{"id":147,"date":"2007-01-02T19:44:58","date_gmt":"2007-01-02T18:44:58","guid":{"rendered":"http:\/\/www.francois-roddier.fr\/wordpress\/?p=147"},"modified":"2014-10-30T19:15:48","modified_gmt":"2014-10-30T18:15:48","slug":"17-vie-et-dissipation-denergie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/?p=147","title":{"rendered":"17 – Vie et dissipation d\u2019\u00e9nergie."},"content":{"rendered":"

Dans mon pr\u00e9c\u00e9dent article, j\u2019ai montr\u00e9 les limites de la th\u00e9orie de Darwin et de ses extensions modernes. Le lecteur attentif aura compris que pour aller plus loin il devient n\u00e9cessaire d\u2019ins\u00e9rer la th\u00e9orie de la s\u00e9lection naturelle dans un cadre plus vaste, celui d\u2019une th\u00e9orie physique g\u00e9n\u00e9rale incluant les ph\u00e9nom\u00e8nes vivants et non-vivants. De cette th\u00e9orie plus vaste, j\u2019ai d\u00e9j\u00e0 largement parl\u00e9. Elle porte le nom de m\u00e9canique statistique ou thermodynamique.<\/p>\n

Historiquement, la plupart des tentatives de d\u00e9crire la vie en termes de thermodynamique ont \u00e9chou\u00e9 parce qu\u2019elles se r\u00e9f\u00e9raient aux th\u00e9ories d\u00e9velopp\u00e9es au 19\u00e8me si\u00e8cle par de Clausius et Boltzmann (voir articles 6, 7 et 8 ). Malheureusement, ces th\u00e9ories s\u2019appliquent uniquement \u00e0 des syst\u00e8mes dits ferm\u00e9s (isol\u00e9s), c\u2019est-\u00e0-dire tels que ni mati\u00e8re ni \u00e9nergie ne peut y entrer ou en sortir. De tels syst\u00e8mes \u00e9voluent irr\u00e9versiblement vers l\u2019\u00e9quilibre thermodynamique. L\u2019\u00e9nergie ne peut que se disperser \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur du syst\u00e8me. On traduit cela en disant que l\u2019entropie du syst\u00e8me ne peut qu\u2019augmenter. Lorsque cette entropie atteint la valeur maximale compatible avec les contraintes impos\u00e9es, l\u2019\u00e9volution cesse. Il y a \u00e9quilibre thermodynamique.<\/p>\n

Historiquement, la vie semblait contraire aux principes de la thermodynamique parce que les \u00eatres vivants tendent au contraire \u00e0 diminuer sans cesse l\u2019entropie. Nous avons vu (article 9) que ceci n\u2019est pas contraire aux lois de la thermodynamique s\u2019il y a apport d\u2019\u00e9nergie. C\u2019est bien le cas des \u00eatres vivants qui ne peuvent subsister que par un apport continu d\u2019\u00e9nergie (les calories contenues dans leur nourriture). C\u2019est le cas aussi de la machine \u00e0 vapeur qui est capable (au moins partiellement) de transformer de la chaleur en travail m\u00e9canique. L\u2019un peut d\u2019ailleurs remplacer l\u2019autre puisque le moteur \u00e0 combustion interne a remplac\u00e9 le cheval dans les transports automobiles.<\/p>\n

L\u2019incompr\u00e9hension vient du fait que le moteur d\u2019une automobile a \u00e9t\u00e9 fabriqu\u00e9 par l\u2019homme tandis que l\u2019homme (ou le cheval) s\u2019est fabriqu\u00e9 tout seul. Le probl\u00e8me que la thermodynamique du 19\u00e8me si\u00e8cle ne parvient pas \u00e0 expliquer est donc l\u2019auto-organisation des \u00eatres vivants. C\u2019est ce probl\u00e8me que nous allons examiner maintenant plus en d\u00e9tail. Il est la clef non seulement de l\u2019apparition de la vie sur terre, mais aussi du d\u00e9veloppement des embryons, de l\u2019\u00e9volution des soci\u00e9t\u00e9s animales notamment celles des insectes, et plus g\u00e9n\u00e9ralement de l\u2019\u00e9volution des \u00e9co-syst\u00e8mes. Il est aussi la clef de l\u2019\u00e9volution de l\u2019homme et des soci\u00e9t\u00e9s humaines, probl\u00e8me qui nous int\u00e9resse ici au premier chef et que j\u2019aborderai \u00e0 la fin de ce blog.<\/p>\n

Nous avons vu (articles 10, 11, 12) que l\u2019auto-organisation n\u2019est pas le propre des \u00eatres vivants. J\u2019ai donn\u00e9 comme exemple celui des cellules de B\u00e9nard ou des tourbillons de Taylor. Ils nous serviront souvent de mod\u00e8le. C\u2019est le physicien et chimiste belge Ilya Prigogine<\/a> (a) qui a le premier reconnu l\u2019importance de ces ph\u00e9nom\u00e8nes auxquels il a donn\u00e9 le nom de structures dissipatives (1), \u00e9tablissant ainsi les fondements de la thermodynamique des syst\u00e8mes hors \u00e9quilibre.<\/p>\n

Bien qu\u2019ayant consid\u00e9rablement progress\u00e9 durant les cinquante derni\u00e8res ann\u00e9es, cette branche de la thermodynamique est rarement enseign\u00e9e dans les universit\u00e9s. Elle est g\u00e9n\u00e9ralement mal connue des biologistes qui la d\u00e9couvrent peu \u00e0 peu. C\u2019est pourquoi les r\u00e9sultats que je vais d\u00e9crire dans la suite de ce blog ne sont pas encore tous universellement reconnus. Mon but est de les faire conna\u00eetre et d\u2019en faire appr\u00e9cier l\u2019importance. Leurs implications pour l\u2019humanit\u00e9 sont consid\u00e9rables non seulement en biologie mais aussi en sociologie, en \u00e9conomie et en politique.<\/p>\n

Une structure dissipative est un syst\u00e8me thermodynamique ouvert, hors \u00e9quilibre, continuellement travers\u00e9 par un flux d\u2019\u00e9nergie (souvent aussi de mati\u00e8re). Ce flux d\u2019\u00e9nergie lui permet de se maintenir hors \u00e9quilibre tout en gardant, au moins pendant un certain temps, une structure \u00e0 peu pr\u00e8s semblable \u00e0 elle-m\u00eame (hom\u00e9ostasie<\/a>) (b). Parmi les exemples simples de structures dissipatives on peut citer non seulement un tourbillon ou une cellule convective mais aussi une vague pouss\u00e9e par le vent, un \u00e9coulement d\u2019eau, une flamme, etc\u2026<\/p>\n

Clairement les \u00eatres vivants font partie de cette cat\u00e9gorie. Ils se maintiennent en vie gr\u00e2ce \u00e0 un apport continu d\u2019\u00e9nergie sous forme de nourriture. D\u2019o\u00f9 l\u2019impression de courir pour rester sur place, si bien d\u00e9crite par Lewis Caroll dans son livre pour enfants \u201cDe l\u2019autre cot\u00e9 du miroir<\/a>\u201d (c). Il faut en effet constamment travailler, c\u2019est-\u00e0-dire d\u00e9penser de l\u2019\u00e9nergie, simplement pour se maintenir en vie. La mort marque un retour vers l\u2019\u00e9quilibre thermodynamique.<\/p>\n

Ce n\u2019est que r\u00e9cemment , gr\u00e2ce notamment aux travaux de Roderick Dewar<\/a> (d) (2, 3), que les r\u00e9sultats de la m\u00e9canique statistique ont pu \u00eatre \u00e9tendus aux syst\u00e8mes ouverts, hors \u00e9quilibre, tels que les structures dissipatives. Tandis que l\u2019\u00e9tat<\/u> le plus probable d\u2019un syst\u00e8me ferm\u00e9 \u00e0 l\u2019\u00e9quilibre est celui d\u2019entropie maximale, la structure<\/u> la plus probable d\u2019un syst\u00e8me ouvert hors \u00e9quilibre est celle qui maximise la production d\u2019entropie c\u2019est-\u00e0-dire la dissipation de l\u2019\u00e9nergie.<\/p>\n

Nous avons vu que c\u2019est bien ce qu\u2019on observe exp\u00e9rimentalement. Je renvoie en particulier le lecteur \u00e0 ma description des \u00e9coulements laminaires et turbulents (article 11). Dans le premier cas la dissipation d\u2019\u00e9nergie (dite visqueuse) est proportionnelle \u00e0 la vitesse. Dans le second cas (dissipation turbulente) elle est proportionnelle au carr\u00e9 de la vitesse. Il existe donc une vitesse critique telle que si la vitesse d\u2019\u00e9coulement lui est inf\u00e9rieure alors la viscosit\u00e9 est le m\u00e9canisme de dissipation le plus efficace et l\u2019\u00e9coulement est laminaire. Par contre, si la vitesse d\u2019\u00e9coulement est sup\u00e9rieure \u00e0 la vitesse critique alors la turbulence est le m\u00e9canisme de dissipation le plus efficace et l\u2019\u00e9coulement devient turbulent. Vous pouvez en faire l\u2019exp\u00e9rience tous les jours en ouvrant un robinet d\u2019eau (4). Un robinet entrouvert ne laisse passer qu\u2019un mince filet d\u2019eau parfaitement laminaire. Un robinet grand ouvert laisse \u00e9chapper un flot d\u2019eau turbulent. Dans les deux cas la structure<\/u> de l\u2019\u00e9coulement est celle qui maximise la dissipation d\u2019\u00e9nergie.<\/p>\n

Nous avons vu qu\u2019un \u00eatre vivant est aussi une structure dissipative. Cela veut dire qu\u2019un \u00eatre vivant est naturellement optimis\u00e9 pour dissiper l\u2019\u00e9nergie. La vie est apparue sur terre parce qu\u2019elle conduisait \u00e0 un accroissement de la dissipation d\u2019\u00e9nergie, en particulier de l\u2019\u00e9nergie solaire. La vie a \u00e9volu\u00e9 de fa\u00e7on \u00e0 augmenter constamment cette dissipation d\u2019\u00e9nergie. La thermodynamique nous donne donc la clef de l\u2019\u00e9volution. Elle montre en particulier le v\u00e9ritable r\u00f4le de la s\u00e9lection naturelle. Comme l\u2019avait remarqu\u00e9 Lotka<\/a> (e) d\u00e8s 1922 (5), la nature choisit toujours la solution qui dissipe le plus d\u2019\u00e9nergie. Lorsque Spencer parle de la \u201csurvie du plus apte\u201d, le sens du mot \u201capte\u201d devient maintenant clair. Il s\u2019agit du plus apte \u00e0 dissiper l\u2019\u00e9nergie, c\u2019est-\u00e0-dire \u00e0 consommer de la nourriture et \u00e0 se multiplier (6<\/a>).<\/p>\n

Il y a en effet deux fa\u00e7ons d\u2019augmenter la dissipation d\u2019\u00e9nergie, soit en accroissant la consommation de chaque individu, soit en accroissant leur nombre. Les biologistes ont remarqu\u00e9 que la s\u00e9lection naturelle agit en effet de chacune de ces deux fa\u00e7ons, appel\u00e9es respectivement s\u00e9lection K<\/b> et s\u00e9lection r<\/b>, mais sans en conna\u00eetre la raison profonde. La thermodynamique nous explique pourquoi.<\/p>\n

La thermodynamique explique aussi ce que la s\u00e9lection naturelle n\u2019explique pas: la coop\u00e9ration entre les g\u00e8nes dans le g\u00e9nome, entre les cellules dans un organisme multicellulaire, ou entre les individus dans une soci\u00e9t\u00e9. Il y a coop\u00e9ration si l\u2019\u00e9nergie dissip\u00e9e par l\u2019ensemble est sup\u00e9rieure \u00e0 la somme des \u00e9nergies dissip\u00e9es par chacun des \u00e9l\u00e9ments pris individuellement. Si un chasseur peut attraper un lapin, trois chasseurs peuvent attraper un mammouth ce qui est beaucoup plus que trois lapins. L\u00e0 est la clef de l\u2019auto-organisation. La mati\u00e8re, les g\u00e8nes, les cellules, les individus s\u2019auto-organisent pour dissiper toujours davantage d\u2019\u00e9nergie.<\/p>\n

C\u2019est ainsi que la vie s\u2019est peu \u00e0 peu d\u00e9velopp\u00e9e pour aboutir \u00e0 l\u2019homme, de loin le plus gros dissipateur d\u2019\u00e9nergie. L\u2019humanit\u00e9 elle-m\u00eame s\u2019auto-organise et sa dissipation d\u2019\u00e9nergie ne cesse de cro\u00eetre. Au cours du seul 20\u00e8me si\u00e8cle la population du globe est pass\u00e9e de 1,65 milliards d\u2019individus \u00e0 6 milliards et la puissance moyenne consomm\u00e9e par chaque individu est pass\u00e9e de 400 \u00e0 2.000 Watts (voir figure). Et cela ne nous suffit toujours pas. On comprend maintenant pourquoi l\u2019homme ne sera jamais satisfait. La nature nous a litt\u00e9ralement fabriqu\u00e9s pour augmenter sans cesse la dissipation d\u2019\u00e9nergie de l\u2019univers.<\/p>\n\n\n\n
\n\"individu\"<\/a>\n<\/td>\n<\/tr>\n
\nPuissance moyenne dissip\u00e9e par individu.
\nLa droite horizontale indique la dissipation
\nn\u00e9cessaire pour maintenir en vie un individu au repos.\n<\/td>\n<\/tr>\n<\/table>\n

(a) http:\/\/www.philo5.com\/Les%20vrais%20penseurs\/03%20-%20Ilya%20Prigogine.htm<\/a>
\n(b) http:\/\/fr.wikipedia.org\/wiki\/Hom\u00e9ostasie<\/a>
\n(c) http:\/\/fr.wikipedia.org\/wiki\/De_l’autre_c\u00f4t\u00e9_du_miroir<\/a>
\n(d) http:\/\/www.inra.fr\/les_hommes_et_les_femmes\/portraits\/tous_les_portraits\/roderick_dewar<\/a>
\n(e) http:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Alfred_J._Lotka<\/a><\/p>\n

(1) I. Prigogine, Thermodynamics of irreversible processes (J. Wiley & Sons, 1955).
\n(2) R. Dewar, Information theory explanation of the fluctuation theorem, maximum entropy production and self-organized criticality in non-equilibrium stationary states (J. Phys. A.: Math. Gen. 36-3, 2003).
\n(3) R. Dewar, Maximum Entropy Production and the Fluctuation Theorem (J. Phys. A.: Math. Gen. 38, 2005).
\n(4) De nos jours les robinets sont g\u00e9n\u00e9ralement \u00e9quip\u00e9s d\u2019un brise-jet. Pour cette exp\u00e9rience, il est pr\u00e9f\u00e9rable de le retirer.
\n(5) A. Lotka, Contribution to the energetics of evolution (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 8, 151-154, 1922)
\n(6) F. Roddier, Maximum Entropy Production and Darwinian Evolution<\/a> .<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Dans mon pr\u00e9c\u00e9dent article, j\u2019ai montr\u00e9 les limites de la th\u00e9orie de Darwin et de ses extensions modernes. Le lecteur attentif aura compris que pour aller plus loin il devient n\u00e9cessaire d\u2019ins\u00e9rer la th\u00e9orie de la s\u00e9lection naturelle dans un cadre plus vaste, celui d\u2019une th\u00e9orie physique g\u00e9n\u00e9rale incluant les ph\u00e9nom\u00e8nes vivants et non-vivants. De … Continuer la lecture de 17 – Vie et dissipation d\u2019\u00e9nergie.<\/span> →<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[],"class_list":["post-147","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/147","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=147"}],"version-history":[{"count":2,"href":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/147\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":150,"href":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/147\/revisions\/150"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=147"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=147"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=147"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}