Retour au sommaire
Article
La
morphogenèse
par Jean-Paul Baquiast
5 janvier 2004
Définition
On peut définir la morphogenèse
comme le processus consistant à créer des formes.
Mais le concept de forme n'a rien de rigoureux. Il peut désigner
l'aspect extérieur d'un objet, tel qu'il apparaît
à nos organes sensoriels et ce, indépendamment
de la nature de cet objet. Ainsi un cristal de neige et une
étoile de mer possèdent une forme dite en étoile(1).
Mais on peut donner à la forme un sens
beaucoup plus général. On appellera forme, en
ce cas, les divers objets, non-vivants et vivants, existant
dans la nature et identifiés par nous, compte tenu
à nouveau de ce qu'en perçoivent nos sens après
reconstruction par notre cerveau. En ce sens, on pourra par
exemple parler des formes vivantes, espèces et individus
au sein de ces espèces, ayant été observées
et classées par les naturalistes. Il s'agira des innombrables
façons dont les constituants élémentaires
de la matière biologique, atomes et molécules,
ont été organisés par l'évolution
en structures plus complexes. A ce niveau, chaque forme (ou
type de forme) existant dans la nature est spécifique
et doit être distinguée des autres, même
si en apparence elle leur est comparable. Si le corail et
l'arbre ont des formes extérieures voisines, il ne
s'agit absolument pas de formes naturelles identiques, puisque
chacun est le fruit d'une évolution propre. Ce qui
nous intéressera en ce cas sera d'étudier la
façon dont l'évolution a pu donner naissance
à des objets aussi semblables et cependant aussi différents
que le corail et l'arbre.
Ainsi entendue, le terme de morphogenèse
désigne d'abord les mécanismes naturels producteurs
de formes : réactions physiques ou chimiques donnant
des minéraux de formes et de couleurs différentes
ou comparables, influence des vents sur la mer ou le désert
productrice d'ondes, évolution des génomes produisant
des êtres vivants aux propriétés diverses,
etc. Celui qui observe la variété des formes
dans le monde et cherche à en comprendre les raisons
doit impérativement identifier ces mécanismes
naturels et comprendre la façon dont ils agissent pour
produire des formes bien déterminées. Mais on
risque alors de donner à l'étude de la morphogenèse
une telle ambition qu'elle sera obligée d'aborder l'ensemble
des sciences. Pour éviter ce risque, on se limitera
aux processus génériques, mettant en œuvre
des règles simples dont la combinaison aboutira à
la production de formes complexes. Ce seront ces règles
qui nous intéresseront, puisqu'elles permettront de
comprendre et le cas échéant reproduire l'infinie
variété des objets du monde, sans s'obliger
à étudier les caractères propres de chacun
de ceux-ci. Si nous analysons l'aile ou l'œil de l'animal,
nous n'aurons pas besoin de connaître en détail
les innombrables organismes vivants dotés de tels appendices.
Il nous suffira, au moins dans un premier temps, de comprendre
les fonctionnalités qu'assurent ces dernier et les
grands plans de structure communs qu'ils partagent en conséquence.
Une fois que la science commence à
comprendre la façon dont la nature a sélectionné
certaines formes et pas d'autres, aussi bien dans le monde
physique que dans le monde biologique, elle s'applique à
transposer les mécanismes correspondants en vue de
résoudre des problèmes d'ingénierie -
c'est-à-dire intéressant la fabrication d'artefacts,
outils ou objets finaux(2).
Dans ce cas, le terme de morphogenèse
peut désigner l'activité des bureaux d'étude
qui visent à produire ces artefacts. Ceux-ci sont parfois
loin des formes existant dans la nature. La grande variété
des application données à une forme générique
comme la roue n'est pas inspirée de ce que fait la
nature. Mais de plus en plus les ingénieurs étudient
les solutions de celle-ci et s'efforcent de les transposer
dans leurs processus ou leurs produits. C'est ce que fait
la bionique, dont l'activité consiste à comprendre
les produits de la morphogenèse naturelle à
l'œuvre dans le domaine biologique et copier ceux qui
paraissent intéressants au profit de dispositifs artificiels.
On considère généralement
que l'évolution des systèmes physiques comme
celle des systèmes vivants ont produit des solutions
optimisées, c'est-à-dire offrant le meilleur
emploi possible des ressources naturelles au regard des contraintes
s'imposant à ces systèmes. Il est donc tentant
de transposer dans le cadre de la morphogenèse artificielle
les méthodes optimisées de la morphogenèse
naturelle. Encore faut-il avoir élucidé ces
dernières, ce qui n'est jamais évident. Il ne
suffit pas qu'un phénomène naturel existe pour
que nous puissions le considérer comme optimisé.
Il faut aussi admettre que les optimisations naturelles ne
sont pas toujours intéressantes, dans le cas de certains
systèmes technologiques répondant à des
ambitions souvent très différentes. Il faudra
faire appel à des méthodes d'optimisation artificielle,
aujourd'hui de type computationnel (mathématique et
informatique)
Nous venons de distinguer la morphogenèse
naturelle et la morphogenèse artificielle. Mais le
terme de morphogenèse n'a-t-il pas, sous la plume de
certains auteurs, un sens encore différent, quelque
peu ésotérique. Nous faisons allusion notamment
aux travaux de Rupert Sheldrake(3).
Celui-ci, comme bien d'autres avant lui, avait noté
l'étonnante convergence de certains formes naturelles,
à travers des organisations physiques ou biologiques
sans communes mesures. Aujourd'hui, on considère, comme
nous l'avons vu, que ces convergences résultent de
lois simples s'appliquant de façon identique, indépendamment
des phénomènes, qu'il s'agisse du monde physique
(tourbillons dans l'atmosphère ou dans les rivières),
du monde biologique et même du monde des systèmes
artificiels tels les automates cellulaires. Il n'y a pas une
"essence" de la forme qui tendrait à s'incarner
ou s'imposer à travers des milieux ou substrats différents.
Ce n'est pas pourtant ce que pensait Sheldrake. Certaines
formes, selon lui, parce que proches d'une perfection idéale,
constituent des sortes de bassins d'attraction ou "champs
morphiques" qui contraignent le développement
des systèmes en leur imposant des plans d'organisation
ou des procédures communes. Mais d'où viendraient
ces formes, sinon d'idées ou d'essences extérieures
au monde des phénomènes et susceptible de donner
une finalité métaphysique à l'évolution?
Cette perspective n'est pas acceptable aujourd'hui par la
science(4).
Naissance de la science
des formes
L'infinie diversité des formes dans
la nature a toujours été l'objet d'études
attentives de la part des hommes. Les paléo-anthropologues
ont tout lieu de croire que, parallèlement voire antérieurement
à l'invention des outils, ce fut l'activité
consistant à identifier les formes
de leur environnement qui a constitué le premier et
plus grand investissement intellectuel des hominiens. Il leur
a fallu simultanément observer les apparences, les
nommer en faisant appel au langage symbolique des gestes puis
des mots, mémoriser et transmettre ces observations,
rechercher des régularités éventuelles
ou causes communes derrière les apparences et, finalement,
chercher à comprendre les lois se trouvant à
la source des morphogenèse observées, afin le
cas échéant de les asservir à leur usage.
L'objet de toutes ces activités était principalement
utilitaires distinguer les choses utiles des choses dangereuses,
afin de les traiter différemment.
Les premiers comportements de type rationnel
ou scientifique sont nés de là, mais ils sont
restés longtemps fortement teinté de mythologie,
pour la raison simple que les sociétés primitives
n'avaient pas la pratique de la science expérimentale.
Il leur était plus facile de trouver aux formes et
phénomènes observés des causes divines
plutôt que des causes physiques, puisque les instruments
et méthodes qui leur auraient été nécessaires
pour commencer à étudier objectivement la nature
n'existaient pas encore. L'accumulation de très nombreuses
compétences - nécessaires à la survie
- dans la description et le catalogage a pendant des millénaires
coexisté avec le peu d'efficacité des systèmes
explicatifs. La pratique empirique avait fait des merveilles,
mais a fini par se heurter à ses propres limites, si
bien que les erreurs d'interprétation commencèrent
à freiner le progrès des connaissances.
Ce fut seulement le développement des
sciences de la nature, à partir du 18e siècle,
qui permit aux sociétés occidentales de commencer
à mieux comprendre le pourquoi à la fois de
la diversité et de la régularité des
formes et des choses sous-jacentes. Mais alors apparurent
deux grandes séries de théories explicatives
apparemment irréductibles, celles concernant le monde
des formes physiques et celui des formes vivantes.
Pour ce qui concerne les formes physiques,
afin de dépasser l'appel aux quatre éléments
d'Aristote, il fallut combiner l'analyse des corps, c'est-à-dire
la chimie, et celle des processus, c'est-à-dire la
physique. A partir de la fin du 18e siècle, les progrès
de la chimie permirent d'expliquer la composition des corps,
corps simples et corps composés, ainsi que les formes
très diverses que produisait leurs combinaisons. Mais
la chimie, initialement restée très descriptive,
n'était pas très intéressée par
l'évolution et ne cherchait pas à expliquer
pourquoi dans la nature les corps se transforment et se combinent
au lieu de rester stables. Ce fut à la physique qu'il
fallut faire appel pour comprendre l'évolution des
formes non vivantes. Ainsi la géophysique (ou ce qui
en tenait lieu aux origines) put-elle éclairer l'histoire
de la production des formes minérales, la dynamique
celle des formes mobiles telles que les vagues de la mer ou
les turbulences atmosphériques. On peut considérer
cependant que les explications physiques restèrent
longtemps du domaine des connaissances empiriques, jusqu'à
l'invention de la thermodynamique au début du 19e siècle.
Celle-ci, à travers la formulation des principes de
la conservation de l'énergie et de l'entropie croissante,
proposèrent des lois susceptibles de faire comprendre
l'ensemble des phénomènes de la morphogenèse.
Plus récemment, sur fond de croissance irréversible
de l'entropie, ou augmentation du désordre à
partir de l'ordre, la thermodynamique loin de l'équilibre
expliqua finalement pourquoi certains phénomènes
physiques ordonnés pouvaient apparaître et se
maintenir, en prélevant de l'énergie dans leur
environnement : les cyclones par exemple. Mais c'est dans
le domaine des sciences de la vie que la thermodynamique loin
de l'équilibre trouva l'essentiel de ses applications,
notamment pour ce qui concernait l'apparition et le maintien
des formes vivantes.
Il est évident aujourd'hui que la compréhension
de la morphogenèse naturelle ne peut plus se satisfaire
des modèles proposés par la chimie et la physique
classiques. Plus exactement ces modèles n'ont de validité
que dans ce que l'on appelle le monde macroscopique, constitué
d'arrangements d'atomes. La physique subatomique ou quantique
s'intéresse dorénavant à ce qui se passe
au dessous, si l'on peut dire, des formes visibles du monde
macroscopique. Ainsi la physique des hautes énergies,
développée dans le cours du 20e siècle
et appliquée notamment, dans le domaine cosmologique,
à l'étude de la nucléosynthèse
des éléments lourds à partir de l'hydrogène
des étoiles, permit de mieux comprendre le comment
de l'apparition des briques de base constituant l'univers
physique et leur combinaison dans les domaines macroscopiques.
Mais comme l'on sait, la physique et la cosmologie quantique
sont des sciences difficiles, souvent plus théoriques
qu'expérimentales, et constamment en évolution.
Beaucoup de gens, notamment dans le domaine de l'ingénierie,
considèrent qu'ils n'en ont pas besoin pour comprendre
la morphogenèse naturelle macroscopique et en tirer
des applications.
Dans le domaine biologique, l'étude
de la morphogenèse prit naissance et se développa
dans des conditions différentes, marquées par
la recherche de l'utilité. On comprend bien qu'à
l'aube des sociétés humaines, il était
plus important d'identifier et classer les végétaux
et les animaux que les cailloux. Pour ce faire, l'observation
des formes constitua la première phase de la connaissance
empirique du vivant, conduisant à la définition
de catégories. De plus, la compréhension du
pourquoi des formes put se faire à partir de l'observation
des fonctions auxquelles elles servaient de support. Les ailes
servent à voler et les dents à mâcher,
quel que soit le type d'animal qui en est doté. Ce
fut ultérieurement sur la base d'une étude des
formes, de leurs similitudes et de leurs différences,
que les travaux de la taxonomie se développèrent,
conduisant à une première approximation du concept
d'espèce. Avant même que soient identifiée
l'aptitude à l'interfécondité pour justifier
l'appartenance à une espèce, ce fut la plus
ou moins grande conformité des individus à un
modèle morphologique considéré comme
standard d'une espèce donnée qui permit de les
classer au sein de ces espèces.
L'observation des formes du vivant et de leur
rôle fonctionnel permit de préciser de façon
pratique la notion d'optimisation à laquelle nous avons
fait allusion plus haut. Dès l'Antiquité, on
admira comment la nature ou les dieux avaient dotés
les animaux des caractéristiques physiques les mieux
aptes à l'exercice de leur fonctions vitales. Les progrès
ultérieurs de l'anatomie et de la physiologie renforcèrent
chez les naturalistes l'impression que les êtres vivants
bénéficiaient des meilleurs outils possibles
au sein de leurs niches - ce que personne ne s'avisait de
dire concernant la couleur ou la forme d'un caillou. Certes,
les défauts et faiblesses des organes ou de l'architecture
générale des êtres vivants n'échappaient
pas aux observateurs avisés. Le monde n'était
certainement pas le meilleur possible dans l'absolu. Mais
le concept d'optimisation peut s'entendre comme le choix d'une
solution aussi efficace que possible au regard d'un certain
nombre de conditions et contraintes du moment. C'était
bien, aux yeux des naturalistes, ce qu'avait fait la nature
(ou le grand architecte divin) en définissant les formes
et propriétés fonctionnelles des espèces
vivantes.
Cependant, comme on le sait, le mécanisme
permettant la meilleure adaptation ou optimisation des formes
aux exigences de la survie resta incompris pendant des siècles.
Cela tenait à la prévalence du fixisme : les
espèces demeuraient telles que le Créateur les
avait définies en sa sagesse. Le concept de transformisme
ou évolution n'apparut qu'au début du 19e siècle.
Encore resta-t-il, jusqu'à la naissance du darwinisme,
compris comme la transmission des caractères acquis
par les adultes (ou phénotypes) dans leur recherche
de la meilleure solution possible au regard de leur survie.
Mais pourquoi alors retenir telle solution plutôt que
telle autre ? L'ancêtre de la girafe aurait pu, comme
des milliers d'autres espèces herbivores, se contenter
d'un cou de taille normale. Charles Darwin introduisit le
concept d'évolution par mutation/sélection dans
un monde aux ressources toujours insuffisantes par rapport
à la demande potentielle. Ne survivaient que les espèces
capables d'acquérir par mutation des propriétés
leur donnant un avantage sélectif sur leurs rivales.
Au 20e siècle, la génétique moléculaire
vint préciser le mécanisme selon lequel, au
niveau des génomes, survenaient les mutations et se
généralisaient celles présentant des
avantages adaptatifs.
On conçoit dans ces conditions que
ce furent les mécanismes de mutation/sélection
darwiniens qui furent systématiquement évoqués
pour comprendre le pourquoi de la morphogenèse naturelle
dans le domaine du vivant. Ils sont d'ailleurs aujourd'hui
utilisés systématiquement dans la recherche
de formes artificielles optimisées, notamment par la
programmation faisant appel aux algorithmes dits évolutionnaires.
Mais aujourd'hui, le néo-darwinisme n'est plus considéré
comme seul susceptible d'expliquer la genèse et la
conservation de l'ensemble des propriétés caractérisant
les individus et les espèces. On a noté qu'un
certain nombre de formes ou caractères persistent dans
la plupart des espèces sans que leur utilité
pour la survie, passée ou présente, n'apparaisse
clairement. Il y a donc quelque autre processus à l'œuvre,
qui mérite d'être élucidé.
C'est là que la science de la morphogenèse
appliquée aux phénomènes physiques, présentée
plus haut, peut venir en renfort. Tout laisse penser qu'un
certain nombre de traits des organismes vivants, telles les
taches du pelage, n'ont pas de valeur adaptative. Elles sont
apparues et se sont maintenus, y compris par la voie de l'hérédité
génétique, pour de simples raisons physiques,
analogues par exemple à celles expliquant la genèse
des formes des cristaux de neige. La compréhension
du monde du vivant exige donc aujourd'hui de faire appel aussi
bien aux lois de la morphogenèse physique qu'à
celle de la morphogenèse évolutionnaire néo-darwinienne.
Il y a plus. On se demande parfois pourquoi
l'évolution darwinienne apparaît contrainte dans
des espaces d'états bien définis. Autrement
dit, le mécanisme de mutation/sélection ne peut
pas faire n'importe quoi. Ainsi l'évolution de la taille
des os s'est elle toujours inscrite dans des limites basses
et hautes bien définies. Il en est de même de
celle de tous les organes caractérisant les individus
dans toutes les espèces. Ils traduisent des convergences
assez impressionnantes, qui ne relèvent pas de causes
internes. La raison de ces convergences est qu'entre en jeu
des règles relevant de la morphogenèse des systèmes
physiques. Au delà d'une certaine taille, compte tenu
de sa composition cellulaire, un os se rompt. Cette taille
ne peut donc être sélectionnée par l'évolution.
On soupçonne aujourd'hui qu'un nombre immense de mécanismes
intéressant l'anatomie et la physiologie des êtres
vivants sont soumis à ces contraintes de la morphogenèse
physique. Il faut étudier ces dernières, non
seulement du point de vue des connaissances théoriques,
mais aussi au plan pratique, quand on veut intervenir, par
exemple à fin thérapeutique, dans l'amélioration
du fonctionnement des systèmes. Il faut aussi les connaître
dans la mise en œuvre de la morphogenèse artificielle.
La morphogenèse
artificielle et la théorie constructale
L'art de la morphogenèse artificielle
intéresse principalement l'ingénierie, c'est-à-dire
la conception de systèmes technologiques aussi efficaces
que possible. On conçoit bien en effet que si la nature
a découvert le secret de la réalisation de formes
et de systèmes parfaits, il serait dommage de ne pas
s'inspirer d'elle.
Mais le monde naturel est-il parfait ? Il
est clair que cette question n'a pas de sens. Sauf à
faire appel à des théories idéalistes
selon laquelle non seulement l'univers est parfait puisque
il a réussi à survivre jusqu'à présent,
mais aussi parce qu'il est capable d'auto-correction pour
maintenir sa perfection face à des perturbations extérieures.
On reconnaît là l'hypothèse dite Gaïa,
selon laquelle l'écosystème terrestre pourrait
maintenir son équilibre (ou homéostasie) en
produisant spontanément les mesures correctives aux
multiples agressions dont il est l'objet. Une autre version
de l'univers parfait pourrait être trouvée dans
l'hypothèse anthropique selon laquelle tous les paramètres
caractérisant l'univers précis dans lequel nous
sommes sont conformes aux exigences de l'apparition de la
vie et de l'intelligence (voir
notre article "L'univers selon Leonard Susskind").
Il s'agirait au regard de nos propres intérêt
d'une forme de perfection, mais l'ennui est qu'elle n'est
pas finalisée par l'objectif de produire la vie et
l'intelligence. Celles-ci, dans l'hypothèse anthropique,
sont les conséquences a posteriori de l'apparition
d'un certain type d'univers parmi l'infinité des univers
possibles. Rien ne garantit que ces paramètres favorables
se maintiendront à l'avenir.
Si donc on ne saurait affirmer que la nature
produise des formes parfaites, peut-on dire qu'elle produit
des formes optimisées ? En ingénierie, nous
l'avons dit, l'optimisation consiste à rechercher par
essais et erreurs (ou par des processus de simulation numérique)
les meilleures catégories de solutions possibles à
des contraintes prédéfinies. Elle répond
donc à une finalité fixée par l'ingénieur.
Dans la nature, par définition, tout ce qui existe
dans le monde physique et biologique est là parce qu'il
s'est révélé viable, adapté à
la survie. Il s'agit donc d'une forme d'optimisation qui peut
fournir des références intéressantes
à l'ingénieur recherchant des solutions inspirées
de celles de la nature. Mais ce type d'optimisation n'est
guidé par aucun objectif fixé a priori par qui
que ce soit. Les systèmes vivants que nous pouvons
étudier aujourd'hui, bien qu'ayant survécu à
d'innombrables phénomènes sélectifs,
peuvent présenter des défauts tels que l'ingénierie
n'aurait aucun intérêt à les copier. De
plus, nous l'avons dit, ils ont évolué dans
des espaces fortement contraints par des lois physiques bien
définies. Si l'homme veut s'affranchir de celles-ci,
il devra rechercher des modes d'optimisation originaux.
Si la nature ne crée pas de formes
particulièrement parfaites, et ne crée que des
formes optimisées pour faire face aux conditions du
passé, quel est l'intérêt de s'interroger
sur les processus de la morphogenèse naturelle, c'est-à-dire
de la création des formes dans la nature ? Le premier
de ces intérêts est relatif au simple développement
des connaissances. Nous avons vu précédemment
que les hommes ont toujours cherché à comprendre
pourquoi le monde était fait de tant de formes à
la fois différentes et riches en régularité.
La question reste plus que jamais posée aujourd'hui,
notamment alors que le progrès des sciences fondamentales
comme des technologies vont permettre le développement
d'entités artificielles, dont les propriétés
et formes plus ou moins complexes ne seront pas fixées
nécessairement a priori par les hommes (ni par la nature)
mais pourront émerger à partir de la combinaison
d'éléments simples mis en œuvre par des
sciences comme la robotique.
Cependant, la compréhension de la morphogenèse
naturelle présente aussi un grand nombre d'avantages
pratiques. Nous avons vu que la genèse des formes physiques
ou vivantes obéit à des lois générales,
telles que la recherche du meilleur rendement énergétique,
dont nul ingénieur n'aurait la prétention de
s'affranchir. Même si on ne veut pas copier servilement
les formes naturelles, il est indispensable de connaître
ces lois, et la façon dont elles contraignent le développement
des formes naturelles, afin d'en tirer le meilleure parti.
Existe-t-il des méthodes pour imiter
de la façon la plus efficace que possible les formes
optimisées de la nature. Une méthode empirique
aussi vieille que l'humanité consiste à faire
ce que l'on pourrait appeler une copie analogique globale
du système naturel. On prend ce dernier comme un tout
dont on ne cherche pas à analyser l'organisation de
détail (le rôle des divers éléments
les uns par rapport aux autres). A partir de ce modèle,
on essaye de construire un objet dont les apparences soient
aussi proches que possible de celles du modèle. Reste
ensuite à tester le nouveau système, afin de
vérifier si ses fonctionnalités sont proches
ou non de celles du système naturel. Dans les cas simples
(par exemple le dessin d'une arme copiant la forme d'une défense
d'animal) le résultat est satisfaisant. Dans les cas
plus complexes, comme l'imitation d'une aile d'oiseau, les
échecs sont la règle. L'inventeur empirique
doit alors s'engager dans un long processus d'essais et d'erreurs
afin de rapprocher l'artefact du modèle. Le plus souvent,
il n'y arrive pas et renonce à son projet.
Une méthode plus sophistiquée
consiste à décomposer le modèle en éléments
dont on étudie les rôles respectifs dans l'obtention
de la performance finale. On appelle ceci en ingénierie
l' "analyse par éléments finis "ou
"finite-element analysis"(5).
On construit ensuite l'artefact en conjuguant des éléments
artificiels aussi proches que possible, anatomiquement et
fonctionnellement, des éléments naturels. L'apparence
globale de l'artefact peut alors être assez différente
de celle du modèle, mais peu importe si le système
donne satisfaction. Par la suite, le résultat peut
être optimisé de façon continue, en faisant
appel à l'analyse et à la conception assistées
par ordinateur. C'est un processus de ce type qui a été
suivi dans la conception des ailes des avions. On sait qu'aujourd'hui
une analyse plus fine des ailes des oiseaux montre aux ingénieurs
qu'ils pourraient désormais fabriquer des ailes prenant
des formes et des consistances différentes selon les
configurations de vol et les missions. On utilisera pour cela
des matériaux intelligents à mémoire
de forme. C'est le projet "Morphing Aircraft Structures"
de la Darpa(6).
Nous avons rappelé qu'aujourd'hui,
les méthodes de la programmation et de la robotique
évolutionnaires sont aussi utilisées pour obtenir
des produits finis optimisés, sans partir d'un cahier
des charges d'optimisation fixé à l'avance dans
tous ses détails. On laisse les " parents ",
composants matériels et logiciels, entrer en compétition
darwinienne à l'intérieur de contraintes fixées
d'une façon assez large, et on conserve les "
descendants " qui paraissent les plus aptes à
satisfaire ces contraintes. La responsabilité de la
conception est alors reportée très largement
sur l'intelligence artificielle.
Quel rapport existe-t-il entre ces nouvelles
méthodes de conception de formes artificielles optimisées,
et ce que Adrian Bejan, diplômé du MIT et professeur
d'ingénierie mécanique à l'université
Duke de Caroline du Nord a nommé la "théorie
constructale" dont il se dit être l'inventeur.
Rappelons les grandes lignes de cette dernière(
7).
Cette théorie s'inscrit dans la ligne
des recherches relatives à la morphogenèse :
pourquoi y a-t-il des formes (ou processus formalisés)
dans la nature plutôt que rien ? Pourquoi ces formes
semblent -elles se développer selon des algorithmes
comparables sinon communs alors qu'elles apparaissent dans
des domaines très différents : le minéral,
le vivant, le sociétal ?
La théorie constructale repose, comme
beaucoup de théories modernes, sur une définition
de la complexité devenue quasi-obligée : la
complexité, dans la nature, naît de la combinaison
de processus élémentaires. Elle est dite ascendante
ou émergente en ce sens que les résultats de
cette combinaison ne peuvent être déduits de
l'analyse des processus élémentaires générateurs.
Le tout est plus que les parties, et survient de façon
imprévisible. Cela paraît une banalité
de le dire, mais beaucoup de gens s'imaginent encore que la
complexité est descendante, c'est-à-dire qu'elle
est donnée d'emblée et peut être réduite
en éléments simples par l'analyse. Bejan présente
à cet égard la théorie fractale comme
contribuant (malgré les mérites qu'elle possède
par ailleurs) à ce contresens. Pour la théorie
fractale, les formes s'engendrent par fragmentation en répétant
un dessin identique à chaque niveau descendant ou montant.
Elles le font en application d'un algorithme constant, que
l'on peut en principe analyser et réutiliser pour obtenir
des résultats identiques. Il suffit de connaître
la forme caractérisant un niveau pour en déduire
toutes les formes que l'on trouvera aux niveaux supérieurs
ou inférieurs. Or ceci n'est vrai ni dans la nature
ni en algorithmique informatique (dans le domaine des automates
cellulaires souvent évoqué en matière
de fractals). La combinaison des règles simples fait
toujours apparaître, à un moment ou un autre,
une complexité inattendue et non explicable par une
démarche réductionniste.
Ainsi présentée, la théorie
constructale n'a rien de très original. Elle est à
la source de toutes les démarches dites précisément
constructibles, utilisées notamment en Intelligence
Artificielle. Ce qui est intéressant est que Adrian
Bejan propose de l'appliquer à la construction de systèmes
artificiels ou artefacts optimisés, s'inspirant des
processus d'optimisation des formes à l'œuvre
dans la morphogenèse naturelle que nous avons présentée
plus haut. C'est en effet d'abord pour résoudre des
problèmes d'ingénierie qu'Adrian Bejan propose
sa théorie constructale. Comment aboutir facilement
à des solutions aussi optimisées (certains disent
parfaites, mais le mot nous l'avons vu est excessif) que celles
existant généralement dans la nature ?
Les études en plein développement
relatives à la morphogenèse naturelle paraissent
montrer, que la construction de formes dans la nature résulte
de l'action de lois physiques et chimiques, analysées
depuis bientôt deux siècles par les sciences
du macroscopique (On n'a pas besoin ici de faire appel aux
processus quantiques, puisque le niveau d'approximation permis
par la physique classique suffit largement à résoudre
les problèmes globaux que pose la compréhension
de la morphogenèse naturelle). Ces lois sont en très
grande nombre : lois de la diffusion gazeuse, lois de la dilatation
en fonction de la température, lois de l'écoulement
des fluides, lois des frottements, etc. C'est une chance pour
l'ingénieur, puisque le plus souvent il n'a pas besoin
d'inventer des algorithmes spécifiques. Les formules
mathématiques dont il a besoin existent déjà
pour l'essentiel et peuvent réutilisées sans
problème, tant du moins que l'on restera au niveau
d'approximation dont peut se satisfaire l'industrie d'aujourd'hui.
Si on veut plus de précision, il sera possible de partir
de l'existant afin d'affiner les équations.
Peut-on trouver un principe
commun derrière toutes ces lois, sans faire appel à
la physique quantique ? La question n'est pas sans intérêt,
pratique mais surtout théorique. L'existence d'un tel
principe commun nous permettrait de comprendre le fait, déjà
signalé ci-dessus, que la morphogenèse naturelle
ne génère pas n'importe quelles formes. Même
si celles-ci paraissent incroyablement diverses, on sait bien
qu'en physique comme en biologie, l'évolution, fut-elle
darwinienne, s'exerce dans des fourchettes étroites.
On ne verra pas, par exemple, les vagues de la mer où
les dunes de sable dépasser une hauteur limite, quelle
que soit la force du vent. Et ceci dans tous les domaines.
Pourquoi ? Si nous admettons que les
systèmes étudiés s'inscrivent dans les
principes de la thermodynamique et subissent par conséquent
la loi de l'entropie croissante, il faut que pour conserver
ou accroître leur " ordre ", ils réalisent
des dépenses d'énergie en puisant dans des sources
extérieures. Dans ce cas, les systèmes les plus
aptes à survivre, qu'ils soient physiques ou biologiques,
seront ceux qui consommeront le moins d'énergie - ou
plus exactement ceux dont la consommation d'énergie
sera parfaitement ajustée aux exigences de leurs performances.
En d'autres termes, les systèmes naturels, ayant survécu
à des milliards d'années d'évolution,
sont ceux qui sont optimisés au regard de la consommation
d'énergie (ou de la consommation de ressources rares
quand l'énergie dont ils ont besoin n'est pas obtenue
directement). On peut montrer que c'est ce qui se produit
en général dans la nature. Ce sera là
le principe commun, ou un des principes communs, que nous
recherchions. Ainsi en retire-t-on l'impression (fausse en
absolu, nous l'avons dit) que la nature est parfaite.
Dans ces conditions, si l'ingénieur
veut réaliser un système artificiel qui soit
aussi efficace qu'un système naturel, notamment en
termes de consommation d'énergie, il lui suffit en
principe de copier le système naturel. On analyse celui-ci
dans ses détails et on reconstruit un système
artificiel en accumulant les détails favorables à
l'obtention d'une solution optimisée. Mais nous avons
vu que cette approche globale (ou descendante) n'aboutissait
généralement pas, car les systèmes naturels
sont trop variés et détaillés pour permettre
une analyse. Il faut procéder autrement.
C'est ce qu'Adrian Bejan propose
de faire de façon systématique, en utilisant
sa méthode constructale. Si l'ingénieur veut
réaliser un système complexe optimisé,
il découpera ce système en unités aussi
petites que possible, pour lesquels il deviendra alors relativement
facile de définir les conditions de fonctionnement
optimisé. On retrouve l'analyse par éléments
finis évoquée plus haut. La forme élémentaire
optimale étant trouvée, on reliera plusieurs
de ces unités en réseau dont les lois physiques,
là encore, permettent de définir la forme optimale.
De proche en proche, en remontant par ce procédé
les échelles une à une, on arrive à une
forme globale optimale par rapport aux contraintes et objectifs
désirés. Cette forme optimisée est donc
construite de façon ascendante, compte tenu des caractères
propres des unités qui la composent, elles-mêmes
optimisées chacune à son niveau. Il est évident
que sans l'ordinateur, cet assemblage de formes optimisées
destiné à être lui-même globalement
optimisé ne serait pas possible (voir l'encadré
dans http://www.automatesintelligents.com/labo/2003/dec/bejan.html
cité en note).
Adrian Bejan et ceux qui s'inspirent
de sa théorie (lire à ce sujet l'article de
Hervé Poirier dans Science et vie de Novembre 2003,
p. 46) donnent de nombreux exemples de l'intérêt
de la méthode constructale. Tout laisse penser qu'elle
se répandra de plus en plus, et sera appliquée
à tous les problèmes d'ingénierie et
de design faisant appel aux lois de la physique ordinaire.
Elle pourra servir aussi dans le domaine de la construction
de systèmes d'intelligence artificielle ou de vie artificielle
optimisés au regard de contraintes non physiques (rapports
performance-coûts).
 On
trouve dans le NewScientist du 13 décembre
2003 p. 40 un article de Philip Ball proposant un
exemple inattendu d'appel à la théorie
constructale (encore que le mot ne soit pas utilisé).
Il s'agit de la façon dont les fondeurs de
cloches australiens, Neil McLachan et Anton Hasell,
de l'Australian Bell Company, s'y sont pris pour éliminer
les harmoniques (overtones) de fréquence différente
se superposant au son principal dans le fonctionnement
d'une cloche ordinaire. Leur objectif était
en effet d'introduire des cloches dans un orchestre
composé d'autres instruments ou de réaliser
des orchestres de cloches. Dans ce cas, les fréquences
indésirables produisent des cacophonies insupportables.
Pour obtenir des cloches ne produisant pas ces effets,
ils ont étudié différentes formes
d'instruments, faisant appel aux méthodes classiques
de modélisation globale par essais et erreurs,
elles-mêmes utilisées depuis le 16e siècle
pour la réalisation des carillons. Mais dans
leur cas, le résultat n'était jamais
satisfaisant. La production du son dans une cloche
n'est pas quelque chose de simple. De nombreux facteurs
interviennent dans la façon dont vibre la cloche,
eux-mêmes fonction des détails de formes
de l'instrument, qui résistent à une
analyse globale.
Nos fondeurs australiens, en coopération avec
le compositeur Ross Edwards, firent donc appel à
la conception assistée par ordinateur pour
identifier quelles parties de la cloche vibrent et
comment leurs résonances sont fonction de leur
forme. Pour cela ils décomposèrent la
structure complexe de la cloche en éléments
dont il devenait possible de simuler les comportements
acoustiques. Un programme informatique leur permit
ensuite de reconstruire un réseau global éliminant
les sons indésirables. Ce fut à partir
de ce modèle qu'ils réalisèrent
enfin des instruments satisfaisants, de forme d'ailleurs
très variées et répondant à
des objectifs de composition musicale originaux. On
peut en écouter des exemples sur le site www.ausbell.com/Federation%20Bells/FEDBELLS.html.
|
La science de la
morphogenèse marque-t-elle un retour au déterminisme
?
Nous venons de voir que la théorie
constructale et les méthodes s'en inspirant, appliquées
aux questions de conception de systèmes, disposent
d'un bel avenir, puisqu'elles visent à obtenir des
produits finis optimisés, notamment au regard de la
consommation d'énergie. Dans ce cas, comme toutes les
sciences de l'ingénieur, elles ne peuvent qu'être
déterministes. Les phénomènes sont déterminés
par des lois, il faut découvrir celles-ci et les appliquer
le plus fidèlement possible. Il n'y a donc pas de place
pour l'aléatoire. Imaginerait-on de refuser le déterminisme
dans la programmation du vol d'une fusée spatiale ?
Si nous étendons cette philosophie
à la compréhension de la genèse des formes
du monde, nous devrions dire que la nature est déterministe
et non aléatoire. Le dessin d'un estuaire, celui des
taches sur le pelage des animaux, la dynamique des cyclones
et tous autres phénomènes identifiables par
nos sens seraient alors le résultat, obligé
et prévisible, de la mise en oeuvre de lois simples
telles que celles de l'économie d'énergie. Pour
que des systèmes survivent dans le temps, dit Bejan,
ils doivent évoluer de manière à offrir
un accès plus facile aux flux qui les traversent. Bien
sûr, différentes solutions peuvent concourir
à ce résultat mais, au cas par cas, les choix
se restreignent. Le système de la circulation sanguine,
comme celui de la circulation de la sève, qui ne tolèrent
pas l'aléatoire, ne présentent guère
de différences structurelles.
Mais si nous nous plaçons dans une perspective évolutionnaire
plus large, il redevient impossible de prédire l'évolution
des formes en les déduisant de l'application des lois
simples que nous aurions identifiées. Plus exactement,
si ces lois sont nécessaire, elles ne sont pas suffisantes.
Elles forment l'arrière-plan incontournable d'une évolution
qui cependant se développe de façon non déterministe
(non prévisible et souvent non explicable) par interaction
des systèmes naturels entre eux et avec leur environnement.
Ceci est particulièrement évident quand on considère
l'évolution des écosystèmes physiques
et biologiques complexes. On ne verra jamais (jusqu'à
plus ample informé) un tel écosystème
s'affranchir des principes de la thermodynamique, mais ceux-ci
ne nous serviront pas à prédire et ni souvent
même à comprendre des phénomènes
comme l'évolution du niveau de la mer et son influence
sur les formes des espèces vivantes en fonction du
réchauffement de la température terrestre. On
retrouve entière la question de l'émergence
plusieurs fois évoquée ici.
Rappelons une fois de plus, pour terminer,
que tout ce que nous pouvons dire de la science de la morphogenèse,
telle que décrite ici, n'a de validité que dans
les limites de la physique ordinaire ou macroscopique. Or
celle-ci n'est qu'une approximation au regard de la physique
quantique, d'où le déterminisme linéaire
a depuis longtemps été chassé.
Notes
(1) On sait que les formes telles que
les perçoit notre cerveau par interprétation
des informations fournies par les sens n'existent pas en tant
que telles dans notre environnement physique. Il s'agit d'une
reconstruction dont les modalités ont été
acquises lors de l'évolution par interaction entre
les organismes vivants et le monde physique. 
(2) Evoquons cependant pour être complet
les activités artistiques de l'espèce humaine,
grandes productrices de formes originales.
(3) Sur Rupert Sheldrake, voir notre Brève
du 06/09/01 "Rupert Sheldrake, le retour?" http://www.automatesintelligents.com/actu/010517_actu2.html.
La nature aurait selon lui une mémoire, que les présupposés
réductionnistes empêchent de détecter.
Chaque système, des cristaux aux animaux et aux sociétés,
est mis en forme en fonction de "champs morphiques"
spécifiques à chacun, qui contiennent les éléments
d'une mémoire collective elle-même spécifique,
la mémoire des formes. Les organismes ne partageraient
ainsi pas seulement le matériel génétique
de leur espèce, mais un "champ morphique "spécifique
à cette même espèce. Sheldrake a présenté
ses thèses, ainsi plus récemment que d'autres
relatives à la transmission de pensée entre
espèces vivantes, et aux liens possibles entre la science
et l'esprit, dans plusieurs livres. Le plus connu est The
Presence of the Past: Morphic Resonance & the Habits of
Nature (version française La mémoire de l'univers,
Editions du rocher, 1988).
(4) Les organismes vivants, dès les
premières divisions cellulaires, adoptent des plans
d'organisation qui contraignent le développement, l'organisation
et l'activité des cellules qui les composent (ou des
cellules importées telles les cellules souches indifférenciés).
Mais ces plans ne peuvent être considérées
comme incarnant des formes idéales s'imposant à
eux. Ils résultent simplement de mécanismes
optimisés de développement, inscrites par l'évolution
dans l'organisation des protéomes de chaque espèce.
Ils peuvent aussi résulter d'influences identiques
provenant du milieu extérieur, et produisant des effets
identiques. Sur ces questions de la forme en biologie, on
consultera les travaux récents de Gilbert Chauvet (ouvrage
à paraître dans la collection Automates-Intelligents
au 1er semestre 2004)
(5) Sur la Finite Element Analysis, voir
(entre autres) le site de Peter Budgell http://www3.sympatico.ca/peter_budgell/home.html
(6) Morphing Aircraft Structures. Voir Darpa
(document non accessible en direct) www.darpa.mil/dso/thrust/matdev/mas.htm
(7) Sur Adrian Bejan, voir notre article
précédent, que celui-ci renouvelle et complète
http://www.automatesintelligents.com/labo/2003/dec/bejan.html.
Voir aussi le site de Adrian Bejan http://mems.egr.duke.edu/Faculty/abejan/abejan.htm
