Les systèmes critiques auto-organisés

Les tas de sable de Per Bak

La physicien Per Bak a étudié le comportement de tas de sable sur une table. En ajoutant régulièrement du sable par le haut, il a montré que le tas atteignait une pente maximum.

Elle se maintient toujours à la même valeur car les excédents de sable s’éliminent par des avalanches plus ou moins fortes sur ses flancs.

En étudiant celles-ci, il a constaté qu’elles se répartissaient en beaucoup de petites et plus rarement des grosses, selon une loi statistique bien connue : la loi de puissance. Il a baptisé systèmes critiques auto-organisés ces phénomènes qui se placent sur un état critique et s’y maintiennent spontanément.

Les dunes dans le désert obéissent aux mêmes règles. Curieusement, elles adoptent des comportements complexes rappelant à de nombreux égards, ceux des êtres vivants. Elles se déplacent d’une centaine de mètres par an et se débarrassent d’une partie de leur sable au fur et à mesure de leur progression. Bien que leur sable se renouvelle en permanence, elles conservent toujours la même forme avec des flancs dont la pente se maintient à 33°. Elles maigrissent en hiver et grossissent en été. Comme le ferait un être vivant, elles se nourrissent de nouveaux apports de sable et de l’énergie du vent. Elles meurent si le vent est insuffisant ou excessif. Lorsque deux dunes entrent en collision, cela en crée une nouvelle. On peut ainsi parler d’une forme de descendance.

Les systèmes critiques auto-organisés dans la nature

Dans le cosmos, le meilleur exemple est l’étoile qui se place juste en-dessous de l’explosion nucléaire et s’y maintient grâce à la pression gravitationnelle. Cet état critique parfaitement ajusté, reste stable pendant des milliards d’années.

Tous les êtres vivants se placent dans un état critique où leur activité chimique peut créer une grande richesse de molécules sans pour autant, tomber dans une explosion anarchique qui serait toxique. Stuart Kauffman a montré comment l’autocatalyse dans un ensemble de protéines, menait à ce type d’explosion chimique. Tous les êtres vivants seraient ajustés précisément au seuil critique, grâce à… la sélection naturelle.

Le cerveau se développe aussi comme un système critique auto-organisé : chez l’enfant jusqu’à 3 ans, les synapses se forment au rythme frénétique de 40 000 par seconde. Celles qui reçoivent des stimuli se renforcent tandis que les autres disparaissent. Ce processus darwinien ajuste finement le cerveau dans un état critique entre l’ordre et le désordre.