La nature fondamentale des êtres vivants remet en question les hypothèses que les physiciens ont défendues pendant des siècles.
Par Adam Frank, publié dans The Atlantic, The Truth Physics Can No Longer Ignore. 2025.12.15 – traduction : GB
Le 8 octobre 2024, le domaine de la physique a été plongé dans la controverse. Ce jour-là, le prix Nobel de physique a été décerné pour des découvertes qui ne concernaient pas les trous noirs, la cosmologie ou d’étranges nouvelles particules subatomiques, mais l’intelligence artificielle. Comment la plus haute distinction de la discipline pouvait-elle être attribuée à des recherches sur des machines conçues pour imiter le cerveau humain ? Où était la physique dans tout cela ?
Pendant la majeure partie du XXe siècle, les physiciens ont largement ignoré les systèmes vivants. Ils considéraient les êtres vivants comme des machines, bien que composées de parties gluantes. Un sous-domaine appelé biophysique a mis au jour les mécanismes physiques spécifiques qui se cachent derrière ces machines moléculaires. Cependant, les organismes dans leur ensemble ne constituaient pas une préoccupation majeure.
Mais aujourd’hui, nombre de mes collègues physiciens ne sont plus d’accord avec ce rejet. Au contraire, nous en sommes venus à croire qu’un mystère se dévoile dans chaque microbe, chaque animal et chaque être humain, un mystère qui remet en question les hypothèses fondamentales défendues par les physiciens depuis des siècles et qui pourrait répondre à des questions essentielles sur l’IA. Il pourrait même contribuer à redéfinir le domaine pour la prochaine génération.
L’orgueil central de la physique a longtemps été l’idée qu’elle est la plus « fondamentale » de toutes les sciences. Les étudiants en physique apprennent les éléments de base de la réalité (l’espace et le temps, l’énergie et la matière) et on leur dit que toutes les autres disciplines scientifiques doivent être ramenées aux particules fondamentales et aux lois générées par la physique. Cette philosophie, appelée « réductionnisme », a plutôt bien fonctionné depuis les lois de Newton jusqu’à une grande partie du XXe siècle, lorsque les physiciens ont découvert les électrons, les quarks, la théorie de la relativité, etc. Mais au cours des dernières décennies, les progrès dans les branches les plus réductionnistes de la physique ont ralenti. Par exemple, les « théories du tout » promises depuis longtemps, telles que la théorie des cordes, n’ont pas donné de résultats significatifs.
Il existe cependant d’autres moyens que le réductionnisme pour réfléchir à ce qui est fondamental dans l’univers. À partir des années 1980, les physiciens (ainsi que des chercheurs d’autres domaines) ont commencé à développer de nouveaux outils mathématiques pour étudier ce qu’on appelle la « complexité », c’est-à-dire des systèmes dans lesquels le tout est bien plus que la somme de ses parties. L’objectif final du réductionnisme était d’expliquer tout ce qui existe dans l’univers comme le résultat des particules et de leurs interactions. La complexité, en revanche, reconnaît qu’une fois que de nombreuses particules se sont assemblées pour produire des choses macroscopiques, telles que des organismes, il ne suffit pas de tout savoir sur les particules pour comprendre la réalité. L’un des premiers pionniers de cette approche a été le physicien Philip W. Anderson, qui a succinctement résumé la perspective anti-réductionniste naissante par la phrase « More is different » (Plus, c’est différent). La science des systèmes complexes s’est rapidement développée au XXIe siècle, et les chercheurs dans ce domaine ont remporté le prix Nobel de physique en 2021.
Du point de vue d’un physicien, aucun système complexe n’est plus étrange ou plus difficile à comprendre que la vie. D’une part, l’organisation de la matière vivante défie les attentes habituelles des physiciens concernant l’univers. Votre corps est constitué de matière, comme tout le reste. Mais les atomes qui vous composent aujourd’hui ne seront pas les mêmes dans un an. Cela signifie que vous et tous les autres êtres vivants n’êtes pas des objets inertes, comme un rocher, mais des modèles dynamiques qui évoluent au fil du temps. Le véritable défi pour la physique réside toutefois dans le fait que les modèles qui composent la vie sont auto-organisés. Les systèmes vivants se créent et se maintiennent eux-mêmes dans une étrange boucle qu’aucune machine existante ne peut reproduire. Pensez à la membrane cellulaire, qui permet à une cellule de rester en vie en laissant entrer certaines substances chimiques tout en en empêchant d’autres d’entrer. La cellule crée et maintient continuellement la membrane, mais la membrane est elle-même un processus qui constitue la cellule.
Ce problème de l’œuf et de la poule remet en question le rêve de l’ancienne physique : une fois les particules fondamentales de l’univers répertoriées, tout le reste pouvait être décrit et prédit de manière explicite. Donnez-moi une jeune étoile, et je peux utiliser les lois réductionnistes de la physique pour prédire son avenir : elle vivra un million d’années plutôt qu’un milliard d’années ; elle mourra sous la forme d’un trou noir plutôt que d’une naine blanche. Mais les composants d’un organisme vivant produisent quelque chose de nouveau et d’inattendu, un phénomène appelé « émergence ». Donnez-moi une cellule simple datant des débuts de l’histoire de la Terre, et je ne pourrais jamais prédire qu’environ 4 milliards d’années plus tard, elle évoluera en un lapin géant capable de vous frapper au visage. Les kangourous, comme les humains, sont une conséquence imprévisible et émergente de l’évolution de la vie.
Les lois fondamentales qui régissent la matière et l’énergie ne peuvent prédire une autre propriété fondamentale de la vie : c’est le seul système dans l’univers qui utilise l’information à ses propres fins. Les plantes poussent vers la lumière, les microbes nagent vers des sources de nourriture riches, les animaux se cachent des prédateurs, les humains envoient des engins métalliques géants dans l’espace. Bien que l’on puisse, par exemple, programmer un robot pour qu’il recherche une prise murale lorsque sa batterie est faible, un être vivant (un programmeur humain, par exemple) doit coder en dur ce besoin dans la machine. La vie, en revanche, est à la fois active et autonome. Des microbes aux crabes en passant par les humains, tous les êtres vivants ont leurs propres démangeaisons à soulager.
Pour vraiment comprendre les systèmes vivants en tant qu’agents autonomes et auto-organisés, les physiciens doivent abandonner leur mentalité « juste les particules, madame ». L’un des grands talents des physiciens, qui consiste à partir des lois de parties simples (telles que les atomes) pour aboutir à un tout complexe, ne peut pas expliquer entièrement les cellules, les animaux ou les êtres humains. Heureusement, ce domaine dispose d’une autre compétence fondamentale qui peut aider : une manière particulière de poser des questions et de construire des modèles pour faire des prédictions. Les physiciens ont toujours su saisir les aspects essentiels d’un système et les traduire en langage mathématique. Quelle quantité d’énergie utile traverse la membrane cellulaire ? Quelle disposition des neurones maximise les informations dans le système nerveux d’un ver plat ? Ces compétences doivent désormais être mises à profit pour répondre à une question séculaire qui commence seulement à être traitée comme il se doit : Qu’est-ce que la vie ?
Grâce à ces compétences, les physiciens, en collaboration avec des représentants de toutes les autres disciplines qui composent la science de la complexité, pourraient percer le mystère de la formation de la vie sur Terre il y a des milliards d’années et de sa formation éventuelle sur les mondes extraterrestres lointains que nous pouvons désormais explorer à l’aide de télescopes de pointe. Tout aussi important, comprendre pourquoi la vie, en tant que système organisé, est fondamentalement différente de tout le reste de l’univers pourrait aider les astronomes à concevoir de nouvelles stratégies pour la trouver dans des endroits qui ressemblent peu à la Terre. Analyser la vie, aussi étrangère soit-elle, comme un système auto-organisé et guidé par l’information pourrait fournir la clé pour détecter des biosignatures sur des planètes situées à des centaines d’années-lumière.
Plus près de chez nous, l’étude de la nature de la vie est probablement essentielle pour comprendre pleinement l’intelligence et en créer des versions artificielles. Tout au long de l’essor actuel de l’IA, les chercheurs et les philosophes ont débattu de la question de savoir si et quand les grands modèles linguistiques pourraient atteindre une intelligence générale, voire devenir conscients, ou si certains l’étaient déjà. La seule façon d’évaluer correctement ces affirmations est d’étudier, par tous les moyens possibles, la seule source reconnue d’intelligence générale : la vie. Appliquer la nouvelle physique de la vie aux problèmes de l’IA pourrait non seulement aider les chercheurs à prédire ce que les ingénieurs en logiciels peuvent construire, mais aussi révéler les limites de la tentative de capturer le caractère essentiel de la vie dans le silicium.
Au fur et à mesure que le XXIe siècle avance, mes collègues physiciens continueront sans aucun doute à faire progresser l’étude des trous noirs, de la mécanique quantique et d’autres domaines traditionnels. L’étude de la vie, cependant, nous mènera vers des horizons que nous n’aurions jamais imaginés, ouvrant la voie à l’avenir de notre domaine qui, pour une fois, se déroule sur un pied d’égalité avec les biologistes, les écologistes, les neurologues et les sociologues. Dans le meilleur des cas, la recherche de réponses fondamentales sur la nature des êtres vivants pourrait conduire les physiciens non seulement vers de nouvelles merveilles scientifiques, mais aussi vers une manière entièrement nouvelle de faire de la science.
Voir la LISTE ÉVOLUTIVE des articles
traduits par Gilles en vrac…