De l'évolution du cosmos à la mécanosynthèse
From cosmic evolution to mecannosynthesis
Jean-Paul Baquiast 05/02/06
Nous avons déjà consacré un long article à la morphogenèse, en donnant une large place à la théorie dite structurale d'Adrian Bejan dont il nous semble que l'on n'a pas assez parlé en France.
(voir: http://www.automatesintelligents.com/echanges/2004/jan/morphogenese.html).
Cet article, à la relecture, nous parait encore à jour. Nous conseillons donc au lecteur patient d'y jeter un coup d'oeil. Cependant des évènements nouveaux obligent à lui donner des prolongements, que l'on trouvera ci-dessous (image Molecular Assembler).
La morphogenèse
On peut définir la morphogenèse comme le processus consistant à créer des formes. Mais le concept de forme n'a rien de rigoureux. Il peut désigner l'aspect extérieur d'un objet, tel qu'il apparaît à nos organes sensoriels et ce, indépendamment de la nature de cet objet. Ainsi un cristal de neige et une étoile de mer possèdent une forme dite en étoile. Mais on peut donner à la forme un sens beaucoup plus général. On appellera forme, en ce cas, les divers objets, non-vivants et vivants, existant dans la nature et identifiés par nous, compte tenu de ce qu'en perçoivent nos sens après reconstruction par notre cerveau. En ce sens, on pourra par exemple parler des formes vivantes, espèces et individus au sein de ces espèces, ayant été observées et classées par les naturalistes. Il s'agira des innombrables façons dont les constituants élémentaires de la matière biologique, atomes et molécules, ont été organisés par l'évolution en structures plus complexes. A ce niveau, chaque forme (ou type de forme) existant dans la nature est spécifique et doit être distinguée des autres, même si en apparence elle leur est comparable. Si le corail et l'arbre ont des formes extérieures voisines, il ne s'agit absolument pas de formes naturelles identiques, puisque chacun est le fruit d'une évolution propre. Ce qui nous intéressera en ce cas sera d'étudier la façon dont l'évolution a pu donner naissance à des objets aussi semblables et cependant aussi différents que le corail et l'arbre.
Ainsi entendue, le terme de morphogenèse désigne d'abord les mécanismes naturels producteurs de formes : réactions physiques ou chimiques donnant des minéraux de formes et de couleurs différentes ou comparables, influence des vents sur la mer ou le désert productrice d'ondes, évolution des génomes produisant des êtres vivants aux propriétés diverses, etc. Celui qui observe la variété des formes dans le monde et cherche à en comprendre les raisons doit impérativement identifier ces mécanismes naturels et comprendre la façon dont ils agissent pour produire des formes bien déterminées. Mais on risque alors de donner à l'étude de la morphogenèse une telle ambition qu'elle sera obligée d'aborder l'ensemble des sciences. Pour éviter ce risque, on se limitera aux processus génériques, mettant en œuvre des règles simples dont la combinaison aboutira à la production de formes complexes. Ce seront ces règles qui nous intéresseront, puisqu'elles permettront de comprendre et le cas échéant reproduire l'infinie variété des objets du monde, sans s'obliger à étudier les caractères propres de chacun de ceux-ci. Si nous analysons l'aile ou l'œil de l'animal, nous n'aurons pas besoin de connaître en détail les innombrables organismes vivants dotés de tels appendices. Il nous suffira, au moins dans un premier temps, de comprendre les fonctionnalités qu'assurent ces derniers et les grands plans de structure communs qu'ils partagent en conséquence.
Une démarche classique permettant à la science de simplifier l’analyse de phénomènes apparemment différents consiste à rechercher s’ils ne découlent pas de causes identiques. La morphogenèse, telle que nous venons de l’évoquer, est la science de l’évolution des formes. Il est donc tentant de rechercher les grands mécanismes évolutifs permettant d’expliquer la diversification et l’accroissement de complexité des formes naturelles. Il en est un connu depuis longtemps, mais qui n’intéresse que la biologie : la sélection darwinienne sur le mode reproduction-variation-sélection. Elle suppose, sauf cas particuliers, l’existence d’un génome dont les mutations introduisent l’élément de diversification à partir duquel de nouvelles formes apparaissent.
Un mécanisme plus général
Mais il est un mécanisme évolutif beaucoup plus général, bien moins connu, qui intéresse le cosmos tout entier. Selon les théories cosmologiques actuellement admises, le cosmos est né d’un évènement unique, le Big Bang ou le phénomène qui en a tenu lieu 1) Il est admis que depuis le Bib Bang, la matière visible de l’univers a constamment évolué, depuis les nuages de poussières et protogalaxies jusqu’aux galaxies semblables à la nôtre. Au sein des galaxies, les astres évoluent eux-mêmes de façon relativement semblables : création d’un disque en rotation autour d’une proto-étoile, apparition des planètes, évolution de l’étoile elle-même jusqu’à sa disparition sous forme de géante rouge ou pour certaines de supernova. Sur les planètes de type terrestre, la matière physique évolue elle-même selon des cycles lents. Pour ce qui concerne la Terre, une des voies selon laquelle s’est faite cette évolution a permis l’apparition de la vie à partir de molécules pré-biologiques.
Il est certain qu’aujourd’hui beaucoup de choses restent mystérieuses concernant le cosmos et son évolution – à supposer qu’il y ait vraiment évolution. En quoi consiste et comment évolue la matière noire inconnue qui représenterait une grande partie de la masse globale de l’univers ? Quelle est l’énergie noire, assimilée à la constante cosmologique, qui combat l’effet de la gravité et provoque une expansion semble-t-il accélérée de l’univers ? Que deviennent les astres dont la masse est suffisante pour qu’en phase évolutive terminale ils s’effondrent sur eux-mêmes et deviennent des trous noirs ? Mais ces questions sans réponse n’empêchent pas certains cosmologistes de considérer que l’évolution de la matière visible obéit à des lois communes que l’on doit pouvoir retrouver depuis les corps les plus grands jusqu’aux objets physiques et même biologiques les plus petits de notre environnement terrestre.
Pour Eric J. Chaisson 2) ces lois s’articuleraient autour de la façon dont le flux d’énergie primordial (né lors du Big Bang et peut-être alimenté en permanence depuis lors) est utilisé par les corps physiques et biologiques pour accroître leur complexité. Il s’agit d’une énergie « libre » à la disposition des organisations matérielles et biologiques, qui l’utilisent en conformité avec les principes de la thermodynamique loin de l’équilibre pour se transformer et accroître leur complexité. Il en résulte une compétition entre les organisations qui favorise celles qui optimisent l’usage de l’énergie en rapport avec leur masse. Prenons l’exemple d’un astre. Si sa masse est très importante, il brûle tout son hydrogène trop rapidement et disparaît très vite sans produire de complexité. A l’opposé, notre soleil dispose d’une masse qui lui permet d’équilibrer longtemps la pression gravitationnelle et la force d’expansion née de la fusion de son hydrogène. Il est donc capable d’optimiser ses ressources énergétiques de sorte qu’il entretient pendant des milliards d’années autour de lui un cortège de planètes sur certaines desquelles la vie a pu apparaître. Mais, revers de la médaille, il se transformera en fin de vie en géante rouge et ne pourra pas atteindre l’état explosif d’une supernova. Il ne répandra donc pas dans son environnement les éléments lourds à partir desquels d’autres formes de vie pourraient se former dans d’autres systèmes solaires. Autrement dit, il n'aura pas de descendance et n'aura pas contribué à l'évolution cosmique. Ainsi les organisations que l’évolution cosmologique sélectionne sont celles qui restent au milieu de deux extrêmes : consommer trop d’énergie et brûler trop vite leurs réserves et ne pas en consommer assez et rien produire en termes de complexité.
Eric Chaisson applique les mêmes principes aux logiques d’évolution et de sélection des structures et organismes terrestres. Les formes qui apparaissent et qui survivent sont celles qui utilisent au mieux l’énergie nécessaire à leur construction et à leur résistance aux agressions du milieu. Il n’y a rien là de finaliste non plus que de biologique. Prenons l’exemple souvent cité d’un cristal de neige. Pour que celui-ci se forme, les molécules d’eau doivent se rapprocher jusqu’à adhérer et ne pas être rejetées. Bien que les collisions initiales entre molécules se produisent tout à fait au hasard, les molécules en mouvement sont guidées par les forces électromagnétiques jusqu’à ce qu’elles trouvent des positions favorables sur la surface du cristal. Si une molécule arrivant au hasard se trouve positionnée à un endroit favorable à la croissance du cristal, elle est « sélectionnée ». Sinon, elle est rejetée. Sa venue initiale résulte du hasard, mais non sa sélection. De plus, quand le cristal atteint un état d’équilibre thermodynamique, il ne peut plus accepter de molécules et son évolution s'arrête. Eric Chaisson remarque à juste titre que le terme de sélection, dans ce type d’évolution, parait peu opportun. Il n’existe aucun agent qui exercerait une sélection, en éliminant les moins adaptés. Les objets qui survivent sont ceux qui restent après que les autres ont disparu. Il préfère le terme d’élimination non-aléatoire. Dans l’exemple des cristaux, un grand nombre de ceux engagés dans un processus de formation ont disparu parce qu’ils étaient mal conformés pour résister aux forces de destruction. Seuls ont survécu ceux répondant aux contraintes d’équilibre nécessaire à la formation de ce type d’objet.
L’hypothèse selon laquelle existe au plan cosmologique un principe général d’évolution qui se retrouve à tous les niveaux d’organisation de l’univers est satisfaisante pour l’esprit, même si elle n’est pas vraiment vérifiable vu que nous ignorons encore le tissu profond de l’univers. Il existerait ainsi selon cette hypothèse un grand principe unificateur (a great unifier) qui, en amont de et en parallèle à l’évolution biologique, agirait sur l’ensemble des structures matérielles. Son fondement serait l’optimisation de l’utilisation de l’énergie, qu’il s’agisse de l’énergie cosmologique primaire ou des formes d’énergies spécifiques que nous retrouvons sur Terre. Les entités biologiques et les entités sociales humaines n’y échapperaient pas, en sous-jacence des autres formes d’évolution complexifiante, génétiques et culturelles, qui se sont greffées progressivement sur le processus évolutif primaire à base d’optimisation de l’énergie.
Emergence d'une intelligence cosmique?
Une question importante se pose néanmoins, à laquelle Eric Chaisson ne répond pas. Que deviennent dans la perspective d’une évolution cosmique unificatrice intéressant les différents composants de l’univers les formes complexes spécifiques développées sur des planètes comme la Terre. Sur la Terre sont apparues des molécules prébiotiques, puis des formes de vie, de conscience et de représentations scientifiques du monde propres aux humains. Ces organisations ou formes complexes ont profité de conditions favorables spécifiques (dites « fine tuning » dans le vocabulaire anthropique) offertes par l’évolution cosmique, notamment la présence d’atomes lourds comme celui du carbone résultant de la fin explosive de supernovas antérieures à la création du système solaire. De telles formes complexes sont-elles irrémédiablement appelées à disparaître lors de la fin de celui-ci? Le relais est-il pris dans d’autres systèmes solaires nés de l’explosion d’autres supernovas, mais, s’il l’est, n’est-il pas voué à des morts analogues survenant irrémédiablement ? Ceci voudrait dire que l’évolution cosmique globale finirait par s’éteindre, concomitamment d’ailleurs avec la fin de l’univers par excès d’expansion que prévoient actuellement les cosmologistes.
Peut-on au contraire estimer que les formes de vie intelligentes apparaissant sur des planètes comme la Terre exercent sur l’évolution cosmique des effets en retour qui d’une certaine façon la conduiraient à se prolonger vers un avenir certes incertain mais non fermé? Nous sommes là dans les spéculations dangereuses car elles risquent d’encourager les croyances spiritualistes. Cependant, en restant dans le domaine de la science, il n’est pas interdit de faire l’hypothèse que l’évolution cosmique a conduit déjà ou conduira un jour à l’apparition de super-intelligences diffuses dans l’univers global, on ne sait où exactement. Elles agiraient sur lui, on ne sait comment, pour le rendre plus intelligent et conscient que ne semblent le permettre les lois de la physique telles que nous les connaissons aujourd’hui. Faire de telles hypothèses n’a d’intérêt que si elles conduisent à rechercher des preuves expérimentales de ce que l’on suppose. Sinon, c’est simplement de la métaphysique, c’est-à-dire la supputation de ce qui pourrait se passer au-delà de la physique. La métaphysique n’a d’intérêt que si elle oblige la physique à se renouveler. Or aujourd'hui, nul ne peut scientifiquemment mettre en évidence des formes d'intelligences cosmiques. mais peut-être est-ce parce que l'on s'y prend mal.
Transposition aux sciences de l’ingénieur
Une fois que la science commence à comprendre la façon dont la nature a sélectionné certaines formes et pas d'autres, aussi bien dans le monde physique que dans le monde biologique, elle s'applique à transposer les mécanismes correspondants en vue de résoudre des problèmes d'ingénierie - c'est-à-dire intéressant la fabrication d'artefacts, outils ou objets finaux.
Dans ce cas, la réflexion sur l'évolution des formes dans l'univers, c'est-à-dire la morphogenèse, peut désigner l'activité des bureaux d'étude qui visent à produire ces artefacts. Ceux-ci sont parfois loin des formes existant dans la nature. La grande variété des applications données à une forme générique comme la roue n'est pas inspirée de ce que fait la nature. Mais de plus en plus les ingénieurs étudient les solutions de celle-ci et s'efforcent de les transposer dans leurs processus ou leurs produits. C'est ce que fait la bionique, dont l'activité consiste à comprendre les produits de la morphogenèse naturelle à l'œuvre dans le domaine biologique et copier ceux qui paraissent intéressants au profit de dispositifs artificiels.
On considère généralement que l'évolution des systèmes physiques comme celle des systèmes vivants ont produit des solutions optimisées, c'est-à-dire offrant le meilleur emploi possible des ressources naturelles au regard des contraintes s'imposant à ces systèmes. Nous avons vu ce qu’il en est concernant l’optimisation de l’énergie au plan cosmologique. Il est donc tentant de transposer dans le cadre de la morphogenèse artificielle les méthodes optimisées de la morphogenèse naturelle. Encore faut-il avoir élucidé ces dernières, ce qui n'est jamais évident. Il ne suffit pas qu'un phénomène naturel existe pour que nous puissions le considérer comme optimisé. Il faut aussi admettre que les optimisations naturelles ne sont pas toujours intéressantes, dans le cas de certains systèmes technologiques répondant à des ambitions souvent très différentes. Il faudra faire appel à des méthodes d'optimisation artificielle, aujourd'hui de type computationnel (mathématique et informatique).
Une application récente et particulièrement prometteuse de la morphogenèse des matériaux concerne ce que l’on appelle la mécanosynthèse ou plus exactement la nanomécanosynthèse positionnelle. Elle consiste à assembler unes à unes, d’une façon viable, les molécules nécessaires à la constitution d’un cristal ou d’un autre corps ordonné. On trouve dans le journal Molecular Assembler du 12/01/2004 la description par Robert A. Freitas Jr d’un processus breveté permettant de réaliser la synthèse du diamant selon le procédé de la mécanosynthèse positionnelle 3) . La technique devrait être réutilisable pour réaliser la nanomécanosynthèse de nombreux autres corps. Elle sera donc largement employée compte tenu du développement des nanotechnologies. Elle pourra être étendue à la construction de structures plus importantes de taille macroscopique. Nous avons donc là un domaine d'étude qui abandonne résolument la métaphysique, mais qui pourra peut-être un jour y ramener.
Notes
1) On sait que l’hypothèse du Big Bang est de plus en plus contestée, mais ce point n’intervient pas dans notre propos (voir notre article http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2005/65/bigbang.htm)
2) Eric J. Chaisson dirige le Wright Center for Science Education à la Tufts University de Medford, Mass. Il vient de publier un article sur ce sujet, sous le titre The great Unifier, dans le NewScientist du 7 janvier 2006, p. 36
3) How To Make a Nanodiamond. A Simple Tool for Positional Diamond Mechanosynthesis, and its Method of Manufacture by Robert A. Freitas Jr. http://www.molecularassembler.com/Papers/DMSToolbuildProvPat.htm
