Fiche de révision : Systèmes et théorie générale

📋 Plan du Cours

1. Théorie générale des systèmes
2. Systèmes ouverts et isolés
3. Composants, interactions et flux
4. Propriétés des systèmes ouverts
5. Homéostasie et rétroaction
6. Continuité et réseaux écologiques
7. Entropie et thermodynamique
8. Néguentropie et organisation
9. Modèles des systèmes

📖 1. Théorie générale des systèmes

🔑 Notions clés & Définitions

• Système : Ensemble de parties ou d’éléments organisés et reliés qui interagissent entre eux en fonctionnant comme un tout.
• Théorie générale des systèmes : Métathéorie qui part du concept abstrait de système pour rechercher des règles générales applicables à tout système.

★ À maîtriser

• La théorie générale des systèmes adopte une perspective holistique et intégratrice et considère la nature comme un système complexe et dynamique soumis à des interactions.

Compléments

• Ludwig von Bertalanffy (1901-1972) a développé le concept de système.

• La théorie générale des systèmes est apparue en biologie, a été formulée dans les années 1940 et a commencé à se développer dans les années 1960.

• Les domaines associés aux sciences des systèmes sont : la cybernétique, associée à Wiener, la théorie de l’information, associée à Shannon et Weaver, la dynamique des systèmes, associée à Forrester, la théorie des jeux, associée à Neumann et Morgenstern, la théorie du chaos, associée à Thom, la théorie des catastrophes, associée à Lorenz

📖 2. Systèmes ouverts et isolés

🔑 Notions clés & Définitions

• Système isolé : Système qui ne peut échanger ni matière ni énergie avec son environnement.

★ À maîtriser

📌 Un système ouvert échange continuellement avec son environnement et importe puis traite de l’énergie, de la matière et de l’information.

📌 Un système fermé est isolé de son milieu environnant et n’échange pas de matière avec celui-ci.

• Les écosystèmes changent au cours du temps et sont soumis à des flux d’échange de matière et d’énergie, appelés flux bioénergétiques, ce qui conduit à les modéliser comme des systèmes ouverts.

Compléments

• Un système reste indéfiniment en équilibre en l’absence d’influences externes, mais aucun système naturel connu ne satisfait les caractéristiques d’un système isolé à l’équilibre thermodynamique.

💡 Astuce mémo

Ouvert : échanges ; isolé : aucun échange de matière ni d’énergie

📖 3. Composants, interactions et flux

🔑 Notions clés & Définitions

• Interaction : Lien qui relie entre eux les composants ou les sous-systèmes d’un système.

• Processus : Un processus transforme une entrée en sortie.
• Entrée : Force de démarrage qui fournit au système ses besoins opérationnels.
• Sortie : Résultat obtenu après le traitement des entrées par le système.

📝 Points essentiels

• Les sorties d’un système peuvent devenir les entrées d’un autre système, qui les transforme en nouvelles sorties, et ce cycle se répète indéfiniment.

💡 Astuce mémo

Entrée → processus → sortie → nouvelle entrée

📖 4. Propriétés des systèmes ouverts

🔑 Notions clés & Définitions

• Synergie : Coopération ou action conjointe de composants d’un système, qui produit un résultat tirant parti et maximisant les qualités de chaque élément.

★ À maîtriser

• Les systèmes ouverts peuvent : utiliser l’information reçue de leur environnement, sélectionner l’information reçue de leur environnement, traiter l’information reçue de leur environnement, évoluer vers une complexité accrue

📌 Les propriétés d’un système dépendent à la fois des caractéristiques de ses éléments et de la manière dont ceux-ci interagissent, car un système n’est pas une collection aléatoire de composants.

📌 Selon la loi de totalité ou de non-sommativité, le tout est supérieur à la simple somme de ses parties, soit $T > \sum P$.

Compléments

• Selon Margalef, l’évolution d’un système accumule de l’information, qui se conserve dans les écosystèmes dans les génomes des espèces, les organisations spatiales, les structures et les circuits récurrents d’interactions.

• La modification de l’état d’un élément d’un système modifie l’état des autres éléments ainsi que l’état du système lui-même.

💡 Astuce mémo

Interactions organisées → propriétés du tout

📖 5. Homéostasie et rétroaction

🔑 Notions clés & Définitions

• Homéostasie : Tendance d’un système à résister au changement et à demeurer dans un état d’équilibre relatif malgré une large gamme de conditions externes.

• Rétroaction : Flux de sortie d’un système qui devient de nouveau une entrée de ce système.
• Stabilité dynamique : Capacité d’un système à conserver sa structure malgré les changements et le remplacement de ses composants.

★ À maîtriser

📌 La morphogenèse désigne la tendance d’un système à changer, tandis que l’homéostasie désigne sa tendance à maintenir une stabilité relative.

• Les processus homéostatiques sont responsables de :
  • l’autoconservation du système
  • l’autorégulation du système
  • la réponse du système aux changements
  • l’adaptation du système aux changements

Compléments

• Selon Goldsmith (1988), un système stable n’est pas immobile, mais conserve sa structure et ses fonctions fondamentales au cours du changement.

💡 Astuce mémo

La rétroaction négative freine l’écart ; la positive l’amplifie

📖 6. Continuité et réseaux écologiques

★ À maîtriser

• La continuité temporelle désigne le maintien dans le temps des interactions entre les composants et des fonctions qu’ils réalisent.

• Les systèmes ouverts tendent à conserver leur identité malgré les changements, tout en évoluant constamment et en développant un ordre structurel.

Compléments

• L’organisation des réseaux écologiques détermine la stabilité des communautés et modifie la gamme de conditions dans laquelle les espèces peuvent coexister ainsi que le risque d’effondrement du réseau lors de variations de population. - Bascompte et al., 2014

• L’approche holistique de l’étude des systèmes révèle de nouveaux phénomènes et des structures d’une grande complexité.

• Les dimensions d’étude d’un système sont :

  • sa structure
  • son fonctionnement
  • son organisation
  • ses propriétés fonctionnelles
  • son évolution temporelle
  • son homéostasie
  • sa continuité temporelle

📖 7. Entropie et thermodynamique

🔑 Notions clés & Définitions

• Entropie : Grandeur physique qui mesure la part de l’énergie indisponible pour produire un travail et caractérise l’irréversibilité des systèmes thermodynamiques.

★ À maîtriser

📌 Selon le deuxième principe de la thermodynamique formulé par Clausius en 1865, l’entropie de l’Univers tend vers sa valeur maximale alors que son énergie totale demeure constante.

📐 Formule - Le deuxième principe établit que, dans les processus naturels, $\Delta S_{\text{total}} \geq 0$.

📌 Dans un système isolé, l’entropie tend vers son maximum, le désordre et la probabilité augmentent, tandis que l’ordre diminue.

Compléments

• Selon Boltzmann (1909), l’entropie mesure l’aléatoire ou le désordre et correspond au logarithme de la probabilité.

• Eddington (1927) qualifie l’entropie de « flèche du temps » en raison de son irréversibilité. - The Nature of the Physical World

💡 Astuce mémo

La flèche du temps pointe vers l’augmentation de l’entropie dans un système isolé

📖 8. Néguentropie et organisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Néguentropie : Énergie excédentaire importée et stockée par un système ouvert, qui peut servir à maintenir ou améliorer son organisation et à survivre.

★ À maîtriser

📐 Formule - Prigogine (1945) exprime la variation d’entropie d’un système par $dS = d_eS + d_iS$, où $d_iS$ est la production interne d’entropie et $d_eS$ le flux d’entropie échangé avec le milieu.

📌 Dans un système isolé, le flux échangé est nul ($d_eS=0$), donc la production interne positive entraîne une variation d’entropie positive.

📌 Dans un système ouvert, un flux d’entropie négatif peut compenser la production interne positive et permettre une diminution de l’entropie du système.

Compléments

• Selon Schrödinger (1943), un système ouvert se nourrit d’entropie négative, c’est-à-dire d’une contribution qui favorise l’ordre. - What is life?

• Brillouin a remplacé l’expression « entropie négative » par « néguentropie ».

💡 Astuce mémo

Entropie : désorganisation ; néguentropie : organisation

📖 9. Modèles des systèmes

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle : Représentation d’un système, conçue pour simplifier et généraliser la réalité afin d’analyser, formaliser et quantifier certains aspects du système.

★ À maîtriser

• La théorie générale des systèmes propose d’analyser les systèmes naturels et leurs processus au moyen de modèles destinés à prédire des comportements, des processus ou des réponses.

Compléments

• Les modèles peuvent être :
  • graphiques
  • verbaux
  • mathématiques
  • statistiques

📊 Tableaux de synthèse

Échanges et évolution de l’entropie