Aux sources de la parole

Auto-organisation et évolution

Pierre-Yves Oudeyer

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2013
• Imprimer l'ISBN:
  9782738129482
• ISBN de l'eBook:
  9782738175892
• Sujet: Sciences biologiques
• Sujet: Neurosciences

La silhouette des montagnes, les dunes, les cristaux de glace : la nature regorge de motifs organisés. Beaucoup sont le résultat d'interactions entre les nombreux composants du système dans lequel ils prennent forme. On parle alors d'auto-organisation, présente aussi dans le vivant. Qu'en est-il de la parole ? Aux côtés de la sélection naturelle, l'auto-organisation ne joue-t-elle pas aussi un rôle essentiel pour expliquer ses structures, son émergence ? C'est l'hypothèse qu'explore cet ouvrage, qui fait se rejoindre les acquis de la linguistique, les apports de la biologie et les éclaircissements fournis par la modélisation informatique et robotique. Quand les sciences informatiques permettent d'éclairer d'un jour nouveau la nature et l'évolution du langage. Pierre-Yves Oudeyer, directeur de recherche à Inria, étudie les mécanismes du développement sensori-moteur, cognitif et social chez l'humain et chez les robots. Suivant une approche multidisciplinaire, où les sciences du numérique participent à notre compréhension du vivant et de l'homme, il s'intéresse au rôle de l'auto-organisation et de l'apprentissage au cours des interactions entre cerveau, corps et environnement physique et social. Lauréat du programme européen ERC et du prix Le Monde de la recherche universitaire, il dirige l'équipe Flowers à Inria et à l'Ensta ParisTech, et a été chercheur au Sony Computer Science Laboratory à Paris. 

Chapitre 1

La révolution scientifique de l’auto-organisation

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L’auto-organisation : un éclairage nouveau sur la nature

La nature regorge de formes et de motifs fascinants d’organisation, et en particulier dans sa partie inorganique. La silhouette des montagnes est la même que l’on regarde à l’échelle du rocher, du pic ou de la chaîne. Les dunes s’alignent souvent en longues bandes parallèles. L’eau se cristallise en flocons symétriques et dentelés quand la température s’y prête. Et, quand elle coule dans les rivières et tombe des cascades, apparaissent des tourbillons en forme de trompettes et les bulles se rassemblent en structures parfois polyhédrales. Les éclairs dessinent dans le ciel des ramifications à l’allure végétale. L’alternance de gel et de dégel sur les sols pierreux de la toundra laisse des empreintes polygonales sur le sol. La liste de ces formes rivalise de complexité avec bien des artefacts humains, comme on peut l’apprécier sur la figure 1.1. Et pourtant rien ni personne ne les a dessinées ou conçues. Pas même la sélection naturelle, le concepteur aveugle de Dawkins (Dawkins, 1982). Quel est donc le mystère qui explique leur existence ?

Figure 1.1. La nature regorge de formes et de motifs organisés sans qu’il existe quelque part des plans qui auraient servi à les construire : on dit qu’ils sont auto-organisés. Ici, des bandes parallèles qui courent sur les dunes, des bulles d’eau à la surface du liquide qu’on a agité, et les structures polyhédrales qui restent quand elles sèchent, un cristal de glace, des montagnes dont les formes sont les mêmes qu’on les regarde à l’échelle du rocher ou à l’échelle du pic. (Photos : Nick Lancaster, Desert Research Institute, Nevada ; Burkhard Prause, University of Notre Dame, Indiana ; Bill Krantz, University of Colorado.)

Toutes ces structures organisées ont un point commun : elles sont le résultat macroscopique des interactions locales entre les nombreux composants du système dans lequel elles prennent forme. Leurs propriétés organisationnelles globales ne sont cependant pas présentes au niveau local. En effet, la forme d’une molécule d’eau, ainsi que ses propriétés physico-chimiques individuelles sont très différentes de celles des cristaux de glace (voir figure 1.2.), des tourbillons, ou encore des polyèdres de bulles. Les empreintes polygonales de la toundra ne correspondent pas à la forme des pierres qui les composent, et ont une organisation spatiale très différente de l’organisation temporelle du gel et du dégel. Voilà la marque d’un phénomène qui révolutionne notre compréhension de la nature : l’auto-organisation.

Figure 1.2. L’auto-organisation des cristaux de glace. La structure macroscopique du cristal s’auto-organise à partir des interactions entre les molécules d’eau dont la structure microscopique est qualitativement différente.

Ce concept fondamental constitue la pierre de touche du changement paradigmatique que les sciences de la complexité ont opéré au XX^e siècle. Après le travail précurseur et visionnaire de D’Arcy Thompson (Thompson, 1917) qui étudia au début du XX^e siècle des phénomènes auto-organisés sans les nommer, le concept est réellement apparu et s’est développé à partir des années 1950 sous l’impulsion de chercheurs comme Alan Turing, William Ross Ashby, Heinz von Foerster, Ilya Prigogine, Francesco Varela et René Thom (Turing, 1952 ; Ashby, 1952 ; Nicolis et Prigogine, 1977 ; Kauffman, 1996 ; Ball, 2001). Depuis Newton, la bonne science se devait d’être réductionniste, et consistait à étudier les systèmes naturels en les décomposant en sous-systèmes plus simples. Par exemple, pour comprendre comment le corps humain fonctionnait, on se devait d’étudier d’un côté le cœur, de l’autre le système nerveux, et d’un autre côté encore par exemple le système limbique. D’ailleurs, on ne s’arrêtait pas là, et l’étude du système nerveux par exemple était divisée en l’étude du cortex, du thalamus ou des innervations motrices périphériques. Cette méthode nous a évidemment permis d’apprendre une somme impressionnante de connaissances. Mais les chantres de la complexité l’ont battue en brèche. Leur credo : « La somme des parties est plus que les parties prises indépendamment. » Or les systèmes complexes, c’est-à-dire les systèmes composés de nombreux sous-systèmes en interaction, abondent dans la nature et ont la très forte tendance à s’auto-organiser. Même ceux du monde biologique, sur lesquels l’emprise de la sélection naturelle n’est pas totale mais doit jouer avec l’auto-organisation.

Il apparaît donc aujourd’hui que de nombreux systèmes naturels ne peuvent tout simplement pas être expliqués par l’étude réductionniste de leurs parties. L’exemple des artefacts construits collectivement dans les sociétés de termites illustre parfaitement ce point (Camazine et al., 2003). Les termites construisent en effet des nids immenses, qui s’élèvent à plusieurs mètres du sol et peuvent former des arches qui ne sont pas sans rappeler les constructions humaines, comme la figure 1.3 le montre. Si l’on veut expliquer la formation de ces structures, alors l’étude des termites prise indépendamment, par exemple l’étude précise de tout le câblage nerveux, ne suffit pas. On pourrait tout connaître de l’anatomie et du comportement d’un termite, sans pour autant comprendre comment leurs nids sont bâtis. Car en effet, aucun termite ne possède l’équivalent d’un plan, même partiel, de la superstructure. Les savoir-faire dont ils disposent ont une nature infiniment plus basique : ils sont du type « si je tombe sur une boule de terre, la prendre et la déposer là où la quantité de phéromone est grande ». La superstructure résulte plutôt de l’interaction dynamique de milliers de termites dans leur environnement, de la même manière que la structure symétrique des cristaux de glace résulte de l’interaction des molécules d’eau dans certaines conditions de pression et de température, et non d’une transposition au niveau macroscopique des structures déjà présentes au niveau microscopique.

Les exemples de l’utilisation du concept d’auto-organisation et d’explications systémiques des formes de la nature, abondent maintenant et forment le cœur des recherches les plus avancées de plus en plus de physiciens et de biologistes. On peut citer les formations qu’adoptent les fourmis et les abeilles pour la chasse ou la récolte, les formes dynamiques des bancs de poissons ou des nuées d’oiseaux, les patterns symétriques sur les ailes des papillons, les taches régulières sur la peau des léopards, ou les rayures des poissons et des coquillages, la magnétisation des aimants, la formation des tourbillons dans les rivières, la genèse des galaxies, les oscillations de la démographie des écologies proie-prédateur, la formation de patterns dans les cultures de bactéries et dans les systèmes chimiques avec réaction-diffusion, la cristallisation, les lasers, la supraconductivité, la répartition des tailles des avalanches, les systèmes chimiques autocatalytiques, la formation de membranes lipidiques ou encore la dynamique des bouchons sur les autoroutes.

Figure 1.3. L’architecture des nids de termites est le résultat auto-organisé de l’interaction entre des milliers d’individus dont aucun ne connaît le plan global.

Les sciences de la complexité ont ainsi désormais prouvé l’utilité fondamentale du concept de l’auto-organisation et de la méthode systémique pour expliquer des phénomènes naturels qui concernent autant les structures physiques que certaines structures biologiques qui caractérisent la forme ou le comportement d’animaux simples comme les insectes. Nous sommes maintenant à l’aube d’un nouveau pas décisif dans cette révolution scientifique : les chercheurs de la complexité commencent à s’attaquer à la compréhension de l’homme lui-même au moyen de ces nouveaux outils. La compréhension des fonctions vitales de l’organisme humain est bouleversée par le courant émergent de ce qu’on appelle la biologie « intégrative » ou « systémique » (Chauvet, 1995 ; Kitano, 2002 ; Noble, 2006 ; Wilkinson, 2011). Plutôt que de se concentrer sur chaque organe isolément, on essaie maintenant de comprendre leurs interactions complexes dans un organisme considéré comme un tout, où les propriétés de chaque élément ne peuvent être comprises que dans le contexte de leurs interactions avec les autres éléments, et à plusieurs échelles de temps et d’espace. Cela a permis d’ouvrir de nouvelles voies théoriques, inaugurées par Alan Turing avec ses modèles mathématiques de la morphogenèse (Turing, 1952), puis plus récemment pour la compréhension des cancers (Kitano, 2004) ou celle du fonctionnement du cœur, comme l’a montré Denis Noble, l’un des pionniers de la biologie des systèmes (Noble, 2006).

Les chantres de l’auto-organisation ne s’arrêtent pas là : le cerveau de l’homme ainsi que les sensations et la pensée sont aussi sous la forte influence des propriétés d’organisation spontanée de leur structure physique. En effet, le cerveau, composé de milliards de neurones en interaction dynamique, entre eux et avec le monde extérieur, est le stéréotype du système complexe. Par exemple, comme nous le montrerons dans ce livre, l’auto-organisation peut être au cœur de la capacité de notre cerveau à catégoriser le monde qu’il perçoit et à organiser les flux continus de perceptions en objets psychologiques atomiques.

Cependant, le sujet principal de ce livre va au-delà de la réflexion sur le cerveau comme un système auto-organisé : nous sommes aujourd’hui à l’orée d’une avancée majeure dans les sciences, celle de la compréhension naturalisée de ce qui fait de l’homme une créature unique : sa culture et son langage. En effet, si la culture et le langage sont les sujets d’investigation des sciences humaines depuis des siècles, on n’a jamais encore réussi à en ancrer leur compréhension dans leur substrat matériel biologique, c’est-à-dire l’ensemble des cerveaux de tous les humains en interactions complexes et dynamiques permanentes dans le monde physique. Or les outils de la complexité commencent à nous le permettre. Nous allons l’illustrer dans ce livre, en nous concentrant sur un exemple particulier, celui de l’origine et de la formation d’un des piliers du langage : la parole, forme et véhicule du langage, comprise comme les systèmes combinatoriaux de sons partagés dans chaque communauté linguistique. Pour comprendre la révolution en marche sur cette question, nous allons d’abord retracer quelques grandes lignes de son histoire.

Les origines du langage : un champ de recherche florissant

Il est une évidence qui n’a d’égal que le mystère qui s’en dégage : les humains parlent. C’est leur principale activité, qui les distingue de tout le reste du règne animal. Le langage humain est un outil de communication d’une complexité inégalée. Code conventionnalisé, il permet à un individu de faire partager aux autres ses idées, ses émotions, de parler des couleurs du ciel mais aussi des paysages lointains, des événements passés, et même de la manière dont il imagine le futur, de théorèmes mathématiques, des propriétés invisibles de la matière et du langage lui-même. En outre, chaque langue définit un code propre à ses locuteurs, c’est-à-dire une manière originale d’organiser les sons, les syllabes, les mots, les phrases, et d’articuler les rapports entre ces phrases et le sens qu’elles véhiculent. Environ six mille langues sont aujourd’hui parlées dans le monde, marquées par une grande diversité (Hagège, 2006 ; Hombert, 2009 ; Fitch, 2011). En permanence ces langues évoluent (Labov, 1994 ; Hombert, 2005), certaines meurent et d’autres naissent. On évalue à plus d’un demi-million le nombre de langues qui ont existé. On a du mal à imaginer une humanité sans langage. Et pourtant, il y a longtemps, les humains ne parlaient pas.

Cela pose l’une des questions les plus difficiles que la science ait à résoudre : comment les humains en sont-ils venus à parler ? Une seconde question la prolonge naturellement : comment les langues évoluent-elles ?

Ces deux questions, celle de l’origine du langage et celle de l’évolution des langues, ont été au centre des recherches de nombreux penseurs dans les siècles passés, et en particulier au XIX^e siècle. Elles figurent en bonne place d’ailleurs dans les réflexions de Darwin (Darwin, 1859). De nombreuses théories furent développées sans être contraintes ni par l’observation ni par l’expérimentation. Elles s’éloignèrent assez vite des raisonnements et des méthodes scientifiques, à tel point que la Société de linguistique de Paris déclara en 1866 que ces questions ne devaient plus être abordées dans le cadre de la science. Cela inaugura un siècle d’arrêt quasi total des recherches dans ce domaine.

Les avancées en neurosciences, en sciences de la cognition et en génétique, vers la fin du XX^e siècle, ont remis ces questions au centre de la scène scientifique. D’une part, les neurosciences modernes, en particulier grâce aux outils d’imagerie cérébrale, ainsi que les sciences de la cognition ont fait des progrès immenses dans la compréhension générale du fonctionnement du cerveau, et en particulier sur la manière dont on acquiert le langage et comment le cerveau le traite. Cela a permis d’initier une naturalisation de l’étude du langage, c’est-à-dire un ancrage du système abstrait que les linguistes décrivent dans le substrat physique et biologique qui compose les êtres humains et leur environnement. En bref, les sciences naturelles se sont approprié des questions qui étaient auparavant dans le domaine des sciences humaines. Ces nouveaux éclairages sur le fonctionnement du langage ont ainsi fourni à la recherche de ses origines des contraintes dont l’absence avait miné les recherches du XIX^e siècle.

D’autre part, les progrès de la génétique ont braqué les projecteurs sur la théorie néodarwinienne de l’évolution, en confirmant d’une part certains de ses piliers (avec par exemple la découverte des gènes, puis de certains des mécanismes de variation), et d’autre part en lui permettant de tester ses prédictions, souvent avec succès, grâce au séquençage des génomes d’animaux de différentes espèces permettant de reconstruire leurs arbres phylogénétiques (c’est-à-dire leur histoire évolutionnaire). En particulier, le séquençage du génome humain, ainsi que celui d’autres animaux comme les chimpanzés ou les singes, a permis de préciser les liens entre l’homme et ses ancêtres. Ainsi, sous l’impulsion d’une biologie évolutionnaire vigoureuse, fournissant en même temps un corpus impressionnant d’observations et un cadre explicatif théorique solide, la question de l’origine de l’homme s’est vue devenir une préoccupation centrale de la communauté scientifique. Et, tout naturellement, l’origine du langage, celui-ci étant un des traits marquants de l’homme moderne, a retrouvé, comme au XIX^e siècle, son statut de sujet phare de la recherche.

Interdisciplinarité

Un consensus se dégage de la communauté des chercheurs qui aujourd’hui s’attellent aux questions de l’origine du langage et de l’évolution des langues : la recherche doit être interdisciplinaire. En effet, nous avons affaire à un puzzle aux ramifications immenses qui dépassent les compétences de chaque domaine de recherche pris indépendamment. C’est d’abo...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Dédicace
• Sommaire
• Préface
• Chapitre 1 - La révolution scientifique de l’auto-organisation
• Chapitre 2 - Structures de la parole
• Chapitre 3 - Auto-organisation et évolution des formes du vivant
• Chapitre 4 - Théories sur les origines de la parole
• Chapitre 5 - Épistémologie de la méthode de l’artificiel
• Chapitre 6 - Un modèle de l’auto-organisation de systèmes de vocalisations
• Chapitre 7 - Apprentissage des correspondances perceptuo-motrices
• Chapitre 8 - Origine des règles de syntaxe des sons
• Chapitre 9 - Des scénarios nouveaux pour l’origine de la parole
• Chapitre 10 - Construire pour comprendre
• Références
• Index