dimanche 3 novembre 2013

L'objet du scandale

La thermodynamique nous apprend donc qu'un système physique tend spontanément et naturellement à se dégrader, c'est à dire à tendre vers un état homogène, indifférencié, désordonné et d'énergie minimum.
  • Mais alors pourquoi, subitement, et par hasard, la matière se serait spontanément organisée de manière à former une cellule vivante et son ADN et par voie de conséquence toute la vie sur terre ?
  • Pourquoi cette cellule, étincelle de vie, aurait évolué (au sens de la théorie de l'évolution) "positivement" (c'est à dire vers davantage de variété et d'ordre différencié) de manière à créer toutes les formes de vie existantes sur terre?
  • Pourquoi cette cellule (l’œuf) devient-elle un embryon, puis un bébé (c'est à dire un système de plus en plus structuré et ordonné) ?
  • Si tout système physique tend vers un état d'équilibre homogène et un minimum d'énergie utilisable, pourquoi un adulte peut développer plus d'énergie mécanique qu'un bébé ? La croissance d'un être vivant (au moins jusqu'à l'âge adulte) peut être décrit comme l'évolution d'un système physique qui tend vers un maximum d'énergie utilisable (et non un minimum). 
  • Pourquoi un être humain ou un mammifère peut développer plus d'énergie mécanique qu'une amibe ou un protozoaire ? L'évolution des espèces est une évolution qui tend vers un maximum d'ordre différencié (et donc un minimum d'entropie)
De manière générale, pourquoi les systèmes vivants tendent-ils spontanément vers davantage de complexité, de structuration et de différenciation alors que les systèmes physiques tendent spontanément vers davantage d'homogénéité, de désordre moléculaire et un minimum d'énergie ?

Voici donc l'objet du scandale aux yeux des physiciens et des biologistes:
Alors que les êtres vivants sont constitués des mêmes particules que les systèmes dits "physiques", l'apparition de la vie, la naissance, la croissance et le développement des individus ainsi que l'évolution des espèces semblent suivre une loi contraire à la loi d'accroissement de l'entropie.

Pourquoi la principale loi d'évolution de la biologie (l'évolution des espèces) produit-elle des résultats inverses de la principale loi d'évolution de la physique (croissance de l'entropie) ?
L'une crée l'ordre, engendre la vie, crée de nouvelles structures, génère de la variété et de la complexité, tandis que l'autre est associée au désordre, à l'inertie, à l'homogénéité, à l'indifférenciation...

Une première réponse est que ce paradoxe n'est qu'apparent car la loi d'accroissement de l'entropie est une loi statistique globale qui ne vaut que pour des systèmes fermés.
Elle n'interdit pas une diminution locale de l'entropie au prix d'un accroissement plus important dans le reste de l'univers.
Or, un être vivant (par exemple, une cellule), est par définition un système ouvert, qui échange en permanence de l'énergie avec son environnement. On peut d'ailleurs vérifier que n'importe quelle organisme biologique, aussi efficace et économe soit-il, consomme de l'énergie et produit de l'entropie.
Mais dans ce cas, en quoi la thermodynamique, la science qui décrit les échanges d'énergie entre systèmes, ne parvient-elle pas expliquer le fonctionnement d'une cellule ou la vie ? D'où vient cette apparente incompatibilité ? Quel est le chaînon manquant qui nous empêche de réconcilier ces deux sciences (physique et biologie) ? La conséquence s'impose: il doit exister d'autres lois, encore inconnues...

Le mystère reste donc entier: ni la physique classique, ni la thermodynamique ne semblaient donc capables d'expliquer, ou même d'émettre une hypothèse raisonnable, quant à l'apparition des êtres vivants ou leur évolution, même locale, dans le sens d'une décroissance d'entropie...
Enfin c'est ce qu'on va voir...

14 commentaires:

  1. Salut Agnos, c'est encore lui.
    « On peut d'ailleurs vérifier que n'importe quelle organisme biologique, aussi efficace et économe soit-il, consomme de l'énergie et produit de l'entropie. »
    Ah bon ?
    Prenons une vache qui broute dans son pré. Elle consomme quoi ? L’herbe ? Pourtant quand la vache trépasse, il y a toujours autant d’herbe dans le pré. Non ? Voire plus d’herbe peut-être puisqu’elle l’a fertilisé, le pré.
    Quand la vache trépasse, le train repasse.

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  2. Exactement, mais le système "vache + pré" est un système ouvert, qui reçoit de l'énergie extérieur (du soleil par exemple, qui alimente la photosynthèse et donc la repousse de l'herbe).
    La loi de croissance d'entropie ne s'applique qu'aux systèmes fermés (et c'est là ou le bât blesse)

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  3. Et vache + Pré + Soleil ? C’est fermé ? Considère le système solaire globalement. Vache ou pas vache, le soleil aurait brillé sur le pré et aurait alimenté la photosynthèse.

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    1. Non c'est pas fermé, si tu veux que ça soit fermé, tu enfermes la vache et son pré dans une boite hermétique sans apport d'énergie.
      Tu constateras alors que la vache, qui était initialement capable de produire une énergie mécanique, va mourir et son pré aussi et que tout ça va tendre vers un état homogène assez nauséabond et qu'il sera difficile d'en sortir une quelconque énergie autre que de la chaleur liée à la décomposition de la vache et de son pré.
      Mais bon, si tu réalises l'expérience avec des petites amibes dans un bocal, ça marche aussi bien...
      Le problème, c'est que l'entropie ne peut que croître: une fois que l’énergie d’un système a été dispersée, elle ne peut pas revenir à son état concentré initial spontanément.
      (en tous cas pas pendant une durée qui correspond au temps de récurrence de Poincaré, donc bien supérieur à l'âge de l'univers)

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  4. En d'autres termes, je ne pense pas que la vache ait consommé de l'énergie solaire.

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    1. De l'énergie solaire bien sûr ! et des oligos éléments extrait sur sols par les racines des plantes ! peut-être même du bifidus actif ! :-)

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  5. Je n'ai jamais trop compris cette notion d'entropie!! Pourquoi l'entropie ne serait-elle pas négative? Dans certains processus physiques il se produit bien un accroissement d'énergie? Dans un cycle de vie d'un être humain on constate d'abord un accroissement de l'énergie puis une diminution de celle-ci jusqu'à la mort. L'entropie passe donc bien par une phase négative puis positive?

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  6. Attention: il ne faut pas confondre énergie et entropie.
    L'énergie "Q" se mesure en Joules tandis que l'entropie "S" se mesure en Joules/Kelvin.
    La thermodynamique s'intéresse principalement à l'échange d'énergie thermique notée "Q" (mais les lois physiques énoncées par la thermodynamique s'appliquent quelle que soit la forme de l'énergie)

    Le premier principe de la thermodynamique postule justement la conservation de l'énergie (rien ne se perd, rien ne se créé, tout se transforme): l'échange d'énergie est un jeu à somme nulle: ce qui est gagné par l'un est perdu par l'autre.

    Le deuxième principe (Le principe d'accroissement de l'entropie) permet d'expliquer l'irréversibilité de certains phénomènes physiques, notamment celui-ci:

    "La chaleur ne passe pas spontanément d’un corps froid sur un corps chaud."

    Si un corps froid est mis en contact avec un corps chaud, une certaine quantité de chaleur dQ, c'est à dire une énergie (mesurée en Joules), sera échangée de telle sorte qu'à la fin de la transformation, les 2 corps auront la même température.

    En vertu du premier principe (la conservation de l'énergie), si le système est isolé (thermiquement), le bilan énergétique sera nul:
    L'énergie gagnée par le corps 1 sera perdue par le corps 2 et l'ensemble du système va tendre vers une température uniforme.
    La température du corps froid va augmenter tandis que celle du corps chaud va baisser de telle sorte que l'énergie calorifique dans l'ensemble du système reste identique (vu que le système est isolé)

    Le fait que l'entropie (S=Q/T mesurée en Joules/Kelvin) ne peut qu'augmenter postule simplement le fait que la chaleur ne se transmettra pas en sens inverse.

    Il est impossible (pour être précis, impossible à l'échelle d'un temps qui dépasse celui de la durée de vie l'univers) que le transfert de chaleur se refasse en sens inverse et que le corps initialement chaud redevienne chaud tandis que le corps initialement froid redevienne froid: dS>0

    Cet accroissement irréversible d'entropie a d'abord été accueilli comme une opportunité pour comprendre enfin les phénomènes physiques irréversibles: Pourquoi le temps avance-t-il et ne recule-t-il jamais?
    On y voyait enfin une explication physique à certaines observations biologiques ou tout simplement du sens commun:
    Pourquoi vieillit-on et ne rajeunit-on donc jamais ?

    Malgré cet espoir initial, la loi d'accroissement de l'entropie a malheureusement fini par être interprétée comme un accroissement du "désordre", une dégradation de l'énergie ou une tendance de tout phénomène physique à tendre à l'homogénéisation.

    Ce n'est en effet pas ce qu'on observe en biologie où l'évolution semble créer des formes de vies extrêmement variées, "ordonnées" (au sens de "structurées") et hétérogènes.
    Ce n'est pas le cas non plus, comme tu le fais remarquer, dans le cycle de vie des individus, notamment psychologique, où l'on constate plutôt une différenciation (y compris dans la croissance des jumeaux homozygotes, c'est à dire issus du même oeuf, ayant donc le même matériel génétique à l'origine).
    Effectivement, la loi de croissance de l'entropie finit par nous rattraper en fin de vie (puisqu'on redevient poussière homogène), mais quelque chose nous fait naître et croître jusqu'à l'âge adulte. Est-ce la croissance de l'entropie ou est-ce là une décroissance temporaire et locale d'entropie ?

    C'est bien justement l'objet de ce blog: comment réconcilier cette loi physique d'accroissement de l'entropie, avec d'autres disciplines comme la biologie, la psychologie, la sociologie, l'histoire et les sciences "humaines" en général.

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  7. Champagne ! Tu as un 2ème commentateur ! (en dehors de ceux qui se trouvent toujours obligé de rajouter leur grain de sel. :-))
    N’empêche, c’est vrai. Il y a des phénomènes physiques dont l’évolution énergétique est en tout point similaire à celle d’un être vivant, Une bombe atomique voit d’abord son énergie augmenter (la réaction en chaîne), passer par un maximum (le moment de l’explosion) avant de décroître.
    La réaction en chaîne est effectivement irréversible. Mais c’est un accroissement d’énergie.
    PS. Je suis quand me déçu que dans le dernier article, tu n’ais pas parlé de ma vache.
    …une limace…n’importe quoi !

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    1. Je suis bien content d'avoir un deuxième commentateur!
      Comme déjà répondu au commentateur précédent: il ne faut pas confondre énergie et entropie.

      En ce qui concerne la bombe atomique, je m'appuie sur le premier principe de thermodynamique pour te contredire:
      Il n'y a malheureusement pas d'accroissement de l'énergie lors de l'explosion: il s'agit simplement d'une transformation d'énergie (d'une énergie atomique en énergie calorifique notamment). Mais globalement, il y a conservation de l'énergie.

      Par contre, en effet, c'est irréversible (normal: il y a accroissement d'entropie!)

      PS
      Et encore, je ne vous ai pas encore parlé de l'enthalpie ! :-)

      Désolé pour la vache, j'aimais bien ma limace, mais j'essaierai de replacer la vache à l'occasion :-)

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    2. Je n’ai pas dit qu’il y avait accroissement d’énergie LORS de l’explosion. Mais il y a accroissement d’énergie AVANT l’explosion. (1 neutron qui devient 2 qui devient 4 qui devient 8…)

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    3. Ni avant, ni après: dans un système isolé, il y a conservation de l'énergie (ou de matière, mais il y a équivalence entre matière et énergie suivant la formule bien connue E=mc2).

      Je dirais même plus, dans le vide quantique, il peut très bien y avoir création spontanée de matière (s'il se crée la même quantité d'antimatière) mais le bilan énergétique reste nul.

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  8. "Pourquoi un être humain ou un mammifère peut développer plus d'énergie mécanique qu'une amibe ou un protozoaire ? L'évolution des espèces est une évolution qui tend vers un maximum d'ordre différencié (et donc un minimum d'entropie)" ==> là, je tique, professeur
    la notion de complexité des structures est empirique et difficilement quantifiable. Je vois ce qu'il en est. Après tout, pourquoi la Terre ne serait-elle peuplée que de protozoaires ou de trilobites ? Mais en même temps, si on se base sur la force mécanique pour dire que l'on atteint un "stade supérieur", alors on a sacrément régressé depuis les dinosaures ...
    Pourquoi la complexité ne viendrait-elle pas du malthusianisme et de la "course à l'armement" ? Chaque espèce tend à se développer indéfiniment sauf ... quand elle est en concurrent pour des ressources avec d'autres espèces, ou que les ressources tendent à manquer ou quand le jeu prédateur/proie joue.
    Donc il y a concurrence entre espèce soit pour l'accès aux ressources soit dans le jeu prédateur/proie. On peut donc imaginer une course vers la complexité par ce "simple" jeu concurrentiel, non ?

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    1. En effet, je reconnais que la force mécanique n'est peut-être pas un bon critère (bien que les dinosaures semblent avoir disparu suite à une catastrophe et non suite à une régression évolutive).
      La concurrence entre espèce comme moteur de la différenciation est intéressante il faudrait creuser du côté de la théorie des jeux, ce qu'on fait des auteurs comme le biophysicien Manfred Eigen (prix Nobel en 1967) pour montrer que certaines organisations de molécules sont systématiquement "gagnantes" au jeu de la vie... On a également pu montrer qu'un taux d'erreur de reproduction faible, mais non nul, était nécessaire pour la survie d'une population.
      Reste à savoir pourquoi l'espèce "cellule originelle" (si elle était seule) est rentrée en concurrence avec elle-même...
      Mais des groupes trop importants de la même espèce peuvent entrer en concurrence entre eux, ce n'est pas une aberration: ça peut s'observer dans la vie courante...
      En tous les cas, la théorie de la sélection naturelle n'explique pas bien cette "orientation" de l'évolution, et pourquoi l'amibe, qui est parfaitement adaptée à son environnement, ne peuplerait pas toute la terre.
      Il semble donc que d'autres mécanismes sont en jeu...

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