Quand la théorie des cordes déchiffre le code secret de la nature : une découverte surprenante

Une énigme centenaire enfin résolue ?

Cela fait plus d’un siècle que les scientifiques se grattent la tête devant un mystère qui, à première vue, semble simple. Pourquoi les structures physiques naturelles — pensez à nos vaisseaux sanguins, aux réseaux de neurones dans notre cerveau, ou même aux branches d’un arbre majestueux — ont-elles exactement cette forme-là ? Pendant longtemps, la théorie dominante était assez pragmatique : on pensait que la nature construisait ces systèmes le plus efficacement possible, en minimisant simplement la quantité de matériau nécessaire.

Cependant, il y avait un hic. Chaque fois que les chercheurs testaient ces réseaux naturels face aux théories traditionnelles d’optimisation mathématique, les prédictions tombaient à l’eau. Ça ne collait pas. Le problème, comme on vient de le découvrir, c’est que nous regardions le monde avec les mauvaises lunettes. Nous pensions en une seule dimension alors que nous aurions dû penser en trois.

C’est là qu’intervient Xiangyi Meng, Ph.D., physicien au Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). Comme il l’explique lui-même avec une certaine logique implacable : « Nous traitions ces structures comme des schémas de câblage. Mais ce ne sont pas des fils fins, ce sont des objets physiques tridimensionnels avec des surfaces qui doivent se connecter en douceur. » Et c’est précisément ce changement de perspective qui a mené à une publication majeure ce mois-ci dans la prestigieuse revue Nature.

La théorie des cordes à la rescousse de la biologie

Tenez-vous bien, car c’est ici que ça devient étrange — dans le bon sens du terme. Meng et ses collègues ont démontré que les réseaux physiques des systèmes vivants suivent des règles empruntées à une source totalement inattendue : la théorie des cordes. Oui, vous avez bien lu. Cette branche exotique et parfois controversée de la physique, qui tente d’expliquer la structure fondamentale de l’univers en unifiant la mécanique quantique et la gravité, se retrouve à expliquer… la forme des plantes et de nos neurones.

Bien que la théorie des cordes reste non vérifiée en tant que description ultime de la physique fondamentale, sa machinerie mathématique s’avère, contre toute attente, incroyablement pratique pour comprendre comment la vie s’organise dans l’espace tridimensionnel. « Il semble y avoir une règle universelle régissant la formation des réseaux biologiques », a déclaré Meng. « Cette règle d’optimisation est purement géométrique. Elle ne se soucie pas des types de matériaux ou des tâches, et il s’avère qu’elle est assez universelle et applicable à de nombreux ensembles de données différents. »

Pour comprendre, il faut remonter aux années 1980. À l’époque, des physiciens aux prises avec les mathématiques des cordes vibrantes dans des dimensions supérieures ont développé des outils sophistiqués pour calculer ce qu’on appelle les « surfaces minimales » — la façon la plus lisse et la plus efficace de relier des objets dans l’espace. Ce sont précisément ces équations que l’équipe de Meng a retrouvées dans la nature.

Les modèles mathématiques traditionnels prédisaient des réseaux biologiques s’appuyant lourdement sur des bifurcations, c’est-à-dire des séparations en deux voies. Mais jetez un œil à un arbre : les jonctions à trois, quatre voies ou plus sont monnaie courante. Les principes de minimisation de surface de la théorie des cordes permettent justement ces séparations d’ordre supérieur.

Des preuves concrètes : du cerveau humain aux coraux

L’équipe ne s’est pas contentée de théoriser. Ils ont mis leur découverte à l’épreuve face à la réalité, et pas qu’un peu. Les chercheurs ont testé leur théorie sur des scans 3D haute résolution de six types de réseaux différents :

• Les neurones humains ;
• Les neurones de la mouche à fruits ;
• Les vaisseaux sanguins humains ;
• Les arbres tropicaux ;
• Les coraux ;
• Et l’Arabidopsis, un type de cresson couramment étudié par les biologistes.

Dans chaque cas, sans exception, les modèles de ramification correspondaient mieux aux prédictions de la minimisation de surface qu’aux anciennes théories basées sur la simple minimisation du câblage. Ils ont aussi observé ce qu’ils appellent des « bourgeons orthogonaux », ces petites pousses en cul-de-sac qui partent à la perpendiculaire. Figurez-vous que dans le cerveau humain, 98 % de ces pousses perpendiculaires se terminent par des synapses, les points de connexion entre les neurones.

Ces pousses permettent essentiellement aux neurones de s’étendre et de se connecter avec leurs voisins en utilisant le moins de matériel biologique possible. C’est la même logique pour les racines des plantes ou les fils fongiques qui poussent perpendiculairement pour explorer le sol plus efficacement à la recherche d’eau et de nutriments. Cependant, soyons honnêtes, la physique n’explique pas tout. Les systèmes biologiques subissent de nombreuses pressions concurrentes. Les chercheurs ont d’ailleurs noté que les réseaux réels peuvent être jusqu’à 25 % plus longs que le minimum absolu prédit par la théorie. Mais la cohérence reste frappante.

Conclusion : Vers de nouvelles ingénieries

Ces résultats sont fascinants car ils montrent comment la boîte à outils abstraite de la physique théorique peut nous aider à résoudre des problèmes très concrets. Comme l’a souligné Gyorgy Korniss, Ph.D., chef du département de physique, physique appliquée et astronomie du RPI, cela nous rapproche d’une meilleure compréhension des schémas de connectivité dans le cerveau et les réseaux vasculaires. C’est un pont inattendu entre l’abstrait et le vivant.

À l’avenir, ces découvertes pourraient aider les ingénieurs à concevoir de meilleurs réseaux artificiels, allant de tissus imprimés en 3D avec des vaisseaux sanguins fonctionnels à des systèmes de transport plus efficaces. Mais au fond, la leçon la plus profonde concerne peut-être l’économie de la nature : l’évolution, dans sa grande sagesse, semble adhérer aux mêmes principes mathématiques que ceux que les physiciens découvrent en étudiant la structure même de l’univers (référence DOI : 10.1038/s41586-025-09784-4).

Selon la source : phys.org

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