Super-organismes

L’idée que les sociétés d’insectes comme les fourmis, les termites ou les abeilles sont comparables à des “super-organismes” n’est pas neuve. Dès 1926 le biologiste William Wheeler remarquait que la coopération entre les membres d’une colonie d’insecte est si poussée qu’elle la dote de tous les attributs d’un être vivant. Exactement comme un organisme constitué de cellules ayant chacune une vie propre, ne prend “corps” que grâce à l’extrême degré de coopération entre ces cellules. Mes histoires d’abeilles qui choisissent un nid m’a permis de mesurer à quel point dans un cas comme dans l’autre, le fonctionnement émergent n’a souvent pas grand rapport avec celui de ses constituants de base...

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L'évolution: un art plastique (part 3)

source ici

Part 3: l'art du pliage moléculaire

Le moins qu’on puisse dire, c’est que les découvertes de Waddington dans les années 1950 sur les liens étranges entre génétique et environnement n’ont pas vraiment eu d’écho à l'époque. Il faut dire que ça tombait pile au moment où l'on découvrait l’ADN et l’image fascinante de programme génétique orienta durablement la recherche en biologie vers des modèles réductionnistes de type un gène = une enzyme. Richard Lewontin rapporte ainsi (dans la triple hélice) que le biologiste moléculaire Sydney Brenner affirma un jour que “s’il disposait de la séquence d’ADN complète d’un organisme et d’un ordinateur suffisamment puissant, il saurait calculer l’organisme”!
Ce n’est qu’au milieu des années 1990 que l’on s’intéressa de nouveau aux expériences de Waddington. Susan Lindquist  en particulier chercha à comprendre les raisons moléculaires pour lesquelles on observe autant de mutations chez des organismes (animaux ou végétaux) soumis à des stress pendant leur phase de croissance, et leur lien avec l'évolution des espèces. Une recherche tellement fructueuse qu'elle lui valut la médaille nationale de la science en 2010...

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L'évolution: un art plastique (part 2)

On a vu dans le dernier billet pourquoi l'image de gènes programmant mécaniquement les organismes qui les hébergent est loin de la réalité. L'ADN n'est pas un "programmateur" mais un code passif, que la machinerie cellulaire peut lire de plusieurs manière selon l'environnement chimique de la cellule. Du coup, un même code génétique peut produire des formes morphologiques très altérées en cas de forte perturbation du milieu.

Cette combinaison de robustesse et de plasticité en cas de gros pépin pourrait presque être vue comme une caractéristique du vivant, au même titre que la capacité à se reproduire ou à se développer...

L'assimilation génétique
Si cette idée n'a rien d'évident, c'est que la sensibilité des organismes à l'environnement ne saute pas vraiment aux yeux. Les organismes d'une même espèce se ressemblent plutôt beaucoup et ils ne se transforment pas en mutants garous dès qu'il pleut ou qu'il fait chaud. Dans les années 1940, le biologiste anglais Conrad Waddington eut l’idée que cette relative immuabilité était en réalité due à l’action efficace de mécanismes régulateurs (homéostatiques, comme on dit) qui maintiennent constant le milieu intérieur de la cellule et qui corrigent ou atténuent les erreurs de lecture des gènes.

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L'évolution: un art plastique (part 1)

Les débats suscités par mon billet sur la "plasticité du vivant" m'ont donné envie de creuser le sujet et notamment d’explorer la piste évo-dévo suggérée par Taupo IRL. J'ai découvert que cette question de plasticité, loin d'être anecdotique, constitue un des sujets les plus chauds du moment en matière de biologie évolutive et pose un regard nouveau sur le rôle de la génétique. Récit en trois épisodes...

Repartons du schéma géno-centrique...
Aux yeux du grand public qui comme moi a lu (trop vite peut-être) le Gène Egoïste de Dawkins, la théorie synthétique de l’évolution a comme seul point de départ les mutations génétiques aléatoires, dont les effets sur les organismes sont soumis à la dure loi de la sélection naturelle. Dans ce schéma géno-centrique, l’évolution fonctionne à sens unique:

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Plastique la vie!

Source: ici

Avec son fameux exemple du Pouce du Panda, Stephen Jay Gould a rendu célèbre la notion d’exaption: en fait de pouce, il s’agit d’une excroissance osseuse poussée par hasard sur la patte et que le Panda utilise comme un sixième doigt opposable, bien pratique pour effeuiller les bambous et se goinffrer avec les feuilles. L’exaption désigne la capacité qu'ont les êtres vivants à détourner l’usage de leurs propres organes pour les exploiter à leur avantage.

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Singer est-il le propre de l'homme?

L'acquisition de comportements nouveaux n'est pas propre à l'espèce humaine, tout le monde en convient désormais tant les preuves d'acculturation abondent dans le règne animal (voir par exemple des exemples dans ce billet). Pourtant ce constat pose une énigme: pourquoi cette “culture” animale serait-elle restée aussi rudimentaire chez des animaux aussi intelligents que les singes, les dauphins ou les corbeaux?

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L'homme, version bêta

L'exemple de la technologie vue comme une "boîte de Pandore" est une de ces analogies fascinantes dont je parlais dans un précédent billet. Après avoir déclenché Hiroshima, Tchernobyl, Bhopal et les marées noires, nous nous méfions des apprentis-sorciers. Plus question d'envisager l'introduction des OGM, des nanotechnologies ou des thérapies géniques sans se barder d'abord du "principe de précaution", sorte de préservatif mental contre tous les risques technologiques.

Ce qui me gêne avec cette image d'une "boîte de Pandore" est qu'elle suppose la technologie comme complètement extérieure à nous-mêmes. C'est évidemment le cas si l'on pense à une invention en particulier. Mais à l'échelle de l'humanité, la technologie a tellement influencé l'évolution de notre anatomie qu'elle en est devenue partie intégrante. Génétiquement par exemple: depuis que l'on a domestiqué le feu, notre système digestif s'est tellement modifié que nous ne digérons plus ni la viande crue et ni la plupart des végétaux si on ne les cuit pas. La cuisine est en quelque sorte devenu notre premier estomac.
L'invention des outils et des armes a également influencé notre morphologie: heureusement que l'on ne compte pas sur nos mâchoires et sur nos griffes pour chasser le gibier! L'élevage a sans doute aussi joué sur notre génôme par le biais de la sélection naturelle, tant la tolérance au lactose -transmissible héréditairement- a pu être un avantage génétique. Nous sommes donc génétiquement en partie le produit de la technologie. Je me demande même si nous aurions pu perdre à ce point notre pilosité si l'on n'avait pas généralisé l'usage des vêtements.

Notre cerveau s'est lui-même construit en partie autour de la technologie. On s'imagine habituellement que l'apprentissage de la lecture, du calcul ou d'un langage correspond à des connexions neuronales supplémentaires, acquises en plus de celles qui se seraient élaborées de toutes façons, un peu un tableau noir sur lequel on imprime des connaissances ou un disque dur qui enregistre des programmes nouveaux. Or ces images sont aussi simples que trompeuses car de tels apprentissages supposent non seulement qu'on ajoute mais aussi qu'on supprime certains acquis. L'apprentissage de la lecture, par exemple, tire parti de nos capacités mentales à reconnaître rapidement des formes élémentaires. Mas ce "recyclage neuronal" comme l'appelle Stanislas Dehaenea un inconvénient: nous sommes programmés pour considérer comme équivalents une forme et son image dans un miroir. C'est bien pratique car ça permet de reconnaître un lion instantanément, qu'il arrive depuis la droite ou depuis la gauche. Notez au passage que cette capacité à symétriser horizontalement n'a pas d'équivalent dans le sens vertical puisqu'on a bien du mal par exemple à détecter une anomalie sur un visage tourné à l'envers. C'est le fameux "effet Thatcher" dont vous vous rendrez compte en retournant l'image ci-dessous (source: ici)

Cette tendance instinctive à rendre la gauche et la droite équivalentes explique pourquoi les enfants écrivent souvent "en miroir" au début et ont du mal à distinguer entre un b et un d, entre un p et un q. Apprendre à lire et à écrire exige d'eux qu'ils désapprennent l'équivalence entre gauche et droite. Autrement dit l'apprentissage de la lecture transforme nos structures mentales en profondeur, en ajoutant certains automatismes et en éliminant d'autres, de sorte qu'ensuite on ne voit plus le monde de la même façon.

Le même principe de remodelage mental est à l'œuvre pour l'apprentissage du langage. Contrairement aux idées reçues, un très jeune enfant distingue plus de subtilités phonétiques qu'un enfant plus âgé. Anne Christophe explique (dans cette conférence) qu'à mesure que les enfants apprennent une langue, ils cessent de prêter attention aux phonèmes non pertinents dans cette langue jusqu'à ne plus pouvoir les distinguer. Apprendre une langue c'est donc à la fois ajouter et éliminer des facultés dans notre cerveau. Une langue n'est certes pas ce qu'on appelle une "invention technologique" mais ce processus de recyclage neuronal semble à l'oeuvre chaque fois qu'on acquiert une nouvelle faculté. On a mis en évidence par exemple un lien inattendu entre les ressources cérébrales utilisées pour calculer et celles dédiées à l'évaluation des distances. En étudiant les saccades involontaires des yeux, Stanislas Dehaene a découvert qu'une addition déplace notre attention spatiale vers la droite, et une soustraction vers la gauche, d'une distance proportionnelle aux quantités. On peut donc raisonnablement penser qu'à chaque fois qu'on apprend un nouveau savoir-faire (conduire une voiture, faire du ski, réparer un moteur, jouer aux échecs...), on modifie légèrement l'organisation interne de notre cerveau et que cette réorganisation influence à son tour nos comportements, nos capacités d'apprentissage etc.

A l'échelle de notre évolution biologique, la technologie a donc bel et bien contribué à notre construction neuronale et génétique. D'une certaine manière, nous sommes en partie le fruit biologique de nos propres inventions! Un bel exemple de bootstrapping qui m'amène à essayer de pousser cette idée un cran plus loin. Dawkins (que j'apprécie assez modérément par ailleurs) compare les organismes vivants aux véhicules de "gènes égoïstes" dont les plus réussis se diffusent en grand nombre. Ne pourrait-on pas de la même façon envisager l'espèce humaine comme l'incarnation du "progrès technologique", sorte de mème nous utilisant comme véhicule pratique pour se déployer le plus possible? Bien sûr, chaque société conserve la liberté de renoncer ou de contrôler ses avancées technologiques en fonction de ses croyances culturelles ou morales. Mais ce libre-arbitre n'a de sens qu'à court terme. L'histoire de l'humanité semble montrer qu'à l'échelle de plusieurs siècles, toutes les technologies accessibles finissent par se déployer au maximum de leur puissance, exactement comme les molécules de gaz finissent statistiquement par occuper tout l'espace qui leur est offert quelle que soit la nature du gaz. Nous serions comme des molécules de gaz, à la fois capables de contrôler notre lendemain mais incapables de résister à la longue à une forme de déterminisme technologique. Tôt ou tard, l'intégralité des avancées technologiques disponibles s'imposent à nous, quelles qu'en soient les conséquences. Dans cette perspective l'homme ne serait-il plus qu'un pur artefact de la technologie?

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Les civilisations: encore une affaire de scrabble?

Lire les bouquins de Jared Diamond est doublement réjouissant. D'abord parce qu'il est rare de voir un essai s'attaquer à des questions aussi fondamentales que celles de la naissance, la croissance ou la mort des civilisations dans l'histoire de l'humanité. En 500 pages, Diamond passe en revue les 10 000 dernières années sur tous les continents. Ensuite ces sujets compliqués sont d'habitude traités sous le prisme d'une seule discipline: l'ethnologie (Claude Lévi-Strauss), l'histoire économique (Fernand Braudel) ou la philosophie. Diamond réussit au contraire à mobiliser toutes les disciplines scientifiques avec bonheur, de la génétique à la paléo-anthropologie, en passant par la géographie et la linguistique. Je ne crois pas avoir lu un essai aussi multi-disciplinaire.

Ce feu d'artifices méthodologique m'a donné envie de vous faire partager les conclusions étonnantes de son livre sur "l'inégalité parmi les sociétés". Dans cet essai, il tente de comprendre les raisons pour lesquelles l'humanité s'est développée à des rythmes différents selon les régions du monde et pourquoi l'Europe a mieux réussi matériellement que l'Afrique, l'Amérique ou l'Australie. Récusant évidemment tout argument racial, Diamond soutient de manière assez convaincante me semble-t-il, une forme de déterminisme géo-climatique qui balaie pas mal d'idées reçues.

Quand devient-on agriculteur plutôt que chasseur-cueilleur?
Vu de notre vingt et unième siècle, on pourrait se dire que les premiers hommes n'étaient pas bien malins de cavaler toute la journée après leur casse-croûte, au lieu de faire tranquillement pousser des tomates et d'élever des moutons. Pourquoi a-t-il fallu autant de temps pour que les chasseurs-cueilleurs comprennent leur méprise? Et pourquoi certains peuples l'ont-ils compris particulièrement longtemps après les autres, la palme de l'entêtement revenant aux aborigènes d'Australie qui n'avaient toujours pas troqué leurs boomerang contre le soc d'une charrue lorsque les Anglais débarquèrent pour leur montrer comment faire.

Ce questionnement naïf part du présupposé que les végétaux cultivables ont toujours été disponibles partout dans le monde. Erreur tragique! Il suffit de regarder à quoi ressemblait le téosinté, ancêtre du maïs pour comprendre le malentendu (à droite, l'évolution du maïs, tirée de Wikipedia).

Non seulement les plantes se prêtant à la culture sont très rares, mais en plus leurs ancêtres sauvages ont dû être laborieusement sélectionnées par l'homme avant de présenter le début du commencement d'un intérêt agricole. En effet, la sélection naturelle agit souvent à rebours de nos intérêts de cultivateurs:
- la plupart des plantes sauvages font de petites graines, à écorce dure, qui sont dispersées aux quatre vents dès qu'elles arrivent à maturité (ce qui augmente leur chance de dissémination);
- rares sont les plantes à germination rapide et régulière: la plupart des espèces sauvages ont tendance à attendre les conditions météorologiques propices pour germer, ce qui rend les récoltes aléatoires;
- les plantes font en général beaucoup de cellules fibreuses (feuilles, tige ou tronc) et peu de graines. Leur rendement énergétique est donc en général très faible;
- elles sont souvent interfécondes, autrement dit elles se croisent les unes avec les autres.
Pour obtenir, une plante potable dans le potager, il faut donc détricoter des millions d'années de sélection naturelle: d'abord trouver une plante annuelle, nourrissante. Ensuite il faut sélectionner patiemment les plants qui produisent les plus grosses graines, ayant une écorce fine et ne tombant pas par terre quand elles murissent. Et pour avoir une chance d'y arriver, mieux vaut partir d'une plante auto-féconde sinon la sélection artificielle est beaucoup plus compliquée. Bref les candidats ne sont pas légion. Pour preuve: 80% des plantes consommées actuellement proviennent d'une petite dizaine d'espèces (blé, maïs, riz, orge, sorgho, soja, pomme de terre, manioc, patate douce et banane) qui sont celles que l'on cultivait déjà il y a plusieurs milliers d'années. Comme le souligne Diamond, "Le fait même qu'on ne soit pas parvenu à domestiquer une seule grande plante alimentaire dans les temps modernes donne à penser que les Anciens ont réellement pu explorer la quasi-totalité des plantes sauvages utiles et domestiqué toutes celles qui valaient la peine de l'être."

Par dessus le marché les ancêtres de ces espèces providentielles ne poussaient qu'en très peu d'endroits au monde. L'Eurasie est plutôt bien lotie, mais le continent américain beaucoup moins tandis que l'Australie et l'Afrique australe en sont presque dépourvus. Allez donc faire votre potager quand vous n'avez aucune graine à y planter!

Sources: à gauche, illustration extraite du blog de SSFT, à droite extrait du livre de Diamond, p206

L'axe Est-Ouest des continents
D'autres facteurs physiques comme les déserts ou les montagnes isolent naturellement certaines régions de la diffusion des pratiques agricoles. Mais, selon Diamond, l'orientation des continents joue aussi un rôle important car les espèces végétales se disséminent plus facilement entre régions situées à une même latitude et qui ont, sinon le même climat, du moins le même cycle dans la durée des journées. C'est ainsi que toutes les cultures céréalières d'Europe et d'Asie dérivaient de la même souche ancestrale. A l'inverse, l'orientation Nord-Sud du continent américain expliquerait pourquoi le maïs cultivé au Mexique ait mis autant de siècles à remonter vers les Etats-Unis. Contrairement au continent européen, la plupart des cultures céréalières du Nouveau Monde semblent avoir été découvertes indépendamment les unes des autres.

Et le bétail alors?
Nous souffrons de la même myopie historique concernant l'élevage. Le nombre d'espèces mammifères domesticables est incroyablement réduit! Seuls les herbivores paisibles, peu territoriaux, acceptant de se reproduire en captivité et vivant en large troupeaux non hiérarchisés socialement se prêtent à la domestication. C'est grâce à une alchimie de caractères très subtile qui fait que le cheval est domesticable alors que ses cousins le zèbre et l'onagre ne le sont pas. Parmi les 148 mammifères non carnivores pesant plus de 45 kilos, seuls 22 se prêtent à l'élevage. Pour le reste, on obtient au mieux des animaux "apprivoisables", comme les éléphants, mais il s'agit alors d'animaux sauvages domptés qui se reproduisent très mal en captivité. Là encore, l'Eurasie est particulièrement bien dotée, puisqu'on y trouve 13 des 14 espèces de grands mammifères domesticables. Malgré une profusion d'animaux sauvages, l'Afrique subsaharienne, les Amériques et l'Australie étaient nettement moins gâtés:

	Eurasie	Afrique Sub Saharienne	Amériques	Australie
Espèces candidates	72	51	24	1
Espèces domestiquées	13	0	1	0

L'orientation des continents influence aussi la diffusion des pratiques d'élevage (sans que l'explication de Diamond me paraisse très claire). Le très grand axe Est-Ouest du continent eurasien expliquerait la diffusion massive des mêmes animaux domestiques (porcs, moutons, chèvres, vaches, chevaux) de l'Irlande à l'extrêmité de la Chine. A l'inverse, le lama des Andes, la dinde d'Amérique du Nord ou le buffle d'eau d'Afrique occidentale sont restés confinés dans une étroite bande de latitude sans diffuser dans le sens Nord-Sud.

La cascade du progrès
Ces trois facteurs environnementaux -disponibilité d'espèces végétales cultivables, présence d'animaux domesticables et orientation Est-Ouest des continents- ont constitué selon Diamond les causes ultimes de l'essor des peuples du continent eurasien:

Une partie du schéma est assez intuitive: la production agricole fixe les populations qui abandonnent leur ancien mode de vie de chasseurs-cueilleurs. Les surplus alimentaires permettent aux sociétés de grandir et de s'organiser de façon plus complexe. En se spécialisant, les individus peuvent innover chacun dans leur domaine: l'écriture est née du besoin de comptabiliser la production et les échanges. L'explication est assez classique, mais j'ai été frappé par l'enchaînement de causes et d'effets se renforçant les uns les autres:

- Les popularisations sédentarisées ont eu plus de facilité pour améliorer leurs techniques de culture, ce qui a contribué à les sédentariser davantage.
- A mesure que la population s'accroissait grâce aux surplus alimentaires, la production alimentaire est devenue la seule manière de nourrir tout le monde, la chasse et la cueillette n'y suffisant plus; le mode de vie agricole est un processus auto-renforçant (à condition de ne pas surexploiter les terres).
- Les sociétés plus complexes ont eu davantage de possibilités d'améliorer les conditions de vie et donc d'accroître leur taille, ce qui les a contraint à se complexifier encore davantage.
- La spécialisation a favorisé l'innovation mais l'inverse est aussi vrai:  scribes et forgerons sont devenus nécessaires après l'invention de l'écriture et du travail des métaux.
- L'utilisation d'animaux domestiques a puissamment contribué à l'amélioration de la production alimentaire en fournissant l'engrais, le moyen de transport et l'aide musculaire pour les travaux des champs. Et du côté innovation, il suffit de noter que la roue n'a été inventée que dans les sociétés ayant des animaux capables de tirer des charges (et encore, pas dans les Andes).
- L'orientation Est-Ouest des continents et l'absence de barrière naturelle a boosté tous ces facteurs en facilitant la diffusion des connaissances et des techniques entre sociétés, par le commerce ou par la guerre.
Bref, tous ces facteurs se sont multipliés entre eux, comme autant de catalyseurs dans une réaction chimique.

Avantage: Europe!
Contrairement aux autres continent, l'Eurasie avait tous les atouts pour réussir: des plantes cultivables, des animaux domesticables et un territoire orienté Est-Ouest sans rupture majeur au milieu: pas étonnant qu'elle ait pris autant d'avance sur l'Amérique, l'Afrique et l'Australie. Dans leur conquête de ces trois continents, les explorateurs européens avaient l'avantage de l'équipement (l'acier), des armes, de la connaissance et des moyens de transport (le cheval). Par dessus le marché, ils ont apporté en Amérique des maladies infectieuses qui ont décimé les indigènes. Ce n'est pas non plus un hasard si l'on en croit Diamond: la plupart de nos maladies infectieuses sont héritées de celles de nos animaux domestiques, auxquels ni les Aztèques ni les Incas n'avaient été exposés jusqu'alors. La domestication animale aurait donc fourni indirectement une arme bactériologique radicale aux conquistadores qui purent ainsi vaincre à un contre cent.

Reste à comprendre pourquoi ce fut l'Europe occidentale et non pas l'Asie Mineure (le berceau des civilisations) ou la Chine, qui imposa son modèle de civilisation.
Pour l'Asie Mineure, Diamond expédie la question assez vite: la surexploitation des forêts y a rapidement appauvri les sols et transformé un pays de Cocagne comme l'Irak en un désert aride. Il examine en détail dans son autre bouquin ("Effondrement") le mécanisme par lequel les sociétés disparaissent, à force de trop puiser dans leur environnement.

La Chine, victime d'unification trop précoce?
Le cas de la Chine est plus étonnant. Cette région avait également tout pour réussir: un vaste territoire bien desservi par de longs fleuves et dont les régions sont facilement reliables les unes aux autres, une nature riche en végétaux cultivables et en animaux domesticables, un écosystème résistant à l'agriculture. Tous ces facteurs ont effectivement facilité l'essor précoce de la production alimentaire et le décollage rapide de la technologie: on doit à la Chine l'invention de la fonte, du papier, de la poudre à canon etc. La société s'est également rapidement structurée en royaumes puis en un Empire unifié dès 220 av JC. Mais selon Diamond, cette unification (trop) précoce a paradoxalement fini par pénaliser son développement: "La cohésion de la Chine a fini par devenir un handicap, car la décision d'un despote suffisait à arrêter une innovation, ce qui fut le cas à maintes reprises". Par exemple, alors que la Chine était prête à conquérir le monde à bord de ses immenses navires au début du XVe siècle, une querelle de pouvoir suspendit toute expédition maritime pendant des siècles. Pendant ce temps, en Europe, Christophe Colomb essuya de nombreux refus dans chacune des puissances européennes jusqu'à en trouver une qui accepte de le financer. La concurrence acharnée entre les pays d'Europe a finalement constitué un stimulant pour l'innovation et la diffusion des technologies tandis que la Chine se développait au rythme des caprices du pouvoir central. Plus près de nous, les ravages de la Révolution culturelle sur l'élite intellectuelle chinoise donnent une idée des effets désastreux d'une telle dépendance. A l'inverse les spectaculaires réussites de la politique de l'enfant unique et du sursaut économique actuel sont le versant positif d'une telle centralisation.

Pourquoi l'Europe est-elle restée divisée alors que la Chine s'est unifiée très rapidement? La réponse de Diamond se lit une fois de plus dans les cartes géographiques:

La côte de la Chine est assez lisse, avec peu de très grandes îles et ses différentes régions sont bien reliées entre elles de sorte qu'aucune n'a pu s'émanciper du reste du pays. A l'inverse, l'Europe possède plusieurs péninsules assez isolées les unes des autres et de hautes montagnes divisant l'intérieur du continent. Ces barrières naturelles ont empêché l'unification -politique, linguistique, économique- des différentes régions mais sans pour autant freiner la diffusion des techniques et des idées. Finalement, la comparaison entre l'histoire de la Chine unifiée et de l'Europe balkanisée illustre à merveille les effets amplificateurs d'une société globalisée, pour le meilleur et pour le pire.

La théorie de Diamond me plaît bien parce qu'elle est plus probabiliste que déterministe: la combinaison de conditions écologiques plus ou moins favorables permet de prédire la vitesse de développement d'une société et ses rapports de force avec ses voisines. Evidemment les décisions humaines jouent un rôle majeur sur le cours de l'histoire, mais l'analyse de Diamond se place à l'échelle de la civilisation, pas du siècle. Ou plutôt à l'échelle des grandes évolutions historiques: millénaire au début, séculaire ensuite et décennal finalement lorsque tout s'accélère sous l'effet multiplicateur des combinaisons. A moins que sous l'effet de contraintes politiques (comme pour la Chine), écologiques (pour le Croissant fertile) ou militaires (l'invasion de l'Empire Romain par les barbares), ce rythme ne ralentisse jusqu'au déclin de la civilisation. Vous allez me dire que ça tourne à l'obsession, mais j'y vois encore une explication raisonnable au fait les sociétés progressent très vite à un moment donné, puis après avoir atteint un maximum, ralentissent leur croissance jusqu'au déclin. Exactement comme les évolutions biologiques ou le score dans une partie de scrabble dont je parlais dans le billet précédent.

Sources:
Jared Diamond: De l'inégalité parmi les sociétés

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La Reine, le Fou et l'Arbre (3)
Rappel des épisodes précédents (ici): les innovations technologiques et les ramifications du vivant présentent d’étranges similitudes. Les délais entre deux évolutions majeures sont de plus en plus courts et semblent suivre une progression logarithmique. Quelle que soit la manière dont on représente de telles évolutions -graphe, arbre ou autre- la forme obtenue est toujours la même, quelque soit l'échelle choisie. Ce sont donc des fractales! De quoi combler les amateurs de Da Vinci Code... Certes, ce n’est pas un scoop de dire que l’histoire du progrès technique s’accélère à mesure que le temps passe, mais c’est plus surprenant de faire le même constat pour les chronologies du vivant:

Source : Chaline, Nottale et Grou (ici)

Je viens de trouver une explication plus simple à ce phénomène que celle des lapins-sauteurs de mon précédent billet, en lisant un excellent bouquin de Jared Diamond dont je vous reparlerai dans un prochain billet.

L'imprimerie, inventée il y a 3700 ans...
La réflexion de Diamond prend comme point de départ la découverte d’un disque d’argile, à Phaïstos en Crète, daté de 1700 av. JC (la photo vient de Wikipedia). Ce disque est recouvert de plus de deux cents hiéroglyphes (dont 45 différents) imprimés à l’aide de poinçons. Ces poinçons en relief sont si minutieusement conçus qu’on suppose qu’ils ont servi plusieurs fois. On serait donc en présence de la première inscription réalisée avec des caractères mobiles et réutilisables. Un vrai travail d’impression, 2500 ans avant l’invention de l’imprimerie en Chine et 3000 ans avant celle de l’Europe! Cette trouvaille est une énigme : pourquoi a-t-il fallu attendre autant de temps pour que cette invention soit enfin exploitée par d’autres peuples ?

La réponse de Diamond est finalement assez évidente : aucune innovation, aussi géniale soit-elle, ne peut se diffuser si elle ne se s’articule pas avec les technologies existantes. Il n’y avait en Crète ni encre, ni papier, ni presse, ni métal, ni écriture alphabétique pour que cette invention « prenne ». Et comme seuls quelques scribes jaloux de leur pouvoir savaient à l’époque lire et écrire, il n’y avait pas besoin de diffuser massivement de l’information. L’imprimera attendra donc que tous les ingrédients soient réunis dans l’Europe de Gutenberg pour trouver son essor en 1455 et modifier considérablement le cours de l’histoire occidentale.

Derrière chaque invention, une armée de précurseurs méconnus 
A l’appui de cette règle, il suffit de constater que les grandes découvertes sont rarement le fruit d’un seul homme. La plupart des inventeurs ont surtout peaufiné et adapté des trouvailles que des précurseurs avaient imaginées avant eux. La première machine à vapeur date non pas de James Watt, son inventeur officiel, mais de Héron d’Alexandrie et son étonnante Eolipyle!
Thomas Edison a breveté la version moderne de l’ampoule électrique et Samuel Morse celle du télégraphe électrique mais dans les deux cas, leurs inventions ont été précédées de nombreux procédés similaires ou concurrents (voir par exemple cette histoire de l’éclairage et celle du télégraphe). Bien entendu il n’est pas question de nier l’apport de ces grands inventeurs, mais il faut bien admettre que leur succès tient surtout au fait que leur société était mûre pour exploiter leurs innovations. Les vrais génies qui, comme ce proto-imprimeur de Phaïstos, ont des idées vraiment en avance sur leur époque sont très probablement voués à l’oubli. Si Léonard de Vinci n’avait pas été célèbre pour ses peintures, qui saurait qu’il avait imaginé l’ancêtre de l’hélicoptère?

Une innovation ne réussit donc que lorsqu’elle coïncide avec un bon contexte technologique, prêt à la faire fructifier. Un peu comme un nouveau réactif chimique, qui ne produit d'effet intéressant que lorsqu’il est incorporé aux bons ingrédients.


L'innovation: une affaire de combinatoire?
Innover serait donc l'art de combiner astucieusement des idées ou des technologies. D'ailleurs, la créativité n'est-elle pas précisément la capacité d'associer deux concepts qui n'ont pas l'habitude de l'être? Cette relation intime entre innovations et combinaisons pourrait expliquer le caractère cumulatif du progrès technique, dont les effets se multiplient plutôt qu’ils ne s’additionnent. Plus on a d’ingrédients à sa disposition, plus on a de chances de trouver le mélange adapté à un nouveau réactif. Plus une société a accumulé de technologies, plus elle a les moyens de tirer parti d’une innovation. Le progrès technique progresse donc en cascade, une innovation en amenant une autre dans des délais de plus en plus courts.

[Pour les sceptiques uniquement, essayons de modéliser ça. Supposons que l’on dispose de n technologies et que le champ des innovations soit proportionnel au nombre de combinaisons possibles entre ces technologies. Il y a alors 2ⁿ combinaisons possibles (voir la démonstration ici). Une technologie supplémentaire double le nombre de combinaisons donc le champ des innovations].

L’invention de l’internet par exemple, n’a pris son ampleur qu’avec l’avènement de l’ordinateur individuel et la démocratisation du haut-débit. A son tour, l’internet a permis l’invention de nouvelles formes de divertissement, de commerce, de communications, de moyens de paiement qui elles-mêmes ont induit d’autres innovations etc.

Le Scrabble du vivant
Il y a sans doute quelque chose du même genre dans le grand Lego du vivant. Lorsqu’une innovation anatomique réussit (un nouveau plan d’organisation au Cambrien par exemple), elle ouvre la voie à une floraison de recombinaisons qui chacune amène de nouvelles espèces.
Il y a pourtant une différence de taille avec le progrès technologique: au bout d’un certain temps, variable selon les familles ou les espèces, le rythme des innovations secondaires ralentit de plus en plus et puis s’arrête. Certaines espèces comme le Coelacanthe (source: cliff1066™) n’évolue plus de façon visible depuis des centaines de millions d’années. Que se passe-t-il ? Je livre à vos commentaires une élucubration Xochipillesque : 
Contrairement au progrès technologique qui ne connaît comme limite que celles que lui impose notre culture, l’évolution du vivant, est, elle, soumise à de nombreuses limites physiques: en termes de taille, de poids et de proportion par exemple, mais il y en a beaucoup d’autres. Il se passe donc à mon avis la même chose qu’au Scrabble: 

Au départ, les combinaisons disponibles sont très peu nombreuses, puis chaque mot posé augmente le champ des possibles. Mais comme le plateau de jeu n’est pas infini, le jeu « se referme » peu à peu et les occasions de faire des combinaisons fulgurantes se raréfient. Parfois même, certains mots mal placés «ferment le jeu» et réduisent brutalement les possibilités de jouer. Il arrive un moment où plus personne ne peut jouer, même s’il reste des lettres dans la pioche. De la même manière, on peut imaginer qu’une grande innovation anatomique démultiplie tout d’abord les possibilités d’évolutions d’une branche, puis que celles-ci se raréfient progressivement à mesure que toutes ses dérivées anatomiques viables aient été explorées. Le coelacanthe est pour ainsi dire le super "mot-compte-triple" collé en bas à droite du plateau...

Des Scrabbles partout...
L’innovation culturelle serait-elle plutôt Scrabble ou plutôt Légo? Paradoxalement, il me semble qu’elle est plutôt Scrabble, en raison des contraintes culturelles qui délimitent le plateau de jeu. Le jazz par exemple, a ouvert la voie à de nombreuses écoles qui se sont multipliées jusqu’à ce qu’on ait progressivement exploré toutes les combinaisons culturellement intéressantes. Sans doute faudra-t-il attendre un ingrédient supplémentaire (technologique ou culturel) pour que foisonnent (peut-être?) de nouveaux styles.
 

Source: article d'Ivan Brissaud (ici)

Si mon hypothèse tient la route, il n'est pas très étonnant de trouver autant de phénomènes humains, physiques ou biologiques obéissant à des lois log-périodiques: on en obtient chaque fois qu'une dynamique combinatoire est à l'oeuvre et que son développement est entravé par une contrainte. Cette "invariance d'échelle" omniprésente dans la nature est bien sûr fascinante et l'on peut être tenté d'y rechercher LA règle universelle de l'ordre naturel comme le font certains chercheurs. C'est à mon avis faire beaucoup d'honneur à l'analyse combinatoire. Je reste en revanche toujours impressionné par la beauté du résultat, obtenu à partir de règles aussi élémentaires que celles du Scrabble.

Sources:
De l’inégalité parmi les sociétés de Jared Diamond

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Innovation et évolution: une histoire de lapins-sauteurs?
La Reine, le Fou et l'Arbre

Cascade électrique, cascades évolutives

Si comme moi, vous imaginez qu’un générateur électrique ressemble forcément à une espèce d’usine à gaz, pleine de turbines, de trucs qui tournent, d’aimants ou de réactifs chimiques, je vous invite à jeter un coup d’oeil sur celui qu’a inventé Lord Kelvin en 1857. Il s’agit simplement d’eau qui coule paisiblement dans des récipients en métal après être passé au travers de tubes métalliques tout aussi immobiles:

(source de la photo ici)

Bon, vous ne risquez pas l’électrocution, mais cette drôle marchine à eau arrive quand même à faire naître de belles étincelles, regardez:


Magique? Pas du tout, le principe est même étonnamment simple. Les deux récipients en métal et leur tube correspondant sont normalement neutres. Mais il y en a toujours un qui est très légèrement chargé. Supposons que ce soit le récipient de droite et son  tube de gauche qui soit chargés positivement:

Dans la goutte en train de se former, il y a quelques particules chargées (les ions). Pas beaucoup, seulement une molécule sur 10 millions (10-7) quand l’eau est pure et de PH neutre, mais cela suffit pour enclencher le phénomène. Les ions négatifs (OH-) présents dans l’eau sont attirés par le tube chargé positivement. Lorsque la goutte d’eau tombe dans le récipient de gauche, elle emporte avec elle ces ions négatifs. Le récipient de gauche se charge donc négativement et le tube de droite à son contact également.

Cette fois, le tube de droite attire à lui les ions positifs (H30+) de l’eau au dessus de lui et les gouttes qui tombent à droite sont chargées positivement. Le récipient de droite se charge positivement et à son contact le tube de gauche également. Un cycle s’amorce ainsi qui accroît progressivement la différence de charges entre les deux récipients jusqu’à ce que la tension provoque une décharge électrique.

A mesure que l’appareil se charge, le jet éclabousse de plus en plus tout autour de lui et les gouttelettes suivent des trajectoires de plus en plus bizarres au point de défier les lois de la gravité!


 Là encore, tout est logique: les gouttelettes chargées sont attirées par le tube (de charge opposé) et la force électrostatique s’ajoute à la gravité. Les très petites gouttes finissent par suivre simplement les lignes de champs électrostatiques

source: ici

Si un goutte touche le tube qui l’attire, elle le décharge un petit peu: c’est ce phénomène (entre autres) qui limite la puissance électrostatique de ce type de montage...

La simplicité du montage est bluffante, mais ce qui me fascine le plus c’est la rupture spontanée dans la symétrie du montage. Dans l’état initial les deux récipients sont indistinguables alors qu’à la fin l’un des deux se charge positivement sans qu’on puisse prédire lequel. La cascade d’eau (symétrique) provoque une cascade électrostatique totalement asymétrique.

 D’une cascade à l’autre...
Ce phénomène de cascade-briseuse-de-symétrie me fait penser à l’énigme de “l’homochiralité du vivant”: Pasteur a le premier découvert que tous les acides aminés de la matière vivante présentent la même configuration en hélice droite (comme celle d’un tire-bouchon pour droitier). Pourtant lorsqu’on synthétise en laboratoire ces mêmes molécules, on obtient en général les deux types d’hélices en quantité égale. Cette découverte faite par hasard est fondamentale puisqu’elle marque la frontière entre le monde du vivant et celui de l’inerte: dans le monde du vivant il n’existe qu’un seul format de molécule organique parmi les deux possibles.

Les molécules artificielles ont pourtant des propriétés chimiques rigoureusement identiques en termes de densité, de température de fusion, etc: pourquoi diantre n’existe-t-il qu’une seule configuration dans la nature? Le mystère est loin d’être élucidé et la littérature abonde d’hypothèses possibles des plus simples aux plus compliquées (certaines renvoient à la brisure spontanée de symétrie CP des interactions faibles ou encore à l’effet des rayonnements de l’espace).

Une chose est sûre: les organismes vivants, eux-mêmes constitués d’acides aminés en hélice droite uniquement, réagissent différemment aux deux format de molécules. Pasteur avait par exemple remarqué que seule la forme naturelle de l’acide tartrique était digérable par les micro-organismes. On sait qu’il en est de même avec la molécule de la vitamine C. L’aspartame est doux, mais son jumeau en miroir a un goût amer. On pourrait multiplier les exemples à l’infini.

Formes gauche (S, tératogène) et droite (R, sédatif) de la thalidomide (source CNRS)

Cette seconde découverte a inspiré à Pasteur une explication simple à l’étrange uniformité des configurations du vivant: notre monde vivant fonctionnerait comme une gigantesque usine de vis et d’écrous, dont seules les pièces ayant le même sens de filetage sont compatibles entre elles.

Même si les deux types de configuration moléculaires ont pu exister dans la soupe initiale du vivant, la machine de Kelvin permet de se faire une idée de se qui a pu se passer à l’origine de la vie: exactement comme pour le générateur à eau, un infime déséquilibre entre les proportions des deux types de molécules a pu déclencher un effet de cascade évolutive, aboutissant à la disparition totale d’une des deux formes.
Si cette hypothèse est correcte, il ne faut pas chercher de cause particulière à l’hélice droite, pas plus qu’on ne doit chercher à comprendre pourquoi c’est le récipient de droite qui à un moment donné se charge positivement dans la machine de Kelvin. Les deux types de cascades physique et évolutive brisent la symétrie initiale de manière à la fois inexorable et aléatoire.

Tiens d’ailleurs, je viens de me rendre compte que le terme de “chiralité” (la propriété d’une molécule pouvant exister sous deux formes miroir l’une de l’autre) a été justement inventée par Kelvin...

 Sources:
Le cours MIT 8.02 de Walter Lewin sur l’electromagnétisme, un modèle de pédagogie!
L’univers ambidextre de Martin Gardner
Une excellente synthèse de Jean Philibert sur la symétrie dans la nature (pdf)

 Billets connexes
Latéralités animales sur l’origine des droitiers et des gauchers dans le monde animal
Jeu de réflexion sur les symétries dans un miroir

La Reine, le Fou et l'Arbre (2)

Part 2: Innovation et évolution: une histoire de lapins-sauteurs?

Previously on "La Reine, le Fou et l'Arbre": il y a 500 millions d'années, à l'époque du Cambrien, une invraisemblable explosion de formes vivantes crée d'un seul coup (à l'échelle géologique, n'exagérons rien) toutes les branches du vivant et plein d'autres encore qui n'ont pas survécu. Pourquoi une telle fulgurance de créativité, jamais répétée ensuite? Stuart Kauffman, un biologiste américain spécialiste de l'auto-organisation, avance l'explication que je trouve la plus limpide. Imaginez un paysage très accidenté, représentant les différentes morphologies que peut prendre un organisme très simple par mutations. Chaque endroit de ce paysage correspond à une mutation particulière de cet organisme et son altitude à sa "fitness" (sa viabilité). Un organisme qui mute saute d'un endroit à l'autre. Si l'altitude d'arrivée est plus grande que celle du départ, la mutation est avantageuse et si l'endroit n'est pas déjà pris, l'organisme pourra s'y maintenir jusqu'à la prochaine mutation avantageuse.
Comme un lapin qui sauterait partout (source de la photo ici) en espérant se percher le plus haut possible, notre organisme mutant a deux stratégies possibles:
- soit il la joue "prudent" en bougeant un tout petit peu autour de lui (ce qui correspond à une micro-mutation). Il a alors de bonnes chances de grimper, mais pas très vite.
- soit il la joue "Banzaï" et fait un saut de la mort au hasard dans le paysage. C'est risqué, mais il a une petite chance de tomber pas loin d'un pic et de gagner le jackpot en termes d'évolution.

Au moment du Cambrien, c'est le bonheur pour les rares organismes multicellulaires qui apparaissent par mutation: ils n'ont pas de prédateurs et se prélassent dans un océan de nourriture sans défense. Les anatomies complexes ont donc une "fitness" énorme pour peu qu'elles soient viables, ce qui correspond à des pics très escarpés dans le paysage de Kauffman. La stratégie "Banzaï" est du coup très payante car en faisant de grands bonds, nos lapins ont une certaine chance pas complètement nulle de tomber sur une anatomie hyper avantageuse. Avec cette tactique tous les plans d'organisation viables sont très vite explorés par nos lapins: c'est la phase d'explosion créatrice du Fou où dominent les macromutations.

Au fil du temps, la situation se complique: Kaufman a montré sur un petit modèle que chaque fois qu'un lapin-organisme réussit par hasard une macro-mutation avantageuse, ses chances d'en réussir une seconde sont diminuées par deux. Autrement dit, le temps entre deux macro-mutations double à chaque fois. Et assez rapidement, plus aucune macro-mutation viable n'est statistiquement possible. Vient alors le temps des évolutions graduelles -les petites mutations qui conservent le plan d'organisation d'origine- qui font grimper le lapin doucement sur son pic en adaptant finement sa morphologie au nouvel environnement. A mesure que le temps passe, les évolutions se font de plus en plus mineures et la Reine Rouge reprend ses droits.

Un arbre fractal?
Sur la base de ce raisonnement, certains paléontologues comme Jean Chaline généralisent la statistique de ce modèle: selon eux le rythme d'apparition d'un niveau supplémentaire de ramification dans l'arbre du vivant augmenterait de manière proportionnelle dans le temps. Et comme vous êtes maintenant familiers avec les logarithmes, vous savez qu'une telle périodicité logarithmique traduit une invariance d'échelle dans la géométrie de l'arbre, autrement dit sa structure fractale!

Source: Chaline, Nottale et Grou (ici)

C'est rigolo non? D'autant qu'on a souvent remarqué l'aspect fractal de certains arbres en vrai dans la nature.

Images du site mathcurve.com (à droite c'est un vrai arbre!)

Bien entendu cette théorie est très contestée car comment s'assurer, par exemple, que les étapes évolutives retenues sont les "bonnes"? Vous me direz ce que vous en pensez.

Application aux progrès technologiques?
En tous cas, on a souvent relevé le parallèle entre les bizarreries de l'explosion Cambrienne et celle du progrès technologique. Lorsque la bicyclette a été inventée, on a vu apparaître sur le marché toutes les formes possibles et imaginables de vélo, avant que le marché ne porte finalement son choix sur un modèle qui n'a plus beaucoup varié depuis 1880!

Idem pour l'invention de l'automobile: on a oublié que la lutte a été rude au départ entre les partisans de la propulsion à vapeur (les machines de Bollée ci-dessous) et les moteurs à gaz naturel ou à essence, avant que ces derniers ne s'imposent définitivement.

la Mancelle d'Amédée Bollée (1878)

Pareil pour l'invention du Web: souvenez-vous de l'explosion des start-up de tous poils qui n'ont pas résisté à l'explosion de la bulle internet en 2000. Dix ans après, ce sont souvent les mêmes business modèles qu'au départ, même si les acteurs ont changé. Exit les Netscape, Altavista, et autres Degriftour: pour survivre il faut innover mais ça ne suffit pas! L'innovation échevelée cède progressivement la place à une recherche plus méthodique d'une meilleure efficacité. Comme dans l'évolution, après le Fou, la Reine Rouge reprend du service.

L'analogie a été poussée à tel point que l'on a été jusqu'à rechercher la structure log-périodique de ces révolutions technologiques. Avec des variantes, car comme l'a remarqué Roland Moreno: « Dans les secteurs classiques (bâtiment, automobile…) le progrès évolue de façon logarithmique : il tend vers l'infini mais de plus en plus lentement. Dans les sciences de l'information au contraire, il donne l'impression d'être exponentiel ». Et quand on cherche des structures étranges, on les trouve. Même l'histoire du jazz n'y couperait pas, regardez:

Source: article d'Ivan Brissaud (ici)

La différence entre biologie et technologie
Plaisanterie à part, il y a quand même une vraie différence entre biologie et révolution technologique. La biologie, c'est hiérarchique! Dans le domaine du vivant les mutations les plus radicales - celles qui déterminent les classifications taxonomiques supérieures (règne, ordre, famille etc)- sont aussi celles qui affectent les stades précoces du développement embryonnaire. Une mutation touchant la formation de la colonne vertébrale est bien plus pathogène qu'une mutation plus tardive correspondant à la formation des doigts par exemple. Mais on a vu que ces mutations radicales n'avaient de chance d'être viables qu'aux premières périodes de l'évolution. Il parait donc logique de trouver des mutations développementales de plus en plus tardives à mesure que l'on avance dans l'histoire du vivant. Plus le temps passe, plus les formes initiales du développement embryonnaire sont "figées". Au point qu'à la fin (actuellement?) seules les mutations intervenant en toute fin de développement embryonnaire sont (éventuellement) viables, autorisant de temps en temps la formation d'une nouvelle espèce. On justifierait ainsi l'ordre implacable dans lequel seraient apparus d'abord les règnes, puis les ordres, puis les familles, etc. jusqu'aux espèces, de manière non réversible.

Il n'y a, me semble-t-il, rien de tel dans l'histoire du progrès technologique, car je ne lui connais aucune contrainte équivalente à celles du développement embryonnaire. N'importe quelle révolution technologique est susceptible d'engendrer l'équivalent de nouveaux "plans d'organisation": les motos à trois roues par exemple (source ici) . Il n'est même pas besoin d'une nouvelle technologie pour bouleverser un secteur:traditionnel: les compagnies "low cost" dans la distribution ou les transports, les Kapla dans le secteur des jouets en bois par exemple. Bref, l'innovation technologique me semble diablement plus anarchique que l'évolution naturelle...

PS du 10 janvier: A l'occasion d'un nouveau record dans le calcul des décimales de pi, El Jj vient de publier une très bonne chronologie des découvertes de ces décimales. Pour le plaisir, je me suis amusé à regarder si par hasard elle suivait une certaine régularité logarithmique (comme l'histoire du jazz). Voici ce que ça donne (cliquez pour aggrandir l'image):

Ca marche... presque. On voit une bonne régularité jusque vers 1950, mais avec l'invention de l'informatique on change de braquet. Le dernier point (celui de 2010) est totalement à côté de la plaque, mais on sait que les logarithmes n'aiment pas trop les petits nombres. Patience, donc jusqu'à la prochaine découverte pour savoir si ça se confirme ou si l'on a changé de vitesse une seconde fois...

Source et articles intéressants pour aller plus loin:
Un modèle plus sophistiqué de Kauffman (2003)
L'arbre de la vie a-t-il une structure fractale de Chaline, Nottale et Grou (1989)
A noter que Laurent Nottale tente à présent de faire de sa théorie de l'invariance d'échelle une théorie universelle, unifiant la mécanique quantique, la relativité, la cosmologie, la biologie etc. C'est... original!

Billets connexes:
Le Fou, la Reine et l'arbre (part 1), le billet précédent sur les surprise de l'explosion Cambrienne.
Logarithmes: again?! pour comprendre le lien entre invariance d'échelle et log-périodicité.

La Reine, le Fou et l'Arbre (1)

Partie 1: à quoi ressemble l'arbre de la vie
Les images qu'on utilise pour expliquer un concept reflètent forcément et à notre insu une part de nos présupposés. "L'arbre de l'évolution" n'échappe pas à la règle: son tronc unique dont sont issues toutes les branches illustre l'idée d'un ancêtre commun dont descendent tous les êtres vivants. Mais l'image d'un arbre véhicule d'autres suppositions, moins explicites:
- l'idée d'un "aboutissement" de l'évolution: les dernières branches qui représentent les dernières espèces apparues (dont la nôtre!) sont au sommet de l'arbre.
- l'idée d'une diversification régulière des espèces: les ramifications sont régulières et il pousse régulièrement de nouvelles branches directement sur le tronc;
- l'idée d'une biodiversité croissante: comme on pense plus spontanément à un chêne qu'à un sapin, on imagine plus volontiers que la ramification croit régulièrement dans le temps;
On retrouve ces a-priori dans toutes l'iconographie traditionnelle de l'évolution. Entre les microbes (en bas) et les mammifères (en haut) se déroule une gentille ramification régulière (cliquez sur les images pour aggrandir, sources ici et là):

Bon je vous fais grâce du premier préjugé, celui de "l'homme au sommet de l'évolution". Il est suffisamment connu pour qu'on ne s'y étende pas, même s'il continue à imprégner nos modes de pensées. Ce sont plutôt les deux dernières hypothèses qui m'intéressent parce qu'elles semblent tout à fait naturelles. Les espèces ne sont-elles pas contraintes d'évoluer en permanence pour ne pas disparaître? Comme dans la fameuse course de la Reine Rouge de Lewis Carroll, où il faut courir toujours plus vite pour rester à la même place. Face à la pression permanente de l'environnement hostile la biodiversité ne peut que s'accroître régulièrement donnant un arbre "en boule", taillé de temps en temps par quelques extinctions massives.

Vu du Cambrien, qu'il est moche cet arbre!
Stephen Jay Gould a magnifiquement expliqué dans "La vie est belle", comment les premiers doutes sont nés à ce sujet. Tout à commencé dans les années 1970, lorsqu'on étudia dans les schistes de Burgess des fossiles datant du Cambrien (550 millions d'années). Le Cambrien est une ère géologique pas comme les autres, car elle marque l'apparition des premiers invertébrés dignes de ce nom. Avant, la vie se résumait à des colonies de bactéries ou de cellules, isolés ou rassemblés en boules ou en filaments. Dans les 120 espèces de fossiles retrouvées à Burgess, on s'attendait donc à découvrir une palette extrêmement réduite de morphologies. Or on a découvert exactement l'inverse. Les schistes ont révélé non seulement tous les plans anatomiques des embranchements actuels -des éponges à symétrie radiale aux vertébrés à symétrie bilatérale- mais également d'autres embranchements beaucoup plus bizarroïdes qui (trop audacieux?) n'ont pas survécu par la suite:

La drôle de faune des schistes de Burgess (source: ici)

Hallucigenia, Opabinia et Pikaia, trois des héros parmi les 120 espèces retrouvées dans les schistes de Burgess
(crédit photo: Mary Parrish, Smithsonian Institute)

Bien sûr, à l'intérieur de chacun des embranchements il manquait de nombreuses classes qui n'apparurent que plus tard. Mais on a mis du temps à admettre que toutes les branches actuelles du vivant étaient déjà là, apparus simultanément (à l'échelle géologique). Il faut imaginer le Cambrien comme une période d'effervescence extraordinaire du vivant. A cause d'un bouleversement radical des conditions climatiques ou chimiques sur Terre, la vie a littéralement "exploré" toutes les formes anatomiques possibles avant qu'un extinction massive n'en décime la plupart quelques millions d'années plus tard. Plus jamais la Nature n'a inventé d'autres anatomies par la suite. Autrement dit, depuis cette époque, la disparité des plans d'organisation du vivant n'a cessé de diminuer! Certes, il y eut d'autres innovations évolutives, mais celles-ci se sont toujours faites à l'intérieur des plans d'organisation inventés au Cambrien. Autrement dit, l'explosion du Cambrien a été à la fois un foisonnement d'innovation et de contraintes sur la suite de l'histoire du vivant. Pour reprendre l'image de l'arbre, plus aucune branche principale n'a jamais poussé sur le tronc depuis cette époque.

Cette largeur maximale à la base de l'arbre semble se retrouver à tous les niveaux des ramifications apparus par la suite: une fois que le niveau N a foisonné en donnant une myriade de niveaux N-1, pratiquement plus aucune nouvelle ramification N-1 n'apparaît par la suite. Par contre, certains niveaux N-1 ayant survécu à l'extinction massive suivante donneront d'autres niveaux N-2 etc. Notre arbre du vivant a donc une drôle de couenne, puisqu'à chaque embranchement la ramification est maximale à la base et diminue ensuite à coups d'extinctions massives. Stephen Jay Gould propose un arbre qui ressemble plutôt à ça:

L'évolution de la diversité anatomique, selon SJ Gould (source: ici)

Entre Reine Rouge et Fou du Roi
Avouez que ça n'a pas grand chose à voir avec l'image d'un arbre traditionnel! Pour garder un peu de suspense, je vous réserve l'explication de ce phénomène pour le prochain billet. Toujours est-il que cette constatation a convaincu Gould que l'histoire de l'évolution se présente sous forme d'une série "d'équilibres ponctués", alternant deux modes très différents:
- Durant de longues périodes de calme relatif, de nouvelles espèces apparaissent graduellement sous le seul effet de la pression sélective. C'est l'image que l'on se fait intuitivement de l'évolution, et qui correspond à la course de la Reine Rouge avec son accumulation progressive de biodiversité;
- A ces périodes succèdent des bouleversements climatiques, décimant les espèces existantes et provoquant de brutales explosions de formes très nouvelles dont seule une faible proportion survivra. C'est ce que les paléontologues ont baptisé le modèle du "Fou du Roi" (Court Jester theory), en référence aux réactions imprévisibles du Bouffon. Les à-coups évolutifs se mesurent cette fois à l'échelle géologique, et plutôt au niveau des familles ou des genres qu'au niveau des espèces.

source: Michael Benton, 2009

Quand on fait le bilan, qui l'emporte au final de la Reine et du Fou? Pas évident quand on fait les statistiques des fossiles de la faune marine à l'échelle géologique. Une fois qu'on a éliminé les doublons (courbe bleue ci-dessous), le nombre de genres ne semble pas avoir beaucoup bougé depuis 500 millions d'années. Et les à-coups du Fou du Roi (les grands pics de la courbe) semblent avoir au moins autant d'impact sur la biodiversité que les périodes de lente accumulation de la Reine Rouge.

Un aboutissement? Quel aboutissement?
Ces mécanismes évolutifs à grande échelle éclairent aussi me semble-t-il le débat sur "l'inexorabilité" des formes de vie telles que nous les connaissons actuellement. Au vu des extraordinaires convergences évolutives qui nous entourent (à voir sur le non moins extraordinaire blog de SSAFT) il est tentant d'imaginer que si l'on rembobinait dans le temps le film de l'évolution et qu'on le laissait se dérouler à nouveau librement, on obtiendrait fatalement les mêmes morphologies qu'aujourd'hui, les mêmes mécanismes servant à la vision, la prédation, la fuite etc. C'est possible. Mais une telle intuition se fonde finalement sur notre vision très contemporaine de la vie sur Terre. Beaucoup de ressemblances (pas toutes j'en conviens) entre les morphologies ou les comportements correspondent à des lignées très proches sur l'arbre du vivant -marsupiaux et mammifères par exemple. Elles peuvent donc s'expliquer par la sélection naturelle à l'échelle de la Reine Rouge.
Mais c'est oublier que la vie sur Terre est actuellement très "stéréotypée" comme le disait Gould. N'a survécu qu'une infime partie des lignées et des ordres d'êtres vivants ayant tenté leur chance. Leur disparition ne doit pas grand chose à la sélection naturelle, car à l'échelle du Fou du Roi, ce sont plutôt les catastrophes naturelles qui dictent leur loi: bien malin celui qui aurait pu prédire il y a 500 millions d'années. Pourquoi Hallucigenia et Opabinia n'ont-ils pas survécu, alors que Aysheaia (sur la photo de source Wikipedia) est le grand-père de tous les les insectes de notre planète? La survie de certaines morphologies a sans doute été le fruit d'un extraordinaire concours de circonstances. Dans ces conditions, si l'on rembobinait le film de l'évolution de quelques centaines de milliers d'années et qu'on le laissait se redérouler, on obtiendrait probablement la même chose qu'aujourd'hui, car on resterait dans le monde réversible de la Reine Rouge. Mais si on refaisait le film depuis plusieurs centaines de millions d'années, on tomberait alors dans le monde chaotique du Fou du Roi. Il est alors tout à fait possible qu'on ne retrouve plus aucun mammifère sur Terre!

A suivre...

Sources:
Stephen Jay Gould, La vie est belle (1991)
Stuart Kauffman, At home in the Universe (1995)
Michael Benton, Red Queen and the Court Jester... (2009)

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