Structure et dynamique des systèmes vivants - Cours CM1 PDF

**Structure et dynamique des systèmes vivants** I. **[Notions générales de systémique ]** 1. **[Principes de l'approche systémique ]** **L'esprit de la démarche systémique :** - **Concevoir structures et fonctionnements comme issus d'une organisation de phénomènes interagissant** - **...

**Structure et dynamique des systèmes vivants** I. **[Notions générales de systémique ]** 1. **[Principes de l'approche systémique ]** **L'esprit de la démarche systémique :** - **Concevoir structures et fonctionnements comme issus d'une organisation de phénomènes interagissant** - **L'approche systémique est appliquée à de nombreuses disciplines :** - **Sciences humaines et économique** - **Ecologie et sciences de l'environnement** - **Biologie et médecine** - **Informatique (intelligence artificielle)** **Définition d'un système :** - **« Ensemble d'éléments divers formant un tout dont toutes les parties sont liées »** - **« Unité complexe dans l'espace et dans le temps, dont les sous-unités coopèrent pour préserver son intégrité, sa structure et son comportement, qu'ils tendent à restaurer après toute perturbation destructrice » (Weiss 1971 in Goldsmith 2002)** 2. **[Une approche holistique des systèmes ]** **Le holisme (du grec *holos*, tout) est l'idée selon laquelle les propriétés d'un système ne peuvent être déterminées ou expliquées à partir des seuls composant du système** - **« La tendance dans la nature à former des touts plus grands que la somme de leurs parties grâce à l'évolution créatrice » (Jan Christiaan Smuts)** - **Exemple : séparer les organes d'un organisme ne permet pas de comprendre la vie** **Le holisme s'oppose au réductionnisme :** - **Le réductionnisme tend à réduire un système complexe en un ensemble de composants plus élémentaires et à étudier les relations entre ces composants** - **En réalité, les deux approches sont complémentaires (Edgar Morin)** 3. **[Le concept de système général de Ludwig von Bertallanfy ]** **« Un objet qui, dans un environnement, doté de finalités, exerce une activité et voit sa structure interne évoluer au fil du temps, sans qu'il perde pourtant son identité unique »** **Quelque chose qui :** - **Dans quelque chose (environnement)** - **Pour quelque chose (finalité, projet)** - **Fait quelque chose (activité = fonctionnement)** - **Par quelque chose (structure = forme stable)** - **Qui se transforme dans le temps** 4. **[Caractères généraux d'un système ]** **Un système possède une frontière qui le sépare de son environnement** - **Exemple : la membrane d'une cellule, la peau d'un animal, la lisière d'une forêt, l'atmosphère terrestre...** **Les composants d'un système dépendent les uns des autres (interactions)** - **Exemple : interdépendance entre les organites d'une cellule, les organes d'un animal, les individus d'une population, les populations d'une biocénose** **L'état d'un système à un instant donné est le résultat d'une co-évolution sélective de ses composants** - **Le système est une entité dynamique** - **Exemple : co-évolution des populations de proies et de prédateurs dans une biocénose, successions végétales dans un champ abandonné** **Des propriétés émergentes naissent de l'organisation spatio-temporelle du système** - **Propriétés collectives nouvelles, non déductibles des propriétés de ses composants** - **Exemple : les propriétés physico-chimiques d'une molécule simple, l'activité d'une enzyme, la vie d'un organisme, la conscience du système nerveux, la constance du milieu intérieur d'un animal, la structure d'une biocénose, la stratification d'une forêt** **En retour, le système exerce un contrôle sur ses composants** - **Les propriétés des composants dépendent du contexte dans lequel ils s'intègrent** - **Exemple : l'expression d'un gène, la différenciation d'une cellule, la croissance d'une plante, le comportement d'un animal** 5. **[Cybernétique et systémique ]** **La cybernétique est la science du contrôle des systèmes, vivants ou non-vivants** - **Ensemble des théories sur les processus de commande et de communication et leur régulation dans les machines, les êtres vivants et les systèmes sociologiques et économiques** **Première cybernétique :** - **Fondée en 1948 par le mathématicien américain Norbert Wiener** - **Mécanisme d'auto régulation permettant aux systèmes artificiels et naturels de se maintenir (homéostasie)** - **Accent sur les échanges d'information et leur contrôles (surveillance et commande)** **Deuxième cybernétique** - **William Ross Ashby, Francisco Varela, Heinz von Foerster** - **Mécanismes d'auto organisation permettant aux systèmes complexes d'évoluer et s'adapter en créant de nouvelle structures (morphogénèse)** - **Accent sur les systèmes naturels et leur évolution** 6. **[Thermodynamique et systémique ]** **Deuxième loi de la thermodynamique (Carnot)** - **Dans un système isolé (qui n'échange ni matière ni énergie avec son environnement), l'énergie tend à se dégrader irréversiblement en se dissipant en chaleur** - **Energie = capacité à effectuer un travail, à provoquer un changement, a créer de l'ordre et de l'hétérogénéité** - **Entropie = mesure physique du degré de désordre d'un système, elle ne peut pas communiquer dans un système isolé** - **Augmentation de l'entropie = dérive entropique** - **Evolution du système vers un état plus probable et plus stable (équilibre thermodynamique)** - **Augmentation du désordre et de l'homogénéité** - **Perte d'information** **Dans un système ouvert, la dérive entropique peut être évitée au prix d'un flux permanent d'énergie avec l'environnement** - **Création d'ordre à partir du désordre** - **Organisation = néguentropie = diminution de l'entropie** - **Cette complexification ne peut être que locale dans l'univers** 7. **[Caractéristiques des systèmes vivants ]** **Les systèmes vivants sont des systèmes dynamiques ouvert** - **Formes complexes de structures dissipatives : états organisés qui se maintiennent grâce aux flux de matière et d'énergie qui les traversent (Ilya Prigogine)** - **Exemple : Cellules de convection, tornades, être vivants (sous l'effet de beaucoup d'énergie : déplacement)** **Les systèmes vivants sont des systèmes dynamiques auto-organisés** - **L'autopoïèse (du grec *auto* soi-même, et *poièsis* production, création) est la propriété des systèmes vivants de se produire eux-mêmes, en permanence et en interaction avec leur environnement, et ainsi de maintenir leur organisation malgré le changement continu de leurs composants (Francisco Varela et Humberto Maturana)** - **Exemple : cellule vivante, organisme, biocénose**  8. **[Représentation d'un système : le diagramme de boucles causales ]** **Représentation graphique d'un système par un réseau de variables reliées par des flèches symbolisant les influences directes entre ces variables (relations causales)** 9. **[Relations de causalité entre variables dans un système ]** **Causalité temporelle (influence, effet) : une variable influence les changements d'une autre variable** - **La relation causale suppose que l'effet est postérieur à la cause** **Une flèche désigne une relation asymétriques, irréversible et directe entre une variable A et une variable B** - **A joue alors le rôle de variable indépendante** - **B celui de variable dépendante** 10. **[Relations de causalité positives ou négatives ]** **La flèche porte le symbole + ou -- selon le signe de la relation entre les deux variables** - **La relation est positive si les variations temporelles de B vont dans le même sens que celles de A** - **La relation est négative si A et B varient en sens opposé** **Remarques :** - **Cette distinction vaut seulement pour des variables quantitatives ou ordinales** - **Une corrélation observée ne signifie pas une relation causale directe** 11. **[Chaînes de causalité ]** **Les paires causales de variables peuvent s'enchainer les unes aux autres** **Les relations indirectes ne doivent pas être représentées dans un diagramme de boucles causales**  **Une chaine de causalité peut se refermer sur elle-même pour former une boucle de rétroaction (feedback loop)** 12. **[Boucles de rétroaction positive ou négative ]** **La boucle de rétroaction peut avoir une polarité positive ® (Reinforcing loop) ou négative © (Counteracting loop)** **La polarité est déterminée par le nombre de signes négatifs à l'intérieur de la boucle** - **Un nombre pair (ou nul) indique une rétroaction positive** - **Un nombre impair indique une rétroaction négative** 13. **[Effet des boucles de rétroaction ]** **Une rétroaction positive produit une amplification du phénomène : emballement ou effondrement** - **Dynamique divergente** - **Source d'instabilité : le système doit trouver un nouvel équilibre, changer de configuration ou disparaître** **Une rétroaction négative provoque une régulation du phénomène** - **Dynamique convergente** - **Source de stabilité : le système tend à retrouver un même équilibre** 14. **[Exemple de régulation biologique (physiologie] humaine)** - **Régulation de la glycémie** - **Concentration de glucose dans le sang** - **Glycémie normale entre 0,7 et 1,1 g/L** - **Deux boucles de rétroaction négatives principales** - **Insuline = hormone hypo** - **Glucagon = hormone hyper** - **Organes impliqués : pancréas, foie, muscle** **15.[Exemple de régulation biologique (écologie des populations) ]** - **Dynamique d'une population** - **Effectif ou densité de la population** - **Equilibre dynamique entre naissance et décès** - **Deux boucles de rétroaction** - **Natalité : boucle de rétroaction +** - **Mortalité : boucle de rétroaction --** II. **[Equilibre et résilience ]** 1. **[Stabilité et équilibre ]** **Equilibre dynamique = état d'un système qui ne change pas avec le temps (équilibre stationnaire) ou qui subit des cycles d'oscillations (équilibre périodique)** **Stabilité = tendance du système à retourner à son état d'équilibre initial après une perturbation ou après les fluctuations qu'elle engendre** 2. **[Modèle physique de la stabilité ]** **A = équilibre stable global** - **La balle revient à sa position d'équilibre après une perturbation quelconque** **B= équilibre instable** - **La balle s'éloigne de sa position d'équilibre après une perturbation quelconque** **C= équilibre métastable** - **La balle reste ou elle est placée** - **L'équilibre dépend de la perturbation** **D= équilibre stable local** - **La balle retourner à sa position d'équilibre tant que la perturbation n'est pas trop grande** - **Le système est globalement instable** **E= équilibre instable avec plusieurs équilibres stables** - **La balle est attirée vers l'un ou l'autre point d'équilibre stable selon la direction de la perturbation** - **La frontière entre les deux bassins d'attraction est un équilibre instable** - **Le système est globalement stable** 3. **[Le concept de résilience ]** **Résilience** **écologique **: capacité d'un système à absorber les perturbations et de se réorganiser de façon à conserver son identité (Holling 1973) - S'applique aux systèmes avec plusieurs équilibres stables ( **E** ) - Maintenir son état dans les limites d'un bassin d'attraction Trois composantes - *[**L**atitude]* : largeur du bassin d'attraction - *[**R**ésistance]* : profondeur du bassin d'attraction - *[**P**récarité]* : distance à la limite du bassin d'attraction 4. [Modèles théoriques de la dynamique des systèmes ]  Représentation du système Etats d'équilibre --------------------------- ---------------------------------------------------- A : plat Aucun, assez rare en réalité B : équilibré Un seul état stable (attracteur) C : anarchique Seulement un état d'équilibre instable D : résilient Plusieurs états d'équilibre : stables ou instables 5. Homéostasie et homéorhésie En biologie des organismes, le concept de stabilité est plus connu sous le nom d'homéostasie (« même état ») - Concept forgé par Claude Bernard en physiologie humaine « tous les mécanismes vitaux, quelques variés qu'ils soient, n'ont toujours qu'un but, celui de maintenir l'unité des conditions de la vie dans le milieu intérieur » (Bernard 1865) - La régulation homéostatique implique que le milieu intérieur reste constant du point de vue physico-chimique et que ses variations soient rapidement corrigées A plus long terme, l'organisme doit pouvoir s'adapter à de nouvelles conditions de fonctionnement - Homéorhésie (« même flux ») = capacité à évoluer dans la même direction malgré des périodes d'instabilité successives - La régulation homéorhétique implique la coordination du métabolisme pour assurer une fonction physiologique prioritaire sans compromettre l'intégrité et la survie de l'organisme - Notion proche de celle de résilience, liant nécessité d'adaptation et de maintien d'une trajectoire de survie III. Complexité et hiérarchie 1. La vie et l'évolution de l'univers Depuis 15 milliards d'années, la matière évolue vers des états d'organisation, de complexité et de performance de plus en plus élevés - Premiers protons : une seconde apres le BB - Premiers atomes : 1 million d'années apres le BB - Premiers organismes unicellulaire : 11 milliards d'années apres le BB La vie terrestre est la forme connue la plus évoluée de cette organisation de la matière Le principe de complexité (Reeves 1986) - L'univers possède depuis les temps les plus reculés accessibles à notre exploration, les propriétés requises pour amener la matière à gravir les échelons de la complexité - Il est fort probable que la vie soit aussi apparue ailleurs dans notre univers ! 2. La pyramide de la complexité selon Hubert Reeves Evolution est apparition de structure de plus en plus complexe. 3. Complexité et simplicité La simplicité peut émerger des règles complexes. La complexité peut émerger de règles simples : - Chaos et catastrophes peuvent apparaître dans des modèles mathématiques très simples (Robert May, Rné Thom) - De simple automates cellulaires peuvent générer des structures très complexe (wolfram 2002)  4. Organisation hiérarchique des systèmes biologiques - Observé à une certaine résolution, un système biologique ou écologique est composé d'entités et est lui-même une entité d'un système plus vaste (imbrication) - Un système biologique ou écologique peut ainsi être décomposé sur la base de discontinuités spatiales et du réseau des interactions entre ses composants (décomposabilité) 5. La nature est structurée comme un langage Structure imbriquée : les éléments de chaque niveau sont composés avec les éléments du niveau inférieur et ils composent les éléments du niveau supérieur Des propriétés émergentes apparaissent à chaque niveau - Exemple : le sens d'un mot, les propriétés enzymatiques d'une protéine Le nombre d'entités différentes augmente d'un niveau à l'autre, mais toutes les combinaisons ne sont pas possibles 6. Décomposabilité et imbrication d'un système écologique  a. Décomposition verticale : les niveaux Les comportements du système sont ordonnés en niveaux hiérarchiques - Selon les différences dans les taux de changement de ses variables caractéristiques - Les processus opérant aux niveaux inférieurs se caractérisent par une dynamique plus rapide - Exemple : renouvellement rapide des cellules par rapport à la vitesse de reproduction des organismes - Le niveau supérieur exerce une contrainte sur le niveau inférieur mais est insensible aux changements rapides dans e niveau inférieur - Exemple : notre peau conserve son intégrité malgré la courte durée de vie des cellules épidermiques Chaque niveau agit comme un filtre qui ne laisse passer que les signaux sont la fréquence est plus élevée que sa fréquence caractéristique. b. Observation d'un système hiérarchique à différentes échelles Différentes dynamiques de la matière organique du sol observées selon trois échelles de temps et d'espace  c. Décomposition horizontale : les holons A l'intérieur d'un niveau, le système est décomposé en sous-système ou holons - Selon les différences dans la fréquence et l'intensité des interactions réciproques entre composants - A l'intérieur de chaque holon, es composants interagissent fréquemment et fortement entre eux mais rarement et faiblement avec les composants d'autres holons - Chaque holon est défini par une frontière spatiale et fonctionnelle qui l'isole des autres composants du système 7. Une vision hiérarchique de la causalité - Comprendre la causalité d'un système biologique ou écologique nécessite de considérer au moins trois niveaux - La théorie des hiérarchies est une approche formelle de la relation entre : - Le contrôle exercé par le niveau supérieur et - Les possibilités offertes par le niveau inférieur - Choix d'une échelle de perception spatio-temporelle et d'un critère d'observation IV. Niveaux d'organisation des systèmes vivants 1. Les niveaux c'organisation conventionnels  - Cette hiérarchie ascendante est basée sur une application naïve du concept - Elle ignore les contraintes exercées par les niveaux supérieurs - Certains niveaux (3,4 et 5) sont indépendants de l'échelle spatiale - Ils ne tiennent pas compte de la vitesse des processus - Ces niveaux conventionnels ne sont pas de vrais niveaux hiérarchiques - Différents points de vue sur les systèmes vivants (sous disciplines au sein de la biologie ou de l'écologie) - Ils correspondent à des critères d'observation des différentes hiérarchies qui organisant les systèmes naturels 2. Niveaux d'organisation et entité dans le monde vivant - Entités élémentaires constituées d'un petit nombre d'entités composites différents - Entité composites constituées d'un grand nombre d'entités élémentaires semblables  3. Les niveaux supérieurs d'organisation des systèmes vivants Domaine de l'écologie - Population : un ensemble d'organismes de la même espèce peuplant un territoire déterminé - Biocénose ou communauté s.l : un ensemble d'organismes de différentes espèces peuplant un même écosystème (=biocénose + biotope) local - Biome : un ensemble de biocénoses liées à un vaste domaine géographique et climatique - Biosphère : l'ensemble des êtres vivants peuplant notre planète au sein de l'écosphère (écosystème mondial) 4. Les points de vue en écologie - Point de vue « biologique » : écologie des organismes (autécologie), des populations (démécologie) et des communautés (synécologie) - Préférences écologiques et adaptations des organismes à l'environnement - Liens avec l'anatomie et la physiologie - Interactions biotiques - Liens avec l'éthologie, la parasitologie, ect... - Structure et dynamique des populations et des communautés - Lien avec les génétique et les sciences de l'évolution - Point de vue « environnemental » : écologie des écosystèmes, écologie globales - Cycles de matière et d'énergie, ressources naturelles - Liens avec la géologie, la chimie et la physique - Gestion est restauration des écosystèmes - Liens avec l'agronomie, la foresterie, ect...