Concentration critique & Auto-organisation

 Il existe des entités chimiques qui ‘aiment’ l’eau, les ions, les sucres, les alcools, d’autres qui en ont ‘peur’ ou qui ne l’ ‘aiment’ pas, les graisses, les lipides. Le comportement de ces deux espèces isolément est simple, les premières se dissolvent dans l’eau, les autres s’y refusent. Mais les molécules comme l’âme humaine peuvent avoir des comportements ambigus, c’est le cas des amphiphiles (du grec amphi- ‘double’ et -phile ‘qui aime’). La même molécule aime et déteste à la fois l’eau et c’est cette caractéristique qui donne les clés de son comportement. Les savons ou tensio-actifs possèdent cette dualité.

 L’eau est elle-même un milieu qui n’a aucun égal chez les autres liquides. Les molécules d’eau sont liées très fortement les unes aux autres par des liaisons hydrogène directives. Il est ainsi possible de décrire l’eau comme constituée de fugaces icebergs qui se forment et se rompent très rapidement. La formation de liaisons hydrogène est de plus coopérative, lorsqu’une première liaison se forme, elle favorise la formation d’une seconde. Cette propriété et la structuration qu’elle induit permettent la mise en évidence de phénomènes spécifiques aux milieux aqueux. Le corps humain contient environ 60% d’eau et les réactions chimiques qui y ont lieu ont toutes des caractéristiques inédites liées aux phénomènes coopératifs (non-linéaires) observés avec les liaisons hydrogène. La structure de l’eau induite par la formation de liaisons hydrogène a quelques traits communs avec une société organisée. Dans l’un et l’autre cas des phénomènes de rétroaction dominent les comportements.

 La structuration de l’eau entraîne une ‘perte de désordre’ (enthalpie favorable, entropie défavorable) par rapport aux liquides usuels pour lesquels les liaisons hydrogène n’existent pas. Si on dissout un corps peu polaire (huile, graisse) dans l’eau, le degré d’ordre de celle-ci sera augmenté, le degré de ‘structuration’ est plus important. Si deux molécules peu polaires s’associent (effet hydrophobe), le nombre de molécules d’eau dans leurs couches de solvatation diminue et quelques unes d’entre elles reviennent ‘libres’. Ces dernières étant précédemment fortement contraintes géométriquement, on augmente ainsi le nombre de degrés de liberté du système. L’association soluté non polaire-soluté non polaire est favorable du point de vue entropique alors que les interactions soluté-H₂O sont bien plus importantes que les interactions soluté-soluté qui règnent au sein d’un dimère.

 Plus schématiquement (mais correctement), les molécules non polaires s’associent dans l’eau non pas parce que les interactions entre elles le favorise mais parce que l’environnement (le milieu aqueux) s’y prête par des changements de l’équilibre ordre-désordre. À noter que ce mécanisme est au cœur de toutes les réactions du vivant.

 Les molécules hydrophiles ou les ions interagissent plus simplement avec les milieux aqueux, les interactions ion-ion par exemple étant largement défavorisées par rapport aux interactions ion-H₂O. L’amour, la haine étaient prétendument les forces motrices des réactions chimiques selon les savants de l’Antiquité. Il est possible d’ajouter un paramètre à cette hypothèse, le degré d’ordre du milieu environnant peut engendrer lui aussi des unions. Une molécule amphiphile sera susceptible de haïr et d’aimer l’eau concomitamment.

 Si on dissout peu à peu des molécules amphiphiles dans l’eau, dans un premier temps, les molécules se dispersent comme il est habituel. Mais lorsque la concentration atteint une valeur très précise, que l’on l’appelle pour cette raison ‘concentration critique’, les amphiphiles s’organisent sous forme d’agrégats sphériques, des micelles, dans lesquels les parties hydrophobes interagissent entre elles alors que le pourtour est décoré par les têtes polaires. Au delà de la concentration micellaire critique (CMC), des agrégats sphériques tous quasi-identiques se forment. Dans aucun autre solvant ce phénomène n’est observé, l’eau est un solvant unique à cet égard et c’est d’ailleurs la raison de sa nécessaire présence pour voir apparaître toute forme de vie. L’auto-organisation des molécules d’amphiphiles est autant due à l’environnement qu’à leurs propres caractéristiques physico-chimiques.

 En Sciences, vouloir faire des analogies c’est presque toujours se condamner à l’erreur. Malgré tout certaines peuvent avoir un sens profond. La haine comme l’amour de l’eau (ou d’autres choses) cohabitent chez les hommes comme chez les molécules. Les phénomènes de rétroaction leur sont aussi communs : une parole en l’air conduit à une réaction véhémente qui catalyse chez le premier une colère mal contenue que ne supporte pas son interlocuteur qui cherche des mots blessants… Le phénomène d’agrégation fait intervenir tout autant les intéressés (moléculaires ou humains) que l’environnement ou le solvant. Ce sont deux exemples de phénomènes coopératifs. De plus, lorsque ces processus coopératifs sont à l’œuvre, il est difficile voire impossible de discerner la cause de l’effet. Il est même périlleux de vouloir isoler un paramètre donné d’un système, tout se retrouvant dans tout. Ce n’est pas l’étude d’une épidémie récente qui contredira cette affirmation. Qui peut modéliser la venue et la disparition d’une épidémie ? Et pourquoi il en est ainsi ? Des fragments de réalité sont évoqués, l’âge de la population, la température, l’humidité, le taux effectif d’infection… toutes données chiffrées qui cachent bien imparfaitement le fait que personne ne peut répondre à ces questions. On évoque alors, à bon escient, un écosystème !