C. BROSSEAU
Laboratoire de Spectrométrie Physique, Université Joseph Fourier, Saint-Martin-d'Hères
J.
VIARDIFM,Université Joseph Fourier, Grenoble.
MOTS CLES : DEGRADATION ECOLOGIE ECOSYSTEME ENTROPIE -THERMODYNAMIQUE.
RESUME : Dans cette communication, nous discutons de la dégradation des écosystèmesàpartir de la liaison entre écologie et entropie. A la suite d'un rapide aperçu de l'historique du concept d'entropie, nous exposons les principes fondamentaux qui sous-tendent la thermodynamique des écosystèmes. Nous abordons ensuite l'approche entropique pour dégager les régIes fondamentales d'organisation et de régulation des flux d'entropie dans tout écosystème.
SUMMARY : On the basis of the close connection existing between entropy and ecology, a qualitative discussion about environmental alterations is presented in this paper. A brief historical account of the entropy concept is first given. The basic features underlying the thermodynamics of ecosystems are then presented. Next, we outline the entropie approach in order to shed light on the principles of organization and regulation of entropy fluxes into ecosystems.
" Jamais de son vivant notre pèrenéguentropiquen'aurait laissé les portails se démanteler. " (J.RüUAUD, Les Champs d'Honneur, Prix Goncourt 1990).
INTRODUCTION
Un appel récent delacommunauté scientifique américaine (Sagan, 1990) a montré tout l'intérêt et la vigilance que ponent les physiciens sur les problèmes posés parladégradation de plus en plus marquée de notre environnement. Il s'ajouteàla noria des actions scientifiques internationales entreprises pour répondre aux préoccupations causées par l'avenirde l'environnement La démarche est cependant intéressante à plus d'un titre. Elle utilise tout d'abord comme média un journal de didactique de la physique: elle tendàtoucher un public purement scientifique. Cependant, en voulant faire réfléchir sur les perspectives à long tenne de ce problème, sa portée ne se limite pas aux cercles restreints des physiciens" enfermés dans leur discipline", mais conduit égalementàs'interroger sur les liens qui existent entre la Science et les domaines propres de la Religion et de la Morale. Elle prétend ainsi élever au rang de valeur nouvelle le respect de l'environnement.
Dans cette communication, nous nous donnons comme objectif d'aborder le problème de la dégradation environnementaleàpartir de considérations physiques dont nous pensons qu'elle se situe dans le sillage de l'appel précédemment évoqué. Cette approche sera articulée autour du concept d'entropie. Pour l'apprécier pleinement, il nous faut d'abord nous familiariser avec un certain nombre d'idées et de concepts en cause. Si l'on examine l'histoire du concept d'entropie, il est frappant de noter trois bonds en avant successifs qui sont apparus à partir de la confrontation avec les notions d'énergie, d'ordre et d'information (Balian, 1989). L'étude des systèmes vivants et en particulier ceux qui intéressent l'écologie fait apparaître ces mêmes concepts (Viera da Silva, 1979). Il semble donc qu'il existe une approche commune permettant de comprendre et de décrire l'évolution et la dégradation des écosystèmes en tennes entropiques.
A la suite d'un rapide aperçu de l'historique du concept d'entropie, nous présentons les régies fondamentales d'organisation et de régulation des flux d'énergie et d'entropie dans tout écosystème (production, consommation et récupération). Notre objectif est simplement de dégager quelques réflexions sur l'idée que les écosystèmes ont besoin d'énergie pour maintenir leur structuration et compenser ainsi la production d'entropie.
1. APERCU SUR LE CONCEPT D'ENTROPIE
D'un point de vue historique (Balian, 1989), la Thermodynamique a d'abord été développée pour aborder l'étude des systèmes fennés à l'équilibre (plus particulièrement l'étude des machines thermiques). Deux principes en régissent les fondements (dans le propos restreint qui nous occupe, nous avons laissé de côté le troisième principe). Le premier, bâti sur le concept d'énergie exprime la conservation de l'énergie d'un système fenné (qui ne peut échanger d'énergie ni de matière avec le milieu extérieur). Seules des transformations d'énergie sous différentes formes (ex: énergie mécanique en chaleur) sont permises dans une direction bien déterminée: il faut que le transfert spontané d'énergie s'écoule d'une source "chaude" vers une puits "froid". Cette irréversibilité temporelle (dissymétrie) définit le second principe contrastant ainsi avec le premier principe qui lui, est reliéàla symétrie par renversement du temps.
C'estàClausius que revient le mérite d'avoir introduit le concept d'entropie qui sous-tend le contenu sémantique du second principe (loi d'accroissement de l'entropie. 1865). L'argumentation de Oausius repose sur la qualité Oa hiérarchie) des différentes formes d'énergies en distinguant celle qui est utilisable pour accomplir du travail de celle qui s'est dégradée en chaleur non-récupérable qu'il appelle entropie. C'est l'accroissement irréversible de l'entropie qui gouverne l'évolution d'un système thermodynamiquement fermé.
Il est en fait possible de se donner une représentation plus concrète du concept d'entropie dans le cadre de la physique statistique valable pour l'étude des ensembles de systèmes (systèmesàgrand nombre de composants). Le facteur décisif fut suggéré par Boltzmann en introduisant une interprétation de l'entropie en termes de probabilités. Cette théorie a permis également de dégager l'analogie entre l'accroissement de l'entropie et sa relation avec la notion de désordre dans le système. La chaleur est une énergie cinétique (par exemple des molécules individuelles d'un gaz) : est chaud ce qui est microscopiquement agité. L'état d'équilibre d'un système isolé est celui le plus désordonné (le plus probable). C'estàpartir de cette équivalence entre entropie et désordre (1856) que l'interrogation philosophique a rejoint la théorie proprement scientifique en suggérant par l'imagedemon thermique inexorable de l'Univers que le second principe n'autorise comme seul futur possible, l'annihilation.
Le concept d'entropie s'est par la suite enrichi par sa relation avec la notion de pene d'information (1948). Son application s'étend alorsàd'autres contextes que celui de l'étude des phénomènes thermiques. Les deux idées fondamentales qui sous-tendent cette approche sont: la dégradation irréversible de l'information dans un canal de transmission (bruit) et le coût énergétique de la transmission d'information (ex: rayonnement électromagnétique). La probabilitéderéalisation d'un événement dépendant également de la quantité d'informations que l'on a au préalable du système, on assure ainsi la cohérence entre le concept d'entropie et les notions de désordre et de perte d'informations. Un commentaire ici n'est pas superflu: l'entropie est par définition une notion extensive (additive), alors que le désordre est une notion intensive. De même l'information apparait comme une entité objective et mesurable alors que l'entropie est par construction une grandeur subjective (car dépendant d'une mesure de probabilités). Un regard attentif nous a permis également
de préciser que la réduction totale du concept d'entropie aux notions d'infonnation ou de désordre peut induire plus de difficultés qu'elle n'en résoud (Brosseau et al., 1989).
2. THERMODYNAMIQUE DES ECOSYSTEMES TIONNEL, REGULATION
ENERGIE, ORDRE
FONC-Les systèmes écologiques (ex. : forêt) sont des systèmes dynamiques complexes dont l'état actuel est inséparable de leur longue évolution (stratégies adaptatives). Complexité et sttucturation apparaissent comme des ingrédientsdebase du fonctionnementdeces systèmes. Le premier décrit le nombre et la variété des éléments constitutifs (ex. : molécules d'une cellule), alors que le second traduit l'organisation interne sous des formes diverses et hiérarchisées (par des échelles de complexité). Cette organisation (ordre) est sous la dépendance de réactions biochimiques (métabolisme) pilotées sur des échelles de temps pouvant aller de 10-8 seconde au million d'années par des transformations d'énergie et de matière avec des réservoirs alimentés soit directement par l'énergie solaire, soit indirectement par la consommation de matériaux organiques. Dans cette communication, nous nous intéressons à la description dynamique de ces réservoirs que sont les écosystèmesàpartir des notions d'énergie, d'ordre fonctionnel et de régulation (auto-organisation). Leur fonctionnement repose sur l'utilisation du flux d'énergie solaire grâce aux cycles écologiques de production, de stockage, de consommation et de régénération des matériaux de la vie (de Rosnay, 1975). Les organismes producteurs (ex. : végétaux) réalisent la photosynthèse alors que les consommateurs (ex. : animaux) brûlent la matière organique. Enfin les micro-organismes décomposeurs (ex. : bactérie) transforment les déchets organiques en substances rejetées soit dans les sédiments, soit dans l'atmosphère. TI est également important de souligner l'auto-organisation de ces processuspardes mécanismes d'activation/inhibition permettant aux écosystèmes de maintenir stable leur structure ainsi que leur fonctionnement (homéostasie).
NOlIStentons maintenant d'éclairer quelques idées propresàfaire reconnaître l'utilité du concept d'entropie dans la description thermodynamique des écosystèmes. L'idée directrice développée est que la haute complexité du métabolisme et de l'organisation de ces systèmes exige une dissipation importante d'énergie et conduit inévitablementàune forte production d'entropie. Cette idée quoique formulée dans des termes différents a été notée par plusieurs auteurs (Bernard, 1978; Rifkin, 1989).
3. ANALYSE ENTROPIQUE DE LA DEGRADATION DES ECOSYSTEMES
3. 1 Les écosystèmes sont des systèmes ouverts hors d'équilibre et de haute complexité
Il est tout d'abord utile de remarquer que le second principe tel qu'il a été considéré précédemment se trouve en contradiction avec la fonnation des structures biologiques (ordonnées-l faible entropie). En effet pour des systèmes fennés, la probabilité d'organisation de systèmes complexes l très grand nombre de composants est extrêmement faible même sur une échelle temporelle de plusieurs millions d'années. C'est la thennodynamique des processus ouverts hors d'équilibre (1947) qui apporte le cadre relevant de la description des systèmes vivants (ils sont ouverts car ils dépendent de l'énergie externe pour la manifestation de leurs propriétés) (Viera da Silva, 1979). Dans cette théorie, la variation d'entropie est la somme de deux contributions: d'une part la production d'entropie due aux processus irréversibles àl'intérieur du système (ex. : conduction de la chaleur) et d'autre part du flux d'entropie dû aux échanges d'énergie et de masse avec le milieu extérieur. Une des conséquences de cette théorie est qu'un système peut atteindre au cours d'une interaction un état de plus basse entropie qu'initialement. Il devient alors possible sous des conditions hors d'équilibre thennodynamique de maintenir stable une configuration structurée en l'irriguant par un flux d'entropie négative (structures dissipatives-principe de l'ordre piloté par les fluctuations). 11 importe ensuite de préciser qu'un écosystème échange de l'énergie, de la masse et de l'information pour le maintien de son organisation au prix d'une certaine dégradation:ilrejette dans l'environnement de l'entropie ("énergie usée"). L'étude de ces systèmes fait apparaître qu'ils peuvent diminuer localement leur entropie et surtout évoluer vers des états de plus haute complexité. En tant que systèmes du Vivant, il ne peuvent jamais atteindre (tant qu'ils sont vivants) un état d'équilibre.
3. 2 Organisation 1Dégradation des écosystèmes
Le premier problème posé est celui des échelles de temps caractéristiques.Lalittérature écologique fait apparaître qu'une dérégulation d'un écosystème se produitàune échelle de temps beaucoup plus rapide que sa relaxation. Par dérégulation, nous entendons un phénomène aléatoire piloté de l'extérieur de l'écosystème et imprévisible par celui-ci (ex. : brusque variation climatique). Par le tenne de relaxation, nous incluons les processus réguliers d'évolution pilotés au sein même de l'écosystème par des "horloges internes" dépendant de la structure et de l'organisation de l'écosystème. Un exemple pertinent est celui de l'évolution d'un champ abandonnéàlui-même en une forêt; processus qui accroît la biomasse, la complexité interne (l'inhomogénéité) et qui fait décroître le taux d'énergie échangée par quantité de biomasse préservée. La relaxation s'organise sur une durée typique de 10-100 ans alors que la dérégulation consistant en l'envahissement de cet espace par toutes sortes "d'opportunistes" est beaucoup plus rapide. L'étape perturbatrice conduitàun accroissement rapide de l'entropie. L'étape lente génère une structuration par le phénomène de succession écologique (cycles). Une structure macroscopique stable l une certaine échelle de temps dérive spontanément de l'existence d'un flux ininterrompu d'énergie l travers le système (Vierada Silva,
1979) : l'idée de création d'ordre à partir de l'instabilité (hors d'équilibre) est une propriété de base des écosystèmes. De même un écosystème qui possède une structure complexe, riche en information nécessite une quantité moins grande d'énergie pour maintenir cette structure (ex. : forêt). D'une part la dégradation de l'énergie (E) est opposée au flux d'énergie solaireàtravers le système; d'autrepart
la biomasse interneà l'écosystème constitue un réservoir d'énergie potentielle et entropique(B).Cest lerapportdes deux BlE qui mesure le temps de rétention de l'énergie dans le système définissant ainsi une mesure de l'organisation etde l'information dans le système.
4. CONCLUSION
Banale en vérité,l'idée que la dynamique des écosystèmes peut se décrire en termes entropiques n'en constitue pas moins lefilconducteur d'une nouvelle lecture des faits. Finalement "l'on devine bienà quel point le bagage des connaissances accumulé sur des exemples physiques devrait pouvoir serviràmieux comprendre certains processus écologiques" (de Gennes, 1978).
S. BIBLIOGRAPHIE
BALlAN (R.),1989.-Du Microscopique au Macroscopique, Ellipses, Paris. BERNARD (R.),1978.-Bull. Union Phys. 605,1237.
Voir également pour un commentaire critique 1979.-Bull. Union Phys., 611,673.
BROSSEAU (C.),VIARD (J.),1989. -Colloque international Anthena 89Le transfert des connaissances en Sciences et Techniques, Montpellier.
de GENNES (P. 0.),1976. -LaRecherche, 72,919. de ROSNAY (1.),1975.-LeMacroscope.LeSeuil,Paris.
Voir également du même auteur 1988.-L'aventure du Vivant.LeSeuil,Paris. RIFKIN (1.),1989.-Entropy into the Greenhouse World. Bantam,New York.
SAGAN (C.),1990. -Am.J.Phys. 58,615. Voir également les commentaires qui ont suivi cet appel: FLECK(R.C.),VAN Tll..L(H.J.), LORETTI (F.),1990.-Am.J.Phys. 58,1127.
VlERA DA SILVA (1.),1979. -Introduction àla Théorie écologique. Masson,Paris. (L'auteur rassemble le corpus théorique de l'écologie.)
