Qu'y a-t-il de commun entre, mettons, la différenciation cellulaire, l'apprentissage d'une langue étrangère, et les fameux « points de bascule » du réchauffement climatique ?
Et entre la glycémie (le taux de sucre dans le sang), une chasse d'eau et le rythme jour-nuit des animaux et des plantes ?
Eh bien, tous ces phénomènes mettent en œuvre ce que les spécialistes appellent des boucles (ou circuits) de rétroaction — positives pour les premiers, négatives pour les seconds. C'est l'étude de ces mécanismes qui est au cœur de mon travail de recherche.
De quoi s'agit-il ? Simplement, de causalité, de boucles causales : ce qui se passe quand tel ou tel phénomène a des conséquences sur lui-même, de sorte qu'il apparaît comme sa propre cause (boucles positives), ou comme la cause de sa propre destruction (boucles négatives). D'un point de vue dynamique, les boucles positives tendent à produire des bifurcations vers des états opposés, tandis que les boucles négatives tendent à ramener le système vers un état d'équilibre, ou à le faire osciller autour.
Dans les exemples ci-dessus :
- les cellules qui se différencient — à partir d'une cellule souche, voire à partir de la cellule-œuf si on remonte assez loin leur généalogie — produisent des protéines qui activent leur propre transcription (rappel que la transcription, c'est le fait de « lire » l'ADN pour fabriquer des ARN — qui peuvent servir ensuite à fabriquer des protéines). Des molécules, donc, qui, en activant leur propre transcription, verrouillent la cellule dans un état différentié — cellule de peau, cellule nerveuse, cellule de muscle etc. Différents types de cellule activent (ou inhibent, réciproquement) différents facteurs de transcription, de sorte que le passage d'un type cellulaire à l'autre est impossible — du moins, tant que ces facteurs de transcription sont actifs…
- quand on commence à apprendre une langue étrangère, tout est nouveau — le vocabulaire, la grammaire, les sons et la musique mêmes de la langue. On butte sur chaque mot, et, si on abandonne, on a bientôt tout oublié. Passer cette étape peut être long et laborieux, au point de nous décourager. Mais si on y parvient, si on persévère, alors on à l'impression de « franchir un pallier » (ou un seuil…) au-delà duquel on devient capable de pratiquer beaucoup plus facilement et régulièrement, et même d'y prendre plaisir, et notre niveau se maintient sans trop d'effort.
- au niveau des pôles ou en haute montagne, la présence de glace entraîne une augmentation de l'albédo (~ la proportion de la lumière qui est renvoyée vers l'espace) ce qui refroidit la zone, par rapport à l'absence de glace qui augmente l'absorption d'énergie solaire (on en a parlé ici). De même, forêts et savanes peuvent croître dans les mêmes régions — sauf que l'humidité des forêts les protège du feu,, et produit même une partie de la pluie qui les arrose, tandis que les savanes sèches brûlent plus facilement, et que les jeunes pousses y sont la proie des herbivores (on en a parlé là). Ces phénomènes créent donc des « points de bascule », au-delà desquels on passe d'un état à un autre (glace / absence de glace, forêt / savane) ; et ces états ayant tendance à se maintenir, il peut être extrêmement difficile de revenir en arrière. Car attention : le point de bascule glace → absence de glace (par exemple) est différent du point de bascule absence de glace → glace. Il y a une fenêtre dans laquelle les deux états sont possibles, et se maintiennent, et pour basculer d'un état à l'autre, il faut justement sortir de cette fenêtre — d'un côté ou de l'autre. Soyons clair, plus que difficile, ça peut être tout à fait impossible.
- une augmentation de la glycémie, après un repas par exemple, entraîne la sécrétion par le pancréas d'une hormone, l'insuline, qui favorise l'absorption du sucre par les cellules… et fait baisser la glycémie. Inversement, si la glycémie baisse trop, c'est une autre hormone, le glucagon, qui va favoriser la libération de sucre par le foie… et faire remonter la glycémie.
- quand vous tirez la chasse, vous soulevez un bouchon, ce qui entraîne la baisse du niveau de l'eau dans le réservoir, et fait baisser le flotteur, ce qui ouvre le robinet. Quand le réservoir est vide, le bouchon retombe à sa place, tandis que le robinet ouvert remplit le réservoir, et fait remonter le flotteur, qui ferme le robinet.
- les rythmes circadiens (~ jour-nuit), chez la plupart des animaux, des plantes, et certains micro-organismes, sont contrôlés par une horloge interne, autonome, localisée au sein de chaque cellule, et qui tourne avec une période de 24 heures environ (d'où le « circa » de circadien : selon les gens, ça peut être un peu plus ou un peu moins, et si vous êtes plutôt « du matin » ou « du soir », c'est sans doute à cause de ça). Les mécanismes de régulations sont complexes, avec une synchronisation des horloges cellulaires entre elles au sein de l'organisme et avec le rythme extérieur du jour et de la nuit. Chez les mammifères, en très gros, ce sont les gènes per (pour period) et cry dont les protéines interagissent pour bloquer la transcription des gènes bmal et clock — gènes qui codent eux-même pour des facteurs de transcription qui activent per et cry. L'activation des gènes per et cry aboutit donc, via la disparition de bmal et clock, à leur propre inactivation.
Ça va, vous suivez ? Vous voyez donc les trois premiers exemples trahissent des boucles causales positives : des facteurs de transcription qui s'auto-activent, produisant des types cellulaires opposés ; des capacités linguistiques qui s'acquièrent par l'exercice même de ces capacités ; des écosystèmes qui co-produisent les conditions mêmes de leur existence. Et les trois derniers sont des exemples de boucles négatives : la baisse d'un indicateur (glycémie, niveau d'eau, facteur de transcription…) qui entraîne indirectement sa propre hausse, ou inversement, la hausse qui entraîne la baisse.
Ces boucles positives et négatives se retrouvent donc un peu partout, et une partie de mon travail consiste justement à les repérer, et surtout, à comprendre comment elles interagissent entre elles — car il est assez rare de trouver dans la nature une boucle isolée. Pour cela j'utilise des méthodes formelles inspirées de la logiques booléenne… et dont je vous parlerai dans un prochain billet.
En attendant, si vous avez d'autres exemples en tête, faites-le savoir en commentaire !
