Soutenance de doctorat d’Alexandre Champagne-Ruel

La spatialité dans l’évolution prébiotique : vers une physique de l’émergence de la complexité

La question de l’émergence de la complexité, et en particulier celle de l’émergence de la vie, constitue une des énigmes scientifiques les plus ardues. Si la question de l’abiogénèse a été étudiée sous plusieurs angles dans les dernières décennies, l’analyse du point de vue de la physique contribue de plus en plus à sa compréhension. La physique est ainsi idéalement positionnée pour investiguer les conditions de possibilité et les facteurs modulant l’apparition de toute forme de vie possible — aussi éloignée puisse-t-elle être de la vie terrestre telle que nous la connaissons.

Dans cette thèse, nous explorons comment la spatialité peut influencer l’émergence de la complexité. En ayant recours à la simulation numérique basée sur des modèles à l’intersection de la physique statistique et de la théorie des jeux — tels ceux d’automates cellulaires et de champ moyen — nous démontrons comment la diffusion peut mener à la formation de motifs spatiaux telle qu’envisagée par Turing il y a plusieurs décennies, et comment elle peut s’appliquer à un éventail de systèmes excédant celui envisagé au départ. Nous montrons par le fait même comment cette formation de structures spatiales s’accompagne d’une augmentation de comportements coopératifs, une condition nécessaire à l’émergence de la complexité. Ces résultats contribuent à notre compréhension de l’évolution de plusieurs systèmes complexes où prédominent les dynamiques de compétition et la diffusion.

Nous explorons également comment les perturbations physique d’un système affectent l’émergence de motifs spatiaux. En utilisant de nouveau un modèle basé sur la théorie des jeux et intégrant la triade évolutive — variabilité, héritabilité, sélection — nous montrons comment ces perturbations peuvent contre-intuitivement favoriser l’émergence de la complexité. Nous analysons cette émergence sous l’angle de la physique des transitions de phase, et démontrons qu’il existe un seuil critique, en terme de perturbations, au-delà duquel un système bascule vers un état de coopération généralisée.

Enfin, nous poursuivons cette analyse de la spatialité en investiguant comment la topologie d’un ensemble de réacteurs chimiques — soit la structure des connexions entre ceux-ci — affecte la chimie s’y déroulant. Nous analysons la complexité moléculaire en utilisant la théorie de l’assemblage, qui propose de quantifier cette complexité par le nombre d’étapes uniques requises pour construire une molécule. De nouveau, nous démontrons que les phénomènes de transport tels que la diffusion affectent la complexité moléculaire. De plus, notre analyse montre que la topologie d’un système peut élever cette complexité moléculaire de manière significative. Ce résultat implique que les méthodes de détection basées sur la complexité moléculaire doivent incorporer des échantillons de contrôle comportant des topologies spatiales non triviales afin d’éviter les risques de faux positifs.

En somme, cette thèse met en exergue l’impact majeur qu’ont plusieurs paramètres et processus physiques simples et omniprésents dans la nature — tels la diffusion, les perturbations et la topologie — sur l’émergence de la complexité. Ces résultats contribuent également à comprendre comment s’effectue le passage du non vivant au vivant, et ultimement à améliorer la précision de nos capacités de détection de la vie basées sur la complexité moléculaire.