Design in Nature de Adrian Bejan et John Peder Zane [résumé]

Comment la loi constructive régit l’évolution en biologie, en physique, en technologie et en organisation sociale

Les auteurs, l’universitaire Adrian Bejan, et le journaliste John Peder Zane, ont conçu la loi constructive afin de décrire comment la nature peut se concevoir organiquement sans concepteur.

Le concept essentiel consiste à considérer les phénomènes comme un flux de matériaux (que le matériau soit de l’eau, de l’ADN, de la lave ou des connaissances). L’univers optimise naturellement ce flux pour une efficacité accrue.

Cette conception vers un flux plus efficace nous donne une structure arborescente similaire à celle que l’on trouve dans les alvéoles de nos poumons, les affluents des rivières et les connaissances académiques, toutes prédites par la loi de la construction.

Introduction

Lorsque tu regardes autour de toi, tu peux curieusement observer une structure arborescente similaire dans plusieurs phénomènes.

Les bassins fluviaux, les dendrites des neurones, les passages d’air dans les poumons, les voies de transport, les éclairs, et même les réseaux d’employés, semblent tous être décrits par des structures arborescentes.

Chaque fois que des objets circulent, ces systèmes d’écoulement évoluent naturellement au fil du temps pour être plus efficaces, et cela se traduit par une structure arborescente. On peut l’observer à toutes les échelles, de la micro à la macro.

La “Loi constructive de conception” (Constructal Law of Design) est une loi scientifique qui décrit ce phénomène. Les flux se reconfigurent naturellement au fil du temps pour être plus efficaces. Cette structure arborescente dicte la dispersion de la chaleur, les modèles de circulation, la lave, les connaissances et même l’évolution elle-même.

Alors que la thermodynamique exige que les choses coulent, la loi constructive présentée ici décrit la conception de ces flux.

Même notre langage contient des expressions familières telles que “suivre le courant” et prendre le “chemin de moindre résistance”.

Cela peut être considéré comme une alternative à l’argument du “dessein intelligent”, car même l’ADN s’écoule au fil du temps selon cette loi. Le design dans la nature n’est pas intelligent ; le design est simplement un flux optimisé pour être plus efficace.

”La Loi constructive est la véritable source d’harmonie, d’équilibre et d’unité dans la nature“

Chapitre 1. La naissance du flux

Certaines personnes pensent que le fait de remarquer un design dans la nature implique un Concepteur. Cependant, Darwin a réalisé que la sélection naturelle peut rendre compte du design, et Gregor Mendel a découvert le mécanisme (mutations aléatoires). Tout ce qui a un mouvement ou un flux (y compris notre ADN) évolue au fil du temps.

La loi constructive décrit “la direction de l’évolution”. Par analogie, lorsque tu imagines la loi de la gravité, tu réalises que la balle n’a pas été conçue pour tomber ; elle suit simplement les lois de la nature. La loi constructive a été utilisée pour prédire :

La forme d’un éclair
La profondeur des rivières par rapport à leur largeur
Les 23 niveaux de bifurcation dans le poumon humain
Les 9 niveaux de bifurcation dans le poumon de la souris
Le rythme périodique de la respiration

La tendance centrale dans la grande image de l’univers est de favoriser le mouvement. Lorsque l’essence se transforme en chaleur, lorsque les aliments se transforment en nourriture et lorsque le soleil réchauffe la masse terrestre, tout cela est considéré comme un “flux”. Pourtant, les flux ont des frictions, des points d’étranglement et des résistances. Cette résistance au flux nous donne la variation que nous voyons dans l’environnement naturel.

Par exemple, un érable est “un système d’écoulement pour déplacer l’eau du sol vers l’air”, et la friction de l’environnement (les buissons voisins ou le vent) produit la variation infinie de la forme de l’arbre.

La loi constructive prédit que l’écoulement passe de laminaire (lisse) à turbulent lorsque l’écoulement turbulent devient une conception plus efficace.

Par exemple, lorsque tu fumes une cigarette, à un moment donné, la fumée commence à se déplacer de manière plus turbulente en fonction de la vitesse d’expiration. L’évolution et la fumée d’une cigarette suivent toutes deux un chemin lorsqu’elles s’écoulent, et la loi constructive traite de la conception de ce chemin.

”La Loi constructive identifie un phénomène aussi vieux que l’univers lui-même mais non reconnu jusqu’à présent“

Chapitre 2. La naissance de la conception

L’optimisation du flux de chaleur est nécessaire pour les téléphones portables et les nanotechnologies modernes, qui entassent tous deux beaucoup d’électronique dans de petits espaces. L’auteur était auparavant ingénieur, travaillant sur la dissipation de la chaleur, avant de réaliser que le flux thermique est similaire à d’autres types de flux.

Les similitudes de forme et de structure que nous voyons dans la nature n’impliquent pas nécessairement un Designer. Au contraire, “le design est un phénomène qui émerge naturellement sous forme de motifs”. Chaque fois que tu as un flux de zone à point ou de point à zone, une structure arborescente émerge naturellement. Par exemple :

Les tuyaux d’un réservoir aux robinets, et le flux des eaux usées en retour, forment une structure arborescente.
Les précipitations sur le sol sont initialement uniformes comme une feuille de papier. Mais lorsqu’elle se déplace plus rapidement, elle crée naturellement le premier ruisseau pour faciliter un écoulement plus rapide. Ces ruisselets fusionnent ensuite pour former des ruisseaux plus importants et enfin des rivières, ce qui donne une structure arborescente.
Les grandes autoroutes qui se transforment en routes locales (et vice-versa) ont naturellement évolué pour devenir la structure la plus efficace possible pour la circulation des véhicules.
Le système circulatoire nécessite des capillaires à proximité de chaque cellule, et a évolué en une structure arborescente avec le cœur comme tronc.

Les modèles hiérarchiques (par exemple, la structure arborescente) apparaissent naturellement. Ils ne sont pas le fruit du hasard ni une coïncidence intéressante, mais plutôt le résultat d’une conception qui se produit naturellement pour augmenter le flux. Si tu conçois des simulations informatiques dans le but de rendre le flux plus efficace, une structure arborescente apparaîtra.

Les variations du milieu environnant produisent les variations infinies de ces structures arborescentes. Des bassins des rivières aux vaisseaux sanguins d’un embryon de poulet, de tels motifs apparaissent naturellement pour faciliter le flux.

“Cela nous permet de voir le modèle prévisible dans ce que nous avons longtemps considéré comme une simple coïncidence cosmique“

Chapitre 3. Les animaux en mouvement

Si l’évolution redémarrait à zéro, la vie aurait-elle évolué de la même façon qu’aujourd’hui ? Les scientifiques ont classé la locomotion animale comme suit : nager, courir ou voler. Si tu recadres les animaux comme des “véhicules permettant de déplacer une masse” dans l’environnement, tu peux utiliser la loi constructive pour faire plusieurs prédictions.

La Loi constructive prédit que les animaux seront conçus pour encourager une circulation plus efficace dans le paysage. C’est-à-dire, plus de distance parcourue pour moins de nourriture consommée. Tu peux alors prédire mathématiquement la taille du cœur des animaux par rapport à leur masse, et la vitesse à laquelle leur queue se balance.

La Loi constructive prédit que la vitesse du balancement de la queue et du battement des ailes sera rapide pour les petits animaux et plus lente pour les grands animaux.

Pour faire ces prédictions, tu dois reconnaître que dans ce scénario, la résistance au flux est la gravité. Par exemple, lorsqu’un oiseau vole, il se déplace en dents de scie : il commence à plonger lentement, puis donne un coup d’aile. Courir est aussi en dents de scie, car les animaux tombent en avant et se rattrapent.

Bien que d’autres scientifiques aient étudié la locomotion, la prédiction unique de la Loi constructive est que “les animaux plus grands sont plus efficaces comme véhicules de masse que les plus petits”. La conception évolutive des animaux garantit que le flux de masse sur la terre, la mer ou l’air est maximisé.

Cela se traduit par une fourchette spécifique pour la taille du cœur par rapport à la masse de l’animal. Cela prédit également le phénomène de la façon dont les oiseaux (et les cyclistes !) se déplacent en “V” pour se situer dans les courants de fuite des autres.

Chapitre 4. Être témoin de l’évolution

Tu n’as pas besoin d’attendre des millions d’années pour voir l’évolution à l’œuvre. La technologie, les gouvernements et les sports nous permettent tous d’être témoins de l’évolution au cours de notre vie. La Loi constructive considère la matière organique et inorganique de la même manière ; toutes deux évoluent pour augmenter l’efficacité du flux.

La technologie des roues a évolué naturellement. Au fil du temps, nous avons fini par concevoir nos roues avec des rayons au lieu de surfaces entièrement plaquées ; c’est l’évolution du flux au fil du temps pour être plus efficace.
Remarque comment les fractures de contrainte forment une structure arborescente lorsqu’une pierre frappe le sol. Sur une échelle de temps plus longue, nos squelettes ont évolué vers une structure similaire pour mieux nous soutenir à nos points de tension.
Nos dents avant ont évolué différemment de nos dents arrière pour supporter des pressions différentes.
La locomotion des animaux (des serpents aux quadrupèdes puis aux bipèdes) a évolué conformément à la Loi constructive, car un centre de masse plus élevé permet de maximiser la locomotion.
Les dauphins ont évolué pour avoir des formes similaires à celles des requins, car c’était optimal pour la locomotion aquatique.

Dans le monde du sport, tu peux voir plusieurs aspects de l’évolution rapide en accord avec la Loi constructive :

La taille des athlètes professionnels a augmenté. La Loi constructive dit qu’en moyenne, les animaux plus grands sont plus efficaces pour déplacer la masse. Les athlètes sont devenus plus gros et plus grands, mais aussi plus élancés.
Comme nous l’avons vu précédemment, la course peut être vue comme une chute répétée vers l’avant. Les personnes ayant des origines Africaines ont un corps plus dense d’environ 1%, ce qui signifie que pour la même taille, ils ont un centre de gravité légèrement plus élevé. Cela leur donne un avantage pour le sprint. Les Africains de l’Ouest ont en moyenne l’un des centres de masse les plus élevés, et il n’est donc pas surprenant (d’après la Loi constructive) qu’ils soient les sprinters les plus rapides.
En moyenne, les personnes type “Caucasien” ont des torses plus longs et des centres de masse plus bas, ce qui leur donne un avantage aquatique (pense à un poisson qui n’a presque que le torse). Il peut y avoir jusqu’à 3 % de différence dans les centres de masse entre les Noirs et les Blancs, ce qui peut donner lieu à des changements énormes lorsque tu as affaire à une compétition de niveau olympique !

Chapitre 5. Voir au-delà des arbres et de la forêt

Les arbres peuvent être considérés comme des systèmes permettant de faire circuler l’eau du sol vers l’air. Leurs racines tirent l’eau de la terre, vers le haut et leurs feuilles libèrent l’eau par leurs pores. Les larges troncs et les racines en forme de carotte des arbres sont prédits par la Loi constructive.

Au lieu de penser que les arbres ne poussent pas dans un désert parce qu’il n’y a pas d’accès à l’eau, retourne l’idée : le désert n’a pas besoin d’arbres pour faciliter l’écoulement de l’eau, donc les arbres n’y ont pas évolué.

Les ponts, les os et les arbres sont tous optimisés pour résister au stress. Si tu imagines que le stress s’écoule à travers un objet, tu peux prévoir la nécessité de la section transversale ronde que tu vois dans les racines, et tu peux prévoir de longues branches en forme de cône. Les deux conceptions facilitent l’écoulement de l’eau et des contraintes.

Dans le monde réel, la diversité des formes des arbres est créée parce que l’environnement entourant chaque arbre (et donc la résistance à l’écoulement) est différent.

La forêt est également conçue selon la Loi constructive. Une fois que tu as compris que “la nature est comme une gigantesque poupée russe”, il devient alors évident que la forêt est simplement un système optimisé pour pomper l’eau à travers la terre. La Loi constructive prévoit que les grands arbres remplissent le plus d’espace possible, puis que des arbres plus petits comblent les vides, suivis par des arbustes.

”La Loi constructive nous apprend à voir tous les systèmes d’écoulement comme des composants d’un seul organisme, le globe entier“

Chapitre 6. Pourquoi la hiérarchie règne

La pensée occidentale a cherché à appliquer la méthode scientifique à nos systèmes sociaux complexes. Alors que de nombreuses théories supposent des systèmes sociaux statiques (avec peut-être quelques “révolutions” pour faire la transition vers un autre système statique), la Loi constructive définit les systèmes sociaux comme des systèmes de flux.

Elle considère les économies ou les sociétés comme l’environnement, et considère les structures sociales comme le flux de personnes, de biens ou d’idées à travers ces environnements. Voici quelques exemples :

Les autoroutes ont naturellement évolué pour avoir des motifs arborescents afin de rendre le flux plus efficace.
Les entreprises font circuler les connaissances concurrentielles par le biais de canaux d’information, et les produits par le biais de canaux de distribution.
Les religions font circuler la doctrine en la diffusant par l’intermédiaire des ecclésiastiques et des livres, selon une hiérarchie arborescente.
La science diffuse ses connaissances par le biais d’articles, de livres et de conférences.
Lorsque les informations cessent de circuler dans une entreprise, celle-ci meurt. Lorsque le sang cesse de circuler dans un organe, celui-ci meurt.

Les hiérarchies évolueront généralement comme la conception la plus efficace pour le flux. Par exemple :

Eau : Il existe un canal principal (par exemple, un fleuve), quelques affluents et enfin de nombreuses rivières.
Organisations : Les équipes sportives, les gouvernements, les armées, les entreprises et les organisations religieuses ont naturellement évolué vers des hiérarchies pour favoriser le flux. (N’oublie pas que les entreprises qui réussissent et celles qui échouent contiennent des hiérarchies similaires, donc il n’y a pas forcément de corrélation avec le succès, juste avec l’efficacité).
Science : La méthode scientifique est plus récente que les gouvernements. Ainsi, le flux de connaissances évolue encore vers une hiérarchie sous nos yeux beaucoup plus rapidement que les systèmes existants et bien établis.
Langue : Même des mots comme “le” peuvent être considérés comme un grand canal, et des mots comme “flagrant” seraient un petit ruisseau pour les idées.
Internet : Les plus grands sites reçoivent la plus grande partie du trafic internet, suivis par les plus petits blogs, puis les emails individuels.

”Les organisations humaines prospèrent lorsqu’elles trouvent le bon équilibre des flux“

Chapitre 7. Le rapide et le long rencontrent le lent et le court

Pouvons-nous utiliser la Loi constructive pour mieux concevoir l’infrastructure de notre société ? Un corollaire de la Loi constructive est que tu veux idéalement que le “temps d’aller vite et loins” soit approximativement égal au “temps d’aller lentement et près”. Il en résulte un bon équilibre entre l’intérêt personnel d’un voyageur individuel et le flux collectif.

Imagine un chien qui poursuit un bâton dans l’eau : il va courir le long de la plage jusqu’à un certain point, puis il va nager le reste du chemin. Le point auquel il entre dans l’eau dépendra de sa compréhension instinctive de sa vitesse de course par rapport à sa vitesse de nage. Imagine que tu entres dans l’eau pour sauver quelqu’un qui se noie. Si tu es un bon sprinter, tu vas courir plus longtemps avant d’entrer dans l’eau. Si tu es un meilleur nageur, tu entreras naturellement et instinctivement dans l’eau plus tôt, pour égaliser le temps de course et de nage.
On peut prédire l’emplacement et la forme des pyramides en égalisant le travail nécessaire pour transporter les matières premières jusqu’à l’emplacement, avec le travail nécessaire pour transporter les matières sur le côté de la pyramide.
Dans l’aéroport d’Atlanta (l’un des aéroports les mieux conçus), le temps passé à monter dans les trams est à peu près égal au temps passé à marcher.
Il faut 2 heures pour aller de Paris à Madrid en avion, et 2 heures pour aller de Madrid à ses municipalités locales ; cela a naturellement évolué avec le temps.

Lorsque tu superposes plusieurs structures arborescentes, cela donne la structure en grille que l’on voit dans les grandes villes Américaines, où les intersections (coins de rue) contiennent des points d’intérêt. Les pistes cyclables, les ferries et les aéroports du futur peuvent être mieux conçus en tenant compte de la Loi constructive.

Nous devons veiller à ce que le temps passé à voyager aux différentes vitesses soit à peu près égal ; cela permet d’équilibrer l’intérêt de l’individu et le flux collectif.

Chapitre 8. La conception de l’académie

L’évolution est simplement la modification de la conception au fil du temps. Le mécanisme d’évolution dans les universités n’est pas les mutations aléatoires de la biologie, mais quoi qu’il en soit, les conceptions facilitant le flux se produiront toujours naturellement.

Les universités les mieux classées conservent régulièrement leurs positions de haut rang. Pourquoi cela ? Si nous considérons les établissements universitaires comme un flux d’idées créatives, ils sont alors comme les bassins d’un écosystème hiérarchique. Les meilleures écoles n’ont pas nécessairement le plus d’étudiants, mais plutôt la plus grande visibilité des idées.

Une hiérarchie a naturellement évolué pour le flux d’idées, et une telle hiérarchie est devenue rigide et ancrée au fil du temps, comme une rivière qui s’enfonce dans le sol après de nombreuses années. Lorsque les universités tentent de “tricher” avec cette évolution naturelle et s’arrachent des universitaires de haut rang, leurs classements changent à peine. Les écoles établies aux rangs les plus élevés y resteront souvent car la possibilité de rebondir sur les idées d’autres professeurs intelligents facilite l’innovation de nouvelles idées, solidifiant encore plus leur rang.

En outre, les meilleures équipes des tournois de basket sont généralement les mêmes chaque année. Si tu considères les lycées et les universités comme des affluents vers la NBA, une hiérarchie s’établira naturellement. Les équipes qui se retrouvent à plusieurs reprises dans le Final Four auront plus de chances que leurs joueurs aillent en NBA. Cela permettra donc d’attirer de meilleurs talents des affluents (lycées) et de maintenir le système en place.

Chapitre 9. Le Ratio d’Or, la vision, la cognition et la culture

Si tu imagines que les informations affluent dans notre cerveau depuis nos yeux, comment optimiserais-tu ce flux ? Les livres et les écrans d’ordinateur sont tous deux conçus pour maximiser ce flux d’informations.

Lorsque nous regardons une zone rectangulaire, nos yeux peuvent balayer horizontalement avec beaucoup moins d’effort que verticalement. Nos yeux balaient l’horizon horizontalement parce que nous avons évolué de cette façon pour éviter le danger. Lorsque le temps du balayage horizontal de nos yeux est égal au temps du balayage vertical, tu obtiens approximativement le nombre d’or.

Lorsque nous voyons des formes qui sont agréables à l’œil, ou “belles” (par exemple, des formes conçues en tenant compte du nombre d’or), c’est simplement parce qu’elles nous sont le plus utiles du point de vue de l’évolution pour faciliter le flux d’informations.

“Lorsque nous voyons des entités qui nous aident à réaliser ce meilleur mouvement, nous les trouvons agréables à l’œil“

Chapitre 10. La conception de l’histoire

Les systèmes animés et inanimés se transforment et s’écoulent. Avant l’arrivée des organismes biologiques, la Terre optimisait déjà son flux. Le Soleil envoie de l’énergie (rayonnement) à la Terre, et la Terre renvoie de l’énergie au ciel. L’optimisation de ce flux d’énergie a entraîné la conception des rivières ainsi que des animaux.

Les animaux sont simplement des moteurs pour déplacer la masse, et l’environnement qui les entoure est le frein. La résistance à ce flux a provoqué l’émergence de la biodiversité que nous voyons aujourd’hui.

La liberté permet d’augmenter l’efficacité du flux, et la résistance donne lieu à la diversité que nous voyons. Même l’accent que nous mettons aujourd’hui sur les énergies renouvelables n’est qu’une autre tentative d’augmenter l’efficacité du flux des ressources naturelles (soleil, eau, vent, charbon) vers les consommateurs (les humains et nos machines).

La science, la technologie, le gouvernement, l’économie et les arts sont tous des systèmes de flux, transportant différents matériaux.

“Ce dont nous sommes témoins n’est pas une coïncidence mais un modèle“