Février 2007
Présentation et commentaires de Pierrick Bourrat
étudiant en master de sciences de l'évolution à Montpellier

Simplicité profonde :
Le chaos, la complexité et l'émergence de la vie

Simplicité profonde : Le chaos, la complexité et l'émergence de la vie John Gribbin Flammarion - Nouvelle bibliothèque scientifique - Sciences humaines 2006

Présentation

John Gribbin, dans son dernier livre nous fait découvrir ou redécouvrir, la théorie du chaos déterministe ainsi que les sciences de la complexité. Il choisit pour cela de nous présenter les choses du point de vue historique sur quatre siècles.

Le premier chapitre retrace brièvement l'histoire de la physique avant que les problématiques de chaos et complexité (en tant qu'objets d'étude scientifique) ne soient considérées, avec bien entendu les découvertes de Newton (loi d'attraction universelle) ou encore de Maxwell. Mais il s'attache à montrer que cette physique, bien qu'ayant fait ses preuves dans de nombreux domaines, notamment en astronautique pour le calcul des trajectoires, possède des limites intrinsèques. Le problème des trois corps est une de ces limites. Si les trajectoires de deux corps s'attirant l'un l'autre sont très faciles à calculer, cela devient impossible sans approximations et tâtonnements lorsque l'on veut calculer la trajectoire de trois corps qui s'attirent. De nombreux mathématiciens se sont attelés à ce problème comme Poincaré, à qui l'on doit les prémisses de la théorie du Chaos, mais il est resté jusqu'à aujourd'hui encore sans solution.

Gribbin nous montre comment ces limites, dont le problème des trois corps n'est qu'un exemple, ont été ignorées pour aboutir à une science physique très réductionniste et très ordonnée.

Parallèlement à ce problème des trois corps, Gribbin introduit quelques termes et notions replaçant le lecteur dans la théorie du chaos et les sciences de la complexité. Il explique par exemple que dans la théorie de la gravitation universelle, le temps est réversible. Que dans cette physique, la flèche du temps n'existe pas. Il nous explique aussi ce que sont des attracteurs et l'entropie qui permet notamment d'introduire le terme de flèche du temps.

Le deuxième chapitre s'intéresse à l'émergence de la théorie du chaos déterministe. Le problème des trois corps rend en effet impossible, comme nous l'avons vu, la prédiction des trajectoires de ceux ci lorsqu'ils sont en interaction. Que dire alors du calcul des orbites des planètes du système solaire ? On sait que le soleil représente de loin la plus grande partie de la masse du système solaire et donc que son influence gravitationnelle est dominante. Il n'empêche. Chaque planète influence aussi les autres. Au début du XXe siècle, il semblait donc curieux que toutes ces interactions aboutissent à un « équilibre » tel que nous le connaissons. Aujourd'hui, on sait qu'il ne peut être démontré scientifiquement et que cet équilibre perdurera pendant encore plusieurs milliards d'années.

De là, Gribbin poursuit son exposé en présentant les débuts de la météorologie «scientifique» et la découverte par Edward Lorenz de la sensibilité aux conditions initiales.

Le troisième chapitre se concentre sur les structures fractales qui sont, et c'est le moins que l'on puisse dire, fascinantes et intrigantes. Celles-ci se retrouvent un peu partout autour de nous et un simple dé (représentant le hasard) et quelques règles simples peuvent nous permettre, avec suffisamment de patience, de les recréer. Mais ce n'est pas tout. Ces structures, autosimilaires quelle que soit l'échelle à laquelle on les regarde, se retrouvent partout dans la nature. Le premier exemple choisi par l'auteur est la côte bretonne (laquelle avait fait l'objet d'un article précurseur), qui peut avoir une longueur quasi infinie si l'on fait le choix d'une échelle suffisamment petite. Je dis quasi infinie parce qu'il existe une limite d'échelle au niveau atomique. En effet, en zoomant sur la côte bretonne, on trouve les mêmes formes à toutes les échelles, sauf au niveau atomique, en dessous duquel la forme ne pourra plus se retrouver. De nombreuses structures biologiques présentent aussi, selon Gribbin et d'autres chercheurs, des formes quasi-fractales, avec les mêmes limites aux échelles les plus basses. Le rein ou les poumons en sont deux exemples probants.

Le quatrième chapitre présente les systèmes que l'on dit "au bord du chaos". Rappelons que Jean Claude Heudin avait traité ce sujet sous l'angle des automates cellulaires dans son livre L'évolution au bord du Chaos. La réaction de Belousov-Zhabotinsky (ou BZ) et tous les systèmes loin de l'équilibre (systèmes dissipatifs)(1) sont présentés dans ce chapitre. L'auteur explique notamment comment Alan Turing, parallèlement à ses travaux précurseurs en informatique, avait développé une théorie pouvant expliquer la morphogenèse des êtres vivant, en se servant des processus de rétroactions au sein de structures dissipatives.

Le cinquième chapitre établit des parallèles entre les nombreux domaines chaotiques de la nature (y compris les phénomènes émergents dépendants de l'homme ou de son activité). Le point commun de ces phénomènes serait qu'ils suivent tous une loi de puissance, elle même en rapport avec les fractales. Pour résumer, sur une échelle de temps longue, le phénomène étudié, par exemple un séisme ou un embouteillage, a une certaine probabilité de se manifester, mais cette probabilité est bien plus faible pour un événement de forte intensité que pour un événement d'intensité moindre mais de même nature. Prenons un exemple : les extinctions d'espèces au cours des temps géologiques sont des événements fréquents, mais les extinctions massives sont beaucoup plus rares.
Stuart Kauffman a même prédit qu'il existait une loi de puissance entre la quantité d'ADN des organismes vivants et le nombre de types cellulaires existant chez ces organismes Cette prédiction s'est avérée exacte. L'expression génétique dans un type cellulaire, comme nous le montre Gribbin (sous le couvert de la théorie de Kauffman), ne serait en fait que l'interaction de quelques gènes grâce à des phénomènes de rétrocontrôles. Chaque type cellulaire ayant sont propre cycle avec ses gènes en interaction.

Finalement la vie, comme tous les phénomènes qualifiés de complexes, serait issue de processus d'une profonde simplicité. La complexité de ces phénomènes ne réside pas dans leur nature « physique », mais plutôt dans la quantité d'information qu'ils possèdent. Dans le cas de l'espèce humaine, ce sont plusieurs dizaines de milliers de gènes (environ 30 000) qui sont en interaction, sans mentionner les phénomènes épi-génétiques qui multiplient les combinaisons par le biais des phénomènes d'émergences.

Les deux derniers chapitres du livre sont logiquement consacrés à la vie, l'auteur mettant en relation la théorie de l'évolution de Darwin et la complexité. Il explique notamment la notion de paysage adaptatif et comment une espèce peut modifier ce paysage adaptatif ou bien se retrouver « contrainte » d'évoluer si ce paysage est modifié. Ce qui nous conduit aux travaux de Lovelock et à l'hypothèse Gaia. Pour Lovelock, la Terre (en surface tout au moins), serait un organisme « vivant » (ce qui nous renvoie inévitablement aux superorganismes et à la construction de niches) où la vie au sens purement biologique du terme serait en symbiose avec les cycles de certaines molécules présentes sur Terre. On qualifie d'ailleurs ces cycles de "Biogéochimiques" en écologie.

Une question se pose à la fin du livre : Comment pourrions-nous savoir s'il existe de la vie sur une autre planète, une autre possible Gaïa, que des télescopes d'une nouvelle génération pourraient nous faire découvrir? La réponse de Lovelock consiste à rechercher une diminution d'entropie, par exemple en étudiant la composition gazeuse des éventuelles futures planètes que nous découvririons. En effet si cette atmosphère possède de l'oxygène, de la vapeur d'eau ou encore du méthane, on pourra en déduire qu'une forme de vie existe sur cette planète. Contrairement au dioxyde de carbone - pour ne prendre qu'un exemple - ces gaz ne sont pas thermodynamiquement stables, ils supposent un mécanisme « vivant » qui les produise. Le terme Vivant n'est ici pas employé exclusivement dans son sens conventionnel mais aussi dans un sens analogue à celui que l'on emploie lorsque l'on parle de vie artificielle

Commentaires

Simplicité profonde n'est pas un livre révolutionnaire, mais sa vocation n'est pas là. Le but de l'auteur est de vulgariser la théorie du chaos, la complexité et de les replacer dans un cadre biologique. Le pari est réussi. Quoi de mieux en effet que de prendre les problèmes posés et de voir comment et pourquoi ils ont été résolus ou non. Le style est clair, les exemples bien présentés. Sur la forme, on ne peut rien reprocher à ce livre.

Sur le fond maintenant, comme c'est souvent le cas quand on fait intervenir la dimension historique, on peut tomber dans le piège de la succession linéaire et logique des événements. Mais ne l'oublions pas l'histoire est faite, elle aussi, de confrontations entre 'interactions complexes. Certes l'histoire que nous raconte Gribbin est très certainement simplifiée à l'extrême, mais ce qui est perdu d'un coté est gagné de l'autre, puisque chaque chapitre représente un stade supplémentaire dans la complexité en tant que paradigme. Ceci nous permet de garder des repères et se révèle finalement assez pédagogique.

On peut aussi se réjouir de l'interdisciplinarité de l'auteur qui navigue aisément dans tous les domaines, qu'il s'agisse de physique, mathématiques, biologie, écologie, informatique, etc. Bien mieux, il met ces domaimnes en parallèle et nous montre les analogies, les différences et les interactions entre tous ces champs de la science.

On peut regretter cependant que peu de chose ne soit finalement dites sur l'émergence de la vie (et sur le phénomène de l'émergence en général), contrairement à ce que laisse sous-entendre le titre français. Le titre anglais est beaucoup plus précis : « Deep Simplicity: Bringing Order to Chaos and Complexity » (Apporter l'ordre au chaos et à la complexité). En effet - comme nous l'avons vu précédemment - l'ouvrage s'attache à montrer que la complexité et le chaos sont déterministes, mais que les phénomènes de non linéarité, de multiplications des interactions et des réactions entre les parties d'un tout, des incertitudes de mesures et enfin des phénomènes de feedback (rétrocontrôle) rendent difficile - voire la plupart du temps impossible - une quelconque prévision à long terme.

Pour résumer Simplicité profonde est un excellent livre de vulgarisation à la portée de chacun. Il donne les bases permettant ensuite d'approfondir certaines des questions abordées dans l'ouvrage.

(1) NDLR : à propos des réactions dissipatives, voir le film "Ordo in chaos" de Christophe Jacquemin (mars 1990).

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