Thermodynamique et plaisir

"Deux dangers ne cessent de menacer le monde : l'ordre et le désordre"  Paul Valéry


L'hypothèse thermodynamique de la vie :

L'étude des flux d'énergie qu'est la thermodynamique buta sur un paradoxe central à propos de la vie. Celle-ci en effet semblait aller à contre-courant des principes fondamentaux de cette théorie. Le mieux est de citer Isabelle Spencer dans un article fort didactique de l'Encyclopédie Universalis :

Le terme « structure dissipative » a été créé, en 1969, par Ilya Prigogine pour souligner la signification des résultats auxquels lui-même et ses collaborateurs de l'école de Bruxelles venaient de parvenir : loin de l'équilibre thermodynamique, c'est-à-dire dans des systèmes traversés par des flux de matière et d'énergie, peuvent se produire des processus de structuration et d'organisation spontanées au sein de ces systèmes, qui deviennent le siège de « structures dissipatives ». L'association entre les termes structure et dissipation, apparemment paradoxale puisque le mot structure évoque l'ordre alors que le mot dissipation évoque le gaspillage, le désordre, la dégradation, marquait le caractère inattendu de la découverte ; le second principe de la thermodynamique, qui a trait aux processus dissipatifs, producteurs d'entropie, était usuellement associé à la seule idée d'évolution irréversible d'un système vers l'état d'équilibre, identifié comme l'état de désordre maximal, où toute l'énergie utilisable du système s'est dégradée ; or, la découverte des structures dissipatives signifie que l'irréversibilité, loin de l'équilibre, peut jouer un rôle constructif et devenir source d'ordre.
La thermodynamique classique opposait ordre et désordre. L'état macroscopique ordonné était un état rare, réalisé par un petit nombre de configurations microscopiques au sein du système ; par exemple, un gaz dont toutes les molécules se déplaceraient dans la même direction. L'état désordonné, lui, est réalisé par l'immense majorité des configurations microscopiques ; c'est, par exemple, l'état où, en moyenne, autant de molécules se déplacent dans n'importe quelle direction. Les lois de la thermodynamique classique concernent ces états « désordonnés », leur nécessité n'est donc que statistique. Le système fluctue perpétuellement autour de valeurs moyennes déterminées par ces lois. Mais la nécessité n'en est pas moins absolue : le second principe de thermodynamique condamne à la régression et à la disparition toute fluctuation qui écarte le système de l'état d'équilibre. Le désordre est stable.
Or, loin de l'équilibre, le désordre n'est plus forcément stable. Les fluctuations, au lieu de régresser, peuvent s'amplifier et le système adopte alors un régime de fonctionnement nouveau, qui ne résulte plus de la compensation mutuelle des événements moléculaires, mais constitue un véritable ordre macroscopique surgi de la foule de ces événements. Ainsi, lorsque les « cellules de Bénard » se forment au sein d'une couche liquide dont la surface inférieure est chauffée, ce sont des milliards et des milliards de molécules qui, au lieu de poursuivre un mouvement désordonné, s'organisent en courants macroscopiques tourbillonnaires. Dans les systèmes, sièges de réactions chimiques, l'écart à l'équilibre ne suffit pas pour que des structures dissipatives apparaissent, il faut aussi un type de réaction bien particulier, des réactions « non linéaires » (autocatalyse, auto-inhibition, catalyse mutuelle, etc.). Mais d'autre part, lorsque des réactions de ce type sont présentes, les structures auxquelles peut mener l'amplification d'une fluctuation sont d'une très grande diversité et dépendent étroitement du détail des réactions dont le système est le siège. L'expérimentation et la simulation sur ordinateur ont permis d'étudier, dans des systèmes extrêmement simples, la création d'horloges chimiques (cycles limites), de structuration spatiale (zones de concentrations chimiques différentes) ou spatio-temporelle (ondes chimiques traversant périodiquement le système), ainsi que de frontières donnant au système structuré une dimension intrinsèque.
La découverte des structures dissipatives revêt cependant une signification qui dépasse la seule physique. On peut, en particulier, y voir la fin d'une série de faux problèmes et de paradoxes qui, depuis trois siècles, ont proliféré à propos du problème de l'organisation et du devenir dans la nature (I. Prigogine et I. Stengers, La Nouvelle Alliance, Gallimard, Paris, 1979).
Depuis l'invention des grandes théories physiques à propos du comportement de la matière, l'organisation, et en particulier l'organisation de la matière vivante, pose des problèmes à ceux qui cherchent à constituer une description scientifique cohérente de la nature. Quelle place faire, en effet, dans un monde de masses inertes en interaction, au savoir ancien mais insistant qui décrit des processus de développement coordonné, de différenciation progressive des tissus, de fonctionnement harmonieux et finalisé des différentes parties du corps vivant ? Longtemps, les termes confrontés, mécanique et biologie, furent trop disparates pour qu'une solution précise et concrète puisse être proposée. Le dieu constructeur de machines ou la force vitale sont des explications trop massives pour être autre chose que le signe d'une énigme effective. Mais la situation changea au cours du xixe siècle : la thermodynamique, science non plus des mouvements mécaniques mais des transformations physico-chimiques, se trouva, quant à elle, capable de parler de la nature en termes de processus et d'évolutions irréversibles. Cependant, ce faisant, elle transforma l'énigme en paradoxe ! Car sa réponse à la question du devenir naturel s'énonce dissipation de l'énergie, oubli des conditions initiales, évolution vers le désordre. C'est ce contraste fort entre l'évolution que semble imposer le second principe de la thermodynamique et l'évolution typique des systèmes vivants (comme aussi celle des sociétés) qui forme encore le contexte dans lequel ont été discutés les premiers résultats de la biologie moléculaire.
L'ordre du vivant improbable selon la thermodynamique d'équilibre.
Certains biologistes, comme Jacques Monod, n'ont pas hésité à accepter le prix que semblait alors réclamer l'établissement d'une cohérence entre physique et biologie. Ce prix, c'est le renoncement à toute théorie positive de l'organisation en tant que telle, remplacée par l'évocation du hasard associé à un ensemble de métaphores inspirées par la cybernétique. Dans le cadre de la thermodynamique d'équilibre, en effet, l'ordre cristallin, inerte et conservatif, semblait le seul type d'ordre physique prévisible et reproductible. Mais comment comprendre, dans ce contexte, l'ordre qui caractérise tout être vivant ? Car cet ordre, loin d'être inerte, associe de manière intime structure et activité : dans la moindre cellule, des milliers de réactions chimiques se produisent simultanément en un régime de fonctionnement hautement ordonné tant du point de vue de la coordination des différentes vitesses de réaction que de celui de leur localisation dans la cellule. Certes, la physique d'il y a vingt ans ne pouvait interdire un ordre de ce type, mais elle semblait incapable d'en déduire la possibilité : la physique dynamique est incapable d'en parler, la thermodynamique, interprétée depuis Boltzmann en termes probabilistes, se borne à le définir comme fort improbable. Dès lors, il semble que la seule question soit celle de cette rareté, en l'occurrence, ce sera celle du texte génétique qui résulte des mutations sélectionnées et accumulées. Le « secret » de la vie, de ses propriétés de développement et d'organisation, se trouve ainsi ramené à l'ADN (acide désoxyribonucléique) où est enregistrée l'information nécessaire à la synthèse des protéines qui se voient identifiées comme les « responsables » de l'improbable ordre vivant. La cohérence, apparemment, est établie, car l'ordre serait bien alors de type cristallin : ce serait la structure des protéines, leurs propriétés d'association stéréospécifique, qui déterminerait non seulement la construction d'édifices multimoléculaires, mais aussi l'activité et la régulation globales du métabolisme. Ce sont elles qui retardent, pour un temps bref, l'évolution fatale vers la mort et l'équilibre. Elles traduisent, dans le miracle de l'organisation macroscopique qu'elles créent, la succession des miracles statistiques sélectionnés dont elles résultent. C'est dans la mesure où l'ADN est pris pour responsable de l'ordre vivant que les métaphores cybernétiques peuvent venir renforcer l'analogie physique du cristal, renouvelant ainsi, sur un mode moderne, la vieille solution de l'animal-machine, avec la sélection naturelle dans le rôle du constructeur. On se rappellera l'ensemble des métaphores liées au programme génétique, au développement comme « révélation » ou expression de l'information, et, plus récemment, à l'« enveloppe génétique » qui renferme les différents produits d'un programme d'instructions génétiques donné, selon les différentes séquences temporelles où elles sont susceptibles de s'exprimer.
L'ordre du vivant prévisible loin de l'équilibre.
Le type de solution extrême que nous venons d'esquisser ne s'impose que dans la mesure où l'ordre cristallin apparaît comme le seul ordre prévisible et reproductible. Le cristal et le programme génétique déployé en une hiérarchie de blocages et de mises en œuvre élémentaires sont tous deux déductibles des propriétés des éléments moléculaires qui les constituent. Ce sont les forces à courte portée entre les molécules, les propriétés d'association stéréospécifique qui sont responsables de l'ordre global, il s'agit donc de deux formes d'ordre moléculaire.
Ce n'est pas le cas des structures dissipatives qui, loin de traduire un ordre d'échelle moléculaire, constituent des phénomènes d'organisation collective, qui se produisent au sein de populations nombreuses de molécules, et à cause de leur grand nombre. Les paramètres qui décrivent ces formes d'organisation supermoléculaire ne sont pas, comme pour un cristal, de l'ordre de la distance intermoléculaire, environ 10—8 cm, ils sont de l'ordre du centimètre. Ils associent dans leur définition des propriétés moléculaires et des grandeurs macroscopiques qui caractérisent le système comme un tout (flux de réactifs, gradient de température, dimensions spatiales). De même, aucun mécanisme autocatalytique comme tel ne peut être dit responsable de l'ordre de la structure. C'est l'ensemble des réactions et non l'une ou l'autre qui, dans certaines conditions de flux, produit un régime de fonctionnement stable. Certes, sans réaction non linéaire, aucune structure dissipative n'est possible, mais la même réaction non linéaire peut, selon les conditions de flux, contribuer à stabiliser une structure ou, au contraire, permettre l'amplification d'une fluctuation et l'émergence d'un nouveau régime collectif.
C'est dire que l'organisation impliquée par les structures dissipatives ne peut être représentée comme une lutte contre le désordre assimilé à la mort. De fait, la question n'est plus là puisqu'elle n'est plus de savoir combien de temps un état rare, en l'occurrence l'état vivant, peut se maintenir dans sa rareté, mais bien plutôt combien de temps les flux nourriront la structure de manière assez intense pour qu'elle reste stable ou subisse de nouvelles transformations. La structure dissipative naît du désordre moléculaire et par le désordre moléculaire ; aucun mécanisme n'est donc nécessaire pour la garantir contre ce désordre : sa stabilité n'est que la résultante globale de son activité dissipative étant donné les circonstances, c'est-à-dire étant donné les flux qui nourrissent cette activité. La description des structures dissipatives n'oppose donc pas l'ordre au désordre, elle étudie pour chaque structure dans quelles circonstances le désordre, de toute manière inévitable, reste insignifiant, où les fluctuations, de toute manière incessantes, régressent (zone de stabilité), et dans quelles circonstances des fluctuations d'un certain type peuvent s'amplifier (zone de bifurcation) jusqu'à mener le système vers un nouveau régime de fonctionnement dont il faudra à nouveau calculer la stabilité.
Nous venons de tracer le cadre général au sein duquel, nous semble-t-il, les processus naturels d'organisation et d'évolution d'un système peuvent apparaître comme conséquence prévisible des lois physiques. Une série de travaux établissent l'intérêt concret de cette approche. Citons, en ce qui concerne le métabolisme intracellulaire, l'étude de la glycolyse, avec la variation périodique de l'activité métabolique qu'elle détermine, par A. Goldbeter ; en ce qui concerne les populations de cellules, les travaux de A. Goldbeter sur l'agrégation des amibes acrasiales et ceux de R. Lefever et R. Garay sur les mécanismes de défense anticancéreuse ; en ce qui concerne le système nerveux, les travaux de J. Cowan et H. Wilson. Enfin, M. Eigen et ses collaborateurs étudient, dans le même cadre, certains aspects du problème de l'origine du code génétique, que l'on peut caractériser comme une association de polymères doués de propriétés catalysatrices et autocatalysatrices, et stable par rapport aux erreurs commises lors de la copie des séquences qui les constituent. Ces premiers travaux manifestent la fécondité de la rencontre récente et inattendue entre les démarches de la physique et de la biologie moléculaire, malgré leur opposition apparente : cette dernière, dans sa recherche des mécanismes élémentaires de la vie, a découvert et étudié les mécanismes omniprésents d'inhibition et d'activation alors même que la physique, dans son étude du comportement global de systèmes complexes, concluait que de tels mécanismes sont la condition nécessaire à l'apparition de l'ordre loin de l'équilibre chimique. Là où, voici vingt ans, on ne voyait qu'opposition et paradoxe, on peut désormais étudier les voies multiples de la production et de l'évolution des vivants.


Ainsi, la physique constatait une inversion de l’entropie dans certains systèmes ouverts soumis à un flux énergétique les maintenant loin de l’équilibre. Depuis, cet aspect de la science connaît un fort développement. Le plus remarquable est tout récent, c'est l'oeuvre de Jérémy England, 36 ans, chercheur au MIT de Boston : il passe en effet du simple constat à une explication.


26 août 2015 franck International, Sciences, Tous les articles  
Les hypothèses les plus populaires sur l’origine de la vie évoquent une soupe primordiale, un coup de foudre ou tout simplement une chance colossale. Au lieu de cela, selon la théorie d’un physicien, l’origine et l’évolution ultérieure de la vie découlent simplement des lois fondamentales de la nature et elles n’ont rien d’étonnant.
Du point de vue de la physique, il existe une différence essentielle entre les êtres vivants et les amas d’atomes de carbone inanimés. Les premiers ont tendance à beaucoup mieux capturer l’énergie de leur environnement et dissiper cette énergie sous forme de chaleur. Jeremy England, 31 ans, professeur adjoint à l’Institut de technologie du Massachusetts, a dérivé une formule mathématique pour expliquer cette capacité. La formule, basée sur des lois de physique établies, indique que quand un groupe d’atomes est entraîné par une source d’énergie externe (comme le soleil ou des carburants chimiques) et entouré par un bain de chaleur (comme l’océan ou l’atmosphère), il se restructure progressivement afin de dissiper de plus en plus d’énergie. Cela pourrait signifier que dans certaines conditions, la matière acquiert inexorablement l’attribut physique associé à la vie.
« Si vous éclairez assez longtemps un bouquet aléatoire d’atomes, vous obtiendrez une usine », a déclaré Jeremy England. Sa théorie n’envisage pas de remplacer la théorie darwinienne de l’évolution par la sélection naturelle. « Je ne réfute pas la théorie de l’évolution selon Charles Darwin. Au contraire, j’explique que du point de vue de la physique, la théorie darwinienne est un cas particulier d’un phénomène plus général. » Son idée, résumée dans ce document et bien plus détaillée dans des discours qu’il livre dans les universités à travers le monde, a suscité la controverse parmi ses collègues, qui la voient soit comme fragile, soit comme révolutionnaire, soit les deux.

…..