Hypothèses sur l'émergence

 

JUIGNET Patrick

 

Il n'y a pas de consensus sur l'émergence, aussi allons-nous proposer une conception plausible, puis l'illustrer par l'exemple du vivant étudié par la biologie. Deux idées serviront à expliciter ce concept controversé : l'idée d'une pluralité du monde et celle d'une organisation du monde selon une complexité croissante. Dans ce cadre précis, l'émergence désigne le processus de formation du degré supérieur d'organisation à partir du précédent.

 

Pour citer cet article :

JUIGNET Patrick. Hypothèses sur l'émergence. Philosophie, science et société [en ligne] . 2015. https://philosciences.com/Pss/philosophie-generale/complexite-systeme-organisation-emergence/41-hypothese-sur-l-emergence

 

Plan de l'article :


  1. Expliciter le concept d'émergence
  2. L'exemple du vivant
  3. Conclusion : un concept en devenir

 

Texte intégral :

1/ Expliciter le concept d'émergence

La constitution de niveaux de complexité successifs

Le concept d'émergence sous-entend la formation d'entités complexes et irréductibles dans le monde. Ces entités (de toutes natures) se différencient de leurs constituants élémentaires par des propriétés spécifiques. Les faits empiriques rapportés à ces entités complexes n'existent pas grâce aux éléments qui les constituent, mais grâce à l'ensemble de l'entité en tant qu'il est intégré et forme un tout homogène. Ce qui se manifeste factuellement (par exemple, les propriétés spécifiques des molécules) ne vient pas des atomes, mais de leur agrégation et de leur agencement selon un ordre, une forme déterminés qui constituent l'entité moléculaire. 

Une entité complexe peut être de nature physique, chimique, électronique, ou autre, il importe seulement qu'elle soit composée de divers éléments liés de manière intégrative entre eux. Par exemple, en biologie, les tissus, par rapport aux cellules qui les composent, sont des entités complexes. On considère que l'entité "tissu" amène des propriétés nouvelles qui n'existeraient pas sans elle. Inversement, si on dissocie l'entité en ses éléments constitutifs, les propriétés spécifiques disparaissent. Considérer des entités composées, c'est entrer dans une ontologie de l'organisation ; c'est supposer que l'organisation amène une diversité dans le réel. Le concept d'émergence est empirique, car il concerne les faits, la réalité, et il est ontologique, car il concerne aussi le réel (voir ces termes dans le vocabulaire).

Le regroupement de différents niveaux en régions homogènes 

Du point de vue émergentiste, on considère que toutes les entités du même degré de complexité forment un niveau d'organisation. La partie du monde ainsi désignée a une homogénéité, car elle est formée selon un même mode d'organisation. Par exemple, le niveau moléculaire par rapport au niveau atomique. Le concept d'émergence désigne la formation du niveau considéré, on dit qu'il émerge du niveau précédent.

Il est possible de regrouper plusieurs niveaux très proches et de même type. C'est ce qui a été nommé "niveau d'intégration" (voir ce terme) ou champ du réel ou encore "régions nomologiques" par Heisenberg. Une ou plusieurs complexifications organisationnelles sont si voisines et interdépendantes qu'un domaine de grande ampleur apparaît (émerge).  

Si l'on admet ce principe général d'émergence, la question se pose, pour chaque niveau de complexification, de savoir s'il est nécessaire de l'individualiser.  En effet, le but de la connaissance est de trouver le nombre de niveaux utiles pour comprendre le monde, c'est-à-dire qu'il ne faut pas en supposer de superflus, ni en éliminer arbitrairement, alors qu'ils seraient utiles. 

L'histoire connue de l'univers laisse supposer que des modes d'organisation de complexité croissante ont émergé à divers moments de l’histoire dans certaines parties du monde. Le temps est indispensable à l'émergence. Le mode d’organisation qui a « émergé » est présent localement pour une durée donnée. Il peut évoluer ou disparaître. Par exemple, l'émergence du vivant qui n'a pas eu lieu partout et dont la persistance n'est pas assurée.

La délimitation entre deux modes d'organisation est floue et relativement arbitraire, car le passage se fait par des différenciations faibles. Il n'y a pas de limite exacte. Ainsi, le passage d'une organisation biochimique complexe à une organisation vivante est flou. Les virus, par exemple, sont à la limite du vivant. La désignation d'une frontière vient en partie de la répartition entre domaines scientifiques, qui comporte une part conventionnelle. Cependant, au cœur de la région la différence est bien affirmée. Dans ce cas, le terme d'émergence a le sens général de constitution du domaine de complexité organisationnelle supérieure.

La différence avec le réductionnisme

La science classique a du mal à concevoir l'idée d'organisation, car toute sa démarche est orientée vers la recherche du simple. Lorsqu'elle admet cette idée, sa thèse par rapport à elle est la suivante : Tout niveau d'organisation supérieur N est le strict résultat, sans aucun ajout ni différence, de la composition additive ou causale des éléments du niveau N -1  et ainsi de suite jusqu'au dernier, le plus élémentaire (celui des particules subatomiques). Ce dernier niveau constitue véritablement (ontologiquement) le monde.

Cette thèse est une pétition de principe indémontrable. L'idée d'une composition additive ou causale est absurde, car interviennent aussi des questions de forme, d'ordre, d'interactions systémiques entre les éléments constituants. L'émergentisme défend une position en miroir du réductionnisme. Tout niveau d'organisation supérieure N est le résultat de la composition des éléments du niveau N -1, mais il possède une autonomie et des caractéristiques propres. Tous les niveaux constituent authentiquement le monde.

La thèse de l'émergence est compatible avec un réductionnisme de méthode, c'est-à-dire le choix d'un niveau plus simple comme étant plus pertinent, car plus facile à étudier. Il est incompatible avec un réductionnisme ontologique qui prétend que seul le niveau ultime aurait vertu d'existence. C'est une idée métaphysique, car rien ne prouve qu'il y ait un niveau ultime. Cette doctrine se nomme le matérialisme réductionniste. 

L'organisation propre à chaque niveau n'est pas réductible

Pour comprendre le concept d'émergence, il faut remplacer la notion ontologique de substance par celle d'organisation. Cela étant, l'émergence est le concept par lequel on explique le passage d'un type d'organisation du réel à un autre, de complexité supérieure. Nous dirons qu'un mode d'organisation quelconque émerge du mode immédiatement inférieur en complexité. L'émergence est une façon de désigner et concevoir le rapport entre les deux. 

L'émergence se définit donc par rapport à l'idée d'une organisation du monde selon des degrés de complexité croissante, succession qui ne peut être réduite à ses degrés élémentaires. En effet, si un niveau était réductible au précédent, il n'y aurait pas lieu de parler d'émergence, terme qui sert à désigner l'apparition d'une forme d'existence différente. Le concept d'émergence inclut une affirmation ontologique selon laquelle les degrés supérieurs d'organisation ne peuvent pas se résorber dans les degrés inférieurs.

2/ Un exemple d'émergence : le vivant

Nous avons choisi la biologie comme exemple, car c'est un domaine dans lequel l'émergence est la plus manifeste et la mieux reconnue (ou la moins méconnue).

Généralités sur le vivant

En 1944, le physicien Erwin Shroedinger a remarqué une propriété commune aux formes de vie qui est le maintient dans un déséquilibre. L'évolution spontanée du vivant ne va pas vers l'équilibre physique et l'indifférenciation, au contraire, elle maintient des différences. On peut dire aussi que la vie est néguentropique. L'entropie d'un organisme, au lieu d'augmenter comme dans tout système physique, diminue ou se maintient stable. Si on compare l'évolution d'un ensemble physico-chimique quelconque et d'un organisme vivant, le premier va vers l'indifférenciation et l'équilibre thermique, le second non. Cela signe une différence. Le vivant présente une différence par rapport à l'inerte. C'est le minimum pour parler d'émergence. Il faut qu'il y ait une différence par rapport à une autre région du monde, que se manifeste une autre forme d'existence dans le monde. 

Évolution et sélection ne sont pas absolument spécifiques du vivant, puisque tout composé dans le monde se forme et ne persiste que s'il est stable ; mais la manière de le faire pour le vivant est spéciale. Elle se fait par reproduction.  Si on regarde le processus à l'échelle du vivant et dans le temps, on voit qu'il s'agit d'une production à l'identique, accompagnée de petites modifications, puis d'une sélection qui ne laisse subsister que certaines des modifications. C'est le rôle du génome que de transmettre l'information génétique de manière fidèle, mais en même temps de permettre des mutations qui adaptent la forme de vie. Il y a là, à coup sûr, une propriété absolument spécifique à la vie. Comme précédemment, on a une différence  par rapport à une autre région du monde.

La formation des éléments constitutifs

Quelles sont les forces organisatrices qui permettent la fabrication des constituants du biologique ? Ce sont des forces du domaine physique. On connaît les liaisons dites "hydrogène" (entre un atome d'hydrogène et un atome d'azote ou d'oxygène) et les liaisons électrostatiques entre groupements de polarité électrique opposée, et  l'interaction avec l'eau (les chaînes carbonées fuient l'eau, les groupements oxygénés et azotés se lient à l'eau). Dès le départ, on voit bien que le vivant se fait à partir de et à l'intérieur même du domaine physique. Les molécules nécessaires à la vie sont les acides nucléiques, les polysaccharides, les lipides, les protéines. Ce sont de grosses molécules constituées de dix à cinquante atomes. Première étape, la constitution de ces molécules atome par atome se fait par une série de réactions chimiques presque classiques. La seule particularité est que le processus est guidé par des enzymes qui le rendent très efficace et le régulent selon les besoins. Seconde étape, ces molécules se combinent entre elles pour former des macromolécules complexes de plusieurs milliers d'atomes. Ces molécules complexes n'existent pas en dehors du vivant. C'est en ce sens que nous parlons d'émergence : il existe des composants qui sont spécifiques à ce domaine et n'existent pas en dehors. Il offre des conditions particulières qui permettent cette performance . Si nous prenons un composant biologique quelconque, nous allons voir apparaître des propriétés particulières étonnantes.

Commençons par les acides nucléiques. Ils sont composés d'un sucre (un pentose), d'un atome de phosphore et de cinq bases azotées. Ces dernières sont unicycliques (cytosine, thymine, uracile) ou bicycliques (adénine, guanine). L'ensemble se lie pour former de très grosses macromolécules. Un brin d'ADN compte environ 75 milliards d'atomes alignés qui prennent la forme d'une hélice qui s'apparie ensuite avec sa complémentaire. L'appariement se fait de manière spécifique : l'adénine se lie avec la thymine et la guanine avec la cytosine par des liaisons hydrogènes. Un brin d'ADN peut donc avoir 150 milliards d'atomes assemblés. On sent intuitivement que l'on ne peut rendre compte des propriétés de cette molécule en additionnant les propriétés physiques de 150 milliards d'atomes. Devant un tel monstre, on quitte la physique et la chimie et même la chimie organique pour entrer dans la biochimie. Pour expliquer ses propriétés, il faut tenir compte de l'ordre et de la forme dans l'espace des composants. Il faut d'autres concepts et d'autres lois que celles de la physique ou de la chimie minérale. Mais, l'affaire ne s'arrête pas là.

Ce qui compte dans l'ADN, ce ne sont pas ses propriétés chimiques, biochimiques, mais l'ordre des bases azotées. Ainsi, par exemple, si se succèdent des molécules de guanine, puis adénine, puis guanine, ce n'est pas la même chose que l'inverse ou qu'une autre combinaison.  On entre là dans un autre type de propriétés que les propriétés biochimiques. Que l'ADN ait des propriétés acides, qu'il occupe un volume hélicoïdal dans l'espace n'a aucune importance, ce qui compte c'est qu'il compose une sorte de codage. Nous parlons ici d'émergence, car un autre type de propriété apparaît, indépendante des propriétés des composants, celle de coder. Regardons de plus près le processus de synthèse des protéines. L'ADN, grâce à l'ARN polymérase, produit un ARN de transfert. Celui-ci, en association avec une enzyme (aminoacyl-ARNt synthétase) se lie à un acide aminé. Un tel processus  a lieu pour chacun des vingt acides aminés. Puis, les différents ARN liés à leurs acides aminés passent par les ribosomes qui assemblent les acides aminés en des protéines, cet assemblage étant guidé par les ARN messagers.

Une vision dynamique est nécessaire pour comprendre ce qui se passe en biologie moléculaire. Les constituants n'existent pas en eux-mêmes indéfiniment, ils sont sans cesse créés, dégradés et recréés. Ces constituants sont les éléments "natifs" de la région biologique.  Les éléments générateurs sont des composants chimiques (ions, sucres, acides aminés, etc.). Leur assemblage produit des totalités autonomes que sont les nucléotides, protéines, polysaccharides et lipides. Une fois autonomisés, ces ensembles devenus indépendants constituent les éléments les plus simples du niveau biologique. Il y a plusieurs familles, c'est-à-dire plusieurs types de "parents" et "d'enfants". Le nombre de systèmes biologiques et de degrés de complexité est très grand. C'est en cela que nous parlons d'émergence : des éléments autonomes sont constitués et il vont interagir entre eux.

L'exemple des membranes

Les membranes des organismes et des cellules sont des composés phospholipidiques, grosses molécules, dont la connaissance nous vient de la biochimie. Les molécules phospholipidiques se regroupent ensemble par une auto-organisation qui est due à leurs possibilités de liaisons chimiques et forment des ensembles plans. Ceux-ci, pour des raisons physiques (de polarité), se groupent par deux, formant ainsi une membrane. Les membranes,  dans certaines circonstances, se recourbent et se referment spontanément. Une nouvelle entité se forme, une "vésicule".

La vésicule a des caractères et propriétés totalement différents de celles des molécules isolées et, de plus, interagit avec les autres vésicules pour former des entités de complexité supérieure. Dans ce cas, on voit bien que les lois physiques ne sont pas remplacées par des lois biologiques ou autres. Elles continuent de s'appliquer à l'identique et à avoir des effets, puisque c'est grâce à la polarité et aux forces électrostatiques que la membrane se forme. Mais, une fois formée, il faut ajouter une autre propriété mécanique, celle de séparer dedans et dehors.

Dans une cellule moyenne qui comporte un noyau, des mitochondries, du réticulum endoplasmique, des appareils de Golgi, on dénombre des centaines de compartiments. Ce compartimentage permet l'exécution de tâches diverses et antagonistes qui, sans cela, se contrarieraient les unes les autres. Limite, compartimentage complexe, sont des propriétés des membranes qui surviennent grâce aux forces électrostatiques et hydrophobiques agissant sur les phospholipides, mais elles n'existent que grâce à leur organisation en couche continues fermées.

La vésicule a une propriété que l'on peut définir comme "isoler un milieu extérieur d'un milieu intérieur". Cette propriété n'est pas contenue dans les molécules de lipides et les atomes de phosphore formant la vésicule, c'est quelque chose qui tient uniquement à l'organisation lorsqu'elle atteint un certain degré de complexité : association en grosses molécules,  puis en couche simple, puis en double couche, puis sphérisation de l'ensemble. C'est en ce sens que l'on parle d'émergence : une organisation de degré supérieur ayant des propriétés qui lui sont spécifiques.

Les limites du vivant

L'émergence du vivant se fait progressivement par réorganisations successives. Il faut que se produise le passage des processus de la chimie minérale à ceux de la chimie organique, puis à ceux de la biochimie, puis à la biochimie métabolique qui aboutit à l'édification des macromolécules constitutives du vivant. On ne change pas brusquement et radicalement de "niveau", car il y a une parenté et une continuité entre la biochimie métabolique, l'organite, la cellule, le tissu, l'organe, l'appareil et l'individu vivant. On entre dans un domaine différent de celui du physico-chimique. Puis, au sein du biologique, il y a de nombreux processus de complexification. Le vivant a divers niveaux de complexité organisationnelle. Ces domaines physico-chimique et biologique ne sont pas séparés et stratifiés, ils sont enchâssés. Les forces physiques (liaisons entre atomes) sont nécessaires aux propriétés chimiques, biochimiques et biologiques, mais chacune est différente et spécifique. C'est ce qui caractérise l'émergence. Par des auto-organisations successives, du nouveau apparaît. Dans le cas de la biologie moléculaire, il se crée une possibilité de codage qui vient de l'ordre des constituants.  

L'émergence est le fruit d'une dynamique constructive. La biochimie interne à la cellule, régulée par les commandes génétiques, fournit les éléments nécessaires à la membrane, mais celle-ci permet en retour que les processus biochimiques aient lieu en les isolant de l'extérieur et en permettant de retirer de l'énergie et des composants du milieu extérieur. Il y a une circularité dans le maintien de chacun. La réaction biochimique de niveau de complexité inférieure produit les éléments constitutifs de l'entité de niveau supérieur, en même temps que celle-ci donne les conditions de possibilité du niveau inférieur. Ce que l'on nomme parfois une rétroaction du global sur le local. L'émergence du vivant à partir du physico-chimique se fait par construction de degrés d'organisations supplémentaires jusqu'à ce que les caractères particuliers à ce mode d'existence se manifestent nettement. La limite inférieure est floue. Il y a aussi une limite supérieure floue à partir de laquelle certaines propriétés disparaissent et d'autres apparaissent.

Conclusion : un concept en devenir

Le concept d'émergence est actuellement insuffisamment élaboré, car il est incompatible avec la vision scientifique traditionnelle qui est plutôt réductionniste. Le concept reste donc peu enseigné et peu étudié. Du coup, il n'existe pas vraiment d'explication satisfaisante en ce qui concerne les processus d'émergence. Pourtant, c'est un concept porteur pour les recherches car il permet d'échapper au réductionnisme sans avoir à faire d'hypothèse irrationnelle.

 


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