LYFE : la Thermodynamique de la Vie [Astrobiologie #2]

"Qu'est-ce que la vie ? "

C’est la question qu’on s’était posée dans un épisode précédent,

et j’avais essayé de vous donner des éléments de réponse

à partir de ce qu’on sait de la vie sur Terre,

et de son fonctionnement biochimique.

Mais si on essaye d’imaginer ce que pourrait être une forme de vie extra-terrestre,

il faut peut-être essayer de réfléchir de façon plus large.

En se basant trop sur la vie telle qu’on la connait, avec de l’eau,

des molécules à base de carbone, des cellules

on risque peut-être de passer à côté de formes de vie très différentes,

basées sur des phénomènes ou des structures qu’on aurait pas envisagés.

Mais comment trouver une définition suffisamment large

de ce qu’on pourrait appeler la vie ?

Quand la NASA lui avait posé cette question, le chimiste américain James Lovelock

avait dit "Pour trouver de la vie, cherchez des réductions d’entropie".

L'entropie, c'est un concept de thermodynamique

qui a l'inconvénient d'être un peu obscur,

mais l’avantage d’être très générique,

il s'applique à tout un tas de situations.

C'est donc peut-être une bonne piste

pour essayer de définir la vie de la façon la plus large possible.

Dans cet épisode, on va donc s'intéresser à une approche thermodynamique

de ce qu'est la vie,

en utilisant notamment une proposition récente

qui a eu un certain écho,

et qui nous vient de l’astrobiologiste Stuart Bartlett, qui travaille à Caltech.

Pour éviter d'être trop influencé par ce qu’on a autour de nous,

Bartlett a d’abord suggéré que le terme "vie", life en anglais,

soit réservé à la vie sur Terre telle qu’on la connait.

Et il a proposé l'utilisation d'un nouveau terme "lyfe avec y »,

il le prononce "loyfe", pour désigner la vie au sens large,

tout ce qui a les caractéristiques de la vie,

et qui pourrait exister ailleurs que sur Terre.

Sa définition s’appuie sur 4 piliers inspirés par la thermodynamique :

la vie au sens large, la lyfe,

ce serait "des structures dissipatives, capables d'autocatalyse,

d'homéostasie et d’apprentissage.

À ce stade, ces termes vous paraissent probablement plutôt obscurs,

et le but de la vidéo ça va être justement de les décortiquer, de les illustrer,

et de voir en quoi ils pourraient former une définition raisonnable

pour "la vie au sens large".

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Pour être sûr de ne pas rater une forme de vie très inattendue,

James Lovelock avait donc conseillé de rechercher des endroits

présentant des réductions d'entropie.

Qu'est-ce que ça veut dire ?

L'entropie, c'est une notion de thermodynamique

qu'on associe souvent à l'idée de désordre.

Prenez des billes rouges et bleues rangées dans une boite.

Si vous avez toutes les rouges d'un côté et toutes les bleues de l'autre,

l'entropie du système est faible.

Si tout est mélangé, l'entropie est élevée.

Or si on regarde les êtres vivants tels qu’on les connait,

ce sont plutôt des structures super complexes et extrêmement bien ordonnées.

Prenons par exemple un léopard : c'est un système bien plus organisé

que ce qu’on obtiendrait si on mélangeait aléatoirement

toutes les molécules qui le composent.

La vie, c’est un peu le contraire du désordre.

Les êtres vivants sont des systèmes de faible entropie.

Ce qui est bizarre, c'est qu'il existe une loi en physique

qui dit que l'entropie ne peut qu'augmenter.

C'est ce qu'on appelle le second principe de la thermodynamique.

Globalement, l'Univers doit tendre vers le désordre.

Manifestement, le développement de la vie fait tout l'opposé de ça :

on a de plus en plus d’ordre et de structure.

Alors est-ce que la vie viole le second principe de la thermodynamique ?

Est-ce que c’est ça la définition de la vie : un truc un peu magique

qui a le pouvoir de s'affranchir d'une loi physique fondamentale ?

Eh bien non, cet apparent paradoxe avait déjà été soulevé et expliqué

par le physicien Erwin Schrödinger en 1944, dans un essai intitulé "What is life ? ".

Et pour comprendre pourquoi la vie ne va pas à l'encontre de la thermodynamique,

il faut regarder les choses de plus près.

En thermodynamique, il y a deux quantités fondamentales : l'énergie et l'entropie.

Pour les curieux j’avais déjà fait une vidéo spécifique sur le sujet,

mais je vais expliquer les grandes lignes.

L’énergie, on sait qu'elle peut exister sous différentes formes :

l'énergie cinétique quand un objet est en mouvement,

l'énergie thermique, quand il est chaud,

l'énergie potentielle, l'énergie électrique, l'énergie chimique etc.

Dans un système isolé, la quantité totale d’énergie est conservée, elle est constante

C’est le premier principe de la thermodynamique.

Il n’y a pas de création d’énergie, pas de destruction.

Il est seulement possible de transformer une forme d'énergie en une autre.

Quand vous pédalez pour recharger une batterie,

l'énergie est d’abord sous forme chimique, dans vos muscles,

puis elle est convertie en énergie mécanique, puis en énergie électrique,

et à nouveau en énergie chimique dans la batterie.

Avec en plus à chaque étape la production d’un peu d’énergie thermique.

L’énergie reste en quantité constante, et ne fait que changer de forme.

Mais malgré cela, toutes les formes d'énergie ne se valent pas.

En fait il y en a une qui est moins exploitable que les autres,

c'est l'énergie thermique, sous forme de chaleur.

Je ne vais pas rentrer dans les détails, mais pour le dire de façon imagée,

c'est une forme d'énergie qui est plus diluée, moins concentrée,

comme si elle était de moins bonne qualité que les autres.

Et ça la rend moins utilisable.

Si on représente la quantité totale d’énergie contenue dans un système

sous la forme d’une barre, on peut donc distinguer

l’énergie thermique d'un côté, moins utile,

des autres formes d’énergie, plus concentrées.

On les regroupe sous le terme d’énergie libre.

Et le premier principe de la thermodynamique nous dit donc que, pour un système isolé,

la taille de la barre ne change pas, l’énergie totale est conservée.

Bien, passons à l’entropie.

Tout à l’heure, je vous ai dit qu’elle pouvait se voir comme une mesure du désordre.

Eh bien voici une autre manière de la définir.

L’entropie d’un système mesure en quelque sorte

la quantité d’énergie inutile qu’il contient.

Ici on a un système d’entropie faible,

beaucoup d’énergie libre, peu d’énergie thermique.

Et ici un système d’entropie élevée, c’est l’inverse.

L’entropie quantifie en quelque sorte la qualité de l’énergie d’un système.

Et ce que nous dit le second principe de la thermodynamique,

c’est que dans un système isolé, l’entropie ne peut qu’augmenter.

Ca veut dire que de l'énergie libre