termes de production de nourriture, revitalisation de l’air et de recyclage d’eau, tout en fermant les cycles de l’eau, de l’oxygène, de l’azote et du carbone, pendant les missions longue durée, et deviendront donc essentiels.La croissance et le développement des plantes et autres organismes biologiques sont fortement influencés par les conditions environnementales (par exemple la gravité, la pression, la température, l’humidité relative, les pressions partielles en O2 et CO2). Pour prédire la croissance des plantes dans ces conditions non-standard, il est crucial de développer des modèles de croissance mécanistiques, permettant une étude multi-échelle des différents phénomènes, ainsi que d’acquérir une compréhension approfondie de tous les processus impliqués dans le développement des plantes en environnement de gravité réduite et d’identifier les lacunes de connaissance.En particulier, les échanges gazeux à la surface de la feuille sont altérés en gravité réduite, ce qui pourrait diminuer la croissance des plantes dans l’espace. Ainsi, nous avons étudié les relations complexes entre convection forcée, niveau de gravité et production de biomasse et avons trouvé que l’inclusion de la gravité comme paramètre dans les modèles d’échanges gazeux des plantes nécessite une description précise des transferts de matière et d’énergie dans la couche limite. Nous avons ajouté un bilan d’énergie au bilan de masse du modèle de croissance de plante déjà existant et cela a ajouté des variations temporelles sur la température de surface des feuilles.Cette variable peut être mesurée à l’aide de caméras infra-rouges et nous avons réalisé une expérience en vol parabolique et cela nous a permis de valider des modèles de transferts gazeux locaux en 0g et 2g, sans ventilation.Enfin, le transport de sève, la croissance racinaire et la sénescence des feuilles doivent être étudiés en conditions de gravité réduite. Cela permettrait de lier notre modèle d’échanges gazeux à la morphologie des plantes et aux allocations de ressources dans une plante et ainsi arriver à un modèle mécanistique complet de la croissance des plantes en environnement de gravité réduite. / Challenges triggered by human space exploration of the solar system are different from those of the International Space Station because distances and time frames are of a different scale, preventing frequent resupplies. Bioregenerative life-support systems based on higher plants and microorganisms, such as the ESA Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) project will enable crews to be autonomous in food production, air revitalization, and water recycling, while closing cycles for water, oxygen, nitrogen, and carbon, during long-duration missions and will thus become necessary.The growth and development of higher plants and other biological organisms are strongly influenced by environmental conditions (e.g. gravity, pressure, temperature, relative humidity, partial pressure of O2 or CO2). To predict plant growth in these non-standard conditions, it is crucial to develop mechanistic models of plant growth, enabling multi-scale study of different phenomena, as well as gaining thorough understanding on all processes involved in plant development in low gravity environment and identifying knowledge gaps.Especially gas exchanges at the leaf surface are altered in reduced gravity, which could reduce plant growth in space. Thus, we studied the intricate relationships between forced convection, gravity levels and biomass production and found that the inclusion of gravity as a parameter in plant gas exchanges models requires accurate mass and heat transfer descriptions in the boundary layer. We introduced an energy coupling to the already existing mass balance model of plant growth and this introduced time-dependent variations of the leaf surface temperature.This variable can be measured using infra-red cameras and we implemented a parabolic flight experiment, which enabled us to validate local gas transfer models in 0g and 2g without ventilation.Finally, sap transport needs to be studied in reduced gravity environments, along with root absorption and leaf senescence. This would enable to link our gas exchanges model to plant morphology and resources allocations, and achieve a complete mechanistic model of plant growth in low gravity environments.