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Georges Chapouthier est le fils de Fernand Chapouthier (1899-1953), helléniste et archéologue, qui fut directeur adjoint de l'École normale supérieure, et d'Odette Mazaubert (1913-1994), connue sous le nom de « Carquelin » pour ses écrits en langue saintongeaise. Après des études à Paris, d'abord au Lycée Montaigne, où il fut l'ami de Patrice Chéreau, puis au Lycée Louis-le-Grand, il effectue une « prépa bio » au Lycée Saint-Louis et intègre l'École normale supérieure (section Sciences) en 1964, la même année qu'Yves Colin de Verdière, Antoine Danchin, Michel Zink et Alain Juppé.
Marié à la journaliste malaisienne Wan Hua Goh, il est père de quatre enfants.
Presque toute sa carrière s'est déroulée au CNRS. Depuis 2012, il est directeur de recherche émérite{{,}}{{,}}.
Sa double formation de biologiste et de philosophe explique la double activité qui a été la sienne.
C'est en outre un auteur d'expression poitevine-saintongeaise dans sa variété saintongeaise.
Il a travaillé, en pharmacologie, principalement sur la mémoire et l'anxiété. Ses recherches, menées en collaboration avec notamment Jean Rossier et Patrice Venault, montrent notamment que les molécules anxiogènes (celles qui causent l'anxiété) améliorent, lorsqu'elles sont administrées à doses faibles, les aptitudes à mémoriser, ce qui suggère que l'état normal du cerveau est une anxiété légère. En revanche, les mêmes molécules anxiogènes, administrées à des doses fortes, déclenchent des anxiétés néfastes, voire de crises d'épilepsie. Tous ces phénomènes se rattachent aussi à des prédispositions génétiques que l'on peut mettre en évidence chez la souris.
Chapouthier s'est également intéressé à la manière de comprendre, avec le regard d'un biologiste, certains concepts fondamentaux en épistémologie (réalité, créativité), ainsi qu'à effectuer des synthèses sur les grands problèmes de sa discipline.
Il a étudié la complexité des organismes vivants, pour laquelle il a montré l’utilité épistémologique du concept de mosaïque, ainsi que l'animalité, les rapports de l’humanité et de l'animalité{{,}}{{,}}, la notion de droits de l’animal{{,}} ou les ressemblances et les différences entre l'animal et la machine. Dans ce domaine, il fut notamment l'élève de Louis Bourgey et de François Dagognet.
Par ailleurs, en collaboration avec sa femme, Wan Hua Goh-Chapouthier, il a publié de nombreux articles sur la culture française dans la presse d'Asie du Sud-Est.
Enfin, originaire de Saintonge, il a écrit des textes en saintongeais dans le revue Aguiaine de la SEFCO (association où il a créé le prix "Carquelin-Chapouthier") et un livre dans cette langue.