Comment la vie (et la mort) naissent du désordre

On a longtemps pensé que la vie obéissait à ses propres règles. Mais alors que des systèmes simples montrent des signes de comportement réaliste, les scientifiques se demandent si cette apparente complexité n'est pas simplement une conséquence de la thermodynamique.

Quelle est la différence entre physique et biologie ? Prenez une balle de golf et un boulet de canon et déposez-les au sommet de la Tour de Pise. Les lois de la physique vous permettent de prédire leurs trajectoires avec autant de précision que vous pourriez le souhaiter.

Maintenant, refaites la même expérience, mais remplacez le boulet de canon par un pigeon.

Les systèmes biologiques ne défient pas les lois physiques, bien sûr, mais celles-ci ne semblent pas non plus pouvoir les prédire. En revanche, ils sont orientés vers un objectif : survivre et se reproduire. On peut dire qu’ils ont un but – ou ce que les philosophes appellent traditionnellement une téléologie – qui guide leur comportement. De la même manière, la physique nous permet désormais de prédire, à partir de l’état de l’univers un milliardième de seconde après le Big Bang, ce à quoi il ressemble aujourd’hui. Mais personne n’imagine que l’apparition des premières cellules primitives sur Terre a conduit de manière prévisible à la race humaine. Il semble qu'il n'y ait pas de loi qui dicte le cours de l’évolution.

La téléologie et la contingence historique de la biologie, a déclaré le biologiste évolutionniste Ernst Mayr, la rendent uniques qui parmi les sciences. Ces deux caractéristiques découlent peut-être du seul principe directeur général de la biologie : l’évolution. Qui dépend du hasard et des aléas, mais la sélection naturelle lui donne l’apparence d’une intention et d’un but. Les animaux ne sont pas attirés vers l’eau par une attraction magnétique, mais par leur instinct, leur intention de survivre. Les jambes servent, entre autres, à nous emmener à l'eau.

Mayr affirmait que ces caractéristiques rendent la biologie exceptionnelle – une loi en soi. Mais les développements récents en physique hors équilibre, en science des systèmes complexes et en théorie de l’information remettent en question cette vision.

Une fois que nous considérons les êtres vivants comme des agents effectuant un calcul – collectant et stockant des informations sur un environnement imprévisible – les capacités et les considérations telles que la réplication, l’adaptation, l’action, le but et la signification peuvent être comprises comme découlant non pas d’une improvisation évolutive, mais comme d'inévitables corollaires aux lois physiques. En d’autres termes, il semble y avoir une sorte de physique selon laquelle les choses font des choses et évoluent pour faire des choses. Le sens et l’intention – considérés comme les caractéristiques déterminantes des systèmes vivants –  émergeant naturellement à travers les lois de la thermodynamique et de la mécanique statistique.

En novembre dernier, des physiciens, des mathématiciens et des informaticiens se sont réunis avec des biologistes évolutionnistes et moléculaires pour discuter – et parfois débattre – de ces idées lors d'un atelier à l'Institut de Santa Fe au Nouveau-Mexique, la Mecque de la science des " systèmes complexes ". La question était  : à quel point la biologie est-elle spéciale (ou non) ?

Il n’est guère surprenant qu’il n’y ait pas eu de consensus. Mais un message qui est ressorti très clairement est que, s’il existe une sorte de physique derrière la téléologie et l’action biologiques, elle a quelque chose à voir avec le même concept qui semble s’être installé au cœur de la physique fondamentale elle-même : l’information.

Désordre et démons

La première tentative d’introduire l’information et l’intention dans les lois de la thermodynamique a eu lieu au milieu du XIXe siècle, lorsque la mécanique statistique fut inventée par le scientifique écossais James Clerk Maxwell. Maxwell a montré comment l’introduction de ces deux ingrédients semblait permettre de réaliser des choses que la thermodynamique proclamait impossibles.

Maxwell avait déjà montré comment les relations mathématiques prévisibles et fiables entre les propriétés d’un gaz – pression, volume et température – pouvaient être dérivées des mouvements aléatoires et inconnaissables d’innombrables molécules secouées frénétiquement par l’énergie thermique. En d’autres termes, la thermodynamique – la nouvelle science du flux de chaleur, qui unissait les propriétés de la matière à grande échelle comme la pression et la température – était le résultat de la mécanique statistique à l’échelle microscopique des molécules et des atomes.

Selon la thermodynamique, la capacité à extraire du travail utile des ressources énergétiques de l’univers est en constante diminution. Les poches d’énergie diminuent, les concentrations de chaleur s’amenuisent. Dans tout processus physique, une certaine énergie est inévitablement dissipée sous forme de chaleur inutile, perdue au milieu des mouvements aléatoires des molécules. Ce caractère aléatoire est assimilé à la quantité thermodynamique appelée entropie – une mesure du désordre – qui est toujours croissante. C'est la deuxième loi de la thermodynamique. Finalement, l’univers en entier sera réduit à un fouillis uniforme et ennuyeux : un état d’équilibre, dans lequel l’entropie est maximisée et où rien de significatif ne se reproduira plus jamais.

Sommes-nous vraiment condamnés à ce triste sort ? Maxwell était réticent à y croire et, en 1867, il entreprit, comme il le disait, de " faire un trou " dans la deuxième loi. Son objectif était de commencer avec une boîte emplie de molécules désordonnée qui s'agitaient de manière aléatoire, puis de séparer les molécules rapides des molécules lentes, réduisant ainsi l'entropie.

Imaginez une petite créature – le physicien William Thomson l'appellera plus tard, au grand désarroi de Maxwell, un démon – qui peut voir chaque molécule individuelle dans la boîte. Le démon sépare la boîte en deux compartiments, avec une porte coulissante dans le mur entre eux. Chaque fois qu'il aperçoit une molécule particulièrement énergétique s'approcher de la porte depuis le compartiment de droite, il l'ouvre pour la laisser passer. Et chaque fois qu’une molécule lente et "froide " s’approche par la gauche, il la laisse passer également. Enfin, il dispose d'un compartiment de gaz froid à droite et de gaz chaud à gauche : un réservoir de chaleur sur lequel on peut puiser pour effectuer des travaux, compenser, etc.

Cela n'est possible que pour deux raisons. Premièrement, le démon possède plus d’informations que nous : il peut voir toutes les molécules individuellement, plutôt que de se limiter à des moyennes statistiques. Et deuxièmement, il a une intention : un plan pour séparer le chaud du froid. En exploitant intentionnellement ses connaissances, il peut défier les lois de la thermodynamique.

Du moins, semble-t-il. Il a fallu cent ans pour comprendre pourquoi le démon de Maxwell ne peut en fait vaincre la deuxième loi et éviter le glissement inexorable vers un équilibre mortel et universel. Et la raison montre qu’il existe un lien profond entre la thermodynamique et le traitement de l’information – ou en d’autres termes, le calcul. Le physicien germano-américain Rolf Landauer a montré que même si le démon peut recueillir des informations et déplacer la porte (sans friction) sans coût d'énergie, il reste quand même quelque chose à payer. Parce qu'il ne peut pas y avoir une mémoire illimitée de chaque mouvement moléculaire, il faut occasionnellement effacer sa mémoire – oublier ce qu'il a vu et recommencer – avant de pouvoir continuer à récolter de l'énergie. Cet acte d’effacement d’informations a un prix inévitable : il dissipe de l’énergie, et donc augmente l’entropie. Tous les gains réalisés contre la deuxième loi grâce au travail astucieux du démon sont annulés par cette " limite de Landauer " : le coût fini de l'effacement de l'information (ou plus généralement, de la conversion de l'information d'une forme vers une autre).

Les organismes vivants ressemblent plutôt au démon de Maxwell. Alors qu’un récipient empli de produits chimiques en interactions finira par dépenser son énergie pour tomber dans une stase et un équilibre ennuyeux, les systèmes vivants évitent collectivement l’état d’équilibre du non vivant depuis l’origine de la vie il y a environ trois milliards et demi d’années. Ils récupèrent l’énergie de leur environnement pour maintenir cet état de non-équilibre, et ils le font avec " une intention ". Même les simples bactéries se déplacent avec " intention " vers les sources de chaleur et de nutrition. Dans son livre de 1944, Qu'est-ce que la vie ?, le physicien Erwin Schrödinger l’a exprimé en disant que les organismes vivants se nourrissent d’ " entropie négative ".

Ils y parviennent, explique Schrödinger, en capturant et en stockant des informations. Certaines de ces informations sont codées dans leurs gènes et transmises d’une génération à l’autre : un ensemble d’instructions pour continuer de récolter l’entropie négative. Schrödinger ne savait pas où les informations sont conservées ni comment elles sont codées, mais son intuition selon laquelle elles sont écrites dans ce qu'il nomme un " cristal apériodique* " a inspiré Francis Crick, lui-même physicien de formation, et James Watson, lorsqu'en 1953, ils pensèrent comment l'information génétique peut être codée dans la structure moléculaire de la molécule d'ADN.

Un génome est donc, au moins en partie, un enregistrement des connaissances utiles qui ont permis aux ancêtres d'un organisme – jusqu'à un passé lointain – de survivre sur notre planète. Selon David Wolpert, mathématicien et physicien de l'Institut de Santa Fe qui a organisé le récent atelier, et son collègue Artemy Kolchinsky, le point clé est que les organismes bien adaptés sont corrélés à cet environnement. Si une bactérie nage de manière fiable vers la gauche ou la droite lorsqu’il y a une source de nourriture dans cette direction, elle est mieux adaptée et s’épanouira davantage qu’une bactérie qui nage dans des directions aléatoires et ne trouve donc la nourriture que par hasard. Une corrélation entre l’état de l’organisme et celui de son environnement implique qu’ils partagent des informations en commun. Wolpert et Kolchinsky affirment que c'est cette information qui aide l'organisme à rester hors équilibre, car, comme le démon de Maxwell, il peut adapter son comportement pour extraire le travail des fluctuations de son environnement. S’il n’acquérait pas cette information, l’organisme retrouverait progressivement cet équilibre : il mourrait.

Vue sous cet angle, la vie peut être considérée comme un calcul visant à optimiser le stockage et l’utilisation d’informations significatives. Et la vie s’avère extrêmement efficace dans ce domaine. La résolution par Landauer de l'énigme du démon de Maxwell a fixé une limite inférieure absolue à la quantité d'énergie requise par un calcul à mémoire finie : à savoir le coût énergétique de l'oubli. Les meilleurs ordinateurs d’aujourd’hui gaspillent bien plus d’énergie que cela, consommant et dissipant généralement plus d’un million de fois plus. Mais selon Wolpert, " une estimation très prudente de l’efficacité thermodynamique du calcul total effectué par une cellule est qu’elle n’est qu’environ 10 fois supérieure à la limite de Landauer ".

L’implication, dit-il, est que " la sélection naturelle s’est énormément préoccupée de minimiser le coût thermodynamique du calcul. Elle fera tout son possible pour réduire la quantité totale de calculs qu’une cellule doit effectuer. En d’autres termes, la biologie (à l’exception peut-être de nous-mêmes) semble prendre grand soin de ne pas trop réfléchir au problème de la survie. Cette question des coûts et des avantages de l'informatique tout au long de la vie, a-t-il déclaré, a été largement négligée en biologie jusqu'à présent.

Darwinisme inanimé

Ainsi, les organismes vivants peuvent être considérés comme des entités qui s’adaptent à leur environnement en utilisant l’information pour récolter de l’énergie et échapper à l’équilibre. On pensera ce qu'on veut de cette phrase mais on remarquera qu'elle ne dit rien sur les gènes et l’évolution, que Mayr, comme de nombreux biologistes, pensait subordonnés à une intention et des but biologiques.

Jusqu’où cette image peut-elle alors nous mener ? Les gènes perfectionnés par la sélection naturelle sont sans aucun doute au cœur de la biologie. Mais se pourrait-il que l’évolution par sélection naturelle ne soit en elle-même qu’un cas particulier d’un impératif plus général vers une fonction et un but apparent qui existe dans l’univers purement physique ? ça commence à ressembler à cela.

L’adaptation a longtemps été considérée comme la marque de l’évolution darwinienne. Mais Jeremy England, du Massachusetts Institute of Technology, a soutenu que l'adaptation à l'environnement peut se produire même dans des systèmes non vivants complexes.

L’adaptation a ici une signification plus spécifique que l’image darwinienne habituelle d’un organisme bien équipé pour survivre. L’une des difficultés de la vision darwinienne est qu’il n’existe aucun moyen de définir un organisme bien adapté sauf rétrospectivement. Les " plus aptes " sont ceux qui se sont révélés meilleurs en termes de survie et de réplication, mais on ne peut pas prédire ce qu'implique les conditions physiques. Les baleines et le plancton sont bien adaptés à la vie marine, mais d’une manière qui n’a que peu de relations évidentes entre eux.

La définition anglaise de " l'adaptabilité " est plus proche de celle de Schrödinger, et même de celle de Maxwell : une entité bien adaptée peut absorber efficacement l'énergie d'un environnement imprévisible et fluctuant. C'est comme la personne qui garde l'équilibre sur un navire qui tangue alors que d'autres tombent parce qu'elle sait mieux s'adapter aux fluctuations du pont. En utilisant les concepts et les méthodes de la mécanique statistique dans un contexte de non-équilibre, England et ses  collègues soutiennent que ces systèmes bien adaptés sont ceux qui absorbent et dissipent l'énergie de l'environnement, générant ainsi de l'entropie.

Les systèmes complexes ont tendance à s’installer dans ces états bien adaptés avec une facilité surprenante, a déclaré England :  "La matière qui fluctue thermiquement se modèle souvent spontanément via des formes qui absorbent bien le travail d'un environnement qui varie dans le temps."

Rien dans ce processus n’implique une adaptation progressive à l’environnement par le biais des mécanismes darwiniens de réplication, de mutation et d’héritage des traits. Il n'y a aucune réplication du tout. "Ce qui est passionnant, c'est que cela signifie que lorsque nous donnons un aperçu physique des origines de certaines des structures d'apparence adaptée que nous voyons, il n'est pas nécessaire qu'elles aient eu des parents au sens biologique habituel", a déclaré England. " On peut expliquer l'adaptation évolutive à l'aide de la thermodynamique, même dans des cas intrigants où il n'y a pas d'auto-réplicateurs et où la logique darwinienne s'effondre " - à condition que le système en question soit suffisamment complexe, polyvalent et sensible pour répondre aux fluctuations de son environnement.

Mais il n’y a pas non plus de conflit entre l’adaptation physique et l’adaptation darwinienne. En fait, cette dernière peut être considérée comme un cas particulier de la première. Si la réplication est présente, alors la sélection naturelle devient la voie par laquelle les systèmes acquièrent la capacité d'absorber le travail – l'entropie négative de Schrödinger – de l'environnement. L’auto-réplication est en fait un mécanisme particulièrement efficace pour stabiliser des systèmes complexes, et il n’est donc pas surprenant que ce soit ce que la biologie utilise. Mais dans le monde non vivant où la réplication ne se produit généralement pas, les structures dissipatives bien adaptées ont tendance à être très organisées, comme les ondulations de sable et les dunes cristallisant à partir de la danse aléatoire du sable soufflé par le vent. Vue sous cet angle, l’évolution darwinienne peut être considérée comme un exemple spécifique d’un principe physique plus général régissant les systèmes hors équilibre.

Machines à prévoir

Cette image de structures complexes s’adaptant à un environnement fluctuant nous permet également de déduire quelque chose sur la manière dont ces structures stockent l’information. En bref, tant que de telles structures – qu’elles soient vivantes ou non – sont obligées d’utiliser efficacement l’énergie disponible, elles sont susceptibles de devenir des " machines à prédiction ".

C'est presque une caractéristique déterminante de la vie que les systèmes biologiques changent d'état en réponse à un signal moteur provenant de l'environnement. Quelque chose se passe ; vous répondez. Les plantes poussent vers la lumière ; elles produisent des toxines en réponse aux agents pathogènes. Ces signaux environnementaux sont généralement imprévisibles, mais les systèmes vivants apprennent de leur expérience, stockant des informations sur leur environnement et les utilisant pour orienter leurs comportements futurs. (Photo : les gènes, sur cette image, donnent simplement les éléments essentiels de base à usage général.)

La prédiction n’est cependant pas facultative. Selon les travaux de Susanne Still de l'Université d'Hawaï, de Gavin Crooks, anciennement du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, et de leurs collègues, prédire l'avenir semble essentiel pour tout système économe en énergie dans un environnement aléatoire et fluctuant.

Still et ses collègues démontrent que le stockage d'informations sur le passé qui n'ont aucune valeur prédictive pour l'avenir a un coût thermodynamique. Pour être le plus efficace possible, un système doit être sélectif. S'il se souvient sans discernement de tout ce qui s'est passé, il subit un coût énergétique important. En revanche, s'il ne prend pas la peine de stocker la moindre information sur son environnement, il aura constamment du mal à faire face aux imprévus. "Une machine thermodynamiquement optimale doit équilibrer la mémoire et la prédiction en minimisant sa nostalgie - les informations inutiles sur le passé", a déclaré un co-auteur, David Sivak, maintenant à l'Université Simon Fraser à Burnaby, en Colombie-Britannique. En bref, il doit être capable de récolter des informations significatives, celles qui sont susceptibles d'être utiles à la survie future.

On pourrait s’attendre à ce que la sélection naturelle favorise les organismes qui utilisent efficacement l’énergie. Mais même les dispositifs biomoléculaires individuels, comme les pompes et les moteurs de nos cellules, devraient, d’une manière ou d’une autre, tirer les leçons du passé pour anticiper l’avenir. Pour acquérir leur remarquable efficacité, dit Still, ces appareils doivent " implicitement construire des représentations concises du monde qu’ils ont rencontré jusqu’à présent,  afin de pouvoir anticiper ce qui va arriver ".

Thermodynamique de la mort

Même si certaines de ces caractéristiques fondamentales de traitement de l'information des systèmes vivants existent déjà, en l'absence d'évolution ou de réplication, grâce à cette thermodynamique de non-équilibre, on pourrait imaginer que des caractéristiques plus complexes - l'utilisation d'outils, par exemple, ou la coopération sociale - doivent émerger à un certain moment de l'évolution.

Eh bien, ne comptez pas là-dessus. Ces comportements, généralement considérés comme du domaine exclusif de la niche évolutive très avancée qui comprend les primates et les oiseaux, peuvent être imités dans un modèle simple constitué d'un système de particules en interaction. L’astuce est que le système est guidé par une contrainte : il agit de manière à maximiser la quantité d’entropie (dans ce cas, définie en termes de différents chemins possibles que les particules pourraient emprunter) qu’il génère dans un laps de temps donné. 

La maximisation de l’entropie a longtemps été considérée comme une caractéristique des systèmes hors équilibre. Mais le dispositif-système de ce modèle obéit à une règle qui lui permet de maximiser l’entropie sur une fenêtre de temps fixe qui s’étend dans le futur. En d’autres termes, il fait preuve de prévoyance. En effet, le modèle examine tous les chemins que les particules pourraient emprunter et les oblige à adopter le chemin qui produit la plus grande entropie. En gros, c’est généralement la voie qui laisse ouverte le plus grand nombre d’options quant à la manière dont les particules pourraient se déplacer ultérieurement. (mis en italique par Mg)

On pourrait dire que le système de particules éprouve une sorte de besoin de préserver sa liberté d’action future, et que ce besoin guide son comportement à tout moment. Les chercheurs qui ont développé le modèle – Alexander Wissner-Gross de l’Université Harvard et Cameron Freer, mathématicien du Massachusetts Institute of Technology – appellent cela une " force entropique causale ". Dans les simulations informatiques de configurations de particules en forme de disque se déplaçant dans des contextes particuliers, cette force crée des résultats qui suggèrent étrangement l’intelligence.

Dans un cas, un grand disque a pu " utiliser " un petit disque pour extraire un deuxième petit disque d’un tube étroit – un processus qui ressemblait à l’utilisation d’un outil. Libérer le disque augmentait l'entropie du système. Dans un autre exemple, deux disques placés dans des compartiments séparés ont synchronisé leur comportement pour tirer un disque plus grand vers le bas afin qu'ils puissent interagir avec lui, donnant ainsi l'apparence d'une coopération sociale.

Bien entendu, ces simples agents en interaction bénéficient d’un aperçu de l’avenir. La vie, en règle générale, ne le fait pas. Alors, dans quelle mesure est-ce pertinent pour la biologie ? Ce n’est pas clair, même si Wissner-Gross a déclaré qu’il travaillait actuellement à établir " un mécanisme pratique et biologiquement plausible pour les forces entropiques causales ". En attendant, il pense que cette approche pourrait avoir des retombées pratiques, offrant un raccourci vers l’intelligence artificielle. " Je prédis qu'un moyen plus rapide d'y parvenir sera de d'abord  identifier un tel comportement, puis de travailler à rebours à partir des principes et contraintes physiques, plutôt que de travailler vers l'avant à partir de techniques de calcul ou de prédiction particulières ", a-t-il déclaré. En d’autres termes, trouvez d’abord un système qui fait ce que vous voulez qu’il fasse, puis déterminez comment il le fait.

Le vieillissement est également traditionnellement considéré comme un trait dicté par l’évolution. Les organismes ont une durée de vie qui crée des opportunités de reproduction, raconte l'histoire, sans inhiber les perspectives de survie de la progéniture du fait que les parents restent trop longtemps et se disputent les ressources. Cela semble sûrement faire partie de l'histoire, mais Hildegard Meyer-Ortmanns, physicienne à l'Université Jacobs de Brême, en Allemagne, pense qu'en fin de compte, le vieillissement est un processus physique et non biologique, régi par la thermodynamique de l'information.

Ce n’est certainement pas simplement une question d’usure. "La plupart des matériaux souples dont nous sommes constitués sont renouvelés avant d'avoir la chance de vieillir", a déclaré Meyer-Ortmanns. Mais ce processus de renouvellement n'est pas parfait. La thermodynamique de la copie de l'information dicte qu'il doit y avoir un compromis entre précision et énergie. Un organisme dispose d’une réserve d’énergie limitée, donc les erreurs s’accumulent nécessairement avec le temps. L’organisme doit alors dépenser une énergie de plus en plus importante pour réparer ces erreurs. Le processus de renouvellement finit par produire des copies trop défectueuses pour fonctionner correctement ; la mort suit.

Les preuves empiriques semblent le confirmer. On sait depuis longtemps que les cellules humaines en culture semblent capables de se répliquer au maximum 40 à 60 fois (appelée limite de Hayflick ) avant de s'arrêter et de devenir sénescentes. Et des observations récentes sur la longévité humaine suggèrent qu'il pourrait y avoir une raison fondamentale pour laquelle les humains ne peuvent pas survivre bien au-delà de 100 ans .

Il y a un corollaire à ce besoin apparent de systèmes prédictifs, organisés et économes en énergie qui apparaissent dans un environnement fluctuant hors d’équilibre. Nous sommes nous-mêmes système de ce genre, comme le sont tous nos ancêtres jusqu’à la première cellule primitive. Et la thermodynamique hors équilibre semble nous dire que c’est exactement ce que fait la matière dans de telles circonstances. En d’autres termes, l’apparition de la vie sur une planète comme la Terre primitive, imprégnée de sources d’énergie telles que la lumière du soleil et l’activité volcanique qui maintiennent les choses hors d’équilibre, ressemble moins à un événement extrêmement improbable, comme de nombreux scientifiques l’ont supposé, mais pratiquement inévitable. En 2006, Eric Smith et feu Harold Morowitz de l'Institut de Santa Fe ont soutenu que la thermodynamique des systèmes hors équilibre rend l'émergence de systèmes organisés et complexes beaucoup plus probable sur une Terre prébiotique loin de l'équilibre qu'elle ne le serait si les ingrédients chimiques bruts étaient juste assis dans un " petit étang chaud " (comme le disait Charles Darwin) en mijotant doucement.

Au cours de la décennie qui a suivi la première apparition de cet argument, les chercheurs ont ajouté des détails et des perspectives à l’analyse. Les qualités qu’Ernst Mayr considérait comme essentielles à la biologie – le sens et l’intention – pourraient émerger comme une conséquence naturelle des statistiques et de la thermodynamique. Et ces propriétés générales peuvent à leur tour conduire naturellement à quelque chose comme la vie.

Dans le même temps, les astronomes nous ont montré combien de mondes existent – ​​selon certaines estimations, ils se chiffrent en milliards – en orbite autour d’autres étoiles de notre galaxie. Beaucoup sont loin de l’équilibre, et au moins quelques-uns ressemblent à la Terre. Et les mêmes règles s’appliquent sûrement là aussi. 

Les maîtres microbiens du climat terrestre

Un recueil de courts articles issus du domaine de la microbiologie climatique expose les contributions des formes de vie unicellulaires à notre système climatique, et comment nous pouvons collaborer avec elles pour lutter contre le changement climatique.

La vie influence l'atmosphère terrestre depuis des milliards d'années. Mais jusqu'à il y a deux siècles, lorsque l'humanité a commencé à brûler des combustibles fossiles à l'échelle industrielle, les principaux régulateurs du climat étaient des organismes invisibles à nos yeux : les microbes unicellulaires. Petits mais puissants, les micro-organismes sont les chimistes de la nature. À la base même de tous les processus biologiques, ils décomposent, transforment et fournissent les nutriments nécessaires à la vie et intègrent les éléments dans les cycles biochimiques à travers la planète : atmosphère, océan, terre et biosphère.

" La biodiversité microbienne que nous ne voyons pas à l'œil nu soutient la biodiversité que nous voyons " , a déclaré Tom Battin " Les microbes sont comme les chefs d’orchestre de l’orchestre biogéochimique de la Terre. Ils en sont la musique " , explique une scientifique environnementale qui étudie l’écologie microbienne à l’École polytechnique fédérale de Lausanne.

Les microbes transforment l'azote et le phosphore, par exemple, en formes utilisables par la vie pour construire les molécules d'ADN. Ils sont responsables d'au moins 50 % de la photosynthèse mondiale, qui absorbe le dioxyde de carbone de l'atmosphère. Ils restituent également du dioxyde de carbone à l'atmosphère en décomposant les organismes morts en leurs molécules constitutives. En dérivant vers les profondeurs marines, les microbes emportent avec eux du carbone, qu'ils stockent sous forme de sédiments, puis, plus profondément dans la Terre, sous forme de roche. On trouve même ces cellules dans les nuages, où elles servent de germes autour desquels se forment les cristaux de glace.

" J’aimerais que les gens soient conscients de ce monde invisible qui travaille d’arrache-pied en coulisses " , a déclaré Lisa Y. Stein. " Les plantes, les microbes, l’eau, l’air — tout cela forme un seul système fonctionnant en synergie " , explique une microbiologiste spécialiste des changements climatiques à l’Université de l’Alberta.

L’influence des microbes sur la planète remonte aux origines de la vie, lorsque les premières cellules ont commencé à émettre du méthane, un gaz à effet de serre qui a probablement réchauffé l’atmosphère primitive de la Terre. Puis, il y a environ 2,7 milliards d’années, lors d’une transition majeure pour la planète, la photosynthèse à base de chlorophylle a évolué chez les cyanobactéries, qui ont acquis la capacité d’utiliser la lumière du soleil pour produire du sucre à partir de dioxyde de carbone et d’eau – et ont libéré de l’oxygène comme sous-produit. Pendant des centaines de millions d’années, les émissions d’oxygène des microbes ont saturé l’atmosphère. Ce phénomène a entraîné l'extinction de la plupart des formes de vie anaérobies, tout en créant les conditions propices à l'apparition des plantes terrestres. Ces dernières ont ensuite transformé un paysage en grande partie mort en un paradis pour des formes de vie complexes et de grande taille comme la nôtre.

Tout au long de l'histoire de la vie sur Terre, les microbes ont joué un rôle essentiel dans la régulation du climat de notre planète. Mais aujourd'hui, nous avons dépassé leur influence climatique. Face au réchauffement climatique et à l'augmentation alarmante des émissions de gaz à effet de serre, les microbiologistes affirment qu'il est temps de mieux reconnaître l'importance de ces invisibles alliés du microbiote. Et en tant que régulateurs du climat terrestre, nous devons comprendre comment nos actions affectent les microbes et apprendre à collaborer avec eux.

Ces courts récits sur des scientifiques travaillant à la pointe de la microbiologie climatique révèlent le rôle vital que jouent les microbes dans notre biosphère et notre système climatique, et mettent en lumière de nouvelles possibilités de collaboration avec ces incroyables chimistes naturels.

Les mangeurs de méthane

Il y a très longtemps, à l'aube de la vie sur Terre, les premiers microbes ont initié la relation entre la vie et l'atmosphère qui la contient. Les cellules archéennes primitives utilisaient la réaction entre l'hydrogène et le carbone pour produire de l'énergie et libéraient du méthane  comme sous-produit. Le méthane étant un puissant gaz à effet de serre, de nombreux scientifiques soupçonnent que ces premiers méthanogènes, ou producteurs de méthane, ont réchauffé la planète il y a environ 3,5 milliards d'années, la rendant ainsi habitable pour les formes de vie qui allaient apparaître par la suite.

Aujourd'hui, le méthane est devenu un problème pour la vie sur Terre. Les scientifiques estiment que ce principal composant moléculaire du gaz naturel, que les humains brûlent comme combustible, est responsable de près d'un tiers du réchauffement climatique. Ce phénomène se produit depuis le début de la révolution industrielle. Et les émissions de méthane s'accélèrent : de 2020 à 2022, elles ont augmenté au rythme le plus rapide jamais enregistré. Il est intéressant de noter que cette récente hausse… Ce phénomène n'était pas dû aux émissions humaines directes, mais à la réaction des microbes méthanogènes aux changements induits par l'homme.

" Les méthanogènes se réveillent " , a déclaré Stein. La hausse des températures favorise la prolifération de ces micro-organismes, qui se développent dans la végétation en décomposition, comme celle des zones humides tropicales et du pergélisol arctique en cours de dégel. Avec l'accélération du cycle du carbone, les méthanogènes disposent de davantage de carbone pour se nourrir et libèrent donc encore plus de méthane.

Cependant, les scientifiques de l'atmosphère et les microbiologistes entrevoient également un potentiel de réduction des niveaux de méthane et de diminution du réchauffement climatique chez les microbes. Le méthane est un puissant gaz à effet de serre, dont le pouvoir de réchauffement est au moins 80 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone, mais sa durée de vie dans l'atmosphère est plus courte. Si nous parvenons à réduire les émissions de méthane dès aujourd'hui, affirment les experts, nous pourrions potentiellement éviter une hausse de température d'un demi-degré Celsius  du réchauffement climatique prévu d'ici 2100.

Malheureusement pour nous, les microbes qui consomment du méthane, appelés méthanotrophes, se développent plus lentement que les méthanogènes. Stein estime qu'il faudrait un millénaire pour que la consommation de méthane par les méthanotrophes rattrape la production de méthane par les méthanogènes. " Ils ne se développent pas du jour au lendemain. Consommer du méthane est un processus complexe " , a-t-elle déclaré.

Pour ce faire, les méthanotrophes ont développé des enzymes capables de rompre les liaisons extrêmement fortes et stables entre les atomes de méthane. " Ces enzymes sont phénoménales " , a déclaré Jessica Swanson. Elle est biophysicienne à l'Université de l'Utah. Elle étudie l'une de ces enzymes, une protéine membranaire appelée pMMO — l'une des deux seules enzymes connues capables de métaboliser le méthane à température ambiante. De nombreux méthanotrophes sont fortement exprimés en pMMO, qui catalyse la première étape du métabolisme de ce gaz.

Swanson est spécialisée dans la modélisation de ces protéines membranaires, un travail qui permettra à d'autres chercheurs d'utiliser la pMMO pour décomposer le méthane hors des cellules. " En attendant, nous avons besoin de microbes pour consommer le méthane " , explique-t-elle. Elle collabore avec des microbiologistes à la conception de bioréacteurs permettant la culture efficace de méthanotrophes afin qu'ils puissent capter le méthane présent dans l'air ou provenant de sources comme les décharges.

L'un des défis réside dans la très faible concentration de méthane présente dans l'atmosphère : sur un million de molécules, seules deux sont du méthane. " Nous cherchons à maximiser la quantité de méthane qui atteint les microbes et à optimiser l'efficacité des réacteurs afin de cibler les émissions à faible concentration " , a déclaré Swanson.

Stein, quant à elle, s'attache à mobiliser les méthanotrophes sauvages. Elle travaille à la conception et au déploiement d'îles artificielles végétalisées, destinées à être immergées dans les lacs, les milieux marins ou les rivières afin d'attirer ces organismes. Plutôt que de modifier génétiquement les micro-organismes pour accélérer la consommation de méthane, Stein privilégie le travail avec les microbes et les écosystèmes naturels. " Il existe de nombreuses solutions naturelles pour prolonger la durée de vie de nos espèces " , a-t-elle déclaré.

(Photo : Molécules dans un nuage d'orage pluvieux )

Les faiseurs de pluie

Dans un observatoire situé au sommet du Puy de Dôme, un volcan inactif de 1 463 mètres d'altitude dans le centre de la France, le microbiologiste Pierre Amato  prélève des échantillons de nuages. Le ciel, a-t-il déclaré, est loin d'être stérile. Chaque mètre cube d'air contient entre 10 et 10 millions de microbes, en fonction de l'altitude, du lieu, de la saison et de l'heure de la journée.

L'atmosphère est un milieu hostile pour les microbes. Toute cellule dérivant dans le ciel est bombardée de rayons UV et se dessèche. " Survivre dans un nuage est un véritable exploit " , explique Amato. Certains constituants de l'aéromicrobiome forment des spores défensives ou possèdent des pigments qui absorbent les UV ; d'autres y sont totalement exposés. Certains sont incapables de survivre dans ces conditions et meurent rapidement ; d'autres se développent lentement en altitude, consommant et produisant des molécules à base de carbone, qu'Amato analyse en laboratoire. " Ils doivent s'adapter et utiliser les ressources à leur disposition " , conclut-il.

Nombre de ces microbes ne se contentent pas de survivre. Ils semblent également jouer un rôle important dans la formation des nuages : ils sont à l’origine de la pluie. Sur terre, la bactérie modèle Pseudomonas syringae infecte et endommage les plantes en produisant des protéines de nucléation de la glace (PNI), qui provoquent la congélation de l’eau à des températures relativement élevées (juste en dessous de 0 °C). Lorsque la bactérie est libérée dans l’atmosphère, ces PNI génèrent des particules de glace – un processus appelé nucléation de la glace  , première étape de la formation de la pluie dans les nuages ​​froids.

" Les nuages ​​sont en quelque sorte des lacs flottants qui ne tombent pas car les gouttelettes sont trop petites " , a expliqué Cindy Morris  " Il faut déclencher un processus d'agrégation des gouttelettes pour qu'elles soient suffisamment grosses pour tomber " , explique une phytopathologiste de l'Institut national de la recherche agricole, alimentaire et environnementale (INRA).

Les INP semblent accélérer ce processus. Des études en laboratoire suggèrent que leur configuration hélicoïdale et bouclée interagit avec les molécules d'eau environnantes, les alignant en structures qui favorisent la formation de gouttelettes gelées appelées noyaux de glace. Lorsque les conditions sont réunies, d'autres gouttelettes froides adhèrent au noyau gelé. Et lorsque la goutte atteint une taille suffisante, elle tombe sous forme de précipitations.

Morris étudie la possibilité que ce processus résulte d'une interaction conjointe entre les microbes et les plantes. Des Pseudomonas et d'autres microbes sont libérés dans l'atmosphère par les plantes avec la vapeur d'eau. Selon cette théorie, les précipitations induites par ces microbes profitent aux plantes au sol, alimentant ainsi le cycle de bioprécipitation. Les microbes en bénéficient également. Les INP (particules intrinsèques de précipitation) sont structurellement complexes, et les microbes qui dépensent l'énergie nécessaire à leur production sont plus susceptibles de se retrouver sous forme de pluie. Les INP confèrent donc aux Pseudomonas un avantage de survie, explique Morris. Elles pourraient avoir contribué à la dissémination mondiale des souches de bactéries productrices d'INP. En effet, les Pseudomonas semblent ne pas avoir de biogéographie ; ce sont des bactéries cosmopolites, présentes partout. Seule l'Islande, isolée du courant-jet, abrite des populations uniques de ces bactéries, précise Morris.

Les Pseudomonas sont les micro-organismes nucléateurs de glace les mieux étudiés ; d’autres produisent également des nucléateurs de glace et semblent favoriser les précipitations. " Des interactions de ce type sont bénéfiques à la fois pour la végétation et pour les micro-organismes " , a déclaré Amato. Les micro-organismes se dispersent et les plantes reçoivent la pluie.

Bien que les impacts localisés semblent évidents, les chercheurs affirment que la bioprécipitation n'a pas été suffisamment étudiée pour en déterminer l'importance pour le climat planétaire. " Il nous faut un modèle " , explique Amato. Il collabore avec des physiciens pour simuler les déplacements des microbes dans l'atmosphère et établir un lien entre ces déplacements et le climat. Idéalement, dit-il, il pourrait utiliser des données météorologiques pour retracer l'origine d'un microbe trouvé dans un nuage au-dessus du Puy de Dôme. Grâce à ces données, il pourrait découvrir de nouveaux liens entre l'activité métabolique des microbes et les variations de la composition chimique de l'atmosphère.

Construire une bioéconomie

Pamela Silver, biologiste de synthèse de l'université Harvard, estime que les microbes joueront un rôle crucial dans la lutte contre le changement climatique. Quanta s'est entretenu avec elle au sujet de sa vision : concevoir des microbes capables de fabriquer des produits à base de carbone et de remplacer l'économie actuelle fondée sur les énergies fossiles.

(Q) - Pourquoi s'intéresser aux microbes dans le contexte du changement climatique ?

(PS) - Ils fixent le dioxyde de carbone. Ils peuvent consommer du méthane. Ils se reproduisent très rapidement. On peut les modifier génétiquement. Ils sont capables de presque tout ! La biologie est, par essence, la meilleure chimiste qui soit.

(Q) -Que peuvent produire des micro-organismes génétiquement modifiés à partir de dioxyde de carbone ?

(PS) - Nous avons démontré qu’il est possible de les modifier génétiquement pour qu’ils produisent des vitamines ; or, nombre d’entre elles sont issues du pétrole. Nous les avons modifiés génétiquement pour qu’ils produisent des précurseurs de bioplastiques véritablement biodégradables. Nous les avons modifiés génétiquement pour qu’ils produisent des précurseurs de biocarburants. Il s’agit d’un processus totalement neutre en carbone, voire à bilan carbone négatif.

(Q) - Quels types de microbes utilisez-vous ?

(PS) - Nous explorons le monde microbien et nous nous demandons : si nous cherchons à synthétiser une molécule, pouvons-nous partir d’un organisme naturel qui nous en rapproche ? Par exemple, Cupriavidus necator et de nombreuses autres bactéries produisent du PHB, un précurseur du plastique. Ce sera donc notre point de départ pour la synthèse des plastiques.

(Q) - Les produits issus de micro-organismes peuvent-ils concurrencer les produits pétroliers ?

(PS) - Si un produit est fabriqué à partir de pétrole, il est produit par une industrie déjà mature et moins coûteuse. Cela a freiné le développement de la biotechnologie depuis toujours. Mon argument est clair : si nous ne nous y mettons pas sérieusement dès maintenant, nous sommes fichus. Il est indispensable d'investir pour lancer la bioéconomie.

(Q) - Maîtrisez-vous la diversité des microbes et comment vous pourriez les utiliser ?

(PS) - Non, loin de là. Il y en a des milliards. Non !

Les guerres de l'azote

Les plantes ont toujours vécu en symbiose avec les microbes. Avant même que les plantes primitives ne développent des racines, il y a environ 400 millions d'années, les microbes les aidaient à absorber les nutriments, et ils leur apportent encore aujourd'hui un soutien précieux. L'azote en est un parfait exemple. Le diazote est omniprésent, constituant 78 % de l'atmosphère. Tous les êtres vivants ont besoin de cet élément pour synthétiser des biomolécules comme l'ADN, mais la plupart des espèces sont incapables d'utiliser la molécule de N₂ , la forme gazeuse de l'azote. Les microbes libèrent le diazote inerte et le transforment en formes réactives d'azote, telles que le nitrate et l'ammoniac, que les plantes et d'autres organismes peuvent assimiler.

Mais il existe aussi des relations plus antagonistes. Les micro-organismes nitrifiants, qui oxydent l'ammoniac avant que les plantes puissent l'absorber, sont depuis longtemps en compétition avec elles pour l'azote. En réalité, seulement 50 % environ de l'azote apporté par les engrais est absorbé par les cultures ; le reste ruisselle vers les cours d'eau sous forme de pollution nitrique ou est consommé par des micro-organismes, dont certains le transforment en protoxyde d'azote, un puissant gaz à effet de serre. Le protoxyde d'azote est responsable de plus de 10 % du réchauffement climatique à ce jour, et ses émissions ont augmenté entre 1980 et 2020 de  40%.

Pour garantir un apport suffisant en nutriments à leurs cultures, les agriculteurs utilisent toujours plus d'engrais. Or, les plantes ne peuvent absorber l'azote que jusqu'à un certain rythme. Les bactéries nitrifiantes comblent ce manque, métabolisant plus rapidement tout excès d'engrais et libérant ainsi des polluants azotés.

" L’ajout d’engrais ne résout pas les carences en azote des plantes " , a déclaré Christina Hazard. " Nous avons besoin de stratégies pour aider les plantes à absorber l’azote plus efficacement " , explique une microbiologiste environnementale du CNRS.

Une approche en cours de développement consiste à enrichir le sol avec des molécules naturellement produites par les plantes, qui inhibent les micro-organismes nitrifiants. Cependant, ces molécules naturelles se dissipent rapidement, et des versions synthétiques plus durables de ces composés peuvent avoir un effet néfaste. " Le composé lui-même peut impacter la biodiversité des micro-organismes du sol " , dont beaucoup sont essentiels à la santé des plantes, a expliqué Hazard.

Son approche, quant à elle, s'intéresse au microbiome lui-même. Son équipe a identifié des types de virus qui infectent les microbes nitrifiants et ralentissent leur activité. Point crucial, ces virus sont spécifiques à leurs hôtes, et ceux qui ciblent les bactéries nitrifiantes ne devraient pas nuire aux autres micro-organismes du sol. L'équipe de Hazard teste actuellement ces virus en laboratoire et les testera prochainement sur le terrain. D'autres biothérapies à base de virus sont déjà commercialisées, notamment une pour traiter une maladie des agrumes.

Ce type de traitement ralentirait l'activité microbienne, donnerait aux plantes plus de temps pour absorber l'azote et réduirait la production microbienne d'oxyde nitreux. " Les engrais accélèrent le cycle de l'azote " , a déclaré Hazard. En privilégiant la gestion du microbiome du sol, il serait possible d'améliorer les rendements agricoles tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre.

La glace vivante

La beauté irréelle des glaciers et le spectacle saisissant du vêlage des calottes glaciaires sont devenus des images emblématiques du changement climatique. Mais la glace est bien plus que de l'eau gelée.

" La glace est vivante " , a déclaré Battin. Des microbes comme des bactéries, des algues et des virus vivent sur, dans et sous les glaciers. Lorsqu'un glacier fond, ce n'est pas seulement la perte d'une masse d'eau gelée — un effet géophysique du changement climatique — mais aussi la disparition d'un écosystème.

La glace abrite des communautés biologiques qu'on ne trouve nulle part ailleurs sur Terre. Alexandre Anesio, microbiologiste spécialiste de l'Arctique à l'université d'Aarhus au Danemark, affirme que la glace est un biome au même titre que la forêt ou le désert. " Sur la glace, on trouve des plantes microscopiques [des algues] et toute une chaîne alimentaire ; elles sont simplement moins visibles " , explique Anesio, qui étudie la calotte glaciaire du Groenland, la deuxième plus grande au monde.

En été, la surface de la glace fond, remplissant d'eau de minuscules pores. Sous le soleil intense de l'été, les algues prolifèrent. Des bactéries se développent sur ces algues, des virus les infectent et des champignons décomposent la matière organique morte. Ces écosystèmes microbiens peuvent abriter des organismes plus grands, tels que les tardigrades et les larves d'insectes

(Photo : l’algue Chlamydomonas nivalis, qui affectionne la glace, possède un pigment caroténoïde rouge qui colore la neige en rose ou en rouge – un phénomène connu sous le nom de " neige pastèque " ou " neige sanglante ".)

Les microbes de glace sont parfaitement adaptés à leur environnement extrême. Leurs enzymes doivent fonctionner à des températures bien plus basses que celles des autres organismes. Ils sont également exposés à un rayonnement solaire intense : au Groenland, en plein été, le soleil brille presque 24 heures sur 24. Pour protéger leur chlorophylle des radiations solaires incessantes, les algues de glace produisent des pigments orange et rouges, ce qui donne à certaines calottes glaciaires une teinte brun-violacé. " Certains de ces organismes se trouvent ailleurs ; d’autres, on ne les trouve que dans les glaciers " , a déclaré Anesio.

Lorsqu'un glacier fond, sa biodiversité microbienne cryophile disparaît. Même si le réchauffement climatique est limité à 1,5 degré Celsius, un objectif qui semble de plus en plus hors d'atteinte, les modèles prévoient que la moitié des glaciers terrestres auront fondu d'ici 2100. Nombre d'entre eux ont déjà disparu, notamment tous les glaciers du Venezuela et de Slovénie, emportant avec eux leurs micro-organismes.

Les cryomicrobiologistes étudient ces microbes glaciaires dans leur milieu naturel tant qu'ils le peuvent, et ils créeront une biobanque pour conserver des données de sauvegarde au cas où certaines espèces viendraient à disparaître. Battin prévoit de collecter des cellules, des échantillons de sol pergélisolé, de l'ADN et d'autres prélèvements pour une conservation à long terme. " Nous découvrons cette biodiversité, et en même temps, elle est déjà en train de disparaître " , a-t-il déclaré.

Le microbiome du microbiome

Les phytoplanctons, ces micro-organismes qui dérivent dans l'océan et qui comprennent des algues unicellulaires, des cyanobactéries et des dinoflagellés, produisent leur propre nourriture à partir de presque rien. Maîtres de la photosynthèse, ils utilisent l'énergie solaire pour déclencher des réactions entre le dioxyde de carbone et l'eau dans des organites spécialisés, créant ainsi de l'oxygène et du carbone organique. Mais les phytoplanctons ne peuvent pas survivre uniquement grâce au dioxyde de carbone. Pour obtenir tous les nutriments essentiels dont ils ont besoin, ils doivent échanger avec d'autres micro-organismes qui dérivent avec eux.

" Aucun organisme sur Terre ne vit isolé " , a déclaré Shady Amin , océanographe spécialisé dans les micro-organismes à l'Université de New York à Abu Dhabi. Mais comment une cellule flottant dans l'immensité de l'océan parvient-elle à maintenir sa communauté à proximité ?

Le phytoplancton tire parti de la dynamique des fluides, qui fonctionne différemment à l'échelle unicellulaire, explique Amin. Les poissons et autres grands animaux nagent librement, remontent le courant et laissent derrière eux une traînée de molécules. Mais les microbes océaniques microscopiques se laissent porter par le courant. Leurs excréments se déplacent avec eux dans un minuscule nuage chimique qui se diffuse lentement.

Cela signifie que le phytoplancton peut créer un microenvironnement dans l'eau qui l'entoure. Il sécrète des substances alimentaires et chimiques pour attirer d'autres micro-organismes. Certains produisent des polymères sucrés appelés polysaccharides auxquels d'autres bactéries s'attachent physiquement, comme si elles étaient accrochées à une corde. D'autres phytoplanctons libèrent des composés pour inhiber la croissance des bactéries pathogènes. Cette communauté microbienne qui entoure une cellule de phytoplancton est appelée la phycosphère.

( Photo : Les cellules des cyanobactéries s'alignent comme les perles d'un collier. Les cyanobactéries, une sorte de phytoplancton. )

Un exemple typique d'échange bénéfique est celui des diatomées photosynthétiques et des bactéries Roseobacter . Ces bactéries fournissent aux diatomées des nutriments qu'elles ne peuvent synthétiser elles-mêmes, comme la vitamine B12, explique Amin ; en retour, les diatomées nourrissent les bactéries avec du carbone organique dissous. Ces relations peuvent devenir très étroites , les bactéries pouvant même s'installer à l'intérieur de la coque silicatée de la diatomée, voire pénétrer dans sa membrane cellulaire et perdre ainsi une partie de leur génome.

À plus grande échelle, ces partenariats microbiens permettent aux océans de stocker du carbone. Au moins la moitié de l'absorption mondiale de carbone par photosynthèse se produit dans les océans, et 90 % de cette absorption est assurée par le phytoplancton ; en 2023, les océans ont absorbé environ 10,6 milliards de tonnes métriques . de dioxyde de carbone. Lorsque les restes de plancton se déposent sur le fond marin, ils sont efficacement séquestrés dans les sédiments profonds. Par conséquent, la productivité du plancton et de ses partenaires microbiens détermine la quantité de dioxyde de carbone que l'océan peut absorber de l'atmosphère.

Le réchauffement des océans semble mettre à l'épreuve ce type d'interactions. Par exemple, lorsque l'eau de mer devient trop chaude, les coraux expulsent les algues qui vivent dans leurs tissus. Des scientifiques, dont Amin, cherchent à déterminer si ce même phénomène s'observe pour les symbioses entre micro-organismes. Il étudie actuellement les microbiomes bactériens des coraux du golfe Persique, l'une des mers les plus chaudes du monde. S'il parvient à comprendre comment ces interactions se sont adaptées à des conditions qui deviendront bientôt plus fréquentes, nous serons mieux armés pour préserver ces symbioses dans un monde qui se réchauffe.

Cette langue ancienne use de la seule grammaire basée entièrement sur le corps humain

Une famille de langues en voie de disparition suggère que les premiers humains utilisaient leur corps comme modèle de réalité

Un matin de décembre 2004, des adultes et des enfants erraient sur le rivage de Strait Island dans le golfe du Bengale lorsque l'un d'eux a remarqué quelque chose d'étrange. Le niveau de la mer était bas et des créatures étranges qui habitent normalement la zone crépusculaire profonde de l'océan se balançaient près de la surface de l'eau. “ Sare ukkuburuko ! ”— la mer s'est renversée! — cria Nao Junior, un des derniers héritiers d'une sagesse transmise sur des milliers de générations à travers sa langue maternelle. Il savait ce que signifiait ce phénomène bizarre. Tout comme d'autres peuples autochtones des îles Andaman. Ils se sont tous précipités à l'intérieur des terres et en hauteur, leurs connaissances ancestrales les sauvant du tsunami dévastateur qui s'est abattu sur les côtes de l'océan Indien quelques minutes plus tard et qui a emporté quelque 225 000 personnes.

Lorsque j'ai rencontré Nao Jr. pour la première fois, au tournant du millénaire, il était dans la quarantaine et l'un des neuf seuls membres de son groupe autochtone, le Grand Andamanais, qui parlait encore l'idiome de ses ancêtres ; les jeunes préférant l'hindi. En tant que linguiste passionnée par le décodage de structure, j'avais étudié plus de 80 langues indiennes de cinq familles différentes : indo-européenne (à laquelle appartient l'hindi), dravidienne, austroasiatique, tibéto-birmane et taï-kadaï. J'étais sur les îles pour documenter leurs voix autochtones avant qu'elles ne se transforment en murmures. Le peu que j'ai entendu était si déconcertant que j'y suis retourné plusieurs fois au cours des années suivantes pour essayer de cerner les principes qui sous-tendent les grandes langues andamanaises.

Ici mes principaux professeurs, Nao Jr. et une femme nommée Licho, parlaient un pastiche de langues qui comptaient encore quelque 5 000 locuteurs au milieu du 19e siècle. Le vocabulaire moderne étant très variable, dérivé de plusieurs langues parlées à l'origine sur l'île d'Andaman du Nord. Ce qui m'était vraiment étranger, cependant, c'était leur grammaire, qui ne ressemblait à rien de ce que j'avais jamais rencontré.

Une langue incarne une vision du monde et, alors qu'une civilisation, change et se développe par couches. Les mots ou les phrases fréquemment utilisés se transforment en formes grammaticales de plus en plus abstraites et compressées. Par exemple, le suffixe "-ed", signifiant le passé en anglais moderne, provient de "did" (c'est-à-dire que "did use" est devenu "used") ; Le vieil anglais où in steed et sur gemong sont devenus respectivement "instead" et "among". Ces types de transitions font de la linguistique historique un peu comme l'archéologie. Tout comme un archéologue fouille soigneusement un monticule pour révéler différentes époques d'une cité-État empilées les unes sur les autres, un linguiste peut séparer les couches d'une langue pour découvrir les étapes de son évolution. Il faudra des années à Nao Jr. et Licho endurant patiemment mes interrogatoires et mes tâtonnements pour que j'apprenne enfin la règle fondamentale de leur langue.

Il s'avère que le grand andamanais est exceptionnel parmi les langues du monde de par son anthropocentrisme. Il utilise des catégories dérivées du corps humain pour décrire des concepts abstraits tels que l'orientation spatiale et les relations entre les objets. Bien sûr, en anglais, nous pourrions dire des choses comme "la pièce fait face à la baie", "la jambe de la chaise s'est cassée" et "elle dirige l'entreprise". Mais en Grand Andamanais, de telles descriptions prennent une forme extrême, avec des morphèmes, ou segments sonores significatifs, qui désignent différentes zones du corps s'attachant aux noms, verbes, adjectifs et adverbes - en fait, à chaque partie du discours - pour créer des significations diverses. Parce qu'aucune autre langue connue n'a une grammaire basée sur le corps humain et/ou un partage des mots apparentés -  des mots qui ont une signification et une prononciation similaires, ce qui indique un lien généalogique - avec le grand andamanais, la langue constitue sa propre famille .

L'aspect le plus durable d'une langue est sa structure, qui peut perdurer sur des millénaires. Mes études indiquent que les Grands Andamanais furent effectivement isolés pendant des milliers d'années, au cours desquelles leurs langues ont évolué sans influence perceptible d'autres cultures. La recherche génétique corrobore ce point de vue, montrant que ces peuples autochtones descendent d'un des premiers groupes d'humains modernes qui a migré hors d'Afrique. En suivant le littoral du sous-continent indien, ils ont atteint l'archipel d'Andaman il y a peut-être 50 000 ans et y vivent depuis dans un isolement virtuel. Les principes fondamentaux de leurs langues révèlent que ces humains anciens ont conceptualisé le monde à travers leur corps.

PIÈCES DU CASSE-TÊTE

Lorsque je suis arrivé en 2001 à Port Blair, la principale ville de la région, pour mener une enquête préliminaire sur les langues autochtones, j'ai été dirigé vers Adi Basera, une maison que le gouvernement indien autorisait les Grands Andamanais à utiliser lorsqu'ils étaient en ville. C'était un bâtiment délabré avec de la peinture écaillée et des pièces sales ; enfants et adultes flânaient nonchalamment dans la cour. Quelqu'un m'a apporté une chaise en plastique. J'ai expliqué ma quête en hindi.

"Pourquoi es-tu venu ?" demanda Boro Senior, une femme âgée. "Nous ne nous souvenons pas de notre langue. Nous ne le parlons ni ne le comprenons. Il s'est avéré que toute la communauté conversait principalement en hindi, une langue essentielle pour se débrouiller dans la société indienne et la seule que les enfants apprenaient." Pendant que je le sondais cependant, Nao Jr. a avoué qu'il connaissait le Jero, mais parce qu'il n'avait personne avec qui en parler, il l'oubliait. Boro Sr. s'est avéré être la dernière personne à se souvenir de Khora, et Licho, alors dans la fin de la trentaine, qui était la dernière à parler le sare, la langue de sa grand-mère. Lorsqu'ils conversaient entre eux, ces individus utilisaient ce que j'appelle le Grand Andamanais actuel (PGA), un mélange de Jero, Sare, Bo et Khora - toutes langues des Andaman du Nord.

Lorsque les autorités britanniques ont établi une colonie pénitentiaire à Port Blair en 1858, les forêts tropicales de Great Andaman - comprenant le nord, le centre et le sud d'Andaman, ainsi que quelques petites îles à proximité - étaient habitées par 10 tribus de chasseurs et de cueilleurs qui semblaient culturellement liées. Les habitants du Great Andaman ont résisté aux envahisseurs, mais leurs arcs et leurs flèches n'étaient pas à la hauteur des fusils et, à une occasion, des canons de navires. Encore plus mortels furent les germes apportés par les étrangers, contre lesquels les insulaires n'avaient aucune immunité. Dans les années 1960, époque à laquelle les Andamans appartenaient à l'Inde, il ne restait plus que 19 Grands Andamanais, vivant principalement dans les forêts du nord d'Andaman. Les autorités indiennes les ont alors installés sur la petite île du détroit.

Un autre groupe de chasseurs-cueilleurs, les Jarawa, vivaient dans le sud d'Andaman, et lorsque les Grands Andamanais s'éteignirent , les Jarawa s'installèrent dans leurs territoires évacués du Moyen Andaman. Les Jarawa ont résisté au contact - et aux germes qui l'accompagnent - jusqu'en 1998 et sont maintenant au nombre d'environ 450. Leur culture avait des liens avec celle des Onge, qui vivaient sur Little Andaman et qui ont été sous controle des Britanniques dans les années 1880. Apparemment, les habitants de North Sentinel Island étaient également apparentés aux Jarawa. Ils continuent d'ailleurs de vivre dans un isolement volontaire, qu'ils ont imposé en 2018 en tuant un missionnaire américain.

(photo-schéma avec détails et statistiques des langage des iles adamans)

Mon enquête initiale a établi que les langues des Grands Andamanais n'avaient aucun lien avec celles des Jarawa et des Onge, qui pourraient constituer leur propre famille de langues. Réalisant que je devais documenter le Grand Andamanais avant qu'il ne soit réduit au silence, je suis revenu avec une équipe d'étudiants en 2005. C'était peu de temps après le tsunami, et les autorités avaient évacué les 53 Grands Andamanais vers un camp de secours à côté d'Adi Basera. Ils avaient survécu, mais leurs maisons avaient été inondées et leurs biens perdus, et un sentiment de bouleversement et de chagrin flottait dans l'air. Dans cette situation, Licho a donné naissance à un garçon nommé Berebe, source de joie. J'ai appris que les bébés étaient nommés dans l'utérus. Pas étonnant que les grands noms andamanais soient non sexistes !

Au camp, j'ai rencontré l'octogénaire Boa Senior, dernier locuteur de Bo et gardien de nombreuses chansons. Nous deviendrons très proches. Les grands jeunes andamanais avaient répondu au mépris des Indiens dominants pour les cultures autochtones en se détournant de leur héritage. Boa Sr me tenait la main et ne me laissait pas partir car elle était convaincue que ma seule présence, en tant qu'étranger rare qui valorisait sa langue, motiverait les jeunes à parler le grand andamanais. Pourtant, je l'ai appris principalement de Nao Jr. et Licho, dont l'intérêt pour leurs langues avait été enflammé par le mien. Il s'est avéré que Nao Jr. en savait beaucoup sur l'environnement local et Licho sur l'étymologie, étant souvent capable de me dire quel mot venait de quelle langue. J'ai passé de longues heures avec eux à Adi Basera et sur Strait Island, les accompagnant partout où ils allaient - pour nous prélasser à l'extérieur de leurs huttes, errer dans la jungle ou pêcher sur la plage. Plus ils s'efforçaient de répondre à mes questions, plus ils puisaient dans les profondeurs de la mémoire. J'ai fini par collecter plus de 150 grands noms andamanais pour différentsespèces de poissons et 109 pour les oiseaux .

Les responsables britanniques avaient observé que les langues andamanaises étaient un peu comme les maillons d'une chaîne : les membres des tribus voisines des Grands Andamans se comprenaient, mais les langues parlées aux extrémités opposées de l'archipel, dans les Andamans du Nord et du Sud, étaient mutuellement inintelligibles. En 1887, l'administrateur militaire britannique Maurice Vidal Portman publia un lexique comparatif de quatre langues, ainsi que quelques phrases avec leurs traductions en anglais. Et vers 1920, Edward Horace Man compila un dictionnaire exhaustif de Bea, une langue des Andaman du Sud. C'étaient des enregistrements importants, mais aucun n'a résolu le puzzle que la grammaire posait.

Moi non plus. D'une manière ou d'une autre, ma vaste expérience avec les cinq familles de langue indienne ne m'aidait pas. Une fois, j'ai demandé à Nao Jr. de me dire le mot pour "sang". Il m'a regardé comme si j'étais une imbécile et n'a pas répondu. Quand j'ai insisté, il a dit: "Dis-moi d'où ça vient." J'ai répondu: "De nulle part." Irrité, il répéta : "Où l'as-tu vu ?" Il fallait que j'invente quelque chose, alors j'ai dit : "sur mon doigt. Sa réponse est venue rapidement — "ongtei !" – puis il débita plusieurs mots pour désigner le sang sur différentes parties du corps. Si le sang sortait des pieds ou des jambes, c'était otei ; l'hémorragie interne était etei; et un caillot sur la peau était ertei . Quelque chose d'aussi basique qu'un nom changeait de forme en fonction de l'emplacement.

Chaque fois que j'avais une pause dans mon enseignement et d'autres tâches, je visitais les Andamans, pendant des semaines ou parfois des mois. Il m'a fallu un an d'étude concertée pour entrevoir le modèle de cette langue - et quand je l'ai fait, toutes les pièces éparses du puzzle se sont mises en place. Très excité, je voulus tout de suite tester mes phrases inventées. J'étais à l'Institut Max Planck d'anthropologie évolutive à Leipzig, en Allemagne, mais j'ai téléphoné à Licho et je lui ai dit : "a Joe-engio eole be". Licho a été bouleversé et m'a fait un compliment chéri : "Vous avez appris notre langue, madame !"

Ma phrase était simplement "Joe te voit". Joe était un jeune Grand Andamanais, et -engio était "seulement toi". Ma percée avait été de réaliser que le préfixe e- , qui dérivait à l'origine d'un mot inconnu désignant une partie interne du corps, s'était transformé au fil des éons en un marqueur grammatical signifiant tout attribut, processus ou activité interne. Donc l'acte de voir, ole, étant une activité interne, devait être eole. Le même préfixe pourrait être attaché à -bungoi , ou "beau", pour former ebungoi, signifiant intérieurement beau ou gentil ; de sare , pour "mer", pour former esare, ou "salé", une qualité inhérente ; et au mot racine -biinye, "pensant", pour donner ebiinye , "penser".

LE CODE CORPOREL

La grammaire que j'étais en train de reconstituer était basée principalement sur Jero, mais un coup d'œil dans les livres de Portman et de Man m'a convaincu que les langues du sud du Grand Andamanais avaient des structures similaires. Le lexique se composait de deux classes de mots : libre et lié. Les mots libres étaient tous des noms faisant référence à l'environnement et à ses habitants, tels que ra pour "cochon". Ils pourraient se produire seuls. Les mots liés étaient des noms, des verbes, des adjectifs et des adverbes qui existaient toujours avec des marqueurs indiquant une relation avec d'autres objets, événements ou états. Les marqueurs (spécifiquement, a- ; er- ; ong- ; ot- ou ut- ; e- ou i- ; ara- ; eto- ) dérivaient de sept zones du corps et étaient attaché à un mot racine, généralement sous forme de préfixe, pour décrire des concepts tels que "dedans", "dehors", "supérieur" et "inférieur". Par exemple, le morphème er- , qui qualifiait presque tout ce qui concernait une partie externe du corps, pouvait être collé à -cho pour donner ercho , signifiant "tête". Une tête de porc était ainsi raercho.

(Photo/schéma désignant les 7 zones du corps humain qui font référence ici)

Zone     Marqueur          Parties corps/sémantique       

1              a -                  en rapport avec la bouche/origine 

2              er -                 corps et parties externes supérieures

3              ong -              extrémités (doigts main, pied) 

4              ut/ot -             (cerveau/intellect) produits corporels, partie-tout,

5              e / i -               organes internes

6              ara -                organes sexuels et formes latérales/rondes

7              o -                   jambes/partie basse         

Cette dépendance conceptuelle n'était pas toujours le signe d'un lien physique. Par exemple, si la tête du porc était coupée pour être rôtie, le marqueur t- pour un objet inanimé serait attaché à er- pour donner ratercho ; ce n'était plus vivant mais toujours une tête de cochon. Le suffixe -icho indiquait des possessions véritablement séparables. Par exemple, Boa-icho julu signifiait "les vêtements de Boa".

Tout comme une tête, un nom, ne pouvait pas exister conceptuellement par lui-même, le mode et l'effet d'une action ne pouvaient être séparés du verbe décrivant l'action. Les Grands Andamanais n'avaient pas de mots pour l'agriculture ou la culture mais un grand nombre pour la chasse et la pêche, principalement avec un arc et des flèches. Ainsi, la racine du mot shile , qui signifie "viser", avait plusieurs versions : utshile , viser d'en haut (par exemple, un poisson) ; arashile, viser à distance (comme un cochon); et eshile, visant à percer.

Inséparables également de leurs préfixes, qui les dotaient de sens, étaient les adjectifs et les adverbes. Par exemple, le préfixe er- , pour "externe", a donné l'adjectif erbungoi , pour "beau" ; le verbe eranye, signifiant "assembler" ; et l'adverbe erchek, ou "rapide". Le préfixe ong- , la zone des extrémités, fournissait ongcho , "piquer", quelque chose que l'on faisait avec les doigts, ainsi que l'adverbe ongkochil, signifiant "précipitamment", qui s'appliquait généralement aux mouvements impliquant une main ou un pied. Important aussi était le morphème a-, qui renvoyait à la bouche et, plus largement, aux origines. Il a contribué aux noms aphong, pour "bouche", et Aka-Jero , pour "son langage Jero" ; les adjectifs ajom , "avide", et amu, "muet" ; les verbes atekho, "parler", et aathitul , "se taire" ; et l'adverbe aulu, "avant".

Ces études ont établi que les 10 langues originales du grand andamanais appartenaient à une seule famille. De plus, cette famille était unique en ce qu'elle avait un système grammatical basé sur le corps humain à tous les niveaux structurels. Une poignée d'autres langues autochtones, telles que le papantla totonaque, parlé au Mexique, et le matsés, parlé au Pérou et au Brésil, utilisaient également des termes faisant référence à des parties du corps pour former des mots. Mais ces termes ne s'étaient pas transformés en symboles abstraits, ni ne se sont propagés à toutes les autres parties du discours.

(Photo - tableau - schéma avec exemples de mots - verbes - adverbes, dérivés des  7 parties)

Plus important encore, la famille des langues semble être d'origine vraiment archaïque. Dans un processus d'évolution en plusieurs étapes, les mots décrivant diverses parties du corps s'étaient transformés en morphèmes faisant référence à différentes zones pour fusionner avec des mots basiques pour donner un sens. Parallèlement aux preuves génétiques, qui indiquent que les Grands Andamanais ont vécu isolés pendant des dizaines de milliers d'années, la grammaire suggère que la famille des langues est née très tôt, à une époque où les êtres humains conceptualisaient leur monde à travers leur corps. La structure à elle seule donne un aperçu d'une ancienne vision du monde dans laquelle le macrocosme reflète le microcosme, et tout ce qui est ou qui se passe est inextricablement lié à tout le reste.

ANCÊTRES, OISEAUX

Un matin sur Strait Island, j'ai entendu Boa Sr. parler aux oiseaux qu'elle nourrissait. J'ai écouté pendant un bon moment derrière une porte, puis je me suis montrée pour lui demander pourquoi elle leur parlait.

"Ils sont les seuls à me comprendre", a-t-elle répondu.

"Comment ça se fait?" J'ai demandé.

"Ne sais-tu pas qu'pas sont nos ancêtres ?"

J'ai essayé de réprimer un rire étonné, mais Boa l'a perçu. "Oui, ce sont nos ancêtres", a-t-elle affirmé. "C'est pourquoi nous ne les tuons ni ne les chassons. Tu devrais demander à Nao Jr.; il connaît peut-être l'histoire."

Nao ne s'en souvint pas tout de suite, mais quelques jours plus tard, il raconta l'histoire d'un garçon nommé Mithe qui était allé à la pêche. Il a attrapé un calmar, et en le nettoyant sur la plage, il a été avalé par un Bol , un gros poisson. Ses amis et sa famille sont venus le chercher et ont réalisé qu'un Bol l'avait mangé. Phatka, le plus intelligent des jeunes, a suivi la piste sale laissée par le poisson et a trouvé le Bol en eau peu profonde, la tête dans le sable. C'était un très grand, alors Phatka, Benge et d'autres ont appelé à haute voix Kaulo, le plus fort d'entre eux, qui est arrivé et a tué le poisson.

Mithe est sorti vivant, mais ses membres étaient engourdis. Ils allumèrent un feu sur la plage et le réchauffèrent, et une fois qu'il eut récupéré, ils décidèrent de manger le poisson. Ils le mirent sur le feu pour le faire rôtir. Mais ils avaient négligé de nettoyer correctement le poisson, et il éclata, transformant toutes les personnes présentes en oiseaux. Depuis ce moment-là, les Grands Andamanais conservent une affinité particulière avec Mithe, la Colombe Coucou Andaman ; Phatka, le corbeau indien ; Benge, l'aigle serpent Andaman; Kaulo, l'aigle de mer à ventre blanc ; Celene, le crabe pluvier; et d'autres oiseaux qu'ils considéraient comme des ancêtres.

Dans la vision de la nature des Grands Andamanais, la principale distinction était entre tajio, le vivant, et eleo , le non-vivant. Les créatures étaient tajio-tut-bech, "êtres vivants avec des plumes" - c'est-à-dire de l'air; tajio-tot chor, "êtres vivants à écailles", ou de l'eau ; ou tajio-chola, "êtres vivants de la terre". Parmi les créatures terrestres, il y avait des ishongo, des humains et d'autres animaux, et des tong, des plantes et des arbres. Ces catégories, ainsi que de multiples attributs d'apparence, de mouvement et d'habitudes, constituaient un système élaboré de classification et de nomenclature, que j'ai documenté pour les oiseaux en particulier. Parfois, l'étymologie d'un nom grand andamanais ressemblait à celle de l'anglais. Par exemple, Celene, composé de mots racines pour "crabe" et "épine", a été ainsi nommé parce qu'il craque et mange des crabes avec son bec dur et pointu.

La compréhension extrêmement détaillée de l'environnement naturel détenue par le peuple des Grands Andamanais (Nao Jr. nomma au moins six variétés de bords de mer et plus de 18 types d'odeurs) indique une culture qui a observé la nature avec un amour profond et un intérêt aigu. Considérant la nature comme un tout, ils ont cherché à examiner l'imbrication des forces qui construisent cet ensemble. L'espace était une construction culturelle, définie par le mouvement des esprits, des animaux et des humains le long d'axes verticaux et horizontaux. Dans la vision du monde des Grands Andamanais, l'espace et tous ses éléments naturels - le soleil, la lune, la marée, les vents, la terre et la forêt - constituaient ensemble le cosmos. Dans cette vision holistique, les oiseaux, les autres créatures et les esprits étaient tous interdépendants et faisaient partie intégrante du concept d'espace.

Le temps aussi était relatif, catégorisé en fonction d'événements naturels tels que la floraison des fleurs saisonnières, la disponibilité du miel - le calendrier du miel, pourrait-on l'appeler - le mouvement du soleil et de la lune, la direction des vents, la disponibilité des ressources alimentaires et le meilleur moment pour chasser le poisson ou d'autres animaux. Ainsi, lorsque la fleur de koroiny auro fleurit, les tortues et les poissons sont gras ; lorsque le bop taulo fleurit, les poissons bikhir, liot et bere sont abondants ; lorsque le loto taulo fleurit, c'est le meilleur moment pour attraper les poissons phiku et nyuri ; et quand le chokhoro taulo fleurissent, les cochons sont les plus gras et c'est le meilleur moment pour les chasser.

Même le "matin" et le "soir" étaient relatifs, selon la personne qui les vivait. Pour dire, par exemple, "Je te rendrai visite demain", on utiliserait ngambikhir, pour "ton demain". Mais dans la phrase "je finirai ça demain", le mot serait tambikhir, "mon demain". Le temps dépendait de la perspective de celui qui était impliqué dans l'événement.

Les mythes des Grands Andamanais indiquaient que leurs premiers ancêtres résidaient dans le ciel, comme dans une autre histoire que Nao Jr. m'a racontée. 

Le premier homme, sortant du creux d'un bambou, trouva de l'eau, des tubercules, de l'argile fine et de la résine. Il modela un pot en argile, alluma un feu avec la résine, fit bouillir les tubercules dans le pot et savoura un repas copieux. Puis il fabriqua une figurine en argile et ll laissa sur le feu. À son étonnement et à sa joie, elle se transforma en femme. Ils eurent beaucoup d'enfants et étaient très heureux. Après un long séjour sur Terre, le couple partit pour un endroit au-dessus des nuages, rompant tous les liens avec ce monde.

Des larmes ont coulé sur les joues de Nao Jr. alors qu'il racontait ce conte de création, qui présentait tous les éléments de la vie : l'eau, le feu, la terre, l'espace et l'air. Pour cet homme solitaire - sa femme l'avait quitté il y a des années pour un autre homme -, créer une partenaire selon ses désirs était la fable romantique ultime. Alors que je lui avais demandé des histoires pour la première fois, il avait dit ne pas en avoir entendu depuis 40 ans et qu'il n'en avait pas pour moi faute de mémoire. Mais au cours de nombreuses soirées, avec le gazouillis des grillons et les cris des grenouilles à l'extérieur, il m'a raconté 10 histoires précieuses, presque inédites pour une langue au bord de l'extinction. Peut-être que l'une des raisons pour lesquelles nous nous sommes tellement liés était que nous étions tous les deux raupuch - quelqu'un qui a perdu un frère ou une sœur. Nao Jr. a été choqué d'apprendre que ni l'anglais ni aucune langue indienne n'a un tel mot. "Pourquoi?" Il a demandé. "n'aimez-vous pas vos frères et soeurs"

Nao Jr. a quitté ce monde en février 2009. Avec cette mort prématurée, il a emporté avec lui un trésor de connaissances qui ne pourra jamais être ressuscité et m'a laissé raupuch à nouveau. Boro Sr. est décédé en novembre et Boa Sr. en janvier 2010, laissant sa voix au travers de plusieurs chansons. Licho est décédé en avril 2020. À l'heure actuelle, seules trois personnes - Peje, Golat et Noe - parlent encore une langue de la grande famille andamanaise, dans leur cas le Jero. Ils ont tous plus de 50 ans et souffrent de diverses affections. Toute la famille de ces langues est menacée d'extinction imminente.

Sur les quelque 7 000 langues parlées par les humains aujourd'hui, la moitié se taira d'ici la fin de ce siècle. La survie à l'ère de la mondialisation, de l'urbanisation et des changements climatiques oblige les communautés autochtones à remplacer leurs modes de vie et leurs langues traditionnels par ceux de la société dominante. Quand l'ancienne génération ne peut plus enseigner la langue aux plus jeunes, une langue est condamnée. Et avec chaque langue perdue, nous perdons une mine de connaissances sur l'existence humaine, la perception, la nature et la survie. Pour donner le dernier mot à Boa Sr. : "Tout est parti, il ne reste plus rien – nos jungles, notre eau, notre peuple, notre langue. Ne laissez pas la langue vous échapper ! Tiens bon !"

Des " expériences métaphysiques " explorent nos hypothèses cachées sur la réalité

Les expériences qui testent la physique et la philosophie comme " un tout unique " pourraient être notre seule voie vers une connaissance sûre de l’univers.

La métaphysique est la branche de la philosophie qui s'intéresse à l'échafaudage profond du monde : la nature de l'espace, du temps, de la causalité et de l'existence, les fondements de la réalité elle-même. Elle est généralement considérée comme invérifiable, car les hypothèses métaphysiques sous-tendent tous nos efforts pour effectuer des tests et interpréter les résultats. Ces hypothèses restent généralement tacites.

La plupart du temps, c'est normal. Les intuitions que nous avons sur la façon dont le monde fonctionne entrent rarement en conflit avec notre expérience quotidienne. À des vitesses bien inférieures à celle de la lumière ou à des échelles bien plus grandes que l'échelle quantique, nous pouvons, par exemple, supposer que les objets ont des caractéristiques définies indépendantes de nos mesures, que nous partageons tous un espace et un temps universels, qu'un fait pour l'un d'entre nous est un fait pour tous. Tant que notre philosophie fonctionne, elle se cache en arrière-plan, sans que personne ne la détecte, nous conduisant à croire à tort que la science est quelque chose de séparable de la métaphysique.

Mais aux confins inexplorés de l’expérience – à grande vitesse et à petite échelle – ces intuitions cessent de nous servir, ce qui nous rend impossible de faire de la science sans affronter de front nos hypothèses philosophiques. Soudain, nous nous trouvons dans un endroit où la science et la philosophie ne peuvent plus être clairement distinguées. Un endroit que le physicien Eric Cavalcanti appelle " métaphysique expérimentale ".

Cavalcanti porte le flambeau d'une tradition qui remonte à une longue lignée de penseurs rebelles qui ont résisté aux lignes de démarcation habituelles entre physique et philosophie. En métaphysique expérimentale, les outils de la science peuvent être utilisés pour tester nos visions du monde philosophiques, qui peuvent à leur tour être utilisées pour mieux comprendre la science. Cavalcanti, un Brésilien de 46 ans qui est professeur à l'université Griffith de Brisbane, en Australie, et ses collègues ont publié le résultat le plus solide jamais obtenu en métaphysique expérimentale, un théorème qui impose des contraintes strictes et surprenantes sur la nature de la réalité. Ils conçoivent maintenant des expériences astucieuses, bien que controversées, pour tester nos hypothèses non seulement sur la physique, mais aussi sur l'esprit.

On pourrait s’attendre à ce que l’injection de philosophie dans la science aboutisse à quelque chose de moins scientifique, mais en réalité, selon Cavalcanti, c’est tout le contraire. " Dans un certain sens, la connaissance que nous obtenons grâce à la métaphysique expérimentale est plus sûre et plus scientifique ", a-t-il déclaré, car elle vérifie non seulement nos hypothèses scientifiques mais aussi les prémisses qui se cachent généralement en dessous.

La frontière entre science et philosophie n’a jamais été clairement définie. Elle est souvent tracée en fonction de la testabilité. Toute science digne de ce nom est réputée vulnérable aux tests qui peuvent la falsifier, alors que la philosophie vise des vérités pures qui se situent quelque part hors de portée de l’expérimentation. Tant que cette distinction perdure, les physiciens croient qu’ils peuvent s’occuper des affaires compliquées de la " vraie science " et laisser les philosophes dans leurs fauteuils, à se caresser le menton.

Mais il s’avère que la distinction entre la testabilité et la fiabilité n’est pas valable. Les philosophes savent depuis longtemps qu’il est impossible de prouver une hypothèse. (Peu importe le nombre de cygnes blancs que vous voyez, le prochain pourrait être noir.) C’est pourquoi Karl Popper a dit qu’une affirmation n’est scientifique que si elle est falsifiable – si nous ne pouvons pas la prouver, nous pouvons au moins essayer de la réfuter. En 1906, cependant, le physicien français Pierre Duhem a montré qu’il était impossible de réfuter une seule hypothèse. Chaque élément scientifique est lié à un enchevêtrement d’hypothèses, a-t-il soutenu. Ces hypothèses concernent tout, des lois physiques sous-jacentes au fonctionnement d’appareils de mesure spécifiques. Si le résultat de votre expérience semble réfuter votre hypothèse, vous pouvez toujours rendre compte des données en modifiant l’une de vos hypothèses tout en laissant votre hypothèse intacte.

Prenons par exemple la géométrie de l’espace-temps. Emmanuel Kant, philosophe du XVIIIe siècle, a déclaré que les propriétés de l’espace et du temps ne sont pas des questions empiriques. Il pensait non seulement que la géométrie de l’espace était nécessairement euclidienne, ce qui signifie que la somme des angles intérieurs d’un triangle donne 180 degrés, mais que ce fait devait être R la base de toute métaphysique future ". Selon Kant, elle n’était pas testable empiriquement, car elle fournissait le cadre même dans lequel nous comprenons le fonctionnement de nos tests.

Et pourtant, en 1919, lorsque les astronomes ont mesuré la trajectoire de la lumière des étoiles lointaines contournant l'influence gravitationnelle du Soleil, ils ont découvert que la géométrie de l'espace n'était pas du tout euclidienne : elle était déformée par la gravité, comme Albert Einstein l'avait récemment prédit.

Ou bien l’ont-ils vraiment fait ? Henri Poincaré, le grand penseur français, a proposé une expérience de pensée fascinante. Imaginez que l’univers soit un disque géant conforme à la géométrie euclidienne, mais dont les lois physiques incluent les suivantes : le disque est plus chaud au centre et plus froid sur les bords, la température diminuant proportionnellement au carré de la distance par rapport au centre. De plus, cet univers présente un indice de réfraction (une mesure de la courbure des rayons lumineux) inversement proportionnel à la température. Dans un tel univers, les règles et les mètres ne seraient jamais droits (les objets solides se dilateraient et rétréciraient en fonction du gradient de température) tandis que l’indice de réfraction donnerait l’impression que les rayons lumineux se déplacent en courbes plutôt qu’en lignes. Par conséquent, toute tentative de mesurer la géométrie de l’espace (par exemple en additionnant les angles d’un triangle) conduirait à croire que l’espace n’est pas euclidien.

Tout test de géométrie nécessite de supposer certaines lois de la physique, tandis que tout test de ces lois de la physique nécessite de supposer la géométrie. Bien sûr, les lois physiques du monde du disque semblent ad hoc, mais les axiomes d’Euclide le sont aussi. " Poincaré, à mon avis, a raison ", a déclaré Einstein dans une conférence en 1921. Il a ajouté : " Seule la somme de la géométrie et des lois physiques est sujette à vérification expérimentale. " Comme l’a dit le logicien américain Willard V.O. Quine, " l’unité de signification empirique " – la chose qui est réellement testable – " est l’ensemble de la science. " L’observation la plus simple (que le ciel soit bleu, par exemple, ou que la particule soit là) nous oblige à remettre en question tout ce que nous savons sur le fonctionnement de l’univers.

Mais en réalité, c’est pire que cela. L’unité de signification empirique est une combinaison de science et de philosophie. Le penseur qui l’a le plus clairement perçu est le mathématicien suisse du XXe siècle Ferdinand Gonseth. Pour Gonseth, la science et la métaphysique sont toujours en dialogue l’une avec l’autre, la métaphysique fournissant les fondements sur lesquels la science opère, la science fournissant des preuves qui obligent la métaphysique à réviser ces fondements, et les deux s’adaptant et changeant ensemble comme un organisme vivant et respirant. Comme il l’a déclaré lors d’un symposium auquel il a assisté en l’honneur d’Einstein, " la science et la philosophie forment un tout unique ".

Ces deux notions étant liées par un nœud gordien, nous serions tentés de baisser les bras, car nous ne pouvons pas mettre à l’épreuve des affirmations scientifiques sans entraîner avec elles des affirmations métaphysiques. Mais il y a un revers à la médaille : cela signifie que la métaphysique est testable. C’est pourquoi Cavalcanti, qui travaille aux confins de la connaissance quantique, ne se qualifie pas de physicien, ni de philosophe, mais de " métaphysicien expérimental ".

J’ai rencontré Cavalcanti lors d’un appel vidéo. Ses cheveux noirs tirés en arrière en un chignon, il avait l’air maussade, son attitude prudente et sérieuse n’était compensée que par un chiot de 15 semaines qui se tortillait sur ses genoux. Il m’a raconté comment, alors qu’il était étudiant au Brésil à la fin des années 1990, il travaillait sur la biophysique expérimentale – " des choses très humides ", comme il le décrit, " extraire des cœurs de lapins et les placer sous des magnétomètres [supraconducteurs] ", ce genre de choses. Bien qu’il soit rapidement passé à un terrain plus sec (" travailler dans des accélérateurs de particules, étudier les collisions atomiques "), son travail était encore loin des questions métaphysiques qui persistaient déjà dans son esprit. " On m’avait dit que les questions intéressantes sur les fondements de la mécanique quantique avaient toutes été résolues par [Niels] Bohr dans ses débats avec Einstein ", a-t-il déclaré. Il a donc mesuré une autre section efficace, a produit un autre article et a tout recommencé le lendemain.

Il a fini par travailler pour la Commission nationale de l’énergie nucléaire du Brésil, et c’est là qu’il a lu les livres des physiciens Roger Penrose et David Deutsch, chacun proposant une histoire métaphysique radicalement différente pour expliquer les faits de la mécanique quantique. Devrions-nous abandonner l’hypothèse philosophique selon laquelle il n’y a qu’un seul univers, comme le suggérait Deutsch ? Ou, comme le préférait Penrose, peut-être que la théorie quantique cesse de s’appliquer à grande échelle, lorsque la gravité entre en jeu. " Il y avait là ces brillants physiciens qui non seulement discutent directement des questions relatives aux fondements, mais qui sont également profondément en désaccord les uns avec les autres ", a déclaré Cavalcanti. Penrose, a-t-il ajouté, " est même allé au-delà de la physique pour entrer dans ce qui est traditionnellement de la métaphysique, en posant des questions sur la conscience. "

Inspiré, Cavalcanti décide de poursuivre un doctorat sur les fondements quantiques et trouve une place à l’Université du Queensland en Australie. Sa thèse commence ainsi : " Pour comprendre la source des conflits des fondements quantiques, il est essentiel de savoir où et comment nos modèles et intuitions classiques commencent à ne plus pouvoir décrire un monde quantique. C’est le sujet de la métaphysique expérimentale. " Un professeur dépose sa thèse et déclare : " Ce n’est pas de la physique. "

Mais Cavalcanti était prêt à démontrer que la frontière entre physique et philosophie était déjà irrémédiablement floue. Dans les années 1960, le physicien nord-irlandais John Stewart Bell avait lui aussi rencontré une culture de la physique qui n’avait aucune patience pour la philosophie. L’époque où Einstein et Bohr se disputaient sur la nature de la réalité – et s’engageaient dans une profonde réflexion philosophique – était révolue depuis longtemps. L’esprit pratique de l’après-guerre régnait et les physiciens étaient impatients de se consacrer à la physique, comme si le nœud gordien avait été tranché, comme s’il était possible d’ignorer la métaphysique tout en parvenant à faire de la science. Mais Bell, effectuant son travail hérétique pendant son temps libre, a découvert une nouvelle possibilité : s’il est vrai qu’on ne peut pas tester une seule hypothèse de manière isolée, on peut prendre plusieurs hypothèses métaphysiques et voir si elles tiennent ou non ensemble.

Pour Bell, ces hypothèses sont généralement comprises comme étant la localité (la croyance que les choses ne peuvent pas s'influencer les unes les autres instantanément à travers l'espace) et le réalisme (qu'il existe une certaine manière dont les choses sont simplement, indépendamment de leur mesure). Son théorème, publié en 1964, a prouvé ce que l'on appelle l'inégalité de Bell : pour toute théorie fonctionnant sous les hypothèses de localité et de réalisme, il existe une limite supérieure à la corrélation entre certains événements. La mécanique quantique, cependant, a prédit des corrélations qui ont dépassé cette limite supérieure.

Le théorème de Bell n'était pas testable tel qu'il était rédigé, mais en 1969, le physicien et philosophe Abner Shimony a compris qu'il pouvait être réécrit sous une forme adaptée au laboratoire. Avec l'aide de John Clauser, Michael Horne et Richard Holt, Shimony a transformé l'inégalité de Bell en inégalité CHSH (du nom des initiales de ses auteurs) et en 1972, dans un sous-sol de Berkeley, en Californie, Clauser et son collaborateur Stuart Freedman l'ont mise à l'épreuve en mesurant les corrélations entre paires de photons.

Les résultats ont montré que le monde confirmait les prédictions de la mécanique quantique, montrant des corrélations qui restaient bien plus fortes que ne le permettait l’inégalité de Bell. Cela signifiait que la localité et le réalisme ne pouvaient pas être tous deux des caractéristiques de la réalité – bien que les expériences ne puissent pas dire lequel des deux nous devrions abandonner. " À mon avis, ce qui est le plus fascinant dans les théorèmes du type de Bell, c’est qu’ils offrent une occasion rare de mener une entreprise que l’on peut à juste titre appeler - métaphysique expérimentale - ", écrivait Shimony en 1980 dans la déclaration qui est largement considérée comme à l’origine du terme.

Mais il se trouve que le terme remonte à bien plus loin, jusqu'à un personnage des plus improbables. Michele Besso, le meilleur ami et le conseiller d'Einstein, fut la seule personne à qui Einstein doit son aide pour élaborer la théorie de la relativité. Mais Besso l'a moins aidé en physique qu'en philosophie. Einstein avait toujours été un réaliste, croyant en une réalité cachée, indépendante de nos observations, mais Besso lui a fait découvrir les écrits philosophiques d'Ernst Mach, qui soutenait qu'une théorie ne devait se référer qu'à des quantités mesurables. Mach, par l'intermédiaire de Besso, a encouragé Einstein à abandonner ses notions métaphysiques d'espace, de temps et de mouvement absolus. Le résultat fut la théorie de la relativité restreinte.

Lors de sa publication en 1905, les physiciens ne savaient pas vraiment si cette théorie relevait de la physique ou de la philosophie. Toutes ses équations avaient déjà été écrites par d’autres ; seule la métaphysique qui les sous-tendait était nouvelle. Mais cette métaphysique a suffi à donner naissance à une nouvelle science, la relativité restreinte ayant cédé la place à la relativité générale, une nouvelle théorie de la gravité, assortie de nouvelles prédictions vérifiables. Besso s’est ensuite lié d’amitié avec Gonseth ; en Suisse, les deux hommes ont fait de longues promenades ensemble, au cours desquelles Gonseth a fait valoir que la physique ne pourrait jamais être posée sur des fondations solides, car les expériences peuvent toujours renverser les hypothèses les plus fondamentales sur lesquelles elle est construite. Dans une lettre que Gonseth a publiée dans un numéro de 1948 de la revue Dialectica , Besso a suggéré à Gonseth de qualifier son travail de " métaphysique expérimentale ".

La métaphysique expérimentale a acquis une sorte de siège officiel dans les années 1970 avec la fondation de l’Association Ferdinand Gonseth à Bienne, en Suisse. " La science et la philosophie forment un seul corps ", affirmait-elle dans ses valeurs fondatrices, " et tout ce qui se passe dans la science, que ce soit dans ses méthodes ou dans ses résultats, peut avoir des répercussions sur la philosophie jusque dans ses principes les plus fondamentaux. " C’était une déclaration radicale, tout aussi choquante pour la science que pour la philosophie. L’association publiait un bulletin clandestin intitulé Epistemological Letters , une sorte de " zine " de physique, avec des pages dactylographiées et ronéotypées parsemées d’équations dessinées à la main, qui était envoyé par courrier à une centaine de physiciens et philosophes qui constituaient une nouvelle contre-culture – les quelques audacieux qui voulaient discuter de métaphysique expérimentale. Shimony en était le rédacteur en chef.

Le théorème de Bell a toujours été au centre de ces discussions, car là où les travaux antérieurs en physique laissaient de côté leur métaphysique, dans le travail de Bell, les deux étaient véritablement et explicitement indissociables. Le théorème ne concernait aucune théorie particulière de la physique. C'était ce que les physiciens appellent un théorème " d'interdiction", une preuve générale montrant qu'aucune théorie fonctionnant sous les hypothèses métaphysiques de localité et de réalisme ne peut décrire le monde dans lequel nous vivons. Vous voulez un monde qui soit juste d'une certaine manière, même lorsqu'il n'est pas mesuré ? Et vous voulez de la localité ? Pas question. Ou, comme l'a dit Shimony dans Epistemological Letters , dans un jeu de mots sur le nom de Bell, ceux qui veulent défendre une telle vision du monde " devraient se souvenir du sermon de Donne :   Et donc n'envoyez jamais demander pour qui sonne le glas ; il sonne pour vous. "

" Bell était à la fois un philosophe de la physique et un physicien ", a déclaré Wayne Myrvold , philosophe de la physique à l’Université Western au Canada. "Et dans certains de ses meilleurs articles, il combine essentiellement les deux. " Cela a ébranlé les rédacteurs en chef des revues de physique traditionnelles et d’autres gardiens de la science. " Ce genre de travail n’était définitivement pas considéré comme respectable ", a déclaré Cavalcanti.

C'est pourquoi, lorsque le physicien français Alain Aspect a proposé à Bell une nouvelle expérience qui permettrait de tester l'inégalité de Bell tout en excluant toute influence résiduelle se propageant entre les appareils de mesure utilisés pour détecter la polarisation des photons, Bell lui a demandé s'il avait un poste permanent de professeur. " Nous craignions que cette expérience ne ruine la carrière d'un jeune physicien ", a déclaré Myrvold.

En 2022, Aspect, Clauser et Anton Zeilinger se rendent à Stockholm pour recevoir le prix Nobel. Les corrélations de Bell, qui violent les inégalités, ont conduit à des technologies révolutionnaires, notamment la cryptographie quantique, l’informatique quantique et la téléportation quantique. Mais " malgré les avantages technologiques ", a déclaré Myrvold, " le travail était motivé par des questions philosophiques ". Selon la citation du Nobel, les trois physiciens ont été récompensés pour " avoir été des pionniers de la science de l’information quantique ". Selon Cavalcanti, ils ont gagné pour la métaphysique expérimentale.

LE THÉORÈME DE BELL n'était que le début.

À la suite d’expériences violant les inégalités de type Bell, plusieurs conceptions de la réalité sont restées sur la table. On pouvait conserver le réalisme et abandonner la notion de localité, en acceptant que ce qui se passe dans un coin de l’univers affecte instantanément ce qui se passe dans un autre et que, par conséquent, la relativité doit être modifiée. Ou bien on pouvait conserver la notion de localité et abandonner le réalisme, en acceptant que les choses dans l’univers n’ont pas de caractéristiques définies avant d’être mesurées – que la nature, dans un sens profond, invente des choses à la volée.

Mais même si vous abandonnez la réalité pré-mesure, vous pouvez toujours vous accrocher à la réalité post-mesure. Autrement dit, vous pouvez imaginer prendre tous ces résultats de mesure et les rassembler en une seule réalité partagée. C'est généralement ce que nous entendons par " réalité ". C'est la notion même d'un monde objectif.

Une expérience de pensée réalisée en 1961 jette le doute sur cette possibilité. Eugene Wigner, le physicien lauréat du prix Nobel, a proposé un scénario dans lequel un observateur, qu'on appelle " l'ami de Wigner ", se rend dans un laboratoire où se trouve un système quantique, par exemple un électron dans une combinaison quantique, ou superposition, de deux états appelés " spin up " et " spin down ". L'ami mesure le spin de l'électron et constate qu'il est up. Mais Wigner, debout à l'extérieur, peut utiliser la mécanique quantique pour décrire l'état complet du laboratoire, où, de son point de vue, aucune mesure n'a eu lieu. L'état de l'ami et l'état de l'électron sont simplement corrélés – intriqués – tandis que l'électron reste dans une superposition d'états. En principe, Wigner peut même effectuer une mesure qui montrera les effets physiques de la superposition. Du point de vue de l'ami, l'électron a un état post-mesure, mais cela ne semble pas faire partie de la réalité de Wigner.

En 2018, ce doute persistant sur une réalité commune est devenu un véritable dilemme. Časlav Brukner , physicien à l'université de Vienne, s'est rendu compte qu'il pouvait combiner l'expérience de type Bell avec celle de l'ami de Wigner pour prouver un nouveau théorème de non-retour. L'idée était d'avoir deux amis et deux Wigner ; les amis mesurent chacun la moitié d'un système intriqué, puis chacun des Wigner effectue l'une des deux mesures possibles dans le laboratoire de son ami. Les résultats des mesures des Wigner seront corrélés, tout comme les polarisations des photons dans les expériences originales de type Bell, avec certaines hypothèses métaphysiques imposant des limites supérieures à la force de ces corrélations.

Il s’est avéré que la preuve de Brukner reposait sur une hypothèse supplémentaire qui affaiblissait la force du théorème résultant, mais elle a inspiré Cavalcanti et ses collègues à créer leur propre version. En 2020, dans la revue Nature Physics , ils ont publié " A Strong No-Go Theorem on the Wigner’s Friend Paradox ", qui a prouvé deux choses. Premièrement, que la métaphysique expérimentale, auparavant reléguée dans des zines underground, est désormais digne de revues scientifiques prestigieuses, et deuxièmement, que la réalité est encore plus étrange que ce que le théorème de Bell a jamais suggéré.

Leur théorème de non-retour a montré que, si les prédictions de la mécanique quantique sont correctes, les trois hypothèses suivantes ne peuvent pas toutes être vraies : la localité (pas d'action étrange à distance), la liberté de choix (pas de conspiration cosmique vous incitant à régler vos détecteurs de telle sorte que les résultats semblent violer l'inégalité de Bell même si ce n'est pas le cas) et l'absoluité des événements observés (un électron avec un spin up pour l'ami de Wigner est un électron avec un spin up pour tout le monde). Si vous voulez des interactions locales et un cosmos sans conspiration, alors vous devez abandonner l'idée qu'un résultat de mesure pour un observateur est un résultat de mesure pour tous.

Il est significatif que leur théorème de non-droit " limite l’espace des théories métaphysiques possibles plus étroitement que le théorème de Bell ", a déclaré Cavalcanti.

" C’est une amélioration importante ", a déclaré Brukner. " C’est le théorème de non-entrée le plus précis et le plus solide. " C’est-à-dire qu’il s’agit de la métaphysique expérimentale la plus puissante à ce jour. " La force de ces théorèmes de non-entrée est précisément qu’ils ne testent pas une théorie particulière, mais une vision du monde. En les testant et en montrant les violations de certaines inégalités, nous ne rejetons pas une théorie, mais toute une classe de théories. C’est une chose très puissante. Cela nous permet de comprendre ce qui est possible. "

Brukner déplore que les implications de la métaphysique expérimentale n’aient pas encore été pleinement intégrées au reste de la physique en général – en particulier, selon lui, au détriment de la recherche sur la nature quantique de la gravité. " C’est vraiment dommage, car nous nous retrouvons avec des images erronées de ce à quoi ressemble le vide ou de ce qui se passe dans un trou noir, par exemple, alors que ces images sont décrites sans aucune référence aux modes d’observation ", a-t-il déclaré. " Je ne pense pas que nous ferons des progrès significatifs dans ces domaines tant que nous n’aurons pas vraiment travaillé sur la théorie de la mesure. "

On ne sait pas si la métaphysique expérimentale pourra un jour nous conduire à la théorie correcte de la gravité quantique, mais elle pourrait au moins réduire les chances de réussite. " Il y a une histoire, je ne sais pas si elle est apocryphe, mais elle est belle ", a écrit Cavalcanti dans un article de 2021 , selon laquelle Michel-Ange, lorsqu’on lui a demandé comment il avait sculpté David, a dit : " J’ai juste enlevé tout ce qui n’était pas David. " J’aime penser au paysage métaphysique comme au bloc de marbre brut – avec différents points du bloc correspondant à différentes théories physiques – et à la métaphysique expérimentale comme à un ciseau pour sculpter le marbre, en éliminant les coins qui ne décrivent pas le monde de notre expérience. Il se peut que nous soyons incapables de réduire le bloc à un seul point, correspondant à la seule véritable " théorie de tout ". Mais nous pouvons espérer qu’après avoir sculpté tous les morceaux que l’expérience nous permet de sculpter, ce qui reste forme un bel ensemble. "

Tandis que je parlais avec Cavalcanti, j’essayais de comprendre à quelle interprétation de la mécanique quantique il adhérait en déterminant les hypothèses métaphysiques auxquelles il espérait s’accrocher et celles qu’il était prêt à abandonner. Était-il d’accord avec l’ interprétation bohémienne de la mécanique quantique, qui échange la localité contre le réalisme ? Était-il un [a https://www.quantamagazine.org/quantum-bayesianism-explained-by-its-founder-20150604/ ]" QBiste "[/a], sans besoin de l’absoluité des événements observés ? Croyait-il aux conspirations cosmiques des superdéterministes , qui attribuent toutes les mesures corrélées dans l’univers actuel à un plan directeur établi au début des temps ? Et que dire des mesures engendrant des réalités parallèles, comme dans l’ hypothèse des mondes multiples ? Cavalcanti gardait le visage impassible d’un vrai philosophe ; il ne voulait rien dire. (Le chiot, pendant ce temps, se livrait à une lutte acharnée contre le tapis.) J’ai cependant saisi un indice. Quelle que soit l’interprétation qu’il choisira, il souhaite qu’elle touche au mystère de l’esprit – ce qu’est la conscience ou ce que l’on entend par observateur conscient. " Je pense toujours que c’est le mystère le plus profond ", a-t-il déclaré. " Je ne pense pas qu’aucune des interprétations disponibles ne parvienne réellement à la bonne histoire. "

Dans leur article de 2020 dans Nature Physics , Cavalcanti et ses collègues ont rapporté les résultats de ce qu’ils ont appelé une " version de démonstration de principe " de leur expérience Bell-cum-Wigner’s-friend, qui a montré une violation claire des inégalités dérivées des hypothèses conjointes de localité, de liberté de choix et d’absoluité des événements observés. Mais l’expérience est intrinsèquement délicate à réaliser, car quelque chose – ou quelqu’un – doit jouer le rôle d’observateur. Dans la version de démonstration de principe, les " amis " de Wigner étaient joués par les trajectoires de photons, tandis que les détecteurs de photons jouaient le rôle des Wigner. Il est notoirement difficile de dire si quelque chose d’aussi simple qu’une trajectoire de photon compte comme un observateur.

" Si vous pensez que n’importe quel système physique peut être considéré comme un observateur, alors l’expérience a déjà été réalisée ", a déclaré Cavalcanti.  Mais la plupart des physiciens diront : " Non, je n’y crois pas. Alors, quelles sont les prochaines étapes ? Jusqu’où pouvons-nous aller ? " Une molécule est-elle un observateur ? Une amibe ? Wigner pourrait-il être ami avec une figue ? Ou un ficus ?

Si l’ami doit être humain, il est difficile de surestimer à quel point il serait difficile de mesurer un atome dans une superposition, ce qui est exactement ce que les Wigner de l’expérience sont censés faire. Il est déjà assez difficile de maintenir un atome dans une superposition. Maintenir les états superposés d’un atome signifie l’isoler de pratiquement toutes les interactions – y compris les interactions avec l’air – ce qui signifie le stocker à un cheveu au-dessus du zéro absolu. L’être humain adulte moyen, en plus d’avoir besoin d’air, est composé de quelque 30 000 milliards de cellules, chacune contenant environ 100 000 milliards d’atomes. La technologie, la motricité fine et l’éthique douteuse dont un Wigner aurait besoin pour effectuer sa mesure mettraient à rude épreuve l’imagination de n’importe quel physicien ou comité d’évaluation institutionnel. " On ne souligne pas toujours que cette expérience [proposée] est un acte violent ", a déclaré Myrvold. " Il s’agit essentiellement de détruire la personne puis de la réanimer. " Bonne chance pour obtenir la subvention pour cela.

Brukner, pour sa part, se demande si la mesure n’est pas seulement difficile, mais impossible. " Je pense que si nous mettons tout cela sur papier, nous verrons que les ressources nécessaires à Wigner pour effectuer cette mesure vont bien au-delà de ce qui est disponible dans l’univers ", a-t-il déclaré. " Peut-être que dans une théorie plus fondamentale, ces limitations feront partie de la théorie, et il s’avérera que cette question n’a aucun sens. " Ce serait un véritable tournant pour la métaphysique expérimentale. Peut-être que nos plus profondes intuitions sur la nature de la réalité viendront lorsque nous réaliserons ce qui n’est pas testable.

Cavalcanti garde cependant espoir. Nous ne pourrons peut-être jamais mener l’expérience sur un humain, dit-il, mais pourquoi pas un algorithme d’intelligence artificielle ? Dans son dernier ouvrage , en collaboration avec le physicien Howard Wiseman et la mathématicienne Eleanor Rieffel , il soutient que l’ami pourrait être un algorithme d’intelligence artificielle exécuté sur un grand ordinateur quantique, effectuant une expérience simulée dans un laboratoire simulé. " À un moment donné ", soutient Cavalcanti, " nous aurons une intelligence artificielle qui sera essentiellement impossible à distinguer de l’humain en ce qui concerne les capacités cognitives ", et nous pourrons tester son inégalité une fois pour toutes.

Mais cette hypothèse n’est pas sans controverse. Certains philosophes de l’esprit croient en la possibilité d’une IA forte, mais certainement pas tous. Les penseurs de ce que l’on appelle la cognition incarnée, par exemple, s’opposent à la notion d’esprit désincarné, tandis que l’approche énactive de la cognition n’accorde l’esprit qu’aux créatures vivantes.

Tout cela place la physique dans une position délicate. Nous ne pouvons pas savoir si la nature viole l’inégalité de Cavalcanti – nous ne pouvons pas savoir, en d’autres termes, si l’objectivité elle-même est sur le billot métaphysique – tant que nous ne pouvons pas définir ce qui compte comme observateur, et pour cela, il faut faire appel à la physique, aux sciences cognitives et à la philosophie. L’espace radical de la métaphysique expérimentale s’élargit pour les entrelacer toutes les trois. Pour paraphraser Gonseth, peut-être qu’elles forment un tout unique. 

Il est difficile d'imaginer un univers atemporel, non pas parce que le temps est un concept techniquement complexe ou philosophiquement insaisissable mais pour une raison plus structurelle.

Imaginer la non temporalité implique que le temps s'écoule. Même lorsqu'on essayez d'imaginer son absence, on le sent passer à mesure que nos pensées changent, que notre cœur pompe le sang vers votre cerveau et que les images, sons et odeurs bougent autour de nous. Le temps semble ne jamais s'arrêter. On peut même avoir l'impression d'être tissé dans son tissu en un perpétuel mouvement, alors que l'Univers se contracte et se rétracte. Mais est-ce vraiment ainsi que le temps fonctionne ?

Selon Albert Einstein, notre expérience du passé, du présent et du futur n'est rien d'autre qu'une " illusion obstinément persistante". Selon Isaac Newton, le temps n'est rien d'autre qu'une toile de fond, en dehors de la vie. Et selon les lois de la thermodynamique, le temps n'est rien d'autre que de l'entropie et de la chaleur. Dans l'histoire de la physique moderne, il n'y a jamais eu de théorie largement acceptée dans laquelle un sens du temps mobile et directionnel soit fondamental. Nombre de nos descriptions les plus fondamentales de la nature - des lois du mouvement aux propriétés des molécules et de la matière - semblent exister dans un univers où le temps ne s'écoule pas vraiment. Cependant, des recherches récentes menées dans divers domaines suggèrent que le mouvement du temps pourrait être plus important que la plupart des physiciens ne l'avaient supposé.

Une nouvelle forme de physique appelée théorie de l'assemblage suggère que le sens d'un temps en mouvement et directionnel est réel et fondamental. Elle suggère que les objets complexes de notre univers qui ont été fabriqués par la vie, y compris les microbes, les ordinateurs et les villes, n'existent pas hors du temps : impossibles sans un mouvement temporel. De ce point de vue, le passage du temps n'est pas seulement intrinsèque à l'évolution de la vie ou à notre expérience de l'univers. Il est aussi le tissu matériel en perpétuel mouvement de l'Univers lui-même. Le temps est un objet. Il a une taille physique, comme l'espace. Il peut être mesuré au niveau moléculaire dans les laboratoires.

L'unification du temps et de l'espace a radicalement changé la trajectoire de la physique au 20e siècle. Elle a ouvert de nouvelles perspectives sur la façon dont nous concevons la réalité. Que pourrait faire l'unification du temps et de la matière à notre époque ? Que se passe-t-il lorsque le temps est un objet ?

Pour Newton, le temps était fixe. Dans ses lois du mouvement et de la gravité, qui décrivent comment les objets changent de position dans l'espace, le temps est une toile de fond absolue. Le temps newtonien passe, mais ne change jamais. Cette vision temporelle perdure dans la physique moderne - même dans les fonctions d'onde de la mécanique quantique, le temps reste une toile de fond et non une caractéristique fondamentale. Pour Einstein, cependant, le temps n'est pas absolu. Il était relatif à chaque observateur. Il a décrit notre expérience du temps qui passe comme "une illusion obstinément persistante". Le temps einsteinien est mesuré par le tic-tac des horloges ; l'espace est mesuré par le tic-tac des règles qui enregistrent les distances. En étudiant les mouvements relatifs des horloges et des règles, Einstein a pu combiner les concepts de mesure de l'espace et du temps en une structure unifiée que nous appelons aujourd'hui "espace-temps". Dans cette structure, l'espace est infini et tous les points existent en même temps. Mais le temps, tel que décrit par Einstein, possède également cette propriété, ce qui signifie que tous les temps - passé, présent et futur - sont pareillement vrais. Le résultat est parfois appelé "univers bloc", qui contient tout ce qui s'est passé et se passera dans l'espace et le temps. Aujourd'hui, la plupart des physiciens soutiennent  cette notion d'univers-bloc.

Mais l'univers-bloc avait été fissuré avant même d'exister. Au début du XIXe siècle, près d'un siècle avant qu'Einstein ne développe le concept d'espace-temps, Nicolas Léonard Sadi Carnot et d'autres physiciens s'interrogeaient déjà sur l'idée que le temps était soit une toile de fond, soit une illusion. Ces questions se poursuivront au XIXe siècle, lorsque des physiciens tels que Ludwig Boltzmann commenceront à s'intéresser aux problèmes posés par une technologie d'un genre nouveau : la machine (engine - ou moteur : nous par exemple)

Bien que les machines puissent être reproduites mécaniquement, les physiciens ne savent pas exactement comment elles fonctionnent. La mécanique newtonienne est réversible, ce qui n'est pas le cas des machines. Le système solaire de Newton fonctionnait aussi bien en avançant qu'en reculant dans le temps. En revanche, si vous conduisez une voiture et qu'elle tombe en panne d'essence, vous ne pouvez pas faire tourner le moteur en marche arrière, récupérer la chaleur générée et désenflammer le carburant. Les physiciens de l'époque pensaient que les moteurs devaient obéir à certaines lois, même si ces lois étaient inconnues. Ils ont découvert que les moteurs ne fonctionnaient pas si le temps ne s'écoulait pas et n'avait pas de direction. En exploitant les différences de température, les moteurs entraînent un mouvement de chaleur des parties chaudes vers les parties froides. Plus le temps passe, plus la différence de température diminue et moins le "travail" peut être effectué. Telle est l'essence de la deuxième loi de la thermodynamique (également connue sous le nom de loi de l'entropie) qui fut proposée par Carnot et expliquée plus tard de manière statistique par Boltzmann. Cette loi décrit la manière dont un moteur peut effectuer moins de "travail" utile au fil du temps. Vous devez de temps en temps faire le plein de votre voiture, et l'entropie doit toujours être en augmentation.

Vivons-nous vraiment dans un univers qui n'a pas besoin du temps comme caractéristique fondamentale ?

Tout ça a du sens dans le contexte des machines ou d'autres objets complexes, mais n'est pas utile lorsqu'il s'agit d'une simple particule. Parler de la température d'une seule particule n'a aucun sens, car la température est un moyen de quantifier l'énergie cinétique moyenne de nombreuses particules. Dans les lois de la thermodynamique, l'écoulement et la directionnalité du temps sont considérés comme une propriété émergente plutôt que comme une toile de fond ou une illusion - une propriété associée au comportement d'un grand nombre d'objets. Bien que la théorie thermodynamique ait introduit la notion de directionnalité du temps, cette propriété n'était pas fondamentale. En physique, les propriétés "fondamentales" sont réservées aux propriétés qui ne peuvent être décrites par d'autres termes. La flèche du temps en thermodynamique est donc considérée comme "émergente" parce qu'elle peut être expliquée en termes de concepts plus fondamentaux, tels que l'entropie et la chaleur.

Charles Darwin, qui vécut et travailla entre l'ère de la machine à vapeur de Carnot et l'émergence de l'univers en bloc d'Einstein, fut un des premiers à voir clairement comment la vie doit exister dans le temps. Dans la dernière phrase de L'origine des espèces (1859), il résume avec éloquence cette perspective : "Alors que cette planète a continué de tourner selon la loi fixe de la gravité, à partir d'un commencement aussi simple... des formes infinies, les plus belles et les plus merveilleuses, ont été et sont en train d'évoluer". L'arrivée des "formes infinies" de Darwin ne peut s'expliquer que dans un univers où le temps existe et possède une direction claire.

Au cours des derniers milliards d'années, la vie a évolué d'organismes unicellulaires vers des organismes multicellulaires complexes. Elle est passée de sociétés simples à des villes grouillantes et, aujourd'hui, à une planète potentiellement capable de reproduire sa vie sur d'autres mondes. Ces choses mettent du temps à apparaître parce qu'elles ne peuvent émerger qu'à travers les processus de sélection et d'évolution.

Nous pensons que l'intuition de Darwin n'est pas assez profonde. L'évolution décrit avec précision les changements observés dans les différentes formes de vie, mais elle fait bien plus que cela : c'est le seul processus physique de notre univers qui peut générer les objets que nous associons à la vie. Qu'il s'agisse de bactéries, de chats et d'arbres, mais aussi de choses telles que des fusées, des téléphones portables et des villes. Aucun de ces objets n'apparaît spontanément par fluctuation, contrairement à ce que prétendent les ouvrages de physique moderne. Ces objets ne sont pas le fruit du hasard. Au contraire, ils ont tous besoin d'une "mémoire" du passé pour être fabriqués dans le présent. Ils doivent être produits au fil du temps - un temps qui avance continuellement. Pourtant, selon Newton, Einstein, Carnot, Boltzmann et d'autres, le temps est soit inexistant, soit simplement émergent.

Les temps de la physique et de l'évolution sont incompatibles. Mais cela n'a pas toujours été évident parce que physique et évolution traitent de types d'objets différents.  La physique, en particulier la mécanique quantique, traite d'objets simples et élémentaires : quarks, leptons et  autres particules porteuses de force du modèle standard. Ces objets étant considérés comme simples, l'Univers n'a pas besoin de "mémoire" pour les fabriquer (à condition que l'énergie et les ressources disponibles soient suffisantes). La "mémoire" est un moyen de décrire l'enregistrement des actions ou des processus nécessaires à la fabrication d'un objet donné. Lorsque nous abordons les disciplines qui traitent de l'évolution, telles que la chimie et la biologie, nous trouvons des objets trop complexes pour être produits en abondance instantanément (même lorsque l'énergie et les matériaux sont disponibles). Ils nécessitent une mémoire, accumulée au fil du temps, pour être produits. Comme l'a compris Darwin, certains objets ne peuvent voir le jour que grâce à l'évolution et à la sélection de certains "enregistrements" de la mémoire pour les fabriquer.

Cette incompatibilité crée un ensemble de problèmes qui ne peuvent être résolus qu'en s'écartant radicalement de la manière dont la physique aborde actuellement le temps, en particulier si nous voulons expliquer la vie. Si les théories actuelles de la mécanique quantique peuvent expliquer certaines caractéristiques des molécules, comme leur stabilité, elles ne peuvent pas expliquer l'existence de l'ADN, des protéines, de l'ARN ou autres molécules grands et complexes. De même, la deuxième loi de la thermodynamique est censée donner lieu à la flèche du temps et à des explications sur la manière dont les organismes convertissent l'énergie, mais elle n'explique pas la directionnalité du temps, dans laquelle des formes infinies se construisent sur des échelles de temps évolutives sans que soit en vue l'équilibre final ou la mort thermique de la biosphère. La mécanique quantique et la thermodynamique sont nécessaires pour expliquer certaines caractéristiques de la vie, mais elles ne sont pas suffisantes.

Ces problèmes et d'autres encore nous ont amenés à développer une nouvelle façon de penser la physique du temps, que nous avons appelée la théorie de l'assemblage. Cette théorie décrit la quantité de mémoire nécessaire pour qu'une molécule ou une combinaison de molécules - les objets dont est faite la vie - vienne à l'existence. Dans la théorie de l'assemblage, cette mémoire est mesurée au cours du temps en tant que caractéristique d'une molécule, en mettant l'accent sur la mémoire minimale requise pour que cette (ou ces) molécule(s) puisse(nt) voir le jour. La théorie de l'assemblage quantifie la sélection en faisant du temps une propriété des objets qui n'ont pu émerger que par l'évolution.

Nous avons commencé à développer cette nouvelle physique en examinant comment la vie émerge par le biais de changements chimiques. La chimie de la vie fonctionne de manière combinatoire : les atomes se lient pour former des molécules, et les combinaisons possibles augmentent avec chaque liaison supplémentaire. Ces combinaisons sont réalisées à partir d'environ 92 éléments naturels, dont les chimistes estiment qu'ils peuvent être combinés pour construire jusqu'à 10 puissance 60 de molécules différentes  (1 suivi de 60 zéros). Pour devenir utile, chaque combinaison individuelle devrait être répliquée des milliards de fois - pensez au nombre de molécules nécessaires pour fabriquer ne serait-ce qu'une seule cellule, sans parler d'un insecte ou d'une personne. Faire des copies de tout objet complexe prend donc du temps car chaque étape nécessaire à son assemblage implique une recherche dans l'immensité de l'espace combinatoire pour sélectionner les molécules qui prendront une forme physique.

Les espaces à structure combinatoire semblent apparaître lorsque la vie existe.

Prenons les protéines macromoléculaires que les êtres vivants utilisent comme catalyseurs dans les cellules. Ces protéines sont fabriquées à partir d'éléments moléculaires plus petits appelés acides aminés, qui se combinent pour former de longues chaînes dont la longueur varie généralement entre 50 et 2 000 acides aminés. Si toutes les protéines possibles d'une longueur de 100 acides aminés étaient assemblées à partir des 20 acides aminés les plus courants qui forment les protéines, le résultat ne remplirait pas seulement notre univers, mais 10 (puissance 23 ) univers.

Il est difficile d'imaginer le champ de toutes les molécules possibles.  À titre d'analogie, considérons les combinaisons qu'on peut réaliser avec un jeu de briques donné genre Lego. Si le jeu ne contient que deux briques, le nombre de combinaisons sera faible. En revanche, si le jeu contient des milliers de pièces, comme  un modèle Lego de 5 923 pièces du Taj Mahal, le nombre de combinaisons possibles est astronomique. Si vous deviez spécifiquement construire le Taj Mahal en suivant les instructions, l'espace des possibilités devient limité, mais si vous pouviez construire n'importe quel objet Lego avec ces 5 923 pièces, il y aurait une explosion combinatoire des structures possibles qui pourraient être construites - les possibilités augmentant de manière exponentielle avec chaque bloc supplémentaire que vous ajouteriez. Si vous connectez chaque seconde deux structures Lego préalablement construites, vous ne pourriez pas explorer toutes les possibilités d'objets de la taille du jeu Lego Taj Mahal avant la fin de l'univers. En fait, tout espace construit de manière combinatoire, même à partir de quelques blocs de construction simples, aura cette propriété. Idée qui inclut tous les objets cellulaires possibles construits à partir de la chimie, tous les organismes possibles construits à partir de différents types de cellules, tous les langages possibles construits à partir de mots ou d'énoncés, et tous les programmes informatiques possibles construits à partir de tous les jeux d'instructions possibles.

Le schéma est le suivant : les espaces combinatoires semblent se manifester lorsque la vie existe. En d'autres termes, la vie ne devient évidente que lorsque le champ des possibles est si vaste que l'univers est obligé de ne sélectionner qu'une partie de cet espace pour exister. La théorie de l'assemblage vise à formaliser cette idée. Dans la théorie de l'assemblage, les objets sont construits de manière combinatoire à partir d'autres objets et, tout comme vous pouvez utiliser une règle pour mesurer la taille d'un objet donné dans l'espace, la théorie de l'assemblage fournit une mesure - appelée "indice d'assemblage" - pour mesurer la taille d'un objet dans le temps.

Partant de cette analogie, l'ensemble Lego Taj Mahal équivaut à une molécule complexe. La reproduction d'un objet spécifique, comme un jeu de Lego, d'une manière qui n'est pas aléatoire, nécessite une sélection dans l'espace de tous les objets possibles. En d'autres termes, à chaque étape de la construction, des objets ou des ensembles d'objets spécifiques doivent être sélectionnés parmi le grand nombre de combinaisons possibles qui pourraient être construites. Outre la sélection, la "mémoire" est également nécessaire : les objets existants doivent contenir des informations pour assembler le nouvel objet spécifique, qui est mis en œuvre sous la forme d'une séquence d'étapes pouvant être accomplies en un temps fini, comme les instructions requises pour construire le Taj Mahal en Lego. Les objets plus complexes nécessitent davantage de mémoire pour voir le jour.

Dans la théorie de l'assemblage, les objets gagnent en complexité au fil du temps grâce au processus de sélection. Au fur et à mesure que les objets deviennent plus complexes, leurs parties uniques augmentent, ce qui signifie que la mémoire locale doit également augmenter. "Mémoire locale" qui est la chaîne causale d'événements qui font que l'objet est d'abord "découvert" ou "émergé" via la sélection, puis créé en plusieurs exemplaires. Par exemple, dans le cadre de la recherche sur l'origine de la vie, les chimistes étudient comment les molécules s'assemblent pour devenir des organismes vivants. Pour qu'un système chimique émerge spontanément en tant que "vie", il doit s'auto-reproduire en formant, ou en catalysant, des réseaux de réactions chimiques auto-entretenus. Mais comment le système chimique "sait-il" quelles combinaisons faire ? Nous pouvons voir une "mémoire locale" à l'œuvre dans ces réseaux de molécules qui ont "appris" à se lier chimiquement de certaines manières. À mesure que les exigences en matière de mémoire augmentent, la probabilité qu'un objet ait été produit par hasard tombe à zéro, car le nombre de combinaisons alternatives qui n'ont pas été sélectionnées est tout simplement trop élevé. Un objet, qu'il s'agisse d'un Lego Taj Mahal ou d'un réseau de molécules, ne peut être produit et reproduit qu'avec une mémoire et un processus de construction. Mais la mémoire n'est pas partout, elle est locale dans l'espace et le temps. Ce qui signifie qu'un objet ne peut être produit que s'il existe une mémoire locale qui peut guider le choix des pièces, de leur emplacement et de leur moment.

Dans la théorie de l'assemblage, la "sélection" fait référence à ce qui a émergé dans l'espace des combinaisons possibles. Elle est formellement décrite par le nombre de copies et la complexité d'un objet. Le nombre de copies, ou concentration, est un concept utilisé en chimie et en biologie moléculaire qui fait référence au nombre de copies d'une molécule présentes dans un volume d'espace donné. Dans la théorie de l'assemblage, la complexité est tout aussi importante que le nombre de copies. Une molécule très complexe qui n'existe qu'en un seul exemplaire importe peu. Ce qui intéresse la théorie de l'assemblage, ce sont les molécules complexes dont le nombre de copies est élevé, ce qui indique que la molécule a été produite par l'évolution. Cette mesure de la complexité est également connue sous le nom d'"indice d'assemblage" d'un objet. Valeur qui est liée à la quantité de mémoire physique nécessaire pour stocker les informations permettant de diriger l'assemblage d'un objet et d'établir une direction dans le temps du simple au complexe. Bien que la mémoire doive exister dans l'environnement pour faire naître l'objet, dans la théorie de l'assemblage la mémoire est également une caractéristique physique intrinsèque de l'objet. En fait, elle est l'objet.

Ce sont des piles d'objets construisant d'autres objets qui construisent d'autres objets - objets qui construisent des objets, jusqu'au bout. Certains objets ne sont apparus que relativement récemment, tels que les "produits chimiques éternels" synthétiques fabriqués à partir de composés chimiques organofluorés. D'autres sont apparus il y a des milliards d'années, comme les cellules végétales photosynthétiques. Les objets ont des profondeurs temporelles différentes. Cette profondeur est directement liée à l'indice d'assemblage et au nombre de copies d'un objet, que nous pouvons combiner en un nombre : une quantité appelée "assemblage", ou A. Plus le nombre d'assemblage est élevé, plus l'objet a une profondeur temporelle.

Pour mesurer un assemblage en laboratoire, nous analysons chimiquement un objet pour compter le nombre de copies d'une molécule donnée qu'il contient. Nous déduisons ensuite la complexité de l'objet, connue sous le nom d'indice d'assemblage moléculaire, en comptant le nombre de parties qu'il contient. Ces parties moléculaires, comme les acides aminés dans une chaîne de protéines, sont souvent déduites en déterminant l'indice d'assemblage moléculaire d'un objet - un numéro d'assemblage théorique. Mais il ne s'agit pas d'une déduction théorique. Nous "comptons" les composants moléculaires d'un objet à l'aide de trois techniques de visualisation : la spectrométrie de masse, la spectroscopie infrarouge et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN). Il est remarquable que le nombre de composants que nous avons comptés dans les molécules corresponde à leur nombre d'assemblage théorique. Cela signifie que nous pouvons mesurer l'indice d'assemblage d'un objet directement avec un équipement de laboratoire standard.

Un numéro d'assemblage élevé - indice d'assemblage élevé et nombre de copies élevé - indique que l'objet peut être fabriqué de manière fiable par un élément de son environnement. Il peut s'agir d'une cellule qui construit des molécules à indice d'assemblage élevé, comme les protéines, ou d'un chimiste qui fabrique des molécules à indice d'assemblage encore plus élevé, comme le Taxol (paclitaxel), un médicament anticancéreux. Les objets complexes ayant un nombre élevé de copies ne sont pas apparus au hasard, mais sont le résultat d'un processus d'évolution ou de sélection. Ils ne sont pas le fruit d'une série de rencontres fortuites, mais d'une sélection dans le temps. Plus précisément, d'une certaine profondeur dans le temps.

C'est comme si l'on jetait en l'air les 5 923 pièces du Lego Taj Mahal et que l'on s'attendait à ce qu'elles s'assemblent spontanément

Il s'agit d'un concept difficile. Même les chimistes ont du mal à l'appréhender, car s'il est facile d'imaginer que des molécules "complexes" se forment par le biais d'interactions fortuites avec leur environnement, en laboratoire, les interactions fortuites conduisent souvent à la production de "goudron" plutôt qu'à celle d'objets à haut niveau d'assemblage. Le goudron est le pire cauchemar des chimistes, un mélange désordonné de molécules qui ne peuvent être identifiées individuellement. On le retrouve fréquemment dans les expériences sur l'origine de la vie. Dans l'expérience de la "soupe prébiotique" menée par le chimiste américain Stanley Miller en 1953, les acides aminés sélectionnés au départ se transformaient en une bouillie noire non identifiable si l'expérience se poursuivait trop longtemps (et aucune sélection n'était imposée par les chercheurs pour empêcher les changements chimiques de se produire). Le problème dans ces expériences est que l'espace combinatoire des molécules possibles est si vaste pour les objets à fort assemblage qu'aucune molécule spécifique n'est produite en grande abondance. Le résultat est le "goudron".

C'est comme si l'on jetait en l'air les 5 923 pièces du jeu Lego Taj Mahal et qu'on s'attendait à ce qu'elles s'assemblent spontanément de manière exacte comme le prévoient les instructions. Imaginez maintenant que vous preniez les pièces de 100 boîtes du même jeu de Lego, que vous les lanciez en l'air et que vous vous attendiez à ce que 100 exemplaires du même bâtiment soient fabriqués. Les probabilités sont incroyablement faibles et pourraient même être nulles, si la théorie de l'assemblage est sur la bonne voie. C'est aussi probable qu'un œuf écrasé se reforme spontanément.

Mais qu'en est-il des objets complexes qui apparaissent naturellement sans sélection ni évolution ? Qu'en est-il des flocons de neige, des minéraux et des systèmes de tempêtes météo  complexes ? Contrairement aux objets générés par l'évolution et la sélection, ces objets n'ont pas besoin d'être expliqués par leur "profondeur dans le temps". Bien qu'individuellement complexes, ils n'ont pas une valeur d'assemblage élevée parce qu'ils se forment au hasard et n'ont pas besoin de mémoire pour être produits. Ils ont un faible nombre de copies parce qu'ils n'existent jamais en copies identiques. Il n'y a pas deux flocons de neige identiques, et il en va de même pour les minéraux et les systèmes de tempête.

La théorie des assemblages modifie non seulement notre conception du temps, mais aussi notre définition de la vie elle-même. En appliquant cette approche aux systèmes moléculaires, il devrait être possible de mesurer si une molécule a été produite par un processus évolutif. Cela signifie que nous pouvons déterminer quelles molécules n'ont pu être produites que par un processus vivant, même si ce processus implique des chimies différentes de celles que l'on trouve sur Terre. De cette manière, la théorie de l'assemblage peut fonctionner comme un système universel de détection de la vie qui fonctionne en mesurant les indices d'assemblage et le nombre de copies de molécules dans des échantillons vivants ou non vivants.

Dans nos expériences de laboratoire, nous avons constaté que seuls les échantillons vivants produisent des molécules à fort taux d'assemblage. Nos équipes et nos collaborateurs ont reproduit cette découverte en utilisant une technique analytique appelée spectrométrie de masse, dans laquelle les molécules d'un échantillon sont "pesées" dans un champ électromagnétique, puis réduites en morceaux à l'aide d'énergie. Le fait de réduire une molécule en morceaux nous permet de mesurer son indice d'assemblage en comptant le nombre de parties uniques qu'elle contient. Nous pouvons ainsi déterminer le nombre d'étapes nécessaires à la production d'un objet moléculaire et quantifier sa profondeur dans le temps à l'aide d'un équipement de laboratoire standard.

Pour vérifier notre théorie selon laquelle les objets à fort indice d'assemblage ne peuvent être générés que par la vie, l'étape suivante a consisté à tester des échantillons vivants et non vivants. Nos équipes ont pu prélever des échantillons de molécules dans tout le système solaire, y compris dans divers systèmes vivants, fossiles et abiotiques sur Terre. Ces échantillons solides de pierre, d'os, de chair et d'autres formes de matière ont été dissous dans un solvant, puis analysés à l'aide d'un spectromètre de masse à haute résolution capable d'identifier la structure et les propriétés des molécules. Nous avons constaté que seuls les systèmes vivants produisent des molécules abondantes dont l'indice d'assemblage est supérieur à une valeur déterminée expérimentalement de 15 étapes. La coupure entre 13 et 15 est nette, ce qui signifie que les molécules fabriquées par des processus aléatoires ne peuvent pas dépasser 13 étapes. Nous pensons que cela indique une transition de phase où la physique de l'évolution et de la sélection doit prendre le relais d'autres formes de physique pour expliquer la formation d'une molécule.

Ces expériences vérifient que seuls les objets avec un indice d'assemblage suffisamment élevé - molécules très complexes et copiées - semblent se trouver dans la vie. Ce qui est encore plus passionnant, c'est que nous pouvons trouver cette information sans rien savoir d'autre sur la molécule présente. La théorie de l'assemblage peut déterminer si des molécules provenant de n'importe quel endroit de l'univers sont issues de l'évolution ou non, même si nous ne connaissons pas la chimie utilisée.

La possibilité de détecter des systèmes vivants ailleurs dans la galaxie est passionnante, mais ce qui l'est encore plus pour nous, c'est la possibilité d'un nouveau type de physique et d'une nouvelle explication du vivant. En tant que mesure empirique d'objets uniquement produisibles par l'évolution, l'Assemblage déverouille une théorie plus générale de la vie. Si cette théorie se vérifie, son implication philosophique la plus radicale est que le temps existe en tant que propriété matérielle des objets complexes créés par l'évolution. En d'autres termes, tout comme Einstein a radicalisé notre notion du temps en l'unifiant avec l'espace, la théorie de l'assemblage indique une conception radicalement nouvelle du temps en l'unifiant avec la matière.

La théorie de l'assemblage explique les objets évolués, tels que les molécules complexes, les biosphères et les ordinateurs.

Elle est radicale parce que, comme nous l'avons noté, le temps n'a jamais été fondamental dans l'histoire de la physique. Newton et certains physiciens quantiques le considèrent comme une toile de fond. Einstein pensait qu'il s'agissait d'une illusion. Et, dans les travaux de ceux qui étudient la thermodynamique, il est considéré comme une simple propriété émergente. La théorie de l'assemblage considère le temps comme un élément fondamental et matériel : le temps est la matière dont sont faites les choses dans l'univers. Les objets créés par la sélection et l'évolution ne peuvent être formés que par le passage du temps. Mais il ne faut pas considérer ce temps comme le tic-tac mesuré d'une horloge ou comme une séquence d'années calendaires. Le temps est un attribut physique. Pensez-y en termes d'assemblage, propriété intrinsèque mesurable de la profondeur ou de la taille d'une molécule dans le temps.

Cette idée est radicale car elle permet également à la physique d'expliquer les changements évolutifs. La physique a traditionnellement étudié des objets que l'Univers peut assembler spontanément, tels que des particules élémentaires ou des planètes. La théorie de l'assemblage, en revanche, explique les objets évolués, tels que les molécules complexes, les biosphères et les ordinateurs. Ces objets complexes n'existent que le long de lignées où des informations spécifiques à leur construction furent acquises.

Si nous remontons ces lignées, depuis l'origine de la vie sur Terre jusqu'à l'origine de l'Univers, il serait logique de suggérer que la "mémoire" de l'Univers était plus faible dans le passé. Ce qui signifie que la capacité de l'Univers à générer des objets à fort assemblage est fondamentalement limitée par sa taille dans le temps. De même qu'un camion semi-remorque ne rentre pas dans le garage d'une maison standard, certains objets sont trop grands dans le temps pour naître dans des intervalles inférieurs à leur indice d'assemblage. Pour que des objets complexes comme les ordinateurs puissent exister dans notre univers, de nombreux autres objets ont d'abord dû se former : les étoiles, les éléments lourds, la vie, les outils, la technologie et l'abstraction de l'informatique. Cela prend du temps et dépend fortement du chemin parcouru en raison de la contingence causale de chaque innovation. Il est possible que l'Univers primitif n'était pas capable de calculer comme nous le savons, simplement parce qu'il n'y avait pas encore assez d'histoire. Le temps devait s'écouler et être matériellement instancié par la sélection des objets constitutifs de l'ordinateur. Il en va de même pour les structures Lego, les grands modèles de langage, les nouveaux médicaments, la "technosphère" ou tout autre objet complexe.

Les conséquences de la profondeur matérielle intrinsèque des objets dans le temps sont considérables. Dans l'univers-bloc, tout est considéré comme statique et existant en même temps. Ce qui signifie que les objets ne peuvent pas être ordonnés en fonction de leur profondeur temporelle, et que sélection et évolution ne peuvent pas être utilisées pour expliquer pourquoi certains objets existent et pas d'autres. La reconceptualisation du temps en tant que dimension physique de la matière complexe et la définition d'une directionnalité temporelle pourraient nous aider à résoudre ces questions. La matérialisation du temps via notre théorie de l'assemblage permet d'unifier plusieurs concepts philosophiques déconcertants liés à la vie dans un cadre mesurable. Au cœur de cette théorie se trouve l'indice d'assemblage, qui mesure la complexité d'un objet. Il s'agit d'une manière quantifiable de décrire le concept évolutif de sélection en montrant combien d'alternatives ont été exclues pour obtenir un objet donné. Chaque étape du processus d'assemblage d'un objet nécessite des informations, une mémoire, pour spécifier ce qui doit ou ne doit pas être ajouté ou modifié. Pour construire le Taj Mahal en Lego, par exemple, nous devons suivre une séquence spécifique d'étapes, chacune d'entre elles nous menant à la construction finale. Chaque pas manqué est une erreur, et si nous faisons trop d'erreurs, il ne sera pas possible de construire une structure reconnaissable. La copie d'un objet nécessite des informations sur les étapes qui furent précédemment nécessaires pour produire des objets similaires.

Tout ceci fait de la théorie de l'assemblage une théorie causale de la physique, car la structure sous-jacente d'un espace d'assemblage - l'ensemble des combinaisons requises - ordonne les choses dans une chaîne de causalité. Chaque étape dépend d'une étape sélectionnée précédemment, et chaque objet dépend d'un objet sélectionné précédemment. Si l'on supprime l'une des étapes d'une chaîne d'assemblage, l'objet final ne sera pas produit. Les mots à la mode souvent associés à la physique de la vie, tels que "théorie", "information", "mémoire", "causalité" et "sélection", sont matériels parce que les objets eux-mêmes encodent les règles qui aident à construire d'autres objets "complexes". Ce pourrait être le cas dans la catalyse mutuelle* où les objets se fabriquent réciproquement. Ainsi, dans la théorie de l'assemblage, le temps est essentiellement identique à l'information, la mémoire, la causalité et la sélection.  Termes qui sont tous rendus physiques parce que nous supposons qu'il impliquent des caractéristiques des objets décrits dans la théorie, et non des lois qui régissent le comportement de ces objets. La théorie de l'assemblage réintroduit dans la physique une notion de temporalité en expansion et en mouvement, en montrant que son passage est la matière même dont sont faits les objets complexes : la complexité augmente simultanément avec la taille de l'avenir..

Cette nouvelle conception du temps pourrait résoudre de nombreux problèmes ouverts en physique fondamentale. Le premier et le plus important est le débat entre déterminisme et contingence. Einstein a dit de façon célèbre que Dieu "ne joue pas aux dés", et de nombreux physiciens sont encore obligés de conclure que le déterminisme s'applique et que notre avenir est fermé. Mais l'idée que les conditions initiales de l'univers, ou de tout autre processus, déterminent l'avenir a toujours posé problème. Dans la théorie de l'assemblage, l'avenir est déterminé, mais pas avant qu'il ne se produise. Si ce qui existe aujourd'hui détermine l'avenir, et que ce qui existe aujourd'hui est plus grand et plus riche en informations qu'il ne l'était dans le passé, alors les futurs possibles deviennent également plus grands au fur et à mesure que les objets deviennent plus complexes. Cela s'explique par le fait qu'il y a plus d'histoire dans le présent à partir de laquelle il est possible d'assembler de nouveaux états futurs. Traiter le temps comme une propriété matérielle des objets qu'il crée permet de générer de la nouveauté dans le futur.

La nouveauté est essentielle à notre compréhension de la vie en tant que phénomène physique. Notre biosphère est un objet vieux d'au moins 3,5 milliards d'années selon la mesure du temps de l'horloge (l'Assemblage mesure le temps différement). Mais comment la vie est-elle apparue ? Qu'est-ce qui a permis aux systèmes vivants de développer l'intelligence et la conscience ? La physique traditionnelle suggère que la vie a "émergé". Le concept d'émergence rend compte de la façon dont de nouvelles structures semblent apparaître à des niveaux supérieurs d'organisation spatiale, sans que l'on puisse les prédire à partir des niveaux inférieurs. Parmi les exemples, on peut citer le caractère humide de l'eau, qui ne peut être prédit à partir des molécules d'eau individuelles, ou la façon dont les cellules vivantes sont constituées d'atomes non vivants individuels. Cependant, les objets que la physique traditionnelle considère comme émergents deviennent fondamentaux dans la théorie de l'assemblage. De ce point de vue, le caractère émergent d'un objet, c'est-à-dire la mesure dans laquelle il s'écarte des attentes d'un physicien concernant ses éléments constitutifs élémentaires, dépend de la profondeur à laquelle il se situe dans le temps. Ce qui nous oriente vers les origines de la vie, mais nous pouvons aussi voyager dans l'autre sens.

Si nous sommes sur la bonne voie, la théorie de l'assemblage suggère que le temps est fondamental. Elle suggère que le changement n'est pas mesuré par des horloges, mais qu'il est encodé dans des chaînes d'événements qui produisent des molécules complexes avec différentes profondeurs dans le temps. Assemblages issus d'une mémoire locale dans l'immensité de l'espace combinatoire, ces objets enregistrent le passé, agissent dans le présent et déterminent l'avenir. Ceci signifie que l'Univers s'étend dans le temps et non dans l'espace - ou peut-être même que l'espace émerge du temps, comme le suggèrent de nombreuses propositions actuelles issues de la gravité quantique. Bien que l'Univers puisse être entièrement déterministe, son expansion dans le temps implique que le futur ne peut être entièrement prédit, même en principe. L'avenir de l'Univers est plus ouvert que nous n'aurions pu le prévoir.

Le temps est peut-être un tissu en perpétuel mouvement à travers lequel nous voyons les choses s'assembler et se séparer. Mais ce tissu fait mieux que se déplacer : il s'étend. Lorsque le temps est un objet, l'avenir a la taille du cosmos.

Les beaux oiseaux présentent-ils un avantage évolutif ?

Richard Prum explique pourquoi il pense que les plumes et les traits vibrants des oiseaux ont évolué non seulement pour la survie, mais aussi par choix esthétique.

Lors d'une conversation approfondie avec la coanimatrice Janna Levin, Prum retrace les origines évolutives profondes des plumes, qui, selon lui, sont apparues non pas pour voler, mais pour s'isoler, se camoufler et se parer. Leurs couleurs, souvent invisibles à l'oeil humain, sont mises en valeur par la vision ultraviolette des oiseaux, suggérant un monde sensoriel bien plus riche que le nôtre.

Prum explique également pourquoi il défend la théorie de la sélection sexuelle de Darwin, autrefois marginalisée, selon laquelle des traits comme la queue du paon ont évolué non pas pour survivre, mais simplement parce qu'ils étaient attrayants. Autrement dit, la beauté peut façonner la vie aussi puissamment que l'utilité.

JANNA LEVIN : Steve, salut.

STEVE STROGATZ : Salut Janna.

LEVIN : J’ai l’impression que vous vivez dans un environnement plus naturel que moi. Je suis à Manhattan. Avez-vous l’occasion d’observer les oiseaux là où vous êtes ?

STROGATZ : Oh oui. Parfois, oui.

LÉVIN : Tu sors les jumelles ? Tout ça ?

STROGATZ : Je ne suis pas un adepte des jumelles, mais j'ai une très bonne amie qui me montre toutes sortes de comportements et de cris d'oiseaux. Je ne sais pas, mais je suis loin de quelqu'un qui le fait.

LEVIN : C’est surprenant qu’il y ait de l’observation d’oiseaux à Manhattan. Les gens adorent Central Park. C’est un véritable lieu où aller. Et évidemment, les oiseaux sont très connectés à leur environnement. Ils s’y adaptent parfaitement. Ils volent d’un bout à l’autre du monde. Donc tout est connecté.

J'ai eu l'occasion d'en discuter avec un ornithologue amateur passionné d'observation et d'écoute des oiseaux, mais aussi ornithologue évolutionniste à Yale. Il s'appelle Rick Prum. Nous avons eu une conversation passionnante sur l'évolution des oiseaux, sur le fait qu'ils ne sont pas seulement apparentés aux dinosaures, mais qu'ils sont bel et bien des dinosaures.

STROGATZ : Ce sont des dinosaures vivants. Je me souviens de ça dans Jurassic Park. Ils ont essayé de leur donner une forme d'oiseau.

LEVIN : C’est vrai. Tout cela constitue un aspect vraiment intéressant de la compréhension non seulement des espèces d’oiseaux et des dinosaures, mais aussi des concepts fondamentaux de la biologie évolutive elle-même.

STROGATZ : C'est vraiment intéressant, super.

LEVIN : Voici donc le professeur Rick Prum de Yale.

Bienvenue à "La Joie du Pourquoi", Rick. C'est un plaisir de vous parler.

RICHARD PRUM : Merci de m'avoir invité.

LEVIN : Je ne savais pas à quel point les gens étaient obsédés par les oiseaux. C’est une réalité.

PRUM : C'est vrai, et c'est un phénomène en pleine croissance.

LÉVIN : Vraiment ?

PRUM : Vous savez, pendant la COVID, quand les gens avaient besoin de sortir, beaucoup de gens ont découvert que le plein air et l'observation des oiseaux - au même titre que le jardinage et l'adoption d'un chien - étaient l'une de ces choses qui inspiraient vraiment les gens.

LEVIN : Si j'ai bien compris, vous observiez les oiseaux très jeune. Vous étiez comme un enfant, et vous traîniez avec des adultes qui venaient vous chercher pour aller observer les oiseaux.

PRUM : Oui, j’ai eu mes premières lunettes en CM1, et le monde s’est éclairci. En quelques mois, j’étais ornithologue. Je réalisais déjà que ma vie serait peuplée d’oiseaux et j’essayais de comprendre ce que cela signifiait. Au début, c’était l’observation des oiseaux, puis l’étude académique de leur évolution et tout le reste.

LEVIN : Beaucoup de choses ont dû se dessiner. Qu'est-ce qui vous a particulièrement attiré vers les oiseaux ?

PRUM : Difficile à dire. Je me souviens très bien d'avoir vu un exemplaire du Peterson Field Guide dans une librairie et d'avoir regardé la couverture, où il y avait un macareux moine et un gros-bec errant, puis d'avoir regardé les cartes et d'avoir imaginé tous les endroits où il faudrait aller pour voir tous ces oiseaux. Et le côté romantique de tout cela, de ce voyage, de cette chasse, m'est apparu immédiatement.

LEVIN : Et vous voyagez dans le monde entier.

PRUM : Autant que possible. Ce genre de travail interfère avec cela, car il y a un besoin permanent d'aller dans pratiquement tous les pays, chaque petite chaîne de montagnes isolée du monde, chaque île, pour observer les oiseaux qu'ils abritent. C'est une priorité secondaire, mais c'est quand même une priorité de vie.

LEVIN : Observer les oiseaux me semble aussi être une forme d'écoute. Êtes-vous aussi passionné par le chant des oiseaux que par l'observation visuelle ?

PRUM : Absolument, vous savez, parce que j’étais attirée par les oiseaux au moment même où je commençais à porter des lunettes. Il s’avère que mon atout en ornithologie a toujours été mes oreilles, non ? Identifier les oiseaux par l’acoustique, les traquer. C’était vraiment mon atout. Mais malheureusement, j’ai commencé à perdre l’ouïe régulièrement, par malchance, par la maladie, pendant mes études supérieures, puis plus tard, vers la trentaine. Et maintenant, je suis vraiment malentendante, ce qui est un mauvais point pour un ornithologue. Mais les appareils auditifs sont une technologie fantastique. Ils sont très utiles, mais pas totalement.

LEVIN : Il y a donc un chant d'oiseau dont vous vous souvenez, mais que vous ne pouvez plus revivre.

PRUM : Tout un monde d'oiseaux. En fait, je me souviens avoir fait des recherches sur le terrain en 1994 sur un oiseau exotique appelé la philippine veloutée ( velvet asity) à Madagascar. C'était à l'époque où j'avais une perte auditive pas encore très avancée. J'ai obtenu une bourse de la National Geographic Society pour y retourner et étudier sa parade nuptiale, son comportement de parade nuptiale. Cet oiseau est noir profond avec des yeux verts qui se dandinent, et nous avions quelques informations sur sa saison de reproduction, mais pas suffisamment. J'ai donc obtenu cette bourse, je suis retournée et j'ai recruté trois personnes. Nous sommes allés directement à l'endroit du sentier où nous savions que nous trouverions ces oiseaux. Et il y avait un oiseau orange, à bandes orange, toujours perché sur le même arbre. Il a renversé la tête, a ouvert la bouche et a chanté, et je ne l'ai pas entendu. Et c'était un chant que j'avais décrit pour la science, n'est-ce pas ?

LÉVIN : Waouh.

PRUM : Il y a donc tout un monde d'oiseaux qui m'échappe. J'ai maintenant des appareils auditifs transpositeurs, ce qui m'aide à les entendre. Mais, vous savez, quand un piccolo, un saxophone et une flûte sont transposés au niveau d'un basson, ils sonnent tous pareil. Du coup, il me manque certains aspects de cela. J'ai dû développer une nouvelle façon de me rapporter à mon travail, et ce genre de défi personnel, on espère que ça marche, mais ça peut être un défi.

LEVIN : Tu t'es adapté. C'est une sorte de métaphore de la vie. Nos sens sont tous limités, n'est-ce pas ? On ne voit pas comme les oiseaux. On n'entend pas, on est tous confinés, même si c'est juste à notre portée humaine.

PRUM : Ouais.

LEVIN : Je voudrais aborder certaines des forces évolutives, la véritable science fondamentale qui façonne les oiseaux et leur prolifération. Et je voudrais commencer par cette idée fascinante : les oiseaux ne descendent pas des dinosaures, mais sont des dinosaures. Je trouve cela remarquable.

PRUM : En effet.

LEVIN : Pouvez-vous m’aider ? Je pensais qu’ils descendaient des dinosaures, et ça a été la grande révélation.

PRUM : Il est intéressant de noter que dire que les oiseaux descendent des dinosaures revient à imaginer la diversité de la vie comme une sorte d’échelle de la nature, où les éléments proviennent de niveaux inférieurs. Mais l’un des principes fondamentaux, et je pense important, de la biologie évolutionniste est l’idée que l’histoire de la vie est un arbre, une hiérarchie. Et la pensée arborescente, qui s’intéresse en fait à la façon dont ces lignées historiques sont liées les unes aux autres dans le temps, et aux événements de l’évolution auxquels nous pensons constamment – ​​l’origine de la plume ou celle de la syrinx, le gadget avec lequel les oiseaux chantent. Donc, oui, les oiseaux sont des dinosaures, ce qui implique qu’ils sont une branche au sein des dinosaures et que cette branche ne disparaît pas simplement parce que certaines branches ont disparu.

LÉVIN : Fascinant. Si je me souviens bien, corrigez-moi si je me trompe, dans L’Origine des espèces de Darwin, il n’y a qu’un seul dessin : l’arbre de vie. C’est bien ça ?

PRUM : Oui, c’était une phylogénie, une sorte de micro-imaginaire de spéciation sur des strates temporelles. Mais il conclut bien sûr son livre en affirmant que si tout cela a du sens, alors toute vie est liée à un grand arbre de la vie. Et c’est ainsi qu’est née l’idée d’arbre du vivant, à la fois comme construction intellectuelle et comme domaine empirique – une chose à découvrir. Et, bien sûr, c’est un travail considérable, et nous y travaillons encore, mais c’est un axe majeur et important de la biologie évolutionniste à l’heure actuelle.

LEVIN : Fascinant. Le sous-groupe auquel ils appartiennent est-il donc le théropode ?

PRUM : Oui. Les oiseaux font partie de cette espèce très populaire, bipède, principalement carnivore et très active.

LÉVIN : T-Rex.

PRUM : Ouais. Un vélociraptor qui poursuit les enfants dans la cuisine.

LEVIN : C'est amusant.

PRUM : Ce sont les dinosaures qui sont les plus proches des oiseaux vivants.

LEVIN : Et nous commençons à les voir apparaître dans les archives fossiles assez tôt, n'est-ce pas ?

PRUM : Bien sûr, le classique est bien sûr l’Archaeopteryx, un oiseau fossile découvert en Allemagne, dans du calcaire lithographique, au milieu du XIXe siècle. Il remonte au Jurassique supérieur, il y a donc 170 à 160 millions d’années. Et c’est ainsi que la quasi-totalité de la littérature scientifique portait sur cet oiseau. Ces trente dernières années, au Liaoning, dans le nord-est de la Chine, une série de découvertes tout simplement incroyables a été réalisée. Elles ont énormément contribué à l’enrichissement de nos connaissances. Des dizaines et des dizaines d’espèces, de toutes origines, sont aujourd’hui présentes dans cette région.

LEVIN : Je m’interrogeais aussi sur l’immense variété des espèces d’oiseaux. Cette incroyable diversité est-elle propre aux oiseaux ? Est-ce moderne, ou pensons-nous que c’était pareil avec les dinosaures ?

PRUM : Bien sûr, si vous étudiiez les coléoptères, vous ririez de l'affirmation selon laquelle il y a beaucoup d'oiseaux. Ah ! Ah, on a des genres entiers qui ne sont qu'un seul genre, avec plus d'espèces que tous vos oiseaux, n'est-ce pas ? Donc, oui, toutes ces affirmations sont relatives.

Mais l'un des aspects les plus intéressants, à mon avis, et qui a contribué à la diversité des oiseaux, c'est leur complexité cognitive. Leurs choix sociaux et sexuels conduisent à la différenciation, ce qui signifie qu'ils peuvent se spécier rapidement. Ils peuvent devenir différents, et irréversiblement différents. Et je pense que cela y a vraiment contribué.

Un autre facteur est la migration. Ils peuvent vivre au même endroit, puis s'envoler sur un autre continent pour une autre période de l'année. Cela signifie que l'été est presque interminable, qu'ils surfent sur les vagues à différents endroits. Cela permet quelque chose que les organismes sessiles*, ou même les organismes à déplacement lent, ne peuvent pas réaliser. Et ce genre de phénomènes a, je pense, grandement contribué au nombre d'espèces d'oiseaux.

LEVIN : Lorsque vous examinez certains de ces documents archéologiques, pouvez-vous dire quand les plumes ont commencé à apparaître et si elles étaient immédiatement liées à la fonctionnalité du vol, ou y avait-il une autre raison pour laquelle elles auraient pu évoluer vers des plumes ?

PRUM : Oui. L’origine des plumes a toujours été au coeur de la question, au même titre que celle des oiseaux. Les oiseaux, les plumes et le vol. C’est comme la sainte trinité de l’ornithologie, non ?

Alors, d'où et comment viennent ces plumes ? Depuis le milieu du XIXe siècle, nous nous concentrons tous sur l'Archaeopteryx, cet étonnant fossile présentant de nombreux états intermédiaires entre les oiseaux et les reptiles modernes. Mais il faut savoir que ses plumes étaient presque entièrement modernes. On ne pouvait donc rien apprendre sur l'origine des plumes de l'Archaeopteryx, si ce n'est en observant un pigeon écrasé sur la route, n'est-ce pas ? C'est bien le cas. Ce sont des plumes.

Pendant plus d'un siècle, la littérature scientifique s'est limitée à imaginer une évolution à rebours, de la complexité moderne à une espèce ancestrale de plumes. L'idée d'adaptation comme force puissante, la sélection naturelle comme force puissante dominant tout dans l'évolution, étant si forte, la plupart des gens pensaient que les plumes étaient évidemment bénéfiques pour le vol. Ainsi, en imaginant une évolution à rebours, des plumes modernes à un antécédent, nous devrions probablement envisager un élément qui évoluerait pour le vol. L'idée principale était celle des écailles allongées : les plumes sont des structures cutanées partageant certaines caractéristiques développementales avec les écailles. Nous imaginions des écailles s'allongeant, comme les bardeaux d'une maison, puis prenant l'air, et enfin, les oiseaux évoluant pour investir dans le vol plané. Et qu'au final, on obtiendrait des plumes. Bien sûr, cela a guidé les recherches des gens, mais ils ne l'ont jamais trouvées. L'une des raisons est qu'ils cherchaient quelque chose d'absurde. Cela n'avait aucun rapport avec l'évolution des oiseaux.

Ce qu'il nous faut vraiment faire, c'est essayer de comprendre ce modèle – la pensée arborescente, n'est-ce pas ? Quels étaient les stades de développement des plumes et comment se répartissaient-ils sur l'arbre ? Et dans ce cas, le développement. Nous avons donc élaboré une théorie de l'origine des plumes basée sur leur croissance. Cela impliquait que les plumes étaient d'abord tubulaires, puis une touffe, puis une veine, une surface plane – mais non intégrée – et enfin une veine reliée par une fermeture éclair. Ainsi, seule cette plume, la plus complexe, pouvait fonctionner pendant le vol. Autrement dit, dire que les plumes évoluent pour le vol, c'est comme dire que les doigts évoluent pour jouer du piano. C'est la technique la plus avancée que l'on puisse faire avec les doigts, n'est-ce pas ? Nous avons, je pense, une très bonne idée de ce que les plumes étaient à ces premiers stades, mais nous avons encore une idée très large de ce à quoi elles auraient pu servir. Elles auraient pu servir d'isolant si elles étaient duveteuses, comme des cheveux. Ou bien de piquant de porc-épic, non ? Ou encore de défense. Mais il est clair que la thermorégulation, l'imperméabilité, le camouflage et les manifestations sociales étaient probablement toutes des fonctions très anciennes, n'est-ce pas ? Le vol est la dernière fonction à laquelle les plumes ont été utilisées.

LEVIN : Fascinant. Et on pense que les dinosaures étaient colorés ? On me montrait toujours dans les musées d'histoire naturelle des sortes de dioramas gris-brun, non ?

PRUM : Là encore, il fallait extrapoler à rebours. Vous savez, nous recréons à partir de ces matériaux l’apparence de la peau et des muscles, puis celle de la surface, n’est-ce pas ? Beaucoup de spéculations donc. Mais pendant la majeure partie de l’histoire, on s’est inspiré des alligators ou des crocodiles pour imaginer à quoi ressemblaient les dinosaures, et c’était terne, verdâtre et sans ornements. Mais maintenant que nous savons que les plumes ont évolué chez les dinosaures thérapodes – avant l’apparition du vol et des oiseaux – la vraie question est : à quoi servaient-elles ?

Dans le cadre de mes travaux en ornithologie, j'ai étudié l'origine des plumes, puis beaucoup étudié la coloration des oiseaux et leurs couleurs structurelles particulières, les couleurs optiques et les plumes d'oiseaux, et plus récemment les pigments. Mais je n'aurais jamais imaginé que ces deux axes de recherche convergeraient. C'est pourtant ce qui s'est produit à la fin des années 2000. L'occasion s'est présentée d'étudier l'extraordinaire préservation des pigments. Il s'avère que les mélanines, comme celles qui composent les cheveux roux, bruns et noirs chez l'homme, se fossilisent magnifiquement dans des conditions optimales.

LÉVIN : Vraiment ?

PRUM : Oui, ils sont contenus dans la cellule, dans la cellule vivante, dans ce qu’on appelle un mélanosome, où les pigments sont polymérisés en une molécule durable, qui ressemble à un petit paquet. Il est lié à une membrane et est transmis aux cellules du poil ou des plumes. Les chercheurs ont commencé à observer des fossiles de plumes au microscope électronique, et ils ont vu ces petits granules, pensant qu’il s’agissait de bactéries ayant mangé la plume au moment de sa fossilisation. Mais il s’est avéré que ce n’étaient pas des bactéries – quelque chose de la même taille, d’apparence très similaire – mais des mélanosomes.

Nous avons donc pu, tout d'abord, découvrir que les mélanosomes se fossilisent magnifiquement. Ce sont des mélanosomes, et non des bactéries. Et puis, fait intéressant, il s'avère que, du moins chez les oiseaux, les mélanosomes varient en forme de couleur. La phéomélanine, les mélanines rouge-brun à poils roux, ont plutôt la forme d'un bonbon gélifié, et l'eumélanine, celle d'un hot-dog. Cela nous a permis de diagnostiquer la couleur de certains dinosaures. C'était vraiment passionnant. L'étude de la coloration fossilisée est désormais un domaine majeur de la paléontologie.

LEVIN : Comment comprendre la perception des couleurs par les oiseaux, par exemple, ou par les dinosaures ? Même les oiseaux vivants, les oiseaux modernes, nous semblent d'une certaine manière, mais ils peuvent être très différents les uns des autres.

PRUM : Eh bien, nous y travaillons. Bien sûr, c’est un vaste domaine. De nombreux laboratoires dans le monde se concentrent sur l’écologie sensorielle aviaire, l’écologie sensorielle visuelle. Il s’avère qu’en regardant autour de nous, dans presque tous les environnements, on observe une incroyable diversité de couleurs. J’ai plein de livres, une casquette de baseball. Je regarde dehors et je vois des fleurs magnifiques dans le jardin, n’est-ce pas ? Toutes ces couleurs. Eh bien, il s’avère que notre vision des couleurs, améliorée, est plutôt médiocre par rapport aux autres vertébrés. Nous n’avons rien comparé aux oiseaux. Il s’avère que les oiseaux voient quatre couleurs : le rouge, le vert, le bleu, mais aussi le violet ou l’ultraviolet – il y a un quatrième cône.

LÉVIN : Comme hors de portée de la vision humaine.

PRUM : Oui, il voit bien jusque dans le proche UV. Et, pour faire court, les oiseaux voient ces couleurs. Ils les créent dans leurs plumes, souvent avec des structures, parfois avec des pigments. Et elles ont évolué au quotidien.

Ce qui est vraiment intéressant, c'est qu'il s'agit de bien plus qu'une simple extension de la sensibilité aux couleurs. En astronomie, on dit toujours : " Waouh, on a installé ce nouveau télescope, il détecte une toute nouvelle gamme de longueurs d'onde. On obtient des images inédites, pas vrai ? " C'est dû à cette amplitude. Mais il s'avère que la sensation de couleur résulte toujours d'une comparaison de la stimulation relative de différents canaux. Le jaune est un stimulus des canaux vert et rouge. Le turquoise est un stimulus des canaux bleu et vert. Le jeu des couleurs résulte donc de ce stimulus relatif. Il s'avère que les oiseaux, puisqu'ils voient les UV, ont une toute nouvelle dimension de perception des couleurs. Ils voient des couleurs comme le jaune ultraviolet et le vert ultraviolet, qui sont aussi différentes du vert et du jaune que le violet l'est du rouge ou du bleu. Nous savons maintenant qu'ils perçoivent ces couleurs comme distinctes, qu'ils peuvent les apprendre et faire des choix en fonction d'elles. Et cela témoigne de la richesse de leurs systèmes sensoriels et de la façon dont ils les utilisent dans leur plumage et leur vie sociale.

LEVIN : Fascinant. Je suppose qu’il ne m’était jamais venu à l’esprit qu’une partie de ce que nous percevons comme des couleurs n’est qu’une hallucination mentale, n’est-ce pas ? Que nous ne percevons pas les couleurs de manière linéaire sur le spectre. Nous superposons les couleurs et créons, dans notre esprit, l’impression de quelque chose comme du violet ou, dans le cas des oiseaux, du jaune ultraviolet. Alors, quel est, selon vous, le rôle de cette riche perception et de cette exposition des couleurs chez les oiseaux ? Est-ce un mécanisme de défense ou simplement un avantage pour l’accouplement ? Qu’est-ce qui rend les oiseaux si incroyablement colorés ?

PRUM : Oui. Eh bien, cette question a plusieurs facettes. L’une d’elles est qu’au moins une partie de ce système a évolué chez les poissons, n’est-ce pas ? La sensibilité aux quatre couleurs, c’est ancestral. Excellente idée. Probablement nécessaire pour la perception trouble dans l’eau, pour trouver de la nourriture et toutes sortes de choses de ce genre. Mais une fois que les vertébrés sont arrivés sur terre, ils ont soudainement acquis toutes ces capacités sensorielles. Ils n’allaient pas les abandonner. Ils allaient les utiliser. Et ils les ont utilisées, bien sûr, pour la recherche écologique de nourriture, la détection des prédateurs, la recherche de proies, tout ce que font les vertébrés. Mais, bien sûr, lorsqu’ils deviennent socialement complexes et qu’ils s’intéressent au choix du partenaire ou à d’autres types d’interactions sociales, ces systèmes sensoriels vont être mis à contribution dans ces décisions.

Et vous vous retrouvez avec une interaction dynamique entre la biologie sensorielle et la biologie des organismes.

STROGATZ : Waouh ! C’était totalement nouveau pour moi. Je n’avais jamais entendu ça. Même l’idée de la perception ultraviolette était nouvelle pour moi.

LEVIN : Oui, j'avais déjà entendu ça, mais il a vraiment développé ce point : les oiseaux visualisent différemment. Parfois, on voit un oiseau ordinaire, mais eux, ils voient quelque chose de très vivant.

STROGATZ : C'est intéressant d'y penser, car un rouge-gorge, par exemple, a la poitrine orange, mais son apparence est plutôt terne. Je me demande si on sait ce qu'un oiseau pourrait voir. Y a-t-il un moyen de nous le faire comprendre ?

LEVIN : Exact. Je pense que c'est comme tout : si on observe l'ultraviolet astronomiquement, il faut le cartographier par rapport à quelque chose que l'on peut voir de toute façon. Mais oui, j'ai observé ça du mieux que j'ai pu. C'est incroyablement différent, mais cela a vraiment mené à quelque chose que je trouve assez profond, à savoir la beauté et son rôle.

Eh bien, nous allons faire une petite pause, mais à notre retour, Rick Prum nous décrira pourquoi certains oiseaux sont si beaux, pourquoi certains oiseaux sont si laids, et pourquoi cela pourrait en fait être controversé et conduire à des réflexions plus approfondies sur Darwin et la sélection naturelle.

(musique) 

LEVIN : Bienvenue. Nous sommes avec Rick Prum, professeur à Yale, pour discuter de l’évolution des oiseaux.

Au XIXe siècle, je sais que vous en avez beaucoup parlé dans votre travail, Charles Darwin s'est vraiment débattu du rôle de l'esthétique des oiseaux.

La célèbre parade du paon, si flagrante et parfois contraire aux besoins de survie, est célèbre. Et je crois que Darwin détestait cette plume de paon.

PRUM : En effet. Il a dit, vous savez, la vue de la queue d'un paon, chaque fois que je la regarde, me rend malade, n'est-ce pas ?

LÉVIN : Et pourquoi a-t-il dit cela ?

PRUM : Eh bien, parce qu’il était confronté à un défi intellectuel. Il essayait de trouver une explication naturaliste de la biodiversité. Ainsi, après avoir publié L’Origine des espèces en 1859 et proposé la sélection naturelle comme force motrice de l’évolution de la diversité, il s’est rendu compte qu’il avait un problème. Et l’un de ces problèmes était un problème de beauté, n’est-ce pas ? Il a compris que les ornements, les bois, etc., le chant des oiseaux, le plumage éclatant, n’étaient d’aucun secours à la survie ou à la fécondité – vous savez, à l’élevage de nombreux bébés. Ils devaient avoir une fonction différente. Ainsi, au lieu de se reposer sur ses lauriers de scientifique le plus célèbre du monde, il a fait volte-face et a proposé un autre mécanisme d’évolution, qu’il a appelé la sélection sexuelle, conséquence de différences de succès d’accouplement et de fécondation. Il a suggéré deux modes possibles : la compétition physique pour le contrôle des chances d’accouplement, généralement entre mâles, et le choix du partenaire, où les individus des deux sexes pouvaient, selon leurs perceptions, choisir un partenaire.

Et dans ce domaine, il a explicitement fait appel au langage esthétique. Il a décrit la capacité des oiseaux à charmer. Il a décrit les préférences d'accouplement comme des critères esthétiques. Et il a également clairement indiqué que cette idée de sélection sexuelle était distincte de l'adaptation, n'est-ce pas ? Il a affirmé que ces formes avancées de beauté pouvaient servir à l'attraction, et à aucune autre fin, c'est-à-dire à aucune autre fin adaptative, n'est-ce pas ? Il a proposé une idée entièrement nouvelle.

LEVIN : Dites-vous vraiment que la sélection sexuelle a été proposée comme étant fondamentalement différente de la sélection naturelle, par opposition à un sous-ensemble complexe de la sélection naturelle ?

PRUM : Oui, absolument. Et cette réaction de contrôle, visant à rétablir la sélection sexuelle au ranch ( rires ), faisait partie de la réponse immédiate à la proposition de Darwin en 1871, dans La Filiation de l’Homme . Il voulait pouvoir décrire ces ornements, et il savait que, dans certains cas, ils pouvaient être compatibles avec l’adaptation par sélection naturelle – c’est-à-dire qu’un mâle pouvait effectivement signaler qu’il était supérieur. Mais il a explicitement gardé cela à part. Mais la théorie de Darwin selon laquelle la compétition masculine structurait le monde social et sexuel des animaux était si cohérente avec la culture victorienne qu’elle a été un grand succès. C’était instantané. Je pense que cela a largement contribué à faire accepter l’idée de l’évolution en général.

LÉVIN : Des hommes se disputent, se battent pour un territoire.

PRUM : C’est vrai. Mais son idée selon laquelle le choix du partenaire, en particulier celui de la femelle, était une force de la nature, était une grande erreur.

LEVIN : Cela suggérait que les femmes avaient plus de pouvoir qu’elles ne devraient en avoir dans une société victorienne.

PRUM : Et, en effet, même dans certaines des premières critiques du livre, beaucoup étaient explicitement misogynes. La préférence féminine sera un jour d'une certaine manière, et une autre d'une autre. Comment pourrait-on en arriver à quelque chose d'aussi incroyable que la queue du paon ?

Mais la véritable critique qui a mis fin à cette idée était l'idée que, si cela devait se produire, ce serait sous le contrôle de la sélection naturelle. Autrement dit, le choix du partenaire serait toujours orienté vers l'amélioration, vers une amélioration objective – le partenaire absolument le meilleur, n'est-ce pas ? Et ce genre de réponse a conduit les gens à dire : " Si c'est le cas, alors la sélection sexuelle est comme la sélection naturelle, et nous n'en avons plus vraiment besoin. " C'était la réponse d'Alfred Russell Wallace. Nous n'avons plus vraiment besoin de sélection sexuelle. Et c'est exactement ce qui s'est passé pendant près d'un siècle : la sélection sexuelle était une idée étrange de Darwin, reléguée aux oubliettes. Et lorsqu'elle a été relancée un siècle plus tard, dans les années 1970, elle est revenue sous une forme wallacienne, une sorte de sélection naturelle. Et cela fait toujours l'objet d'un débat intellectuel. 

LEVIN : Et vous n'y croyez pas par la façon dont vous formulez vos propos.

PRUM : Évidemment, nous pouvons structurer ces idées sur les processus comme bon nous semble. Les animaux s’en moquent. Cela continuera d’avoir lieu. La question est : quelles sont les définitions qui favorisent le plus le progrès des connaissances ? Et je pense, et je le soutiens depuis longtemps, que nous devrions envisager ou créer une biologie authentiquement darwinienne – rétablir cette séparation entre sélection sexuelle et sélection naturelle, et considérer les formes adaptatives de la sélection sexuelle comme une interaction particulière entre ces deux forces.

LEVIN : Hmm. J’aimerais parler de l’aspect social des oiseaux qui se livrent à ces parades. Ont-ils tendance à être plus sociables ? Tous les oiseaux ne chantent pas, et ceux qui chantent dansent aussi ? Et ceux qui chantent et dansent ont tendance à avoir plus de cohésion sociale et à développer des réseaux sociaux plus nombreux ?

PRUM : Toutes sortes d’écologies favorisent toutes sortes d’organisations sociales. Et celles-ci sont primordiales. La nourriture est distribuée de cette façon, et il faut énormément d’aide pour… élever les petits. Toutes ces caractéristiques écologiques vont structurer le fonctionnement des systèmes de reproduction, ou de la vie familiale, chez les oiseaux.

Et ce qui est formidable, c'est qu'il existe environ 12 000 à 15 000 espèces d'oiseaux. On a tout un tas de situations différentes, non ? La grande majorité d'entre elles sont monogames, avec au moins deux parents sociaux au nid, qui élèvent la progéniture. Il y a aussi des espèces sauvages qui paradent, les plus extrêmes avec des mâles qui se prosternent et dont les soins sont exclusivement assurés par les femelles. Il y a aussi des espèces polyandriques, comme les jacanas, avec leurs longs doigts sur les nénuphars, où la femelle est 40 % plus grande que le mâle. C'est presque aussi grand qu'un gorille de montagne, mâle à femelle. Mais là, c'est femelle à mâle. Les femelles sont énormes, elles occupent une grande partie du marais. Et si elles ont suffisamment de ressources, plusieurs mâles nichent avec elles. La femelle pond les oeufs, et les mâles s'occupent de tous les soins parentaux. Il existe donc une grande variété de systèmes sociaux et de reproduction. Et, pour chacun d'eux, la communication, la couleur et le chant sont essentiels à leur survie.

LEVIN : Donc, si l’organisation sociale fait partie de l’adaptation, la sélection naturelle peut favoriser ou éloigner ces types d’arrangements sociaux. Pourrais-je aussi imaginer que la sélection sexuelle ne soit qu’une variante de ce spectre, que les animaux qui sélectionnent sexuellement le fassent pour la survie de l’organisation sociale ? Qu’il ne s’agit pas seulement de la survie de l’individu, mais aussi de la façon dont l’espèce a réussi socialement.

PRUM : Oui, cette idée unificatrice est séduisante. Cependant, il est clair que, lorsqu’on étudie la biodiversité, on constate que le chant est un élément très spécifique du phénotype, du comportement de l’individu, et qu’il se manifeste dans certains contextes, à certains moments. Donc, pour expliquer cette partie du phénotype, il faut examiner plus précisément le fonctionnement du chant. Ou comment fonctionnent ces taches de plumage. Et ce faisant, on découvre que, selon ces explications généralisées, tout est une question de survie. Ce n’est pas assez précis, à mon avis.

LEVIN : J’ai aussi entendu dire que ce sont peut-être des femmes qui dirigent le chant. Elles aiment telle chanson, n’aiment pas telle autre, et guident le chant pour qu’il évolue au fil du temps.

PRUM : Je veux dire, si les oiseaux sont si beaux, c’est parce qu’ils font des choix, n’est-ce pas ? Ils ont une perception sensorielle, une sorte d’évaluation cognitive : " Ça me plaît ou pas ? " Et ils choisissent ce qu’ils aiment, et ils s’y tiennent. Ou, dans le cas du serpent corail, c’est l’inverse : un genre d’horreur dans le monde naturel. Ah, fuyez, n’est-ce pas ? La nature ne se contente pas de créer de la beauté. Elle peut créer de la beauté, du dégoût, ou bien d’autres formes d’esthétique. Donc, quand on a une procession sensorielle, une évaluation cognitive et un choix, on aboutit à une évolution d’un aspect du corps ou du comportement qui fonctionne dans le cerveau d’autres oiseaux. Et cela n’est pas soumis aux mêmes contraintes que le bec d’un pinson qui casse une noix, ou que celui d’un pic qui s’écrase contre un arbre pour se nourrir. Et je pense que ce genre de caractéristiques est à juste titre qualifié d’esthétique, et je le dis d’un point de vue scientifique, au même titre que Darwin. L’évolution esthétique est donc une caractéristique importante de la vie sociale et sexuelle des animaux. Et cela se distingue par le fait qu’il nécessite une explication distincte, par rapport à l’adaptation.

LEVIN : Il est très facile de se laisser emporter par le fait de dire : " Oh, le paon est magnifique, et tous ces oiseaux sont magnifiques, et nous, peut-être que la beauté est en quelque sorte ce caractère objectif que l'on recherche dans le règne animal. " Mais vous avez évoqué d'autres variantes, et je suppose que vous êtes, celles-ci relèvent de la catégorie esthétique, mais il y a des oiseaux vraiment laids.

PRUM : Je suppose qu'on devrait dire moche à qui ?

LEVIN : Exactement. Alors, qu'entendons-nous par beau ?

PRUM : Oui. L’oiseau le plus laid est peut-être le bébé pigeon. Et, bien sûr, beaucoup de gens ont l’occasion d’en voir sur le rebord de la fenêtre de leur appartement, par exemple, n’est-ce pas ? Vraiment laid, pour nous. Et pourtant, quand les parents s’occupent d’oisillons, ils ont une perception sensorielle, une évaluation cognitive et un choix. Quel oisillon vais-je nourrir ? Et à partir de ces éléments, on observe l’évolution de la gentillesse, la co-évolution de la gentillesse, où les parents trouvent le bébé mignon et les bébés évoluent. Il existe donc toutes sortes d’oiseaux sauvages avec des plumes touffues et des motifs buccaux colorés et magnifiques.

LEVIN : L’un de mes préférés est le mouvement incroyablement long de certains de ces oiseaux, qui semble tout simplement impraticable, surtout si vous devez voler.

PRUM : Et aussi des sacs d'air gonflés. Ce sont toutes des caractéristiques esthétiques intéressantes dans différentes communautés esthétiques que je considère comme naturelles dans notre monde.

LEVIN : Ce qui me pose problème, c'est : comment cela commence-t-il ? Suggérez-vous qu'il existe une raison objective pour laquelle une longue démarche est belle, ou que ces hideux petits pigeons sont vraiment mignons, sans sélection naturelle ni avantage évolutif ? Comment cela se produit-il ? Pourquoi un oiseau choisirait-il cela, en dehors de la sélection naturelle ?

PRUM : Comment cela pourrait-il commencer ? C’est une question importante, n’est-ce pas ? En général, la question est posée, du moins en ornithologie, de savoir comment expliquer l’origine du chant chez le troglodyte familier. Mais le fait est que le choix du partenaire chez les oiseaux a commencé au Jurassique ; ils font des choix depuis très longtemps. Il est donc antiscientifique d’imaginer que nous devrions réfléchir à l’origine du chant chez une espèce. Leurs grands-parents choisissaient déjà. Comment expliquer l’origine du sexe chez les primates ? Cela ne s’est pas produit chez les primates. Donc, si nous voulions comprendre l’origine du choix, nous devrions nous pencher sur des espèces particulières, là où ce phénomène est en train de se produire. Et aucun d’entre eux n’est un oiseau, n’est-ce pas ?

Mais oui, il y a beaucoup de théorie dans ce domaine. Et, évidemment, l'un des aspects est de dire, même si l'on commence par dire : " Oh, je vais préférer une plus grande taille, car cela signifie que l'individu a eu une bonne alimentation ", quelque chose qui est directement lié à des informations objectives et exploitables, potentiellement rentables ou avantageuses sur le plan évolutif. Le défi, bien sûr, c'est qu'une fois qu'on a le choix, on a la possibilité de mentir, de falsifier. Le mensonge et la tricherie corrompent le contenu informatif de l'ornement, et ce processus fait partie intégrante de la vie. Et l'idée que les oiseaux sont en quelque sorte spéciaux, et que la préservation de la pureté et du contenu informatif de leurs signaux, est un fantasme. Et il y a effectivement un problème intellectuel : essayer de faire croire aux gens que certaines choses peuvent échapper à l'adaptation par la sélection naturelle, qui peuvent être sous-optimales. Ou même nier qu'elles sont omniprésentes. C'est donc en quelque sorte mon travail intellectuel : essayer de continuer à promouvoir ce point de vue.

LEVIN : Hum. C'est une distinction intéressante. D'une certaine manière, vous suggérez qu'il y a eu sélection, peut-être, mais qu'on a menti à la femelle. C'était une exagération de la condition physique, ou plutôt une sorte d'excès de complaisance, et cela s'est éloigné de ce qui aurait pu être initialement sélectionné sur la seule base de la condition physique.

PRUM : Eh bien, si l’on s’en tient au dessin humoristique, au départ, des femelles choisissant l’apparence des mâles, ce qui est un contexte très spécifique, pas universellement répandu. Mais, généralement, l’idée ici, issue de l’écologie comportementale, est que les spermatozoïdes sont bon marché. Ils sont nombreux, et tous les producteurs de sperme rivalisent pour promouvoir leurs intérêts particuliers. Ainsi, l’idée du mâle menteur et tricheur, prêt à tout pour améliorer sa condition physique, n’est ni lointaine ni fantaisiste. C’est en quelque sorte le cliché standard de la biologie évolutionniste, n’est-ce pas ? En revanche, nous avons des ovules, rares, chères, qui nécessitent plus d’investissement, et nous devrions être plus prudents. Ainsi, affirmer que les signaleurs mentent et trichent est attendu n’est pas une hypothèse lointaine ni difficile à admettre, n’est-ce pas ?

L'idée, bien sûr, c'est que la biologie évolutionniste maintient l'intérêt pour ce que nous appelons la signalisation honnête, l'idée que la beauté encode des informations sur la qualité, sur le fil du rasoir, n'est-ce pas ? Là où le signal conserve son intégrité, et où les tricheurs ne peuvent pas le compromettre. Je pense que si l'on observe d'autres communautés esthétiques, comme la haute couture par exemple, on constate qu'il y a beaucoup de choses qui connaissent un succès extraordinaire, et qui sont pourtant incroyablement peu pratiques. Et, en effet, j'adore lire les pages consacrées à la mode, que je trouve complètement insondables, et où l'on investit clairement beaucoup. Des millions et des milliards de dollars sont investis dans telle couleur, tel ourlet, tel style. Et puis il y a de véritables expressions artistiques, et c'est presque un monde que je ne comprendrai jamais. Mais cela illustre la nature fondamentale des bulles boursières au sein d'un système basé sur les choix. Je pense qu'il y a de nombreuses raisons d'imaginer qu'une beauté rationnellement exubérante existe dans la nature.

LEVIN : Suggérez-vous que les talons aiguilles ne sont pas pratiques pour survivre ? ( rires )

PRUM : Absolument. Absolument.

LÉVIN : Je ne comprends pas !

PRUM : Et maintenant, nous en arrivons à l’idée lancée par Amotz Zahavi, un ornithologue israélien, qui a proposé ce qu’il a appelé le principe du handicap, dans les années 70. C’était une idée intellectuelle sur la façon de préserver l’honnêteté, par exemple, si tout le monde ment et triche. Il a proposé que le moyen de coder l’honnêteté passe par le coût du signal, n’est-ce pas ? Et si c’était plus coûteux, si les individus n’avaient pas les ressources nécessaires pour fabriquer cette queue incroyablement coûteuse, ou pour maintenir leur équilibre en talons aiguilles, ils montraient qu’ils étaient en réalité meilleurs, car ils pouvaient gaspiller cette énergie, cet investissement. Le principe du handicap de Zahavi est probablement, à mon avis, totalement hors de propos pour la nature.

LEVIN : Oh, donc vous rejetez totalement cela, parce que j’ai entendu ces arguments.

PRUM : Eh bien, la seule façon pour que cela fonctionne, c’est que les ressources soient distribuées comme de l’argent. Autrement dit, qu’il y ait réellement de l’argent à gaspiller, n’est-ce pas ? Il faut que ce soit non linéaire. Il faut en obtenir davantage, puis en avoir suffisamment pour s’accumuler. Et il s’avère que le nombre d’études ayant réellement tenté de tester cette hypothèse essentielle du principe de Zahavi est extrêmement faible. Les gens adorent l’idée, la poursuivent et s’y accrochent, sans vraiment se demander si elle a du sens.

LEVIN : Pensez-vous qu’il existera un moyen de réaliser des expériences et des observations qui permettraient de résoudre ce problème ? Cela me semble être un sujet de débats houleux et controversé au sein de la communauté.

PRUM : Oui. L’un des aspects regrettables, qui s’applique au principe du handicap, mais aussi au choix adaptatif du partenaire en général, est ce qui est considéré comme une falsification. Actuellement, et de manière générale, dans l’histoire de la littérature, les gens – parce qu’ils placent la sélection sexuelle, par définition, dans la sélection naturelle, et parce que la sélection naturelle est par définition une adaptation – ne pensent pas avoir besoin d’un modèle nul, n’est-ce pas ? Ils se disent : " Eh bien, c’est évidemment pertinent. " Et donc, ils cherchent sans cesse des coûts pertinents, ou une association avec de bons gènes ou un territoire de haute qualité – le genre d’avantages que l’on pourrait tirer du choix d’un beau mâle ou d’une belle partenaire. Et s’ils les trouvent, ils publient et obtiennent un poste permanent. S’ils ne les trouvent pas, ils risquent de ne pas terminer leurs études, de ne pas publier leurs articles et d’obtenir un poste permanent.

Et ce que j'ai soutenu, c'est que cela signifie que l'adaptation par sélection naturelle devient une hypothèse de foi, n'est-ce pas ? Si on ne peut pas la réfuter, si tout le monde dit : " Oh, vous n'avez pas cherché assez longtemps pour comprendre comment ce chant d'oiseau code la qualité ", ce qui est presque la norme dans le domaine, alors cela devient non scientifique. Je propose donc que la sélection sexuelle esthétique, arbitraire ou authentiquement darwinienne, constitue le modèle nul. Il appartient à ceux qui croient que la beauté a un sens, codé par la qualité, de le démontrer. Et s'ils ne l'ont pas démontré, cela signifie que c'est arbitraire. Et je travaille toujours sur ce modèle nul, euh, le mouvement.

LEVIN : Hmm. Quelles sont les prochaines étapes de vos recherches qui vous passionnent vraiment ces derniers temps ?

PRUM : Waouh ! Ça fait 50 ans que j'observe les oiseaux et 40 ans que j'étudie l'ornithologie et la biologie évolutive. Et je continue à avoir de nouvelles idées tout en conservant mes centres d'intérêt. Du coup, on est tellement dispersés que l'on fait plein de choses différentes.

En ce moment, sur mon disque dur, les manuscrits que je dois réviser, ou les projets pour lesquels des ensembles de données ont été reçus cette semaine, incluent la transcriptomique des plumes. Nous étudions les ARN exprimés dans les cellules individuelles d'une plume en développement. Nous voulons donc comprendre comment les différentes cellules qui composent une plume complexe utilisent leurs génomes pour créer des cellules de tailles, de formes et de couleurs différentes, n'est-ce pas ? C'est amusant. Nous étudions la théorie de la génétique des populations, essayant de montrer qu'en supprimant la sélection sexuelle de la sélection naturelle, de manière authentiquement darwinienne, nous pouvons encore approfondir notre réflexion sur le fonctionnement de l'évolution. Nous nous intéressons à l'évolution des oiseaux, à la maturation retardée du plumage : pourquoi certains oiseaux, au lieu d'atteindre directement un plumage adulte, passent par un stade d'adolescence intermédiaire ou plus jeune. Il s'agit essentiellement de l'évolution des signaux de l'adolescence chez les oiseaux. Nous avons également abordé l'optique et la physique de la couleur, ainsi que certains pigments d'oiseaux étranges. Toutes sortes de sujets de ce genre.

LEVIN : Vos centres d’intérêt sont manifestement très variés. Et qu’est-ce qui, dans votre travail, vous apporte de la joie au sein de cette diversité d’idées ?

PRUM : On ne scrute pas trop la source du sens, n'est-ce pas ? Parce qu'on ne sait jamais. Mais pour ma part, d'une certaine manière, j'adore les oiseaux. Et donc, quand j'ai l'occasion d'apprendre quelque chose de nouveau à leur sujet, c'est un plaisir. Et puis, comme on l'a dit, je travaillais sur les plumes fossiles et les dinosaures, ainsi que sur les pigments et les plumes d'oiseaux, et tout à coup, de manière inattendue, ces deux domaines se sont réunis pour donner naissance aux couleurs des plumes fossiles de dinosaures, n'est-ce pas ? Il y a donc ce genre de retour d'expérience qui se produit, quand on a suffisamment de décennies dans le métier, c'est vraiment merveilleux.

LEVIN : Rick, merci beaucoup de nous rejoindre ici pour " La Joie du Pourquoi " . Ce fut un réel plaisir.

PRUM : Avec plaisir. Et merci de m'avoir invitée.

(Musique)

STROGATZ : Eh bien, cette remarque de Rick me touche vraiment. Plus on apprend, plus tout prend du sens. Vous savez, les connexions croisées font partie intégrante du plaisir, et ce n'est pas seulement le fait d'être scientifique, c'est le plaisir d'être vieux et de se souvenir des choses tant qu'on le peut encore. Le monde prend de plus en plus de sens, pas tout du moins, mais il devient plus riche et plus cohérent.

LEVIN : Donc vous n'êtes pas de la philosophie : plus je sais, moins je comprends.

STROGATZ : Il y a aussi ça. Il faut que ça existe.

LEVIN : Exact. Ce qu’il décrivait également à propos de l’approche multiforme des plumes était tout simplement fascinant. La chimie de la mélanine et la coloration des plumes. Comment les plumes ont-elles évolué ? Étaient-elles destinées au vol, ou le vol est-il arrivé plus tard ? De nombreuses raisons expliquent l’apparition et la prévalence des plumes. Voler, c’est le summum de ce qu’on pouvait en faire. C’est donc la combinaison de toutes ces différentes caractéristiques, dans quelque chose que nous tenons pour acquis chez les oiseaux : leurs plumes.

STROGATZ : C'est formidable. Il y a beaucoup de perspectives différentes sur des sujets auxquels on ne pense pas habituellement, ou alors on a tendance à réfléchir de manière restreinte.

Il existe une tradition ancienne, remontant au moins à Carl Popper, selon laquelle les arguments traditionnels de Darwin sur la sélection naturelle sont circulaires. Ils ne sont pas falsifiables. C'est le critère de Popper.

La théorie de l'évolution pose donc ce problème majeur : comment savoir si une espèce est bien adaptée, qu'elle se reproduit davantage et pourquoi ? Parce qu'elle est plus adaptée, vous savez.

LEVIN : Oui, je pense qu’il veut dire que si vous êtes tellement influencé par la sélection naturelle basée sur le fitness et que vous ne vous interrogez même pas sur l’existence d’une autre théorie, vous ne la découvrirez jamais. Vous supposerez simplement que tout repose sur l’argument initial et vous continuerez jusqu’à la découverte.

STROGATZ : J'ai aussi été très impressionné par la réponse de Rick, qui adore les oiseaux. Vous savez, nos invités disent souvent : " J'adore résoudre des énigmes ", " J'adore la collaboration avec mes merveilleux étudiants de troisième cycle ", " J'adore l'international ". Ce sont toutes de bonnes réponses, bien sûr, et je suis sûr que beaucoup le ressentent, mais quelle réponse directe !

LÉVIN : C'est vrai.