Une étude révèle que les similitudes entre les systèmes physiques et biologiques pourraient être plus grandes que nous le pensons

Une foule ou un vol d’oiseaux ont des caractéristiques différentes de celles des atomes d’un matériau, mais lorsqu’il s’agit de mouvements collectifs, les différences importent moins qu’on pourrait le penser. Nous pouvons essayer de prédire le comportement des humains, des oiseaux ou des cellules en nous basant sur les mêmes principes que ceux que nous utilisons pour les particules.

C’est la conclusion d’une étude publiée dans le Journal de mécanique statistique : théorie et expérienceJSTAT, menée par une équipe internationale qui comprend la collaboration du MIT à Boston et du CNRS en France. L’étude, basée sur la physique des matériaux, a simulé les conditions qui provoquent un changement soudain d’un état désordonné à un état coordonné chez des « agents autopropulsés » (comme les agents biologiques).

« D’une certaine manière, les oiseaux sont des atomes volants », explique Julien Tailleur, du MIT Biophysics, l’un des auteurs de l’étude. « Cela peut paraître étrange, mais en effet, l’une de nos principales découvertes est que la façon dont se déplace une foule en marche, ou une volée d’oiseaux en vol, partage de nombreuses similitudes avec les systèmes physiques de particules. »

Comme l’explique Tailleur, dans le domaine des études sur les mouvements collectifs, on a supposé qu’il existait une différence qualitative entre les particules (atomes et molécules) et les éléments biologiques (cellules, mais aussi organismes entiers en groupe). On pensait notamment que la transition d’un type de mouvement à un autre (par exemple du chaos à un flux ordonné, appelée transition de phase) était complètement différente.

Pour les physiciens, la différence essentielle réside dans la notion de distance. Les particules qui se déplacent dans un espace avec de nombreuses autres particules s’influencent mutuellement en fonction de leur distance mutuelle. Pour les éléments biologiques, en revanche, la distance absolue est moins importante.

« Prenons un pigeon qui vole en groupe : ce qui l’intéresse, ce ne sont pas tant tous les pigeons les plus proches, mais ceux qu’il peut voir. » En fait, selon la littérature, parmi ceux qu’il peut voir, il ne peut en suivre qu’un nombre fini, en raison de ses limites cognitives.

Le pigeon, dans le jargon des physiciens, est en « relation topologique » avec d’autres pigeons : deux oiseaux peuvent être à une distance physique assez grande, mais s’ils sont dans le même espace visible, ils sont en contact mutuel et s’influencent mutuellement.

On a longtemps cru que ce type de différence conduisait à un scénario complètement différent pour l’émergence du mouvement collectif. « Notre étude suggère cependant qu’il ne s’agit pas d’une différence cruciale », poursuit Tailleur.

« Évidemment, si nous voulions analyser le comportement d’un véritable oiseau, il y aurait des tonnes d’autres complexités qui ne sont pas incluses dans notre modèle. Notre domaine suit un conseil attribué à Einstein, à savoir que si vous voulez comprendre un phénomène, vous devez le rendre « aussi simple que possible, mais pas plus simple ».

« Pas la plus simple possible, mais celle qui élimine toute complexité qui n’est pas pertinente pour le problème. Dans le cas spécifique de notre étude, cela signifie que la différence qui est réelle et existe – entre la distance physique et la relation topologique – ne modifie pas la nature de la transition vers le mouvement collectif. »

Le modèle utilisé par Tailleur et ses collègues s’inspire du comportement des matériaux ferromagnétiques. Ces matériaux ont, comme leur nom l’indique, des propriétés magnétiques. À haute température ou à faible densité, les spins (en simplifiant : la direction du moment magnétique associé aux électrons) sont orientés de manière aléatoire en raison des grandes fluctuations thermiques et sont donc désordonnés. Cependant, à basse température et à haute densité, les interactions entre les spins dominent les fluctuations et une orientation globale des spins émerge (en les imaginant comme de nombreuses petites aiguilles de boussole alignées).

« Mon collègue Hugues Chaté s’est rendu compte il y a vingt ans que, si les spins se déplaçaient dans la direction vers laquelle ils pointent, ils s’ordonneraient par une transition de phase discontinue, avec l’apparition soudaine de grands groupes de spins se déplaçant ensemble, un peu comme des volées d’oiseaux dans le ciel », explique Tailleur.

C’est très différent de ce qui se passe dans un ferromagnétique passif, où l’émergence de l’ordre se produit progressivement. Jusqu’à récemment, les physiciens pensaient que les modèles inspirés de la biologie dans lesquels les particules s’alignent avec leurs « voisins topologiques » connaîtraient également une transition continue.

Dans le modèle utilisé dans l’étude, Tailleur et ses collègues ont montré qu’au contraire, une transition discontinue est observée, même si la relation topologique au lieu de la distance est utilisée, et que ce scénario devrait s’appliquer à tous ces modèles.

« Dans certaines limites, les détails de la façon dont vous vous alignez n’ont pas d’importance », explique Tailleur, « et notre travail montre que ce type de transition devrait être générique. »

Un autre résultat est que dans le modèle utilisé, des flux stratifiés se forment à l’intérieur du groupe plus large, ce qui s’apparente à ce que l’on observe également dans la réalité : il est rare qu’une masse de personnes se déplace toutes ensemble dans une même direction ; on y voit plutôt le mouvement de groupes finis, des flux distincts qui suivent des trajectoires légèrement différentes.

Ces modèles statistiques, basés sur la physique des particules, peuvent donc aussi nous aider à comprendre le mouvement collectif biologique, conclut Tailleur.

« Le chemin vers la compréhension du mouvement collectif tel que nous le voyons en biologie – et son utilisation pour concevoir de nouveaux matériaux – est encore long, mais nous faisons des progrès. »