Auto-organisation du chaos

La Recherche, Ordre et désordre, Hors-série novembre-décembre 2002

- Du chaos à la complexité, p96 (La fin du réductionnisme)

"Nul n'est aujourd'hui censé ignorer que les sciences ont subi, au cours des dernières décennies, de profondes mutations : fin du réductionnisme, éloge de la complexité, prise en compte de l'histoire".

On peut suivre Claude Allègre lorsqu'il souligne que :
"- les relations de cause à effet ont changé : "le monde est non linéaire" et le détail peut engendrer la catastrophe ;
- on croyait que la complexité pouvait se décomposer en unités élémentaires, or seule l'approche globale est pertinente ;
- le réductionnisme a atteint ses limites et sa fin proche est annoncée ;
- la logique du raisonnement scientifique, que l'on avait crue immuable et qu'on associait au nom de Galilée ou de Newton, est supplantée par un point de vue historique qui s'impose déjà dans les sciences de la vie, de la terre et de la société.
"

Ce qui est le plus troublant, en effet, c'est qu'on quitte la conception classique de la proportionnalité des effets aux causes, le caractère linéaire des lois physiques. On sait que c'est Edward Lorenz qui est à l'origine des lois du Chaos en montrant qu'une infime variation (effet papillon) ou imprécision des calculs menait à des prévisions météorologiques complètement opposées au bout d'un certain temps (de Lyapounov), ce qui condamnait toute possibilité de prévision du temps à long terme, trop sensible aux "conditions initiales" et dont les divergences s'accentuent exponentiellement avec le temps. Du coup, c'est le déterminisme de la nature qui en est ébranlé, bien qu'il ne soit pas question de le supprimer puisqu'on parle même de "chaos déterministe", il ne s'agit en aucun cas de renier la science et son efficacité, mais reconnaître ses limites, les effets de seuil introduisant des instabilités, des indéterminations qui échappent au calcul, et donc des scénarios multiples, "dépendants du chemin" emprunté dans un environnement d'équilibres multiples, de bifurcations, etc.

Il ne faut pas confondre cependant cette indétermination avec celle de systèmes capables d'apprendre au cours du temps, "comme ce peut être le cas en économie, écologie ou sciences sociales qui ne relèvent plus de la formalisation de la théorie des systèmes dynamiques".

"Dans les dernières années, la rhétorique du chaos semble avoir progressivement laissé place à une nouvelle rhétorique, celle de la complexité... Toutefois, si au fondement de la science du chaos il y a une théorie mathématique précise, celle des systèmes dynamiques chaotiques, au fondement de la science de la complexité, il n'y a rien que le projet d'étudier (et de contrôler) des systèmes complexes... La véritable innovation est de vouloir les considérer comme un tout, dans leurs interactions (et rétroactions), dans leurs aléas et incertitudes".

- L'effet papillon n'existe plus, p37

Un autre article tente de montrer qu'il ne faut pas trop croire pourtant à l'effet papillon. "Les simulations les plus récentes, si elles confirment les résultats de Lorenz lorsque le modèle d'atmosphère a un petit nombre de degrés de liberté, semblent les infirmer lorsque le modèle est plus sophistiqué, l'amplification de l'instabilité initiale étant alors plus sage et prévisible". On peut penser, en effet, que la prévision qu'il fera froid en hiver relève d'une contrainte globale qui ne dépend pas d'instabilités locales. Ce qu'on peut en déduire c'est que plus un modèle est approximatif, plus il est sensible à de petites variations et inutilisable à long terme mais cela ne peut remettre en cause l'existence de phénomènes physiques chaotiques qui ne résultent pas de l'approximation des calculs mais de réelles bifurcations, d'effets de seuil, ainsi que de la sensibilité aux conditions initiales des processus récursifs (bootstrap), à leur emballement ou leur effondrement. Des procédures simples comme "la transformation du boulanger" formalisant le pétrissage d'une pâte montrent que des points contigus peuvent se retrouver très éloignés suite au pétrissage, sans qu'on puisse prévoir leurs positions respectives. Bien d'autres processus non linéaires génèrent des résultats imprédictibles bien qu'ils soient complètement déterministes dans leur principe, et donc explicables (mais expliquer n'est pas prédire comme disait le regretté René Thom disparu ces jours-ci). Toutes les transitions de phase, les seuils critiques, les instabilités impliquent un degré plus ou moins grand d'indétermination sensible à des variations infimes (quantiques), de même que l'issue d'une lutte ou d'une chasse est toujours incertaine. Ce n'est bien sûr pas une raison pour ne pas améliorer les modèles ni réduire cette indétermination autant que possible en contournant la limite des calculs par d'autres données ou diverses astuces et probabilités.

Dans tout ce qui est physique, il y a une limite. Il ne peut y avoir de théorie du Tout déduisant l'univers et l'évolution de la vie à partir d'une formule unique. Tout s'ajuste sans doute, mais seulement à peu près et notre avenir reste incertain, le monde plein de surprises inattendues dont l'improbabilité constitue l'information elle-même, sa valeur d'événement historique qui s'ajoute au savoir, à l'apprentissage de l'existence dans ce qu'elle a de réel et toujours nous échappe, intrusion de l'extériorité, de la transcendance du monde, de la matière et du langage, d'un Être qui ne se confond pas avec la pensée. Il n'y a donc pas d'immanence, co-naissance du Réel (pas d'accès à l'être disait Montaigne) mais expérience indirecte d'une ex-sistence extérieure, "prose du monde" comme Merleau-Ponty a du s'y résoudre à la fin, c'est-à-dire par le langage narratif, l'information, une saisie indirecte du sens et non par la poésie du corps et de ses perceptions immédiates.

- Hasard et reproduction, p16 (l'ordre par le bruit ou la stabilité du cristal)

L'idée que l'ordre nait du chaos ou du "bruit", théorie que Shannon refusait (voir l'excellente histoire de l'information de J. Segal), est contestée fortement ici. C'est Heinz von Förster qui avait émis cette hypothèse à partir de l'expérience de petits aimants qui s'organisent spontanément lorsqu'on les agite. Il n'y a pourtant là aucun rôle du bruit ou du hasard mais simplement une énergie extérieure (agitation s'opposant aux frottements) qui amène les aimants dans une configuration plus stable, vers leur minimum de potentiel. On ne peut comparer ce phénomène avec celui de la vie par exemple, sinon en ce que la vie est toujours agitation. Le concept d'ordre est d'ailleurs très ambigu, tout comme celui de complexité. On devrait sans doute dire plutôt qu'une instabilité aboutit à une nouvelle stabilité (ce que formalise la théorie des catastrophes), souvent par changement de niveau.

La création de la vie, d'un ordre biologique à partir de l'instabilité du monde, son imprévisibilité, passe plutôt, comme Schrödinger en avait fait l'hypothèse dans "Qu'est-ce que la vie?" (avant la découverte de l'ADN), par la stabilité absolue du cristal. L'ADN s'est révélé effectivement un cristal apériodique (ni répétition, ni hasard donc). Structure stable et inerte indispensable à la reproduction du vivant, sa conservation dans le temps, sa spécificité. Ce n'est pourtant pas encore la vie elle-même dans son mouvement.

"Pour rendre compte de la vie, il faut associer la reproduction et la mémoire de trois processus simultanément : le métabolisme, la formation des membranes et enveloppes des cellules, et l'ADN, tous trois se répliquant et évoluant continûment. Comment imaginer leur génèse ? Il faut envisager un métabolisme qui, se déroulant à la surface d'un support, d'abord solide, puis fait des ancêtres moléculaires de l'ADN, crée à la fois l'ADN et les enveloppes qui vont isoler l'ensemble de l'extérieur, tout en assurant la reproduction. Ainsi, partant de transformations moléculaires à la surface des pierres, une suite de structures organisées, évoluant en structures de plus en plus élaborées, aurait remplacé les solides par des acides nucléiques, les aurait compartimentés et aurait abouti aux cellules telles que nous les connaissaons aujourd'hui."

"En résumé, ce qui est transmis au cours des générations n'est pas la mémoire de l'objet mais son algorithme de construction. Et ce qui évolue, c'est cet algorithme".

Tout cela reste bien statique, manque du dynamisme chaotique et vivant mais, du moins énonce des contraintes incontestables. Il faut convenir que le rôle du bruit ou du hasard n'est pas suffisant. Il semblerait d'ailleurs que la formule que Monod attribue à Démocrite "Toutes choses dans la nature sont le fruit du Hasard et de la Nécessité", soit une invention de sa part ou un contresens sur la formule du maître de Démocrite, Leucippe : "Aucune chose ne vient à l'existence par soi-même et sans cause, mais tout est le fruit d'un ordre et sous l'empire de la nécessité", ce qui ne laisse aucune place au hasard. Cela ne veut pas dire qu'il n'y a pas de contingence mais que, si tout n'est pas prévisible, tout a sans doute une explication (rien n'est sans raison).

- La dynamique de l'ordre p48 (dissipation de l'énergie et amplification des champs)

Un autre article montre que les motifs stationnaires physiques et biologiques résultent d'un mouvement constant, d'un processus dynamique et ne se maintiennent que par cette énergie qui les traverse. "De l'énergie chimique est consommée et, progressivement, à partir d'une solution initialement homogène, un motif chimique stationnaire constitué de variations périodiques de concentration des réactifs se développe". "Quand le mouvement s'arrête, quand il n'y a plus d'énergie dissipé dans le système, le motif disparaît, et le système revient vers un état uniforme et homogène".

Ce sont donc bien des "structures dissipatives" (Prigogine, Turing) qui sont à l'origine de la vie (du mouvement, le milieu cellulaire étant toujours très agité). "On voit donc à travers ces exemples que les systèmes complexes présentent des comportements généraux en grande partie indépendants des propriétés des constituants individuels, que ceux-ci soient des molécules, des gouttelettes d'eau, des fourmis dans une colonie ou des étoiles dans une galaxie". Il ne s'agit pas de pur hasard, au contraire il y a ici matière à une science générale des formes combinant fractales et théorie des catastrophes, ainsi qu'à une théorie des systèmes, sans doute réduite à quelques lois trop générales justement.

"En plus de leurs propriétés d'auto-organisation, certains systèmes hors équilibre possèdent des propriétés dites de bifurcation. Tôt dans le processus, il existe un moment critique où le système devient instable. A cet instant, l'application d'un champ externe faible (par exemple un champ gravitationnel ou un champ magnétique) peut déterminer l'état qui se développera ensuite. Le système se comporte alors comme s'il possédait une sorte de mémoire primitive".

L'instabilité a donc un rôle d'amplificateur de forces externes qui interviennent dans son organisation (et non pas un bruit simplement aléatoire). Cela m'évoque le poids démesuré que prend l'islamisme dans une période d'instabilité économique et politique, voire anthropologique. On peut assimiler cette influence extérieure à un bruit de fond dans son caractère constant plutôt que par son indétermination (pour Shaw la propriété de sensibilité aux conditions initiales se trouve tout à fait secondaire dans la définition des phénomènes chaotiques : cela obscurcit le trait essentiel de la turbulence qui est la génération continue d’information intrinsèque au flux lui-même) mais ces perturbations ont bien un caractère structurant ; ainsi les processus vitaux ne peuvent se stabiliser en l'absence de pesanteur. "Le fait que l'organisation d'un système biologique dépende de la gravité soulève bien évidemment la question de la viabilité de certaines formes de vie en apesanteur sur des périodes très longues, sans substitut correctif... D'autres facteurs externes comme les champs magnétiques intenses peuvent avoir un effet semblable à celui de la gravité. Les processus de ce type pourraient former une classe générale de mécanismes dans lesquels des facteurs environnementaux faibles sont transduits dans les systèmes biologiques". Les phénomènes de transduction orientant les processus vitaux semblent liés aussi aux effets de seuil, conformément à la discontinuité de l'information à la base de la vie, de l'échange conditionnel à travers une membrane entre la cellule et son environnement.

Le vivant serait constitué ainsi par "d'un côté le cristal (image de l'invariance et de la régularité des structures spécifiques), de l'autre la flamme (image de la constance d'une forme globale extérieure) en dépit de l'agitation incessante interne" p81, à la fois reproduction du même et dynamique du mouvement. Le concept d'information manque ici cruellement mais sans lui le cristal n'a pas de sens ni le mouvement de direction. C'est l'information pourtant qui fait de la vie l'intériorisation de l'extériorité et le foisonnement des formes.

- Fonction du désordre, p56 (générosité des formes)

Après avoir voulu réfuter l'idée que l'ordre puisse être produit par le simple bruit et le hasard, il semble qu'on y revienne à la fin par la fonction du désordre qui est bien essentielle dans l'évolution, ce que manifeste la sexualité introduisant le hasard de la rencontre dans la reproduction, mais le désordre se trouve au coeur du génome lui-même. On peut montrer que la complexité d'une espèce ne se mesure pas par sa quantité d'ADN. Il y a au contraire de nombreux gènes parasites qui se reproduisent sans intervenir dans la morphogénèse. Ainsi moins d'un cinquième du génome humain est constitué de gènes actifs. L'essentiel est que ces gènes inactifs ne perturbent pas la reproduction mais, ces parasites peuvent-ils apporter un avantage compétitif ?

"Le génome eucaryote est finalement un bien curieux édifice. C'est moins un chef-d'oeuvre d'optimisation qu'un assemblage de séquences aux intérêts très divers, parfois divergents".

Ce désordre ne se retrouve pas dans les procaryotes (bactéries) qui survivent dans les milieux les plus extrêmes sans beaucoup évoluer mais seulement dans les organismes plus développés (eucaryotes). "Le désordre du génome eucaryote serait-il le prix à payer pour parvenir à la complexité ? Je tenterai de défendre une idée différente : on peut voir le génome eucaryote comme un ensemble assez mal organisé structurellement, mais qui tirerait de ce désordre une inventivité inégalable". "Il faut croire que l'organisation même du génome eucaryote permet cette multiplication, cette diversification, là où la rigidité fonctionnelle et l'optimisation stricte du génome procaryote élaguent de tels édifices. Le prix en est peut-être toutes ces scories, tous ces rebuts de génomes : séquences répétées, microsatellites, hétérochromatine... Beaucoup de désordre par rapport au monde des bactéries, mais c'est peut-être le prix à payer pour l'inventivité et la complexification qui font le succès planétaire des eucaryotes".

On peut remarquer que seuls les eucaryotes ont vraiment une forme, une morphogenèse, et que la diversité des formes doit avoir sans doute un caractère fractal, du génome à la diversité des individus et des espèces. La complexité implique un certain désordre et une grande souplesse, une générosité de la nature qui doit être surnuméraire pour survivre, comporter beaucoup d'inutilités, de puissances inactives. Non seulement nous ne nous servons pas de toutes nos capacités mais plus les logiciels sont complexes, plus ils comportent de fonctions dont nous n'avons le plus souvent aucune idée n'en ayant pas l'usage. "Pour qu’un système reste dans un petit nombre d’états dits acceptables, il doit disposer d’un nombre de réponses d’autant plus élevé que les perturbations auxquelles il peut être soumis sont diversifiées" (Ashby). Enfin, le fait que certaines séquences inactives se répètent et "se comportent comme de véritables virus intragénomiques", suggère que la sensibilité aux virus soit partie intégrante de l'évolution des eucaryotes (et donc de nous-mêmes), fragilité nécessaire à l'évolution. Remarquons encore, qu'à ne pas introduire le concept d'information après celui d'énergie, on rate l'essentiel du vivant comme écologie, organisation, rétroaction conditionnelle et apprentissage.

- La gravitation fractale, p47

Il est intéressant enfin, bien que ce soit un peu hors sujet, de considérer le caractère fractal de la gravitation, ce qui veut dire que la gravitation a commencé à l'échelle des atomes et molécules avant de s'étendre aux nuages interstellaires, aux galaxies puis aux amas de galaxie. A un certain niveau de globalisation, l'effet de la gravitation n'a pas eu le temps de se faire sentir encore. "Aujourd'hui, alors que l'univers atteint 20 milliards d'années, cette transition a lieu à l'échelle des amas de galaxie. Les structures plus grandes, superamas et super-superamas, ne se sont pas encore effondrées". "Il est intéressant de noter que la luminosité d'une galaxie, due essentiellement à ses étoiles est du même ordre que son énergie gravitationnelle".

Selon Michel Cassé (Libération du 2/11/02) il semblerait pourtant que l'expansion de l'univers s'accélère, à cause de l'énergie du vide quantique (ou quintessence) qui supplanterait la force de gravité par un pouvoir répulsif qui augmente avec la distance (ou ne serait-ce pas plutôt que cette énergie, par sa présence, brouille la transmission de la gravitation, lui fasse écran ?)

Critiques de livres :
- L'intelligence de la complexité, Edgar Morin et Jean-Louis Le Moigne
"Cependant, le cadre de sa réflexion sur les savoirs scientifiques, exclusivement épistémologique et méthodologique, ne suffit sans doute pas à orienter l'action. Sous peine de verser dans une version renouvelée de scientisme, il semble encore y manquer une pensée propre du politique et du social contemporains." p111

- Self-organization in biological systems, Scott Camazine, Jean-Louis Deneubourg, Nigel Franks, James Sneyd, Guy Theraulaz, Eric Bonabeau
"Fondée sur les théories des dynamiques non linéaires, elle montre, dans certains systèmes, qualifiés de "complexes", que l'apparition de phénomènes majeurs n'est pas due aux propriétés individuelles de chacun de ses composants, mais naît de la dynamique de leurs interactions, de la façon dont ils communiquent entre eux. Une telle approche, si elle était généralisée en biologie, montrerait les limites du réductionnisme et annoncerait un retour partiel à la dynamique." p113

13/11/02

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