Systèmes complexes : un petit poisson, un petit oiseau

Quel est le point commun entre une colonie de fourmis qui construisent une fourmillière, des cellules biologiques qui forment un squelette cellulaire, ou les supporters d’un stade qui font une ola ? Tous ces systèmes sont considérés comme des « systèmes complexes », au même titre qu’un banc de poissons ou une nuée d’oiseaux, soit un système sans coordination centrale qui mène spontanément à l’émergence d’une structure complexe stable. Comment étudier ces systèmes, qui empruntent autant à l’éthologie, à la sociologie, à la physique statistique qu’à l’algorithmique et au machine learning, c’est tout l’enjeu de ce carrefour méta-disciplinaire.

Systèmes complexes : un petit poisson, un petit oiseau : c’est le programme auto-organisé qui est le nôtre pour l’heure qui vient. Bienvenue dans La Méthode scientifique.

Et pour tout comprendre à ces systèmes aussi divers qu’une nuée d’oiseaux, un développement tumoral, une foule compacte et in fine… pourquoi pas… le système Terre, nous avons le plaisir de recevoir aujourd’hui José Halloy, professeur de physique, et physicien au laboratoire interdisciplinaire des énergies de demain à l’Université de Paris et Pablo Jensen, chercheur CNRS au laboratoire de physique de l’école normale supérieure de Lyon, et ex-directeur de l’institut rhônalpin des systèmes complexes.

Le reportage du jour

Rencontre avec Emmanuel Barillot, chef de cette équipe Inserm “Bio informatique et biologie des systèmes du cancer” à l’Institut Curie. Avec son équipe Emmanuel Barillot travaille entre autres sur des tumeurs du sein et des tumeurs pédiatriques. Ils essaient de comprendre la biologie des tumeurs cancéreuses dans leur complexité. Une tumeur, comme nous l’explique le chercheur, est le produit d’un grand nombre de cellules en interaction, dans chaque cellule un grand nombre de gènes et de protéines sont en interaction. Par conséquent, les “acteurs” d’un cancer se comptent en dizaines de milliers et l’approche réductionniste qui consiste à prendre un système partie par partie ne fonctionne plus. C’est là qu’une approche complexe entre en jeu. Emmanuel Barillot essaie grâce aux données générées par les techniques de séquençage et d’imagerie de définir des grands axes d’analyses statistiques et mathématiques qui vont permettre de modéliser les cancers en tant que systèmes complexes et de proposer des résultats aux spécialistes en oncologie pour mettre au point des thérapies adaptées. Par Antoine Beauchamp :

Les repères

• Un système peut être qualifié de complexe lorsque la multitude des interactions locales entre les parties qui le composent fait émerger de nouvelles propriétés globales, celles-ci pouvant, dans certains cas, rétroagir sur ces mêmes parties. Autrement dit, les interactions entre les parties sont elles-mêmes produites localement sans aucune référence à une structure globale préconçue, laquelle constitue donc une propriété émergente du système et non une propriété imposée depuis l’extérieur.
• Outre cette notion d’émergence, l’autre maître-mot qui caractérise les systèmes complexes est celui d’auto-organisation, un mécanisme ou un ensemble de mécanismes par lesquels les structures sont produites au niveau global d’un système à partir d’interactions entre ces parties à un niveau d’intégration inférieur.
• La science des systèmes complexes se situent donc à un carrefour interdisciplinaire. Vue sous le prisme de l’éthologie, il peut s’agir de colonies de bactéries, d’essaims d’insectes, de bancs de poissons, de nuées d’oiseaux ou encore de troupeaux d’ongulés. Vue sous le prisme médical, on peut étudier par ailleurs la propagation d’une épidémie ou encore le mécanisme de tumorigenèse. 
• En revanche, vue sous le prisme des sciences sociales, il est très difficile de modéliser les sociétés humaines en tant que système complexe. C’est également le cas, plus largement encore à l’échelle de la planète, du système-Terre, un système complexe qui en englobe bien d’autres. Pour l’étudier, les chercheurs tentent de comprendre quels sont les fondements de toutes les crises écologiques que l’on vit et comment on peut étudier la physique du problème en tant que système complexe.

Pour aller plus loin

[Thread] Retrouvez aussi les sources de cette émission sur le fil Twitter de La Méthode scientifique.

• Des roboticiens font communiquer des abeilles avec des poissons (Usbek & Rica, 2019)
• L’impossible modélisation de la société (CNRS Le Journal, 2018)
• [Dossier] 2018 > Chaos et systèmes complexes (La Recherche)
• En nuée et en essaim par José Halloy (Pour la Science, 2015)
• Mouvements collectifs et auto-organisation (Images Des Maths, 2014)
• L'intelligence des mouvements collectifs (Le Monde, 2013)
• [A découvrir] > Quand les abeilles dialoguent avec les poissons avec José Halloy

Les références musicales

Le titre du jour : Biology 101 par Dr. Octagon

Le générique de début : Music to watch space girls by par Leonard Nimoy

Le générique de fin : Says par Nils Frahm