La troisième loi de la mécanique formulée par le physicien britannique Isaac Newton (1643-1727) dit que les forces se manifestent toujours en paires. Si A exerce une Force sur B, B exerce une force identique mais opposée sur A. Cela implique que le système considéré se trouve en équilibre thermodynamique ou très près de celui-ci.
Si par contre on se trouve loin de l’équilibre comme c’est le cas pour nombre de phénomènes liés à la vie, ceux-ci ne sont pas prévus par les lois de Newton et souvent contre-intuitifs. La physique moderne les comprend pourtant parfaitement bien: il n’y a pas de miracles. La vie est définie par deux critères principaux et uniques: métabolisme et reproduction; elle utilise des états instables à longue durée, loin de l’équilibre. Cela peut avoir des conséquences bizarres, inconnues dans la nature inanimée. Les embryons éclos des oeufs d’étoiles de mer (Patiria miniata) en sont un exemple d’un intérêt particulier. Ils ont l’air de grosses cellules elliptiques de section ronde et équipées de cils moteurs; leur diamètre est de l’ordre de 0,15 millimètre. Si on en verse un grand nombre sur de l’eau, ils essaiment à la surface et forment spontanément un cristal bidimensionnel et chiral de symétrie hexagonale.
Ce système ne reste pas stationnaire, mais se met à tourner autour d’un axe central. Cela est dû à la somme des interactions de deux des embryons respectivement. Sous l’effet de leurs cils-moteurs, chacun d’eux tourne de droite à gauche autour de son propre axe longitudinal. Selon Newton, il en résulte une force d’attraction entre les composants du cristal bidimensionnel; c’est ainsi que se forme un système ordonné et symétrique. Il s’y ajoute une force tangentielle qui n’est pas prévue par la troisième loi de Newton et qui force chaque paire d’embryons de tourner autour d’un axe imaginaire situé à mi-chemin entre les deux embryons. En anglais ce phénomène est appelé «odd elasticity»; il n’apparaît pas à vicinité de l’équilibre thermodynamique.
La physique loin de l’équilibre
Considérons un cristal de sel de cuisine dans lequel les ions sodium et chlorure forment un ensemble de symétrie cubique. Si l’on presse dessus, il pressera en retour avec la même force, comme prévu par Newton. Les cristaux exotiques comme l’arrangement bidimensionnel d’embryons d’étoile de mer flottants décrit plus haut se comportent tout autrement. La compression et la rotation auxquels ils sont assujettis résulte en des effets que Newton n’avait pas prévus. Si l’on comprime le système, il se met à tourner; une rotation externe induite par contre n’engendre pas de force compressive.
Les effets bizarres de ce genre sont typiques pour la physique loin de l’équilibre; ils sont prévus par une théorie complémentaire à celle de Newton. Les cristaux bidimensionnels d’embryons d’étoiles de mer à l’interface eau-air se comportent exactement comme prévu par la théorie des systèmes dissipatifs. Leur rotation les conduit à former spontanément un système ordonné, c’est-à-dire un cristal bidimensionnel d’organismes vivants eux-mêmes soumis à une rotation collective. La rotation propre des embryons autour de leur axe longitudinal, orientée à 90 degrés de la surface de l’eau a pour conséquence d’attirer de l’eau et de l’orienter vers le bas. Ce mouvement du liquide résulte en une force attractive entre embryons, comme prévu par Newton. Mais si l’on se place loin de l’équilibre, un nouvel effet non-réciproque apparaît: il s’agit d’une force tangentielle entre chaque paire d’embryons qui fait tourner la paire autour d’un axe commun et qui résulte en une rotation collective du système tout entier.
Matière animée et inanimée
Des effets de ce genre, plutôt bizarres sont caractéristiques pour la matière animée loin de l’équilibre. Leur métabolisme livre l’énergie compensant l’entropie créant forcément du désordre dans les systèmes inanimés. Il se forme ainsi des structures stables à court et moyen terme. Ils s’effondrent au moment où l’énergie métabolique vient à manquer, signalent le retour à l’équilibre. Aussi longtemps que cette énergie est disponible, on observera les phénomènes non-classiques décrits plus haut pendant plusieurs heures. Leur durée est limitée par la croissance des embryons: pour cette raison, les cristaux vivants bidimensionnels ont une durée de vie limitée à environ 30 heures après quoi ils se décomposent.
Ce scénario décrit très concrètement la différence fondamentale entre la matière animée et inanimée. Les propriétés dynamiques du cristal vivant se manifestent par des effets physiques n’apparaissant que loin de l’équilibre. De plus, les cristaux vivants ont une vie très courte et s’auto-détruisent. Leurs „atomes“ croissent et se développent grâce à de l’énergie chimique stockée dans leur intérieur. Leur espérance de vie est courte, mais ils peuvent se reproduire de par la génétique porteuse d’information biochimique, ce qui implique mutation, sélection et développement toujours plus complexe
Les cristaux inorganiques comme par exemple le zircon consistant en silicate de zirconium, se trouvent dans un équilibre thermodynamique quasiment parfait. S’il n’est pas trop maltraité par des phénomènes géophysiques, le zircon survivra des milliards d’années sans changements apparents. Son apparence reste la même: ils suivront strictement les lois de Newton durant des espaces temporels cosmiques. Leur structure cristalline s’établit spontanément sous l’effet de l’interaction de charges électriques et de la grandeur des ions.
Lucien F. Trueb
Rèfèrence: T. H. Tan et al., Nature 607, 287 (2022)
