Une nouvelle loi de la nature mise à jour : l’évolution ne concerne pas que le vivant

L’évolution n’est pas seulement le processus qui explique l’adaptabilité des organismes vivants, c’est aussi, semble-t-il, le principe qui régit l’ensemble de la nature. Un article publié dans les prestigieux Proceedings of the National Academy of Sciences décrit « une loi manquante de la nature », qui stipulerait que les systèmes naturels complexes évoluent vers des états plus structurés, plus diversifiés et plus complexes. En d’autres termes, l’évolution ne se limite pas à la vie sur Terre, elle se produit également dans d’autres systèmes extrêmement complexes, depuis les planètes et les étoiles jusqu’aux atomes, aux minéraux et bien d’autres choses encore.

L’étude a été réalisée par une équipe de neuf personnes – des scientifiques de premier plan de la Carnegie Institution for Science, du California Institute of Technology (Caltech) et de l’université Cornell, ainsi que des philosophes de l’université du Colorado.

Les lois « macroscopiques » de la nature décrivent et expliquent les phénomènes observés quotidiennement dans le monde naturel. Les lois naturelles relatives aux forces et au mouvement, à la gravité, à l’électromagnétisme et à l’énergie, par exemple, ont été décrites il y a plus de 150 ans. Mais une question demeurait sans réponse. Celle posée il y a près d’un siècle par le physicien Erwin Schrödinger – célèbre pour son chat dans une boîte – qui demandait comment la nature semblait se construire en systèmes de plus en plus complexes si la deuxième loi de la thermodynamique – selon laquelle tout se refroidit – était vraie. Les esprits les plus brillants de ces 80 dernières années n’ont apparemment pas réussi à trouver une réponse jusqu’à présent.

« L’étude dirigée par le professeur Michael Wong, astrobiologiste à Carnegie, est comme une brise d’air frais qui souffle sur le terrain difficile à la jonction de l’astrobiologie, de la science des systèmes et de la théorie de l’évolution« , s’exclame Milan Cirkovic, de l’Institut du futur de l’humanité de l’Université d’Oxford. Dans l’amoncellement des tentatives de résolution de cette énigme au cours des 80 dernières années, Wong et ses collègues offrent peut-être la meilleure chance jusqu’à présent.

Complexité du monde naturel

La nouvelle recherche présente un ajout moderne : une loi macroscopique reconnaissant l’évolution comme une caractéristique commune des systèmes complexes du monde naturel, qui se caractérisent comme suit :

• ils sont formés de nombreux composants différents, tels que des atomes, des molécules ou des cellules, qui peuvent être arrangés et réarrangés de manière répétée ;
• Ils sont soumis à des processus naturels qui entraînent la formation d’innombrables arrangements différents ;
• Seule une petite fraction de toutes ces configurations survit dans le cadre d’un processus appelé « sélection pour la fonction » ;
• Que le système soit vivant ou non, lorsqu’une nouvelle configuration fonctionne bien et que la fonction s’améliore, il y a évolution.

La « loi de l’information fonctionnelle croissante » des auteurs stipule que le système évoluera « si de nombreuses configurations différentes du système subissent une sélection pour une ou plusieurs fonctions ». Michael L. Wong, astrobiologiste à Carnegie et premier auteur de l’étude, explique : « Un élément important de cette proposition de loi naturelle est l’idée de « sélection pour la fonction ». »

Dans le cas de la biologie, Darwin a assimilé la fonction principalement à la survie, c’est-à-dire à la capacité de vivre suffisamment longtemps pour produire une progéniture fertile. La nouvelle étude élargit cette perspective en notant qu’il existe au moins trois types de fonctions dans la nature.

La fonction la plus élémentaire est la stabilité : les arrangements stables d’atomes ou de molécules sont sélectionnés pour perdurer. Les systèmes dynamiques qui disposent d’un approvisionnement continu en énergie sont également sélectionnés pour perdurer. La troisième fonction, la plus intéressante, est la « nouveauté », c’est-à-dire la tendance des systèmes en évolution à explorer de nouvelles configurations qui conduisent parfois à de nouveaux comportements ou caractéristiques surprenants.

L’histoire de l’évolution de la vie est riche en nouveautés : la photosynthèse a évolué lorsque des cellules individuelles ont appris à exploiter l’énergie lumineuse, la vie multicellulaire a évolué lorsque des cellules ont appris à coopérer, et les espèces ont évolué grâce à de nouveaux comportements avantageux tels que la natation, la marche, le vol et la pensée.

Le même type d’évolution se produit dans le règne minéral. Les premiers minéraux représentent des arrangements d’atomes particulièrement stables. Ces minéraux primordiaux ont servi de base aux générations suivantes de minéraux, qui ont participé aux origines de la vie. L’évolution de la vie et celle des minéraux sont intimement liées, car la vie utilise des minéraux pour fabriquer des coquilles, des dents et des os. En effet, les minéraux de la Terre, qui étaient au nombre d’une vingtaine à l’aube de notre système solaire, sont aujourd’hui près de 6 000, grâce à des processus physiques, chimiques et finalement biologiques de plus en plus complexes qui se sont déroulés sur 4,5 milliards d’années.

Dans le cas des étoiles, l’article note que seuls deux éléments majeurs – l’hydrogène et l’hélium – ont formé les premières étoiles peu après le big bang. Ces premières étoiles ont utilisé l’hydrogène et l’hélium pour fabriquer une vingtaine d’éléments chimiques plus lourds. La génération suivante d’étoiles s’est appuyée sur cette diversité pour produire près de 100 autres éléments.

L’évolution est partout

« Charles Darwin a décrit avec éloquence la façon dont les plantes et les animaux évoluent par sélection naturelle, avec de nombreuses variations et caractéristiques des individus et de nombreuses configurations différentes », explique Robert M. Hazen de Carnegie Science, co-auteur de l’étude et chef de file de la recherche. « Nous soutenons que la théorie darwinienne n’est qu’un cas très particulier et très important au sein d’un phénomène naturel beaucoup plus vaste. L’idée que la sélection des fonctions est le moteur de l’évolution s’applique également aux étoiles, aux atomes, aux minéraux et à de nombreuses autres situations conceptuellement équivalentes dans lesquelles de nombreuses configurations sont soumises à une pression sélective ».

Les coauteurs eux-mêmes représentent une configuration multidisciplinaire unique : trois philosophes des sciences, deux astrobiologistes, un spécialiste des données, un minéralogiste et un physicien théorique.

Le professeur Wong fait observer : « Dans ce nouvel article, nous considérons l’évolution dans son sens le plus large, c’est-à-dire le changement au fil du temps, qui englobe l’évolution darwinienne basée sur les particularités de la « descendance avec modification ».  « L’univers génère de nouvelles combinaisons d’atomes, de molécules, de cellules, etc. Les combinaisons qui sont stables et qui peuvent engendrer encore plus de nouveauté continueront à évoluer. C’est ce qui fait de la vie l’exemple le plus frappant de l’évolution, mais l’évolution est partout« .

Parmi les nombreuses implications, l’article propose :

• une compréhension de la manière dont différents systèmes possèdent des degrés variables de capacité d’évolution. La « complexité potentielle » ou la « complexité future » ont été proposées pour mesurer le degré de complexité qu’un système en évolution pourrait atteindre.
• des indications sur la manière dont le taux d’évolution de certains systèmes peut être influencé artificiellement. La notion d’information fonctionnelle suggère que le taux d’évolution d’un système peut être augmenté d’au moins trois façons : (1) en augmentant le nombre et/ou la diversité des agents en interaction, (2) en augmentant le nombre de configurations différentes du système ; et/ou (3) en renforçant la pression sélective sur le système (par exemple, dans les systèmes chimiques, par des cycles plus fréquents de chauffage/refroidissement ou de mouillage/séchage).
• Une compréhension plus approfondie des forces génératives à l’origine de la création et de l’existence de phénomènes complexes dans l’univers, ainsi que du rôle de l’information dans leur description.
• Une compréhension de la vie dans le contexte d’autres systèmes complexes en évolution. La vie partage certaines équivalences conceptuelles avec d’autres systèmes évolutifs complexes, mais les auteurs indiquent une direction de recherche future, en demandant s’il y a quelque chose de distinct dans la façon dont la vie traite l’information sur la fonctionnalité.
• Aider à la recherche de la vie ailleurs : s’il existe une démarcation entre la vie et la non-vie qui est liée à la sélection de la fonction, pouvons-nous identifier les « règles de vie » qui nous permettent de distinguer cette ligne de démarcation biotique dans les recherches astrobiologiques ?
• À une époque où l’évolution des systèmes d’IA est une préoccupation croissante, une loi prédictive de l’information qui caractérise la façon dont les systèmes naturels et symboliques évoluent est particulièrement bienvenue.

Les lois de la nature – mouvement, gravité, électromagnétisme, thermodynamique, etc. codifient le comportement général de divers systèmes naturels macroscopiques dans l’espace et le temps. La « loi de l’augmentation de l’information fonctionnelle » publiée aujourd’hui complète la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que l’entropie (le désordre) d’un système isolé augmente avec le temps (et la chaleur circule toujours des objets les plus chauds vers les objets les plus froids).

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Des scientifiques veulent mettre à jour la théorie de l’évolution

Source : Carnegie Science Earth and Planets Laboratory