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F OR M ES ET M OTI F S DA N S L A NATU R E

De la spirale des escargots à celle des galaxies, des nervures des feuilles aux méandres des rivières, des rayures du zèbre à celles des poissons-anges… certains types de formes et de motifs sont récurrents dans la nature à tous les niveaux d’organisation. En s’appuyant sur une galerie de photos d’une incroyable beauté, Philip Ball met en avant ces étonnantes convergences et nous en révèle les causes.

PHILIP BALL

PHILIP BALL

F O R MES ET M O T I FS D A N S L A NAT U RE L’ORDRE CACHÉ DU MONDE SOUS L’APPARENT CHAOS

ISBN  : 978-2-84138-850-9

,!7IC8E1-diifaj! PRIX TTC FRANCE  : 35



PHILIP BALL

FOR M ES E T MO TIFS DANS L A NATURE L’ORDRE CACHÉ DU MONDE SOUS L’APPARENT CHAOS !


6 INTRODUCTION

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L’édition originale de ce livre a été publiée en anglais sous le titre : Patterns in nature : why the natural world looks the way it does / Philip Ball. © 2016 by Marshall Editions All rights reserved. Published 2016. Conceived, edited, and designed by Marshall Editions The Old Brewery 6 Blundell Street London N7 9BH www.quartoknows.com QUAR. M. PTN All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means (including electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise) without prior written permission from the publisher.

Crédits photos de la couverture : Pelage girafe : Stocksy/Xunbin Pan Ondulations sur l’eau : Stocksy/Odyssey Stock Sol craquelé : Gettyimages/Image Source Design couverture : Isaac Tobin

Pour l’édition française : © 2016 Les Éditions Ulmer 24, rue de Mogador 75009 Paris Tél. : 01 48 05 03 03 Fax : 01 48 05 02 04 www.editions-ulmer.fr Traduction de l’anglais : Pierre Bertrand Responsable éditorial : Antoine Isambert Réalisation : Julia Verneau ISBN : 978-2-84138-850-9 N° d’édition : 850-1 Dépôt légal : octobre 2016 Printed in China by Hung Hing Off-set Printing Co. Ltd

SOMMAIRE

CHAPITRE 1 SYMÉTRIE

188 CHAPITRE 7 RÉSEAUX CRISTALLINS

106

CHAPITRE 4 FLUX & CHAOS


SOMMAIRE

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46 78 CHAPITRE 2 FRACTALES

140

162

CHAPITRE 5 VAGUES & ONDES

220

CHAPITRE 8 FISSURES & ARBORESCENCES

CHAPITRE 3 SPIRALES

CHAPITRE 6 BULLES & MOUSSE

246 CHAPITRE 9 TACHES & RAYURES

283 BIBLIOGRAPHIE 284 INDEX 286 CRÉDITS


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FORMES ET MOTIFS DANS LA NATURE

Introduction Le monde est un endroit confus et turbulent, auquel nous tentons de donner un sens en y recherchant un ordre. Nous remarquons les cycles réguliers du jour et de la nuit, de la lune et des marées ainsi que le retour des saisons. Nous notons les similitudes, les phénomènes prévisibles, les régularités. Ces principes guident l’émergence de la science depuis toujours. Nous nous efforçons de réduire la complexité de la nature à quelques règles simples et de dégager un ordre au chaos apparent. Nous sommes tous à l’affût des rythmes et des motifs dans la nature.

C

’est une habitude programmée dans notre cerveau. Depuis les premières fois où, bébé, nous avons remarqué la répétition de certains sons et phénomènes, identifier des régularités et des motifs nous aide à survivre. Motifs et régularités sont le pain quotidien des scientifiques, mais nous pouvons tous les apprécier et ressentir de l’émerveillement ou de la satisfaction intellectuelle. Toutes les civilisations du monde, de l’Égypte ancienne aux Aborigènes d’Australie, décorent leurs productions de motifs répétitifs. Ces structures nous paraissent à la fois plaisantes et rassurantes. Elles nous encouragent à croire que, quoi qu’il arrive, une logique et un ordre sont à l’œuvre. Mais quand nous créons nos propres motifs, c’est par un processus minutieux d’élaboration, découpant les pièces à la forme désirée ou les intégrant une par une dans l’ensemble. La création d’un motif paraît donc nécessiter un créateur. C’est pourquoi, quand autrefois les gens découvraient un motif dans la nature, comme les rayons à miel d’une ruche, les dessins des robes des animaux, les spirales de graines d’un tournesol, l’étoile à six branches d’un flocon, ils y voyaient le témoignage d’une intelligence, un signe laissé par un créateur omnipotent. Aujourd’hui, nous n’avons plus besoin de cette hypothèse. Nous savons que les motifs, la régularité et la forme peuvent naître des forces et des principes fondamentaux de la physique et de

la chimie, éventuellement sélectionnés et affinés par l’évolution biologique. Mais cela ne fait qu’approfondir le mystère. Comment la tapisserie complexe de la nature parvient-elle à s’autoorganiser et à produire un motif sans modèle ni intention ? Comment ces motifs apparaissent-ils spontanément ? Leur aspect nous fournit des indices. Un des traits les plus curieux des motifs naturels est que leur nombre est relativement limité et qu’on les retrouve à des échelles différentes et dans des systèmes qui n’ont a priori rien en commun. Ce sont des spirales et des hexagones, des éclairs et des craquelures aux ramifications complexes, des taches et des rayures. Il semble que certains processus de formation de motifs soient indépendants des conditions spécifiques de tel ou tel système et soient susceptibles de se manifester un peu partout, jetant des passerelles entre les mondes animé et inanimé. En ce sens, la formation de motifs est universelle. Elle ne respecte aucune des frontières que nous sommes habitués à tracer entre différents phénomènes et domaines scientifiques.

Croissance et forme ? Tous ces motifs ont-ils un point commun ou leur ressemblance n’est-elle qu’une coïncidence ? La première personne à s’être attelée à la question est le zoologiste écossais D’Arcy Wentworth Thompson. En 1917, Thompson publia

ORDRE MATHÉMATIQUE Les motifs géométriques réguliers et très élaborés sont courant dans l’ornementation de l’architecture islamique traditionnelle, expression du sentiment d’un cosmos ordonné. Certains artistes semblaient s’intéresser particulièrement aux éléments de motifs impossibles à répéter à l’identique, tels que pentagones et octogones.



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son chef d’œuvre, Forme et Croissance, un recueil de tout ce que l’on savait à l’époque sur les motifs naturels, synthèse admirable de biologie, d’histoire naturelle, de mathématiques, de physique et de génie mécanique. Comme le titre l’indique, Thompson soulignait que la formation de motifs n’était pas statique mais résultait de la croissance, au moins en biologie, mais souvent aussi dans le monde inanimé. « Les choses sont comme elles sont - écrit-il - parce que c’est ainsi qu’elles se sont formées. » La réponse à l’énigme des motifs réside dans l’histoire de leur formation, dans leur croissance. C’est moins évident qu’il n’y paraît : on explique généralement un pont, un champ de riz ou un microprocesseur par sa structure, non par sa construction. Thompson cherchait en partie à freiner l’enthousiasme débridé qui voulait alors expliquer

toute forme dans le monde vivant en invoquant la théorie darwinienne de la sélection naturelle, c’est-à-dire et affirmant qu’un motif existait parce qu’il procurait un avantage adaptatif pour la survie de l’organisme. Pas nécessairement, tempérait Thompson. La nature n’a peut-être simplement pas le choix : la forme est déterminée par les contraintes des forces physiques, et non par sa pertinence biologique. Même les êtres vivants doivent être correctement conçus pour survivre aux caprices du destin. C’était un rappel bienvenu des contraintes s’exerçant sur la théorie de Darwin, mais il ne la contredit pas nécessairement. Dans le monde vivant, la formation des motifs semble à la fois restreindre les options de changement adaptatif tout en offrant de nouvelles opportunités d’adaptation. En d’autres termes, elle opère en parallèle et parfois en synergie avec

1 EXUBÉRANCE NATURELLE Le somptueux plumage de la pintade vulturine, qui vit dans le nord-est de l’Afrique. 2 DES MOTIFS PARTOUT La régularité et l’ordre imprègnent le monde naturel, animé ou non. Parfois, il faut un microscope (ou un télescope) pour le voir, comme dans le cas de ces grains de pollen.


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FORMES ET MOTIFS DANS LA NATURE

l’évolution darwinienne. Elle fournit par exemple les taches colorées qui servent de camouflage ou de signe de reconnaissance aux animaux. Ces motifs ne sont peut-être pas arbitraires, mais ils peuvent être utiles. Mais le livre de Thompson a aussi montré pourquoi la récurrence des mêmes motifs dans des domaines scientifiques variés n’était pas une coïncidence. Par exemple, pourquoi les formes créées par les bulles de savon ressemblent aux amas de cellules vivantes ou aux squelettes alvéolaires de minuscules organismes marins, ou pourquoi les coquilles des escargots et les cornes des béliers s’enroulent en spirales mathématiques, pourquoi l’épine dorsale des vertébrés ressemble aux ponts cantilever.

Entourés de merveilles Thompson était loin d’avoir tout éclairci, mais il était sur la bonne piste. Au cours du siècle écoulé depuis la parution de Forme et Croissance, beaucoup de motifs naturels nouveaux ont été découverts et expliqués. De nos jours, des scientifiques se consacrent spécialement à ces phénomènes à l’aide d’outils conceptuels, expérimentaux et informatiques qui faisaient défaut à Thompson. C’est un sujet fascinant et ambitieux, mais une bonne partie de leur motivation est esthétique : ces motifs sont beaux ! Ils illustrent ce que le physicien américain Richard Feynman disait du fonctionnement de l’univers : « La nature n’utilise que les fils les plus longs pour tisser ses motifs ; ainsi, un petit morceau de sa trame révèle l’organisation de toute la tapisserie. » Les principes généraux à l’œuvre dans l’univers peuvent être lus aussi clairement sur un petit fragment que dans un grand panorama : dans une casserole sur le feu s’esquissent les flux convectifs qui ordonnent les nuages dans le ciel, et le réseau de nos veines reflète les grands réseaux hydrographiques qui parcourent les continents et modèlent les massifs montagneux. Cela ne signifie pas qu’une seule théorie grandiose explique toutes ces choses, même si certains scientifiques en ont rêvé ou en rêvent

encore. Mais beaucoup de motifs sont des variations sur un même thème, traduisant le fait qu’ils résultent souvent de processus similaires où une force causale quelconque, gravité, chaleur ou évolution, empêche le système de se figer dans un état stable et invariable ; où des influences variées interagissent entre elles, se renforçant ou se contrariant ; où les motifs peuvent changer soudain d’apparence quand la force causale dépasse un certain seuil ; où de petits événements peuvent avoir de grandes conséquences ; où ce qui se passe ici peut influencer les événements en un point distant ; et où les accidents peuvent être figés sur place et déterminer ce qui se déroule plus tard. Il n’y a pas de Loi de Formation des Motifs, mais il y a peut-être un livre de recettes. Ce livre n’expliquera pas tous ces phénomènes. Cela a été fait ailleurs (voir Bibliographie page 283). Son propos est de vous donner un avant-goût des recettes, mais, plus encore, de vous en faire voir les effets dans toute leur spectaculaire beauté. Plus peut-être qu’aucun autre domaine scientifique, celui-ci fait une grande place à l’émerveillement. Certaines des images présentées ici ne sont pas encore pleinement expliquées par la science ; les principes généraux sont clairs, mais pas les détails ni les nuances. D’autres images ont été choisies simplement pour leur beauté. Car nous en avons aussi besoin. Nous avons besoin d’admirer et de nous émerveiller autant que d’analyser et de calculer. Les motifs naturels sont de purs délices, mais ils témoignent aussi de quelque chose de profond, comme Feynman l’avait noté. Ils nous apprennent que pour comprendre le monde, il ne suffit pas d’en démonter les composants élémentaires, il faut aussi les remonter. Les motifs naissent d’une richesse d’interactions entre composants qu’on ne soupçonne pas en les observant individuellement. Ce n’est être ni mystique, ni anthropomorphiste, que de suggérer que cette émergence de formes révèle une sorte de créativité spontanée à l’œuvre dans la nature. Celle-ci utilise des principes simples pour créer « une infinité de belles et admirables formes » comme l’exprimait Darwin. Et c’est un peu de cette beauté que nous voulons montrer ici.

UNE PALETTE DE MOTIFS Certaines formes et motifs sont récurrents dans la nature, dans des systèmes qui n’ont apparemment rien en commun. Les vagues de croissance en sont un exemple, comme dans ce morceau d’agate.



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De la spirale des escargots à celle des galaxies, des nervures des feuilles aux méandres des rivières, des rayures du zèbre à celles des poissons-anges… certains types de formes et de motifs sont récurrents dans la nature à tous les niveaux d’organisation. En s’appuyant sur une galerie de photos d’une incroyable beauté, Philip Ball met en avant ces étonnantes convergences et nous en révèle les causes.

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