Cristaux, informations et origine de la vie

Les cristaux sont parmi les plus beaux objets du monde naturel. Ils sont bien compris, omniprésents et très admirés.

Et pourtant, la façon dont les scientifiques les définissent est spectaculairement ennuyeuse. L'Union internationale de cristallographie définit les cristaux comme des structures qui produisent un motif de diffraction avec des points discrets.

En d'autres termes, ces objets sont définis par le seul processus utilisé pour les mesurer. S'il ne produit pas le diagramme de diffraction requis, ce n'est pas un cristal.

Aujourd'hui, Julyan Cartwright de l'Université de Grenade en Espagne et Alan Mackay de l'Université de Londres au Royaume-Uni soutiennent que cette définition est myope et inutilement restrictive.

Ils soulignent que la convergence de la cristallographie, de la science des matériaux et de la biologie ouvre une nouvelle approche de l'étude de la structure, de la forme et de la fonction. Cette nouvelle science ne s'intéresse pas aux formes statiques dans des équilibres stables, mais aux formes métastables qui sont à la merci du paysage énergétique dans lequel elles existent et du flux d'informations vers et depuis l'environnement.

Cartwright et Mackay donnent comme exemple la structure de la nacre, le beau biominéral irisé que certains mollusques produisent comme revêtement intérieur de leur coquille.

Il s'agit certainement d'une structure cristalline ordonnée, mais qui ne produit pas le motif de diffraction nécessaire pour être classé comme un cristal.

C'est le résultat de sa complexité. La nacre est formée de couches de plaques hexagonales de carbonate de calcium disposées en « briques ». Ces couches sont séparées par des feuilles de biopolymères, comme la chitine.

Cette combinaison produit des propriétés utiles. Les feuilles organiques empêchent la propagation des fissures tandis que les plaquettes assurent la résistance. La nacre est donc solide, résistante et belle.

Mais comment décrire et analyser un tel matériau ? Cartwright et Mackay disent qu'une considération importante est l'information qu'un mollusque utilise pour fabriquer la nacre ; et cela est déterminé par son génome, son protéome, etc., qu'ils appellent ensemble un conchome.

D'une manière ou d'une autre, de toute cette complexité et de cette auto-organisation, la nacre émerge. Personne ne sait vraiment comment.

Néanmoins, leur point clé est que cette structure est un phénomène d'information. Et que cette information est une sorte d'algorithme ou de formule pour produire de la nacre, analogue à un algorithme qui produit les chiffres de pi.

Seule une science qui prend en compte cette information sera capable d'une description complète de la nacre et d'autres matériaux similaires, disent Cartwright et Mackay.

C'est une approche intéressante et ambitieuse qui a le potentiel de changer profondément la façon dont les scientifiques des matériaux et les biologistes pensent à la forme et à la structure.

Ce qui est intéressant, c'est qu'un changement similaire dans la réflexion sur la forme et la fonction est également en train d'émerger dans le domaine entièrement différent de la robotique et de l'intelligence artificielle.

Pendant de nombreuses années, les roboticiens ont tenté de copier les capacités humaines telles que la marche et la course, en construisant ainsi des appareils dotés d'un processeur central contrôlant chaque aspect du mouvement.

Cela nécessitait des robots dotés de capteurs sur chaque articulation qui renvoyaient des signaux sur l'état de chaque membre à tout moment. Le processeur central a ensuite décidé d'une stratégie de mouvement, calculé une trajectoire pour le membre et l'a ensuite déplacé en conséquence. C'est exactement comme ça que les humains font. Ou alors ils ont supposé.

Mais cette approche échoue de manière spectaculaire car le problème de la coordination de toutes ces articulations devient difficile en termes de calcul lorsque les conditions changent, lorsque vous marchez à l'extérieur ou à l'étage ou que vous faites un jogging par exemple.

Les roboticiens ont donc dû adopter une nouvelle approche. Il s'avère que les humains effectuent de nombreuses actions qui sont si rapides que le cerveau humain ne peut pas être impliqué. La mise en tension, l'accélération et la décélération des muscles, tendons et ligaments lorsque vous sautez d'un mur par exemple.

Tous ces changements dans les propriétés des matériaux se produisent en un clin d'œil sans aucune implication du cerveau. Au lieu de cela, la structure, la forme et les propriétés des matériaux eux-mêmes effectuent cette tâche - l'intelligence est intégrée.

Dans un sens, le cerveau sous-traite le contrôle de ce mouvement aux matériaux eux-mêmes.

En fait, les roboticiens ont commencé à considérer ce type de mouvement comme un calcul, car il peut être grossièrement assimilé à la quantité de puissance de calcul dont un processeur central aurait besoin pour effectuer une tâche similaire. Et ils ont commencé à concevoir des robots basés sur ce principe de calcul dit morphologique.

Cela commence maintenant à révolutionner la robotique. Au lieu de robots contrôlés de manière centralisée, les ingénieurs construisent des robots dans lesquels l'intelligence est intégrée à la forme et à la forme de la structure. Ceux-ci peuvent effectuer des tâches apparemment complexes comme marcher, courir et nager avec peu ou pas de supervision informatique.

Une idée clé dans tout cela a été une meilleure compréhension du rôle de l'environnement. Mettez un robot marcheur dans une piscine et il est impuissant. Ainsi, la forme et la forme seules ne confèrent pas l'intelligence - c'est l'interaction entre la forme et la forme et un environnement particulier qui est cruciale.

La manière dont les informations peuvent être extraites de l'environnement est parfois spectaculaire. Un exemple est une apparence blob intelligent qui peut résoudre un labyrinthe . Mais bien sûr, chaque labyrinthe code sa solution dans sa structure. L'astuce consiste à concevoir un système simple qui extrait ces informations.

Cet élément, le rôle crucial de l'environnement, n'est pas encore très présent dans les idées de Cartwright et Mackay. Ils seraient les premiers à reconnaître que l'environnement joue un rôle crucial dans la formation de toute structure cristalline ou biologique.

Mais il y a un sens dans lequel les processus de cristallisation et d'auto-organisation sont comme la goutte qui résout le labyrinthe : le modèle ou la structure est clairement le résultat d'une sorte d'extraction ou d'échange d'informations. Une telle approche peut aussi éclairer l'origine de la vie.

La clé sera de comprendre et de caractériser la relation entre l'environnement, les structures qui s'y forment et le flux d'informations qui rend cela possible.

Et si les cristallographes, les scientifiques des matériaux et les biologistes veulent le résoudre, ils feraient bien de faire équipe avec les roboticiens, les ingénieurs et les biologistes de l'évolution qui jouent avec des idées très similaires.

Réf : arxiv.org/abs/1207.3997 : Au-delà des cristaux : la dialectique des matériaux et de l'information

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