Un des probl\u00e8mes non r\u00e9solus de la biologie, auquel je fais souvent r\u00e9f\u00e9rence, est celui de l\u2019hom\u00e9ostasie, c\u2019est-\u00e0-dire de la stabilit\u00e9 des organismes vivants. Au fur et \u00e0 mesure de l\u2019\u00e9volution, des m\u00e9canismes de r\u00e9gulation sont apparus qui maintiennent \u00e0 peu pr\u00e8s constantes certaines de leurs caract\u00e9ristiques comme leur taille, leur temp\u00e9rature ou leur besoin en nourriture. \u00c0 cause de ces m\u00e9canismes, le processus de criticalit\u00e9 auto-organis\u00e9e ne s\u2019applique plus.<\/p>\n
Il s\u2019applique cependant encore \u00e0 la plupart des populations d\u2019individus, par exemple aux populations de bact\u00e9ries. On le sait gr\u00e2ce aux \u00e9pid\u00e9mies. Les statistiques montrent que l\u2019amplitude des \u00e9pid\u00e9mies est inversement proportionnelle \u00e0 leur fr\u00e9quence (1). Bak et Sneppen ont montr\u00e9 qu\u2019il s\u2019appliquait de fa\u00e7on g\u00e9n\u00e9rale aux esp\u00e8ces animales et v\u00e9g\u00e9tales. En pr\u00e9sence de nourriture, leur population prolif\u00e8re jusqu\u2019au moment o\u00f9, les ressources \u00e9tant \u00e9puis\u00e9es, la population s\u2019effondre au point que parfois l\u2019esp\u00e8ce s\u2019\u00e9teint. La statistique des extinctions d\u2019esp\u00e8ces montre que l\u2019amplitude des extinctions est effectivement inversement proportionnelle \u00e0 leur fr\u00e9quence.<\/p>\n
Le processus de criticalit\u00e9 auto-organis\u00e9e ne s\u2019applique plus d\u00e8s que la population est suffisamment organis\u00e9e pour pouvoir \u00eatre consid\u00e9r\u00e9e comme formant un seul et m\u00eame organisme vivant. C\u2019est le cas par exemple d\u2019un essaim d\u2019abeilles. Darwin lui-m\u00eame s\u2019\u00e9tait d\u00e9j\u00e0 rendu compte que, dans ce cas, la s\u00e9lection naturelle ne s\u2019applique plus aux abeilles, mais \u00e0 l\u2019essaim. Au lieu d\u2019\u00eatre en comp\u00e9tition entre elles, les abeilles coop\u00e8rent pour le plus grand b\u00e9n\u00e9fice de la ruche. On constate alors que la taille des essaims d\u2019abeille n\u2019est plus distribu\u00e9e suivant une loi en 1\/f, mais est centr\u00e9e autour d\u2019une taille optimale. C\u2019est bien s\u00fbr le cas de tous les organismes multicellulaires consid\u00e9r\u00e9s comme des populations de cellules diff\u00e9renci\u00e9es coop\u00e9rant entre elles. La question se pose alors de savoir ce qui d\u00e9termine la taille optimale des essaims d\u2019abeille comme celle des organismes multicellulaires.<\/p>\n
La r\u00e9ponse est naturellement li\u00e9e \u00e0 la quantit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie qu\u2019ils dissipent par unit\u00e9 de temps, c\u2019est-\u00e0-dire \u00e0 leur m\u00e9tabolisme. On sait que le m\u00e9tabolisme d\u2019un organisme vivant est li\u00e9 \u00e0 sa masse par la loi empirique de Kleiber (2). Tr\u00e8s largement v\u00e9rifi\u00e9e, cette loi dit que le m\u00e9tabolisme est proportionnel \u00e0 la puissance 3\/4 de la masse. Si l\u2019on admet que l\u2019\u00e9nergie dissip\u00e9e par un organisme vivant est proportionnelle \u00e0 sa surface, tandis que sa masse est proportionnelle \u00e0 son volume, alors le m\u00e9tabolisme devrait \u00eatre proportionnel \u00e0 la puissance 2\/3 de la masse et non pas 3\/4. D\u2019apr\u00e8s West, Brown et Enquist (3), la puissance 3\/4 serait due \u00e0 la structure fractale des art\u00e8res ou capillaires qui distribuent l\u2019\u00e9nergie chez les \u00eatres vivants. Cette structure optimiserait leur dissipation d\u2019\u00e9nergie. Elle serait donc une cons\u00e9quence du principe de production maximale d\u2019entropie. Mais pourquoi le coefficient 3\/4? La question est toujours d\u00e9battue.<\/p>\n
Reprenons le cas d\u2019une ruche. En pr\u00e9sence de nourriture abondante, on s\u2019attend \u00e0 ce que le m\u00e9tabolisme de la ruche (\u00e9nergie totale qu\u2019elle dissipe par unit\u00e9 de temps) soit proportionnel au nombre d\u2019abeilles, c\u2019est-\u00e0-dire \u00e0 la masse totale des abeilles. En l\u2019absence de nourriture, les abeilles limitent leurs pertes thermiques en formant un essaim sph\u00e9rique. Si le m\u00e9tabolisme de l\u2019essaim se limite \u00e0 compenser ces pertes, il est alors proportionnel \u00e0 la puissance 2\/3 de sa masse. Ce sont clairement deux cas extr\u00eames. L\u2019exposant 3\/4 apparait comme un cas interm\u00e9diaire pour lequel la nourriture est suffisante \u00e0 la survie, sans pour autant \u00eatre abondante.<\/p>\n
On peut d\u00e9finir l\u2019efficacit\u00e9 m\u00e9tabolique de la ruche comme \u00e9tant son m\u00e9tabolisme par unit\u00e9 de masse (ou par abeille). L\u2019exposant 3\/4 implique qu\u2019il d\u00e9croit comme la puissance -1\/4 de la masse totale des abeilles. Cela a des implications pour la croissance d\u2019une ruche. Au fur et \u00e0 mesure que le nombre d\u2019abeilles croit, l\u2019efficacit\u00e9 m\u00e9tabolique de la ruche d\u00e9croit. Chacun sait que les abeilles produisent plus de miel que ce dont elles ont besoin, \u00e0 notre grand b\u00e9n\u00e9fice. L\u2019exc\u00e9dent de miel est l\u00e0 pour compenser un manque \u00e9ventuel de nourriture. Mais lorsque le nombre d\u2019abeilles augmentent, celles-ci ont de plus en plus de mal \u00e0 maintenir un stock suffisant de nourriture. La croissance de la ruche s\u2019arr\u00eate. Sa population atteint l\u2019hom\u00e9ostasie.<\/p>\n
La question se pose alors de savoir ce qui d\u00e9termine l\u2019arr\u00eat de la croissance. Les abeilles ayant tendance \u00e0 former des essaims trop petits ou trop gros vont, suivant le cas, moins bien se reproduire ou survivre moins longtemps que celles qui forment des essaims de taille optimale. La s\u00e9lection naturelle va donc les \u00e9liminer. Au lieu de fluctuer avec une amplitude inversement proportionnelle \u00e0 sa fr\u00e9quence, comme le voudrait le processus de criticalit\u00e9 auto-organis\u00e9e, la taille des essaims d\u2019abeilles devient r\u00e9gul\u00e9e. Elle se contente de fluctuer autour d\u2019une taille optimale. Cette taille optimale, est devenue une caract\u00e9ristique g\u00e9n\u00e9tique des abeilles.<\/p>\n
Le lecteur aura compris que tout ceci peut s\u2019appliquer aux populations humaines. L\u2019histoire et l\u2019arch\u00e9ologie montrent que les populations humaines ont tendance \u00e0 cro\u00eetre exponentiellement puis \u00e0 s\u2019effondrer d\u00e8s que les ressources viennent \u00e0 manquer. La d\u00e9couverte et l\u2019extraction des \u00e9nergies fossiles, notamment le p\u00e9trole, \u00e0 provoqu\u00e9 une v\u00e9ritable explosion de la population humaine \u00e0 l\u2019\u00e9chelle du globe et chacun s\u2019inqui\u00e8te, \u00e0 juste titre, des effets de notre utilisation incontr\u00f4l\u00e9e de ces ressources. Peu \u00e0 peu une prise de conscience se fait jour de la n\u00e9cessit\u00e9 de r\u00e9guler notre utilisation de l\u2019\u00e9nergie. Tandis que la taille des essaims d\u2019abeilles est devenue une caract\u00e9ristique g\u00e9n\u00e9tique de ces insectes, la taille des populations humaines deviendra-t-elle \u00e0 son tour une caract\u00e9ristique culturelle de l\u2019homme?<\/p>\n
(1) C\u2019est pourquoi celles-ci font partie des causes possibles d\u2019effondrement de l\u2019humanit\u00e9.<\/p>\n
(2) Voir Thermodynamique de l\u2019\u00e9volution, p. 68.<\/p>\n
(3) West, G.B., Brown, J.H. & Enquist, B.J. (1997) A general model for the origin of allometric scaling laws in biology. Science 276, 122\u2013126.<\/p>\n
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Un des probl\u00e8mes non r\u00e9solus de la biologie, auquel je fais souvent r\u00e9f\u00e9rence, est celui de l\u2019hom\u00e9ostasie, c\u2019est-\u00e0-dire de la stabilit\u00e9 des organismes vivants. Au fur et \u00e0 mesure de l\u2019\u00e9volution, des m\u00e9canismes de r\u00e9gulation sont apparus qui maintiennent \u00e0 peu pr\u00e8s constantes certaines de leurs caract\u00e9ristiques comme leur taille, leur temp\u00e9rature ou leur besoin … Continuer la lecture de 79 – L\u2019hom\u00e9ostasie et le m\u00e9tabolisme<\/span>