Écosystème et corps humain :  deux systèmes, mêmes dynamiques

Johanne Lebel : Pour commencer l’entretien, je vous inviterais à nous décrire votre parcours, Dominique. 

Dominique Gravel : J'ai commencé à l’Université Laval par un bac en aménagement et environnement forestier. J’ai poursuivi avec un doctorat, à l'UQAM, en écologie forestière. Je n'étais pas dans les grandes théories au départ, mais plutôt dans des univers empiriques. Je m'intéressais aux relations de coexistence entre deux espèces d'arbres, soit l'érable à sucre et le hêtre à grandes feuilles. Puis, d’une lecture à une autre, j’ai dérivé vers des questions plus abstraites et générales. 

Au moment de mon examen doctoral, mon directeur de thèse, Christian Messier, a eu un excellent flair en me dirigeant vers un problème de nature conceptuelle. J'ai exploré, entre autres, en faisant l’apprentissage d'outils mathématiques et numériques, les processus qui maintiennent la biodiversité. Mon intérêt original pour les arbres fut progressivement remplacé par celui pour la « diversité » au sens large. Comment se génère-t-elle, pourquoi des endroits sont-ils plus diversifiés que d'autres, des espèces plus rares et d'autres plus abondantes?, et ainsi de suite. 

Au début des années 2000, la théorie des systèmes complexes faisait son entrée en biologie, et c’était le cas au labo de Frédéric Guichard à l’Université McGill, où j'étais en postdoc. C’était fascinant de découvrir des travaux en physique ou en sciences sociales qui utilisaient la même approche et cela tout simplement parce que les systèmes à la base de ces disciplines ont des propriétés similaires. 

J'ai progressivement intégré ces notions dans mes travaux, et, depuis plus de 10 ans maintenant, je travaille sur des réseaux écologiques, assez typiques des systèmes complexes. On a des nœuds, soit les espèces, qui interagissent entre elles à travers des relations de compétition, de consommation ou par la dispersion, par exemple. Et puis, on a l'agencement de ces espèces, d’où émergent de nouvelles propriétés, difficiles à anticiper à partir des propriétés des nœuds qui composent cet agencement. 

Au tournant des années 1970, un des premiers théoriciens en écologie, Robert May, s'est demandé si les systèmes complexes étaient plus stables que les systèmes simples. Par une preuve mathématique, il est arrivé à la conclusion très contre-intuitive que plus un système est complexe, moins il est stable. Ce qui va à l'encontre des observations sur le terrain, où on constate que des écosystèmes très diversifiés ont beaucoup d'interactions et sont assez stables pour exister et se maintenir. 

D’autres écologistes ont alors essayé de raffiner la théorie. Le débat fait rage depuis presque 50 ans, et l’hypothèse n’avait jamais encore été testée formellement avec des observations empiriques. Il y a cinq ans, des chercheurs et moi avons participé à ce débat en publiant une étude1 : on a fouiné dans la littérature, rassemblé plusieurs jeux de données et testé l’hypothèse. C’était la première fois qu’une réponse empirique était amenée! Résultat? Nous avons rejeté la théorie, après avoir conclu qu’elle posait des hypothèses invraisemblables. En fait, nous avons constaté que plus la complexité augmente, plus les interactions entre les composantes du système, en moyenne, sont faibles. Et c’est ce qui permet à ces systèmes très complexes de persister.

Plus récemment, je me suis intéressé à la théorie des signaux précurseurs de changements importants dans les écosystèmes. Cette théorie, toujours du domaine des systèmes complexes, est sous-jacente au travail qu'on fait ensemble, Alan [Cohen] et moi. Cette théorie avance qu'il y a un ralentissement des activités d’un système à l'approche des points de bascule. Pour ce qui est des systèmes forestiers [..], on est allés voir ce qui se passait à la limite de la distribution de la forêt tempérée. L'intuition était bonne. À la transition entre la forêt boréale et la forêt tempérée, quelque chose d'unique se produit en ce moment : le système ralentit énormément, ce qui amène une baisse de la capacité du système à s’adapter aux perturbations extrêmes.
– Dominique Gravel

Plus récemment, je me suis intéressé à la théorie des signaux précurseurs de changements importants dans les écosystèmes. Cette théorie, toujours du domaine des systèmes complexes, est sous-jacente au travail qu'on fait ensemble, Alan [Cohen] et moi. Cette théorie avance qu'il y a un ralentissement des activités d’un système à l'approche des points de bascule. Pour ce qui est des systèmes forestiers (je rappelle mon attachement à l'érable à sucre…), on est allés voir ce qui se passait à la limite de la distribution de la forêt tempérée. L'intuition était bonne. À la transition entre la forêt boréale et la forêt tempérée, quelque chose d'unique se produit en ce moment : le système ralentit énormément, ce qui amène une baisse de la capacité du système à s’adapter aux perturbations extrêmes. 

Voilà une idée générale de mon parcours et de mes travaux.

Johanne Lebel : Alan, pouvez-vous nous présenter à votre tour votre cheminement?

Alan Cohen : Je ferais débuter mon parcours de chercheur au secondaire dans une école d’art, entre musique et peinture. On avait de bons cours de sciences, mais l'approche était centrée sur la créativité plutôt que sur la logique. Par la suite, j'ai passé deux ans au Japon. Ces deux expériences m'ont beaucoup marqué. Elles expliquent, je pense, ma position en recherche, qui vise à comprendre le point de vue de l'autre et à intégrer différentes approches. 

J’ai réalisé par la suite un doctorat en écologie évolutive avec Robert Ricklefs à l’Université du Missouri, où la question du vieillissement était centrale. Pourquoi les différentes espèces ont-elles des durées de vie différentes, pourquoi vieillit-on? Une seule cellule produit tout un organisme; pourquoi chacune des cellules ne serait-elle pas capable de vivre éternellement ? C'étaient mes questions. 

J’ai travaillé principalement sur les oiseaux, qui vivent en moyenne trois fois plus longtemps que les mammifères, toutes proportions gardées. Je cherchais une différence dans leur physiologie qui l’expliquerait. J’ai choisi d’étudier les antioxydants parce qu'ils étaient jugés bons pour la santé. J’allais analyser si les oiseaux avaient plus d'antioxydants que les mammifères. 

C'était une hypothèse très intuitive, qui à l'époque était crédible. J’ai recueilli de petits échantillons de sang auprès d’un millier d'oiseaux issus d’une centaine d’espèces. Je pensais obtenir une réponse claire, c’est-à-dire : au sein d’une espèce, les individus en meilleure santé ont plus d'antioxydants, et entre les espèces, celles avec plus d'antioxydants vivent plus longtemps. 

Ce ne fut pas le cas. Pas du tout. D'abord, il y avait plusieurs types d'antioxydants, qui ne corrélaient pas entre eux : si le type A était élevé, le type B pouvait être bas. De plus, dans une même espèce, des individus en meilleure santé avaient beaucoup du type A, mais peu du type B, et dans une autre espèce, c'était l’inverse. Et entre les espèces, généralement, c'était le contraire. Comment alors comprendre l’ensemble?

Avec tout ce travail d’analyse, j’avais cumulé beaucoup de statistiques et acquis une expertise, et je me suis dit que je pourrais appliquer ces connaissances dans un autre domaine. Je suis donc allé faire un postdoctorat en épidémiologie et statistiques, toujours en relation avec le vieillissement, pour finalement être engagé, avec cette spécialité, comme professeur à la Faculté de médecine de l’Université de Sherbrooke.

Peu à peu, j’ai commencé à comprendre le paradoxe qui avait un peu compliqué mes recherches doctorales. Mon hypothèse était trop simpliste. Le concept d’antioxydant, comme tous les concepts, renvoie à une réalité pas mal plus complexe. Les antioxydants jouent en fait plusieurs rôles, dans le système immunitaire comme dans le métabolisme des protéines. Il fallait donc observer un réseau, non pas un seul élément. C’est donc avec la théorie des systèmes complexes que j'ai commencé à travailler dans cette perspective. 

Aujourd’hui, près des deux tiers de ma recherche portent sur les humains, et pour l’autre tiers, je travaille dans une perspective comparative, en m’intéressant aux autres espèces ou aux écosystèmes. Chez l’humain, un de mes objectifs est de « pousser » dans mon domaine, la physiologie, cette idée que notre organisme est un système complexe. Cette approche est encore peu acceptée en biologie des organismes, comparativement à l’écologie. 

Aujourd’hui, près des deux tiers de ma recherche portent sur les humains, et pour l’autre tiers, je travaille dans une perspective comparative, en m’intéressant aux autres espèces ou aux écosystèmes. Chez l’humain, un de mes objectifs est de « pousser » dans mon domaine, la physiologie, cette idée que notre organisme est un système complexe. Cette approche est encore peu acceptée en biologie des organismes, comparativement à l’écologie.
– Alan Cohen

J’ai mené des études au cours des dernières années en utilisant, par exemple, des biomarqueurs sanguins. Si on étudie l’ensemble des mesures prises chez un individu, on observe l’état sous-jacent de son organisme. L'inflammation est un bon exemple. La protéine C réactive (C-Reactive protein ou CRP) est l’un de ses marqueurs. La CRP augmente avec une grippe ou un mal de tête. Mais comment départager une réaction relative à un malaise limité dans le temps, d’un état de santé global? C’est en intégrant la CRP à d’autres marqueurs que l’on commence à voir l'état du système en général.

On peut alors mesurer avec quelques marqueurs seulement un état de dérégulation : soit une perte d'homéostasie, soit une perte de stabilité. Un seul marqueur indique peu de choses, mais si on en cumule de cinq à dix, on obtient un signal suffisamment cohérent pour mesurer l'homéostasie du système. Et une des propriétés intéressantes, c'est que le choix de marqueurs ne fait pas trop de différence. Bref, on n'a pas besoin de tout mesurer, mais si on mesure une seule chose à la fois, ça ne fonctionne pas.

C’était un peu l’état de mes travaux quand j'ai rencontré Dominique. 

Johanne Lebel : Dominique, pouvez-vous nous parler des travaux qui vous réunissent?

Dominique Gravel : Oui, et il y a plusieurs ramifications à notre collaboration. Dont, entre autres, l’usage de méthodes statistiques.

Au départ, quand on a commencé à échanger, Alan proposait de partir du concept d’homéostasie, cette idée qu’un système physiologique, tel un corps humain, possède une certaine cohérence. Quand une de ses composantes est à la hausse (p. ex., une hormone), d'autres réagissent afin de maintenir un équilibre global. L'ensemble de ces composantes tendent vers un noyau assez stable. La capacité du système à revenir à cette stabilité est une propriété des systèmes complexes. 

L'hypothèse d'Alan, c'est que cette tendance à revenir à l’équilibre se modifie avec le vieillissement. Le système se dérégule progressivement, au fur et à mesure qu'on avance en âge. La perte de régulation définirait le vieillissement. 

Nos premiers échanges portaient sur une nouvelle approche statistique qui permettrait d’explorer cette hypothèse. Celle que nous utilisons a été mise au point par l’écologiste et biostatisticien Guillaume Blanchet, récemment recruté comme professeur à l’Université de Sherbrooke. Le développement de cette méthode était motivé au départ par l’étude de la distribution de plusieurs espèces simultanément. Il est difficile pour un écologiste de mesurer précisément les variables environnementales qui affectent la distribution des espèces. Or, l’étude de la covariation entre elles permet d’estimer des « variables latentes », c’est-à-dire des variables qui contribuent à la distribution des communautés, mais qui ne peuvent être mesurées directement. Transposée au corps humain, cette méthode permet de quantifier comment différents biomarqueurs covarient dans le temps. 

Au fil des échanges, on a réalisé que la théorie des systèmes complexes apportait une interprétation fondamentale à toutes ces variations. À partir de là, on a entamé l'étude des signaux précurseurs qui annoncent un changement notable à venir dans un système complexe. 

La théorie des systèmes complexes prédit que lorsqu'un système se modifie, en raison d’un changement climatique ou du vieillissement, ou autre, ses propriétés de base changent aussi. Par exemple, le système perdra une partie de sa capacité à s’adapter aux stimuli extérieurs.
– Dominique Gravel

La théorie des systèmes complexes prédit que lorsqu'un système se modifie, en raison d’un changement climatique ou du vieillissement, ou autre, ses propriétés de base changent aussi. Par exemple, le système perdra une partie de sa capacité à s’adapter aux stimuli extérieurs. Statistiquement parlant, on s’attend à ce que la variance des marqueurs biologiques (espèces, hormones, composantes du sang) augmente progressivement. Comme un effet d'amplification. On peut parler d’un excès d'accumulation des stimuli.

Motivé par l'hypothèse d'Alan sur le vieillissement, je suis retourné à la théorie écologique. Ainsi, depuis un an, j’essaie de développer cette idée de plusieurs éléments covariant ensemble à l’approche de perturbations majeures. Ce qui serait en fait un signal vers une transition majeure. 

Alan Cohen : Ce travail avec Dominique a débuté avec le concours AUDACE2 des Fonds de recherche du Québec. C’est le troisième joueur dans cette histoire, soit Tamàs Fülöp, du Département de médecine de notre université, qui m’a approché pour ce concours. « Alan, tu as une formation en écologie. Est-ce que tu n'aurais pas des idées sur la façon de relier le vieillissement de notre système immunitaire à l’écologie? » Initialement, je n’avais pas d’idées, mais deux jours plus tard, Dominique vient me voir… avec la même question! Assez rapidement, j'ai vu tout le potentiel d’une telle étude, car la structure d'un système immunitaire est très semblable à celle d’un écosystème. Chaque type de cellule interagit avec plusieurs autres types, comme différentes espèces entre elles. 

Les écologistes ont l'habitude de concevoir l'écosystème comme un système complexe, mais les immunologistes n'ont pas ce réflexe. Par contre, ces derniers travaillent sur un système complexe plus aisé à modéliser qu’un écosystème naturel; ils peuvent, par exemple, manipuler le système immunitaire d’une souris. Les outils développés en immunologie peuvent donc servir à explorer la dynamique d'un « écosystème » à l'intérieur d'un organisme. C’était l'idée de départ. 

Notre collaboration se divise en deux parties. D’une part, on compare le système immunitaire et l’écosystème naturel. [...] D’autre part, on doit étudier la dynamique d’ensemble des biomarqueurs. Et comme Dominique le mentionnait, cela n’a jamais été fait.
– Alan Cohen

Notre collaboration se divise en deux parties. D’une part, on compare le système immunitaire et l’écosystème naturel. On regarde, par exemple, si les cellules du système immunitaire sont vraiment de « différents » types ou s’il s’agit d’un continuum avec de légères variations. Ainsi, en écologie, les loups et les coyotes sont deux espèces, mais il y aussi des hybrides, comme le loup rouge. Retrouve-t-on le même principe dans nos cellules immunitaires? D’autre part, on doit étudier la dynamique d’ensemble des biomarqueurs. Et comme Dominique le mentionnait, cela n’a jamais été fait. 

Pour ce projet, on utilise des séries de données provenant de patients et patientes traités par hémodialyse au Centre hospitalier universitaire de Sherbrooke. Ces séries sont très précieuses, car les mêmes biomarqueurs sont mesurés toutes les deux semaines. De plus, elles peuvent s’accumuler sur plusieurs années. Certains patients sont traités depuis plus de 15 ans. On est donc capables de suivre des dynamiques systémiques sur une longue période. Avec des mesures prises aux six mois ou de manière aléatoire, on n'aurait pas assez de points de mesure pour voir ces dynamiques d’ensemble. 

Dominique est plus du côté théorique et moi du côté empirique, mais sans que ce soit exclusif. En fait, en combinant nos forces, on crée quelque chose de vraiment intéressant. Son approche théorique, par exemple, me pousse à améliorer mes mesures de quantification de la variabilité. Elle m’amène aussi à quantifier les transitions critiques, cet état de systèmes dynamiques que j'appelle « effondrement physiologique », en observant de multiples variables. Là, on est vraiment dans la question des signaux précurseurs, sur lesquels travaille Dominique depuis un temps déjà.

Dominique est plus du côté théorique et moi du côté empirique, mais sans que ce soit exclusif. En fait, en combinant nos forces, on crée quelque chose de vraiment intéressant. Son approche théorique, par exemple, me pousse à améliorer mes mesures de quantification de la variabilité. Elle m’amène aussi à quantifier les transitions critiques, cet état de systèmes dynamiques que j'appelle « effondrement physiologique », en observant de multiples variables. Là, on est vraiment dans la question des signaux précurseurs, sur lesquels travaille Dominique depuis un temps déjà.
– Alan Cohen

Un des intérêts de travailler avec les corps humains et le vieillissement, ou la maladie, c’est qu’on est dans un temps plus court, dans un système plus circonscrit qu’avec les systèmes sociaux ou les écosystèmes. 

Johanne Lebel : Dominique, comment voyez-vous les retombées des travaux d’Alan en écologie?

Dominique Gravel : De nombreux parallèles sont à faire dans les deux directions. On peut partir d'un problème en écologie et adapter certains outils pour les systèmes physiologiques. Et en retour, les travaux d’Alan sur la mesure simultanée de plusieurs marqueurs pour lire l’état d’un système, auront des retombées en écologie. 

Dans un écosystème marin, par exemple, domaine où je travaille en ce moment, on ne peut « gérer à la pièce », sans tenir compte des interactions entre les espèces ou des changements des habitats. Il y a un certain temps, à la suite de nombreuses erreurs qui ont notamment mené à une baisse drastique des stocks de morue, on a amorcé une transition du modèle de gestion « espèce par espèce » vers une approche que l’on dit « écosystémique ». Bien que fort alléchante conceptuellement, cette approche se heurte néanmoins à certaines difficultés d’application.  

Notre approche permettra justement le développement de méthodes, d’indices, de guides qui aideront à mieux comprendre l'ensemble d’un système écologique. En d’autres mots, plutôt que de seulement évaluer si un stock monte ou redescend, on s'intéresse aussi aux variations des autres stocks. Cette théorie qu'on est en train de développer pour le système immunitaire, on songe donc à l’appliquer aux systèmes écologiques afin d'anticiper un peu mieux les changements en cours. Pour éviter, par exemple, des catastrophes comme celle de l'effondrement des réseaux trophiques marins qui a touché la morue dans l'Atlantique. 

Johanne Lebel : Vous essayez donc de comprendre, entre autres, comment un système oscille autour d’une certaine stabilité. Comment le concept de stabilité est-il pensé en théorie des systèmes complexes? 

Dominique Gravel : Il y a une analogie d'une efficacité redoutable qui est couramment utilisée. Prenons une bille et déposons-la dans un récipient au fond arrondi, soit un bol. Sa position au centre du bol est appelée attracteur. Ajoutons des perturbations externes. La bille se met à bouger. Quand cessent les perturbations, la bille revient au centre. Si la perturbation est plus forte ou la forme du bol plus évasée, la bille prendra plus de temps à revenir à son attracteur, mais elle reviendra. 

Johanne Lebel : La bille peut-elle quitter son attracteur? 

Dominique Gravel : Bien sûr. Dans notre jargon, la stabilité est une mesure du temps de retour de la bille vers la position centrale nommée attracteur. Cette idée a été utilisée pendant de nombreuses années dans plusieurs disciplines. Mais la théorie est difficilement applicable dans la réalité, puisque les systèmes écologiques sont constamment perturbés par des variations de l’environnement et ne reviennent jamais à l’équilibre. Une théorie sur la stabilité des systèmes « stochastiques » a donc été développée, et c’est la théorie sur laquelle nous basons nos travaux : plutôt que d’observer la vitesse de retour de la bille vers le centre du récipient, nous nous intéressons à la distribution des positions de la bille (sa variance). 

La théorie des transitions critiques s’intéresse à des signaux statistiques qui permettraient d’anticiper un changement de l’attracteur.

Dans la théorie de base, le signal étudié de manière classique, c'est le « mouvement » de la bille plus que l’idée d’un attracteur fixe et définitif. En effet, dans un écosystème ou chez l’humain, le point d’équilibre n’est jamais atteint. Ces systèmes complexes sont toujours plus ou moins perturbés. Il y a des années marquées par des précipitations abondantes ou de grands feux de forêt, d’autres par un accident, d’autres encore par une naissance. Toutes ces perturbations sont des modifications aux propriétés du système, qui ne cesse de s’ajuster.

Dans la théorie de base, le signal étudié de manière classique, c'est le « mouvement » de la bille plus que l’idée d’un attracteur fixe et définitif. En effet, dans un écosystème ou chez l’humain, le point d’équilibre n’est jamais atteint. Ces systèmes complexes sont toujours plus ou moins perturbés. Il y a des années marquées par des précipitations abondantes ou de grands feux de forêt, d’autres par un accident, d’autres encore par une naissance. Toutes ces perturbations sont des modifications aux propriétés du système, qui ne cesse de s’ajuster.
– Dominique Gravel

Ainsi, comme on n'a pas un point d’équilibre précis, on ne peut pas mesurer à quelle vitesse le système y revient. On doit donc utiliser plutôt des propriétés statistiques qui décrivent la variabilité du système autour de cette idée abstraite d’un équilibre. 

Si on mesure la variance de la position de la bille dans le bol, on réalise qu’elle est beaucoup plus grande dans un bol évasé que dans une flûte de champagne. On peut donc dire que le système « bol » est moins stable que le système « flûte ». C'est la théorie de base avec laquelle on travaille et qu’on adapte à un système multidimensionnel, soit un système où l’on doit suivre le comportement de plusieurs billes à la fois. On s'intéresse au mouvement d’ensemble. C'est ce qu'on essaie d'appliquer entre autres au corps humain avec l’analyse des biomarqueurs chez les patients sous hémodialyse.

Johanne Lebel : Si on met en parallèle un écosystème et un corps humain, quelles grandes différences voit-on? 

Alan Cohen : Les systèmes du corps humain, tels que le système immunitaire ou une cellule, se sont peaufinés par sélection naturelle depuis des millions, voire des milliards d'années. Alors qu’un écosystème naturel, comparativement, est encore tout jeune. Est-ce qu'il y a de ce fait des propriétés uniques à la biologie? 

En physiologie, on retrouve beaucoup de niveaux d'organisation, et tout est très structuré, donc moins flexible. Aucun autre système complexe n’est aussi structuré. Le code génétique, les protéines, les différents types de cellules, les diverses couches de régulation, etc. Chacun de ces systèmes complexes est le résultat de très nombreuses sélections. Et on aboutit à quelque chose d’hypercomplexe. 

Dominique Gravel : J’ajouterais que dans un écosystème, ce sont les organismes individuels qui interagissent entre eux, par la prédation ou le mutualisme, comme une abeille pollinisant une plante. Ces interactions ont un effet sur la reproduction de chacune des unités. Le parallèle, la même logique s'applique dans le corps humain, où des composantes du système immunitaire, par exemple, interagissent les unes avec les autres. 

On a donc deux systèmes dont le fonctionnement d'ensemble est similaire, mais qui ont un moteur d'évolution très différent. La sélection naturelle dans un réseau écologique opère sur le nœud, sur les individus. Plus l'individu réussit, plus il se reproduit et transmet ses gènes. Dans le corps humain, la sélection naturelle opère sur l'ensemble des composantes. 

Ainsi, avec cette mise en comparaison, on va apprendre davantage sur l’un et l’autre des systèmes.

Johanne Lebel : J’observe pour ma part une tendance à la structuration dans les systèmes sociaux au fur et à mesure qu’ils se développent. Dans le milieu de la recherche, par exemple, les personnes deviennent de plus en plus spécialisées au sein de leur discipline. Au congrès de l’Acfas, on a débuté en 1933 avec une vingtaine de disciplines, puis, à un moment donné, il a fallu subdiviser par grands domaines tellement les disciplines s’étaient multipliées.

Alan Cohen : La spécialisation est en fait une propriété des systèmes complexes qui leur permet d’évoluer vers de plus grandes tailles. La spécialisation des cellules, par exemple, a été un facteur clé pour permettre aux organismes d’évoluer vers des pluricellulaires comme nous. On peut le voir aussi chez les insectes sociaux : le fait d'avoir une reine et des ouvrières conduit à de gigantesques colonies.

Les systèmes sociaux tendent vers plus de structuration. L’organisation gouvernementale, par exemple, était beaucoup plus simple il y a quelques décennies. Chaque nouvelle loi amenant une structure supplémentaire, on ajoute ainsi des couches sur des couches. Comme un système biologique qui ajoute des couches de régulation. Le même processus est tout simplement plus embryonnaire dans nos sociétés que dans le « vieux » corps d’Homo sapiens. 

Les systèmes sociaux tendent vers plus de structuration. L’organisation gouvernementale, par exemple, était beaucoup plus simple il y a quelques décennies. Chaque nouvelle loi amenant une structure supplémentaire, on ajoute ainsi des couches sur des couches. Comme un système biologique qui ajoute des couches de régulation. Le même processus est tout simplement plus embryonnaire dans nos sociétés que dans le « vieux » corps d’Homo sapiens.
– Alan Cohen

Johanne Lebel : En conclusion, j’aimerais vous entendre sur l'état actuel de ce grand système complexe que représente notre civilisation, à partir des concepts de stabilité ou de résilience.

Dominique Gravel : C'est une question très vaste, franchement stimulante. Mais là, j’avoue que ma réflexion n’est pas aboutie! 

J’aimerais par contre préciser ce qui est entendu par « résilience » en science des systèmes complexes. La résilience, c'est la capacité et la vitesse d’un système à revenir à son état initial après une perturbation. Si on est résilient face à la COVID-19 (ce qu’on espère), on reviendrait vers l'équilibre d’avant la pandémie. Ceci dit, nos sociétés pourraient aussi basculer vers un nouvel équilibre à la suite de cette perturbation. 

La notion de résilience en lien avec les changements climatiques est plus problématique, moins juste, parce que ces changements sont une perturbation permanente. Le système change de registre. On ne parle plus de capacité à revenir à l'état préchangement climatique, il s’agit maintenant de la capacité de s'adapter à ce nouvel état du système.

La notion de résilience en lien avec les changements climatiques est plus problématique, moins juste, parce que ces changements sont une perturbation permanente. Le système change de registre. On ne parle plus de capacité à revenir à l'état préchangement climatique, il s’agit maintenant de la capacité de s'adapter à ce nouvel état du système.
– Dominique Gravel

Dans un système complexe, très souvent, les propriétés émergentes sont le résultat de la coordination de chacune des petites composantes, de chacun des individus. Comment orienter ces systèmes très complexes que sont devenues nos sociétés composées de millions, de milliards d’individus? J'en suis là dans mes réflexions.

Johanne Lebel : Vous parlez de l'échelle individuelle. Mais que pourrait-on dire des échelles intermédiaires, car les sociétés humaines produisent des organisations collectives : des villages, des institutions, des universités, etc.? De nouveaux comportements peuvent-ils aussi en émerger?

Dominique Gravel : C'est une bonne question! Honnêtement, je n'y avais jamais pensé. Il y a en effet des « modules » dans nos sociétés. Il y a cette échelle d’organisations où des décisions sont prises. Il faudrait donc voir, en modélisation, si on peut modifier les propriétés émergentes en travaillant sur les modules plutôt que sur les nœuds individuels à la base du réseau. Est-ce que ce serait plus efficace ? Peut-être. 

En fait, depuis un temps, je m'intéresse à la capacité de changer le niveau de perception quand on analyse un réseau, pour passer de l'individu aux organisations plus macroscopiques. J'y réfléchis en termes écologiques, mais on pourrait prendre une société humaine comme exemple.

Johanne Lebel : Intéressant cette notion de modules, qui correspond à l’échelle méso dont fait mention Laurent Hébert-Dufresne dans l’éditorial du présent dossier.

Dominique Gravel : J'ai eu des échanges avec lui sur cette question de résolution. En fait, je travaille avec son confrère, Antoine Allard, qui est à l'Université Laval. On essaie de trouver, dans le cadre de la théorie des systèmes, des techniques permettant de changer de résolution dans les réseaux écologiques. On parle du « grain » d’un réseau. Mais je n'ai pas encore trouvé la technique qui me satisfait.

Johanne Lebel : Alan, le mot de la fin?

Alan Cohen : Pour bien saisir ce qu’il adviendra de cet enchevêtrement de systèmes complexes qui caractérise notre monde, une perspective évolutive est utile. L’histoire est en fait une suite de systèmes complexes produisant d'autres systèmes complexes. La vie n'est pas le premier système complexe de l'univers, mais c'est un des plus anciens. Pour passer de la bactérie à un organisme pluricellulaire, il a fallu des milliards d'années. L’avènement des cerveaux a été une autre émergence marquante. Puis sont venus les animaux sociaux. Et par la suite, avec les humains, les réseaux de circulation, les villes, les économies. Aujourd’hui, on arrive à créer des systèmes complexes très rapidement. L'Internet, par exemple, amène à son tour d'autres sous-réseaux. 

Et arrive une perturbation, la COVID-19... 

Elle expose bien sûr les points de fragilité de plusieurs systèmes : systèmes physiologiques humains, systèmes de santé, économiques, politiques, etc. Mais dans l’ensemble, je crois que nos systèmes sont probablement suffisamment robustes pour y faire face.

Cependant, il est certain que tous ces changements rapides qui caractérisent notre époque sont porteurs d’instabilités, et on n'a aucune garantie contre les effondrements. On peut penser que les humains, en causant les changements climatiques, en viendront à causer l'effondrement de leur propre système et de tous les autres sous-systèmes qu'ils ont produits. Si cela arrivait, on verrait probablement l'émergence d’autres systèmes complexes dans d'autres espèces après nous. Ce n'est pas ce que je souhaite, mais dans une perspective très macro, c'est un peu comment je vois ce moment sociétal dans une perspective de systèmes complexes.

...il est certain que tous ces changements rapides qui caractérisent notre époque sont porteurs d’instabilités, et on n'a aucune garantie contre les effondrements. On peut penser que les humains, en causant les changements climatiques, en viendront à causer l'effondrement de leur propre système et de tous les autres sous-systèmes qu'ils ont produits. Si cela arrivait, on verrait probablement l'émergence d’autres systèmes complexes dans d'autres espèces après nous. Ce n'est pas ce que je souhaite, mais dans une perspective très macro, c'est un peu comment je vois ce moment sociétal dans une perspective de systèmes complexes.
Cohen-Gravel

• 1 Jacquet, C., C. Moritz, L. Morissette, P. Legagneux, F. Massol, P. Archambault, and D. Gravel. 2016. No complexity–stability relationship in empirical ecosystems. Nature Communications 7:12573
• 2Voir ici le projet en cours de réalisation : http://www.frqsc.gouv.qc.ca/fr/la-recherche/la-recherche-financee-par-l…