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Optimisation des performances, complexité des systèmes et confrontation aux limites
Les lois de la physique et celles du vivant
Ilya Prigogine explique que les lois physiques universelles décrivent uniquement des phénomènes qui évoluent vers le désordre, ou qui sont à l’équilibre ou proches de l’équilibre. Or, le
vivant fonctionne toujours loin de l’équilibre, là où les processus qui produisent cette entropie,
en dissipant de l’énergie, construisent un nouvel ordre. La « vie » peut être considérée comme
un phénomène d’auto-organisation de la matière, évoluant vers des états de plus en plus
complexes. Le principe de complexité progressive est alors fondateur, lié à la notion de « direction du temps » (ou fl èche du temps) : il y a un avant et un après, et passé et futur jouent des
rôles différents. Cette loi d’irréversibilité est asymétrique et probabiliste. La thermodynamique de Prigogine décrit le monde en probabilités, traitables mathématiquement. Cela veut
dire que la « probabilité » n’est pas que le fruit de notre ignorance (comme semblait le penser
Einstein), mais une réalité intrinsèque, irréductible aux systèmes dynamiques en évolution et
pour lesquels, même si nous connaissons les conditions initiales et les forces en action, nous
ne pourrons pas calculer le mouvement et la trajectoire. Sur une trajectoire existent des points
singuliers, des points de bifurcation, où s’ouvrent plusieurs trajectoires possibles. Parmi elles,
une seule sera suivie. Mais laquelle et pourquoi ? On ne peut pas passer de la probabilité à la
trajectoire quand le système est non intégrable selon la classifi cation de Poincaré. Car c’est une
accumulation de petits éléments qui conditionnent le futur, c’est-à-dire le cours de l’histoire,
de l’évolution et de nombreux phénomènes météorologiques, cosmologiques. Par exemple,
tous les poissons ne sont pas devenus des sauriens ; seul un petit nombre a suivi cette voie,
de même que seuls quelques sauriens sont devenus des oiseaux et que seuls quelques singes
sont devenus des hommes… sans que nous puissions prévoir la suite de la trajectoire de cette
évolution ! En revanche, nous savons que jamais la trajectoire inverse, notre retour vers un état
initial, singe ou bactérie, ne sera possible car il est exclu par l’irréversibilité thermodynamique.
Et la chimie…
Le phénomène d’instabilité du mouvement est universel et rencontré dans de nombreux
systèmes de notre vie quotidienne. Il implique que de très petites causes engendrent de grands
effets, d’où la possibilité qu’ont de tels systèmes d’emprunter une multiplicité de trajectoires.
La réaction chimique elle-même est fondamentalement non-linéaire, mettant en jeu, au niveau
moléculaire, des processus complexes qui suivent la collision d’au moins deux molécules. Et
pourtant, l’expérience du chimiste montre qu’une réaction, dans des conditions défi nies, donne
toujours le même résultat, c’est-à-dire qu’elle est simple et déterministe. Ceci n’est « vrai »
qu’à l’échelle de l’observation macroscopique et dans un système fermé qui, selon le second
principe de la thermodynamique, atteint inexorablement l’état d’équilibre. Dans des conditions
éloignées de cet équilibre, les lois cinétiques sont à l’origine d’autres comportements, tels
que la coexistence entre plusieurs états, les phénomènes de cycles, de rythmes temporels
ou des structurations spontanées dans l’espace.
Les sciences chimiques ont intégré et développé les notions découvertes et conceptualisées par Ilya Prigogine. Elles ont même, bien avant la mécanique des fl uides, l’optique, les
circuits électroniques, etc., joué un rôle de premier plan. Dès le milieu des années 1960,
Adolphe Pacault (1918-2008) s’est intéressé à la thermodynamique non-linéaire, aux horloges
chimiques et aux structures de non-équilibre, dans la lignée des travaux du chimiste russe
Belousov, qui découvrit en 1950 les réactions oscillantes. Ce sont des systèmes qui, bien
que très simples (divers produits dans l’eau à température ambiante, par exemple), hésitent,
oscillent, entre deux états, avec une grande régularité jusqu’à épuisement d’un des réactifs.
Une application passionnante de ces concepts relève de la chimie des cristaux liquides et des
gels, et son extension à la mécanique et à la dynamique cellulaires. Parmi les composants
du cytosquelette cellulaire, on trouve les fi laments d’actine, organisés en gel réticulé. Dans
ces gels se trouvent les fi laments de myosine, moteurs moléculaires responsables de la
Optimisation des performances, complexité des systèmes et confrontation aux limites
Les lois de la physique et celles du vivant
Ilya Prigogine explique que les lois physiques universelles décrivent uniquement des phénomènes qui évoluent vers le désordre, ou qui sont à l’équilibre ou proches de l’équilibre. Or, le
vivant fonctionne toujours loin de l’équilibre, là où les processus qui produisent cette entropie,
en dissipant de l’énergie, construisent un nouvel ordre. La « vie » peut être considérée comme
un phénomène d’auto-organisation de la matière, évoluant vers des états de plus en plus
complexes. Le principe de complexité progressive est alors fondateur, lié à la notion de « direction du temps » (ou fl èche du temps) : il y a un avant et un après, et passé et futur jouent des
rôles différents. Cette loi d’irréversibilité est asymétrique et probabiliste. La thermodynamique de Prigogine décrit le monde en probabilités, traitables mathématiquement. Cela veut
dire que la « probabilité » n’est pas que le fruit de notre ignorance (comme semblait le penser
Einstein), mais une réalité intrinsèque, irréductible aux systèmes dynamiques en évolution et
pour lesquels, même si nous connaissons les conditions initiales et les forces en action, nous
ne pourrons pas calculer le mouvement et la trajectoire. Sur une trajectoire existent des points
singuliers, des points de bifurcation, où s’ouvrent plusieurs trajectoires possibles. Parmi elles,
une seule sera suivie. Mais laquelle et pourquoi ? On ne peut pas passer de la probabilité à la
trajectoire quand le système est non intégrable selon la classifi cation de Poincaré. Car c’est une
accumulation de petits éléments qui conditionnent le futur, c’est-à-dire le cours de l’histoire,
de l’évolution et de nombreux phénomènes météorologiques, cosmologiques. Par exemple,
tous les poissons ne sont pas devenus des sauriens ; seul un petit nombre a suivi cette voie,
de même que seuls quelques sauriens sont devenus des oiseaux et que seuls quelques singes
sont devenus des hommes… sans que nous puissions prévoir la suite de la trajectoire de cette
évolution ! En revanche, nous savons que jamais la trajectoire inverse, notre retour vers un état
initial, singe ou bactérie, ne sera possible car il est exclu par l’irréversibilité thermodynamique.
Et la chimie…
Le phénomène d’instabilité du mouvement est universel et rencontré dans de nombreux
systèmes de notre vie quotidienne. Il implique que de très petites causes engendrent de grands
effets, d’où la possibilité qu’ont de tels systèmes d’emprunter une multiplicité de trajectoires.
La réaction chimique elle-même est fondamentalement non-linéaire, mettant en jeu, au niveau
moléculaire, des processus complexes qui suivent la collision d’au moins deux molécules. Et
pourtant, l’expérience du chimiste montre qu’une réaction, dans des conditions défi nies, donne
toujours le même résultat, c’est-à-dire qu’elle est simple et déterministe. Ceci n’est « vrai »
qu’à l’échelle de l’observation macroscopique et dans un système fermé qui, selon le second
principe de la thermodynamique, atteint inexorablement l’état d’équilibre. Dans des conditions
éloignées de cet équilibre, les lois cinétiques sont à l’origine d’autres comportements, tels
que la coexistence entre plusieurs états, les phénomènes de cycles, de rythmes temporels
ou des structurations spontanées dans l’espace.
Les sciences chimiques ont intégré et développé les notions découvertes et conceptualisées par Ilya Prigogine. Elles ont même, bien avant la mécanique des fl uides, l’optique, les
circuits électroniques, etc., joué un rôle de premier plan. Dès le milieu des années 1960,
Adolphe Pacault (1918-2008) s’est intéressé à la thermodynamique non-linéaire, aux horloges
chimiques et aux structures de non-équilibre, dans la lignée des travaux du chimiste russe
Belousov, qui découvrit en 1950 les réactions oscillantes. Ce sont des systèmes qui, bien
que très simples (divers produits dans l’eau à température ambiante, par exemple), hésitent,
oscillent, entre deux états, avec une grande régularité jusqu’à épuisement d’un des réactifs.
Une application passionnante de ces concepts relève de la chimie des cristaux liquides et des
gels, et son extension à la mécanique et à la dynamique cellulaires. Parmi les composants
du cytosquelette cellulaire, on trouve les fi laments d’actine, organisés en gel réticulé. Dans
ces gels se trouvent les fi laments de myosine, moteurs moléculaires responsables de la