Quand la science atteint une limite, apprenez à poser des questions différentes

On pourrait croire qu’une discipline comme la physique est facile tandis que la biologie semble plus complexe. Mais au final, cette difficulté dépend uniquement des questions qu’on se pose.


On pourrait croire qu'une discipline comme la physique est facile tandis que la biologie semble plus complexe. Mais au final, cette difficulté dépend uniquement des questions qu'on se pose.

Les étudiants du secondaire, qui se préparent à leurs examens de sciences, disent probablement 2 choses concernant leur cursus : ils ont peur de la et sont relativement à l’aise avec la . Curieusement, c’est contraire à l’opinion de la plupart des chercheurs. L’esprit scientifique est que la est facile. Sa simplicité découle de sa capacité à créer des théories cristallines puissamment prédictives, allant de l’existence de particules subatomiques à la courbure de la lumière autour des étoiles. La biologie, en revanche, est beaucoup plus difficile à décomposer en élégants théorèmes et équations . Pour cette raison, certains penseurs éminents ont fait valoir que les cellules et les forêts sont plus difficiles à comprendre que les trous noirs distants et difficiles à observer.

La physique et la biologie

Mais peut-être n’y a-t-il pas une discipline facile ou difficile. Peut-être n’y a-t-il que des questions faciles et difficiles. La biologie semble si difficile, car elle a été définie par un ensemble de questions très difficiles. La physique ne semble facile que parce que des siècles d’efforts déployés par des penseurs profondément perspicaces ont produit une série de questions susceptibles de réponse.

Ironiquement, ce qui rend la biologie si difficile, c’est notre proximité. Demandez-vous : qui est plus facile à comprendre, un béguin romantique ou un collègue de travail ? Notre intimité avec la biologie, ainsi qu’avec la psychologie et les sciences sociales, nous a amenés à interroger ces phénomènes avec une connaissance approfondie déjà en main. Nous posons des questions très détaillées, puis nous sommes surpris par les réponses apparemment mystérieuses ou contradictoires.

Lors d’une promenade dans la forêt, nous pourrions observer les formes inhabituelles du feuillage sur un érable. Cela peut nous amener à nous demander pourquoi les feuilles ont des lobes, pourquoi elles deviennent rouges en automne, quels insectes vivent dans la litière de feuilles et comment ils se décomposent et nourrissent le sol. Ces questions sont d’une complexité trompeuse, malgré le naturel avec lequel nous les posons. En revanche, le vaste vide froid de l’espace et l’incroyable petitesse des quarks nous sont si étrangers que nous sommes fiers, du moins au début, de dire les choses les plus simples sur ces entités, même pour montrer qu’elles existent.

La proximité paradoxale de la biologie

L’intimité a parfois ralenti notre compréhension de la physique. La question du mouvement des planètes est l’une des plus anciennes obsessions de l’humanité et traverse de nombreuses mythologies. Cependant, grâce à l’auto-absorption de notre espèce, la longue théorie des épicycles plaçait à tort la Terre au centre de l’Univers, une erreur qui perdura environ 2 000 ans. Lorsque la question fut résumée aux questions de force, de masse et de gravité dans la physique newtonienne, le mouvement planétaire devint beaucoup plus facile à prévoir et à comprendre.

Les physiciens ont encore de nombreuses questions difficiles à résoudre. Si la physique fondait sa réputation sur la prédiction de la prochaine éruption solaire susceptible d’interférer avec les télécommunications sur Terre, ce serait considéré comme une discipline beaucoup plus complexe et difficile. Pourquoi ? Parce que modéliser les nombreux mécanismes qui produisent la dynamique de la surface du Soleil, tous les processus gravitationnels, électromagnétiques, thermiques et nucléaires impliqués est terriblement délicat. En ce qui concerne le mouvement planétaire, nous pouvons obtenir une image assez bonne de la trajectoire d’une planète en reconnaissant que la massivité de notre Soleil nous permet d’ignorer l’influence des autres corps célestes.

Mais si nous voulions vraiment nous occuper de ces détails, nous découvririons que nous ne pouvons pas prédire avec précision le mouvement de trois corps de masse égale. De même, avec la , nous avons appris que nous ne pouvons que deviner de manière approximative la position spécifique de deux pendules dont le mouvement est couplé. Cependant, nous ne pouvons pas dire avec certitude où sera l’une ou l’autre de ces pendules.

Les questions complexes de la biologie

Les questions que nous avons demandées à la biologie sont peut-être trop difficiles. Comment sauver une vie humaine individuelle ? Pourquoi ce geai bleu est-il légèrement plus foncé que l’autre ? Mais ce n’est pas parce que nous demandons plus de biologie que nous ne pouvons pas poser de questions un peu plus faciles. En fait, s’appuyer sur une physique facile peut nous aider à trouver le moyen de trouver ces questions. Les physiciens sont particulièrement doués pour rechercher des phénomènes omniprésents, généralisés, applicables à de multiples systèmes et susceptibles de résulter de mécanismes simples et partagés.

Prenons l’idée de l’. Ce concept découle des premières observations selon lesquelles le taux métabolique d’un mammifère dépend de façon prévisible et non linéaire de la taille de son corps via une . Une loi de puissance est une relation mathématique qui indique à quel point une caractéristique change à mesure que la taille du système augmente d’un ordre de grandeur (c’est-à-dire, par multiples d’un certain nombre, généralement 10). Ainsi, lorsque la masse corporelle d’une créature augmente de 1 000 fois, les principes de l’allométrie permettent de prédire avec précision que son taux métabolique augmentera de 100 fois.

Les mathématiques en biologie

Mais comment les mêmes mathématiques peuvent-elles s’appliquer à quelque chose d’aussi simple que l’attraction gravitationnelle entre deux objets et le processus désordonné de la spéciation dans divers habitats ? En physique, les lois de puissance indiquent des mécanismes partagés et des symétries qui fonctionnent à toutes les échelles. En biologie, nos propres recherches, ainsi que celles de Geoffrey West, James H. Brown et Brian J. Enquist, montrent que le mécanisme fondamental à l’oeuvre est la structure et le flux des réseaux vasculaires.1 2

Il s’avère que les vaisseaux sanguins ont tendance à s’étendre efficacement sur le corps et à fournir des ressources à toutes les cellules d’une créature tout en réduisant la pression sur le coeur. Cette idée simple a donné naissance à un nombre croissant de théories qui utilisent l’idée d’une structure biologique optimisée pour prédire des phénomènes telles que la répartition des arbres dans une forêt, la durée de notre sommeil, le taux de croissance d’une tumeur, les bactéries les plus grandes et les plus petites et le plus grand arbre possible dans n’importe quel environnement.3 4 5 6 7

Cependant, la biologie peut aussi donner lieu à ses propres questions. Par exemple, comme nos collègues Jessica Flack et David Krakauer de l’Institut Santa Fe l’ont montré, les capacités de traitement de l’information et de prise de décision d’agents (tels que les primates, les neurones et les moisissures) conduisent à des types uniques de rétroaction, d’adaptabilité et de lien de causalité qui diffèrent des systèmes purement physiques.8 9 Il reste à voir si les complexités supplémentaires des systèmes biologiques peuvent être expliquées en développant des perspectives inspirées de la physique telles que la théorie de l’information.

Vers une limite ou une refonte complète des questions

Il se peut que l’étude de la biologie et des systèmes complexes en général progresse un jour vers des questions insurmontables ou qu’une brillante refonte de ces questions conduise à l’élimination des défis actuels. Cela pourrait montrer la voie à des réponses plus faciles, comme Charles Darwin l’a fait en reformulant des questions sur les origines et la diversité de la vie en termes de sélection et de variation naturelles.

Dans son article More Is Different (1972), le physicien Philip Anderson a souligné les dangers d’une tentative de tout réduire au niveau le plus microscopique. Il s’est plutôt concentré sur les sauts de complexité qui se produisent à différentes échelles des phénomènes naturels, tels que le passage de la mécanique quantique à la chimie. Cependant, les lecteurs oublient souvent son argument selon lequel les théories efficaces devraient reposer sur des blocs de construction expliquant les mécanismes sous-jacents d’un système, même si ces blocs de construction sont des entités relativement grandes ou de taille moyenne.

Une complexité et une simplicité apparente

En nous appuyant sur cette dernière perspective, nous soutenons que nous ne savons pas si les trous noirs sont plus simples que les forêts. Nous ne pouvons pas le savoir tant que nous n’aurons pas de théorie générale efficace expliquant l’existence de forêts ou que nous ne pourrons plus observer la dynamique la plus détaillée de l’effondrement et de l’évaporation des trous noirs. Une déclaration de complexité relative ne peut être faite sans une définition détaillée du type de questions que nous posons pour chaque système. Il existe probablement certains types d’enquêtes pour lesquelles nos connaissances vont devenir extrêmement difficiles, mais le plus souvent, c’est au sujet de questions que nous nous posons plutôt que de systèmes.

La physique peut donc être difficile et la biologie facile. Le degré de difficulté dépend davantage des questions posées que du terrain. Au sein de la des systèmes complexes, de grands progrès sont souvent réalisés à l’interface entre ces deux perspectives. Une solution consiste d’abord à résoudre les questions simples, puis à utiliser nos réponses pour essayer de trouver des principes utiles pour des questions et des théories plus détaillées. Il est possible qu’en commençant par les questions faciles, nous puissions lentement nous construire vers les questions difficiles.

Ou, dans le sens opposé, observer l’étrange similitude des phénomènes entre disciplines pourrait nous inciter à rechercher de nouveaux mécanismes et principes. Cela exigera parfois une perspective moins détaillée et plus abstraite, ce que notre collègue John Miller, citant le physicien Murray Gell-Mann, lauréat du prix Nobel, discute dans son livre A Crude Look to the Whole (2016). Ces regards rudimentaires, forcés par l’éloignement de la physique et obscurcis par l’intimité de la biologie, devraient donner lieu à beaucoup plus de réflexions profondes et de simplifications de la science dans les années à venir.

Traduction d’un article sur Aeon par Chris Kempes, professeur à l’intersection de la physique, de la biologie et des sciences de la terre à l’institut Santa Fe et de Van Savage, professeur en écologie, en biologie évolutionnaire et en biomathématique à l’université de Californie.

Sources

1.
Savage VM, Deeds EJ, Fontana W. Sizing Up Allometric Scaling Theory. Enquist BJ, ed. P. 2008;4(9):e1000171. doi:10.1371/journal.pcbi.1000171
2.
West GB. A General Model for the Origin of Allometric Scaling Laws in Biology. Science. 1997;276(5309):122-126. doi:10.1126/science.276.5309.122
3.
West GB, Enquist BJ, Brown JH. A general quantitative theory of forest structure and dynamics. P. 2009;106(17):7040-7045. doi:10.1073/pnas.0812294106
4.
Savage VM, West GB. A quantitative, theoretical framework for understanding mammalian sleep. P. 2007;104(3):1051-1056. doi:10.1073/pnas.0610080104
5.
Herman AB, Savage VM, West GB. A Quantitative Theory of Solid Tumor Growth, Metabolic Rate and Vascularization. Monk N, ed. P. 2011;6(9):e22973. doi:10.1371/journal.pone.0022973
6.
Kempes C, van B, Wolpert D, Libby E, Amend J, Hoehler T. Drivers of Bacterial Maintenance and Minimal Energy Requirements. Front Microbiol. 2017;8:31. [PubMed]
7.
Kempes CP, West GB, Crowell K, Girvan M. Predicting Maximum Tree Heights and Other Traits from Allometric Scaling and Resource Limitations. Evans DM, ed. P. 2011;6(6):e20551. doi:10.1371/journal.pone.0020551
8.
Flack JC. Coarse-graining as a downward causation mechanism. P. 2017;375(2109):20160338. doi:10.1098/rsta.2016.0338
9.
Daniels BC, Ellison CJ, Krakauer DC, Flack JC. Quantifying collectivity. C. 2016;37:106-113. doi:10.1016/j.conb.2016.01.012

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Houssen Moshinaly

Rédacteur en chef d'Actualité Houssenia Writing. Rédacteur web depuis 2009 et vulgarisateur scientifique.

Je m'intéresse à tous les sujets scientifiques allant de l'Archéologie à la Zoologie. Je ne suis pas un expert, mais j'essaie d'apporter mes avis éclairés sur de nombreux sujets scientifiques.

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