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5 janvier 2004
par Jean-Paul Baquiast

La morphogenèse

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 - article concernant Adrian Bejan 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).



Three Harmonic bell shapes. Les fondeurs du grand bourdon de la cathédrale de Stasbourg n'y reconnaîtraient pas grand chose. © AusbellOn 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?". 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. Voir aussi le site de Adrian Bejan http://mems.egr.duke.edu/Faculty/abejan/abejan.htm


© Automates Intelligents 2004

 





 

 

 

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