Biophysique

[mariposa]

La biophysique semble aussi avoir un bel avenir devant elle, en tout cas en ce moment c'est très trendy

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Que recouvre la biophysique?

Un ou deux exemples!
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[Gwyddon]

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Que recouvre la biophysique?

Un ou deux exemples!

Je donne un exemple, puisque c'est sur ça que je bosse en ce moment

On s'intéresse aux propriétés de l'ADN d'un point de vue quantitatif : comment expliquer par exemple la dynamique du processus de transposition, qui consiste en la migration de bouts de gènes d'une partie de l'ADN vers une autre partie (ou vers un autre brin d'ADN).

Pour effectuer ce processus, il est nécessaire que l'ADN forme une boucle : comment décrire ce processus ?

Les outils essentiels sont ceux de la physique statistique bien sûr

[mariposa]

Je donne un exemple, puisque c'est sur ça que je bosse en ce moment

On s'intéresse aux propriétés de l'ADN d'un point de vue quantitatif : comment expliquer par exemple la dynamique du processus de transposition, qui consiste en la migration de bouts de gènes d'une partie de l'ADN vers une autre partie (ou vers un autre brin d'ADN).

Pour effectuer ce processus, il est nécessaire que l'ADN forme une boucle : comment décrire ce processus ?

Les outils essentiels sont ceux de la physique statistique bien sûr

Je croyais que tu grenoullais autour de la supersymétrie.
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Merci pour ton information et bon courage.

[Gwyddon]

Je croyais que tu grenoullais autour de la supersymétrie.

Ah mais tout à fait

Mais là pour mon petit stage "expérimental" (oui oui, je fais bien un DEA de physique théorique quand même ) je me suis dit que c'était l'occasion de toucher à mon deuxième dada, et de rajouter une compétence, après tout pourquoi pas si jamais la HEP foire ?

Merci pour ton information et bon courage.

Merci

[A voir en vidéo sur Futura]

[gatsu]

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Que recouvre la biophysique?

C'est extremement vaste, l'idée de base étant de réduire, en gros, la biologie à la physique (ou parfois d'aider la biologie avec la physique en imposant des contraintes données par la physique) !
Cela peut donc aller de la physique non linéaire des froissements et des fractures appliquée à des tissus vivants au "fonctionnement du noyau", le terme "fonctionnement" recouvrant ici une multitude de processus physiques mis en jeu et qui chacun pris à part est déjà super balèze à modéliser (comme ce qu'étudie Gwyddon par exemple), en passant par exemple par la modélisation du fonctionnement d'un neurone avec la modélisation de la propagation des potentiels d'actions, leur établissement etc..
C'est effectivement assez souvent de la méca stat qui soulève des problèmes théoriques assez sympa comme le fait qu'a priori on ne peut pas utiliser le groupe de renormalisation une infinité de fois car plusieurs échelles interviennent dans le vivant et aussi, il faut être capable de modéliser le fait que toutes ces échelles se parlent entre elles ce qui est assez rare en physique en fait. En outre, en réalité, on est assez souvent hors d'équilibre et la plupart des processus sont en plus guidés par des réactions chimiques complexes, donc autant dire qu'il y a du boulot...je trouve .

P.S: En ce qui concerne la terminologie "biophysique" elle n'est pas encore très claire aujourd'hui puisqu'elle englobe en fait la biophysique des radiations (intéraction rayonnement-vivant), la physiologie mathématique (qui est une branche des mathématiques appliquées très axée physique en fait), la compréhension de l'ensemble des processus intervenant dans la cellule ainsi que tout ce qu'il y a entre les deux (cellule/physiologie) et pour finir l'application de méthodes expérimentales de pointe en physique à l'étude plus précise de systèmes biologiques par des biologistes.

[Gwyddon]

Merci gatsu pour ce résumé très sympathique

A noter aussi qu'en bio on retrouve des interactions longues portées assez souvent, ce qui complique aussi la tâche..

[mariposa]

Bonjour et merci de ton intervention puisque je sais que c'est ton terrain de "jeu".

C'est extremement vaste, l'idée de base étant de réduire, en gros, la biologie à la physique (ou parfois d'aider la biologie avec la physique en imposant des contraintes données par la physique) !

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Je doute que l'on puisse réduire la biologie à la physique puisque on ne sait pas réduire la chimie à la physique. Par contre on peut s'inspirer de modèles physiques pour comprendre des phénomènes extérieurs a la physique. On peut en sociologie s'intéresser à la diffusion des idées en s'inspirant de la diffusion des particules (mouvement brownien etc...).

Cela peut donc aller de la physique non linéaire des froissements et des fractures appliquée à des tissus vivants au "fonctionnement du noyau", le terme "fonctionnement" recouvrant ici une multitude de processus physiques mis en jeu et qui chacun pris à part est déjà super balèze à modéliser (comme ce qu'étudie Gwyddon par exemple),

Ce que tu appelles fracture de tissus vivants, ne seraitce pas plutôt apparenté à déchirure d'un tissu de vétement. Est-ce que le coté vivant change quelquechose?

en passant par exemple par la modélisation du fonctionnement d'un neurone avec la modélisation de la propagation des potentiels d'actions, leur établissement etc..

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C'est un sujet très ancien. De la propagation soliton aux modèles de neurones formels.

C'est effectivement assez souvent de la méca stat qui soulève des problèmes théoriques assez sympa comme le fait qu'a priori on ne peut pas utiliser le groupe de renormalisation une infinité de fois car plusieurs échelles interviennent dans le vivant et aussi, il faut être capable de modéliser le fait que toutes ces échelles se parlent entre elles ce qui est assez rare en physique en fait.

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Le groupe de normalisation s'applique justement aux situations physiques où il n'y a pas de hiérarchies d'échelles et s'applique dans des conditions très particulières. En biologie où il ya effectivement des niveaux d'échelles différents (ce qui exclu la procédure de renormalisation) le problème serait de raccorder ces niveaux. Et là je me demande comment pourrait-t-on raccorder les échelles en biologie alors que l'on ne sait pas le faire en physique de la matière condensée!

En outre, en réalité, on est assez souvent hors d'équilibre et la plupart des processus sont en plus guidés par des réactions chimiques complexes, donc autant dire qu'il y a du boulot...je trouve .

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La notion de non équilibre a de sens que si l'on ne se trouve pas trop loin de l'équilibre thermodynamique, ce qui me semble-t-il loin d'être le cas dans la matière vivante! Le fait que l'on a des réactions chimiques complexes justifie que l'on ne peut pas comprendre celles-ci avec les concepts de la chimie, c'est pourquoi il y a une discipline bien établie qui est la biochimie! Non!

P.S: En ce qui concerne la terminologie "biophysique" elle n'est pas encore très claire

Entièrement d'accord, le statut de cette discipline ne me semble pas établie. D'ailleurs il suffit de poser la question: quel est aujourd'hui l'apport de la physique dans la compréhension du vivant, a part quelques idées générales comme les structures dissipatives de prigogine?

aujourd'hui puisqu'elle englobe en fait la biophysique des radiations (intéraction rayonnement-vivant),

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As-t-on mis en évidence sur le thème interaction onde-matière quelquechose de spécifique au vivant?

la physiologie mathématique (qui est une branche des mathématiques appliquées très axée physique en fait),

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Je ne comprend pas ce dont il s'agit?

la compréhension de l'ensemble des processus intervenant dans la cellule ainsi que tout ce qu'il y a entre les deux (cellule/physiologie)

Est-ce un problème de physique? j'en doute.

et pour finir l'application de méthodes expérimentales de pointe en physique à l'étude plus précise de systèmes biologiques par des biologistes.

Là aucun doute: les méthodes expérimentales de la physique peuvent aider la compréhension du vivant et peut-être même faire émerger de nouveaux concepts que l'on pourrait appeler biophysique: On a jamais déduit la supraconductivité de l'équation de Schrodinger. C'est la découverte de la supra qui a obligé la conceptualisation du phénomène.
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[gatsu]

Je doute que l'on puisse réduire la biologie à la physique puisque on ne sait pas réduire la chimie à la physique.

Ben ça dépend ce qu'on appelle réduire la chimie à la physique non ? En pratique on ne sait pas le faire pour des réactions complexes mais c'est le rôle de la physique atomique et moléculaire et en principe je ne vois pas en quoi la chimie ne pourrait pas se réduire à la physique (mais là c'est plus un problème épistemologique).

Par contre on peut s'inspirer de modèles physiques pour comprendre des phénomènes extérieurs a la physique. On peut en sociologie s'intéresser à la diffusion des idées en s'inspirant de la diffusion des particules (mouvement brownien etc...).

Certains travaux vont effectivement dans ce sens mais le problème de la compréhension fondamentale de ce qui se passe s'en retrouve juste "décalé" et donc d'autres physiciens s'interessent au pourquoi du comment ce type de modélisation fonctionne.

Ce que tu appelles fracture de tissus vivants, ne seraitce pas plutôt apparenté à déchirure d'un tissu de vétement. Est-ce que le coté vivant change quelquechose?

D'après ce que j'ai compris le coté vivant change quelque chose, par rapport aux cas usuels dirons nous, par ce qu'il y a une très forte tension dans ces tissus (vivants) et que donc la mécanique des froissements et compagnie y est assez spécifique.

En biologie où il ya effectivement des niveaux d'échelles différents (ce qui exclu la procédure de renormalisation)

je n'ai peut être pas assez étudier le GR mais je ne vois pas fondamentalement pourquoi on ne peut pas l'utiliser en biologie, il ne me semble pas que son application à l'infini soit obligatoire, normalement rien que quelques petits coups du GR peuvent nous permettre de savoir quels sont les paramètres relevants et irrelevants dans un hamiltonien non ?

le problème serait de raccorder ces niveaux. Et là je me demande comment pourrait-t-on raccorder les échelles en biologie alors que l'on ne sait pas le faire en physique de la matière condensée!

Ba c'est là que peut être la biologie en elle même intervient je pense. En particulier toute les théories sur les signaux intercellulaires et intracellulaires.

La notion de non équilibre a de sens que si l'on ne se trouve pas trop loin de l'équilibre thermodynamique, ce qui me semble-t-il loin d'être le cas dans la matière vivante!

A la rigueur, que les cas pratiques que l'on sait traiter soient proche équilibre je veux bien mais je ne comprends pas pourquoi la notion de non equilibre serait réservée au proche equilibre seulement. Par exemple tous les systèmes faisant intervenir l'hydrolyse de l'ATP pour induire un changement de conformation ou je ne sais quoi d'autres et qui pourtant sont dans un bain à l'equilibre ne sont pas à l'equilibre a proprement parlé et nécessite un traotement hors d'equilibre via des equations de Langevin modifiées par exemple.

Le fait que l'on a des réactions chimiques complexes justifie que l'on ne peut pas comprendre celles-ci avec les concepts de la chimie, c'est pourquoi il y a une discipline bien établie qui est la biochimie! Non!

je ne pensais pas forcément à complexe dans ce sens là mais dans le sens où les réactions sont à rallonge (il y a une chaine de réactions).

Entièrement d'accord, le statut de cette discipline ne me semble pas établie. D'ailleurs il suffit de poser la question: quel est aujourd'hui l'apport de la physique dans la compréhension du vivant, a part quelques idées générales comme les structures dissipatives de prigogine?

je ne suis pas sûr que la question soit la bonne. Certes un des role de la "biophysique" est d'expliquer des phénomènes observés dans le vivant en imaginant des processus physiques sous jacent inobservables experimentalement de nos jours, mais il y a également des modélisations quantitatives de systèmes dont la biologie comprenait à peu près le fonctionnement mais pas au point de faire des modèles explicatifs au lieu de modèles descriptifs. Dans ce dernier cas toute la physiologie depuis la cellule jusqu'au fonctionnement du coeur doit quelques chose à la physique et aux mathématiques appliquées.

As-t-on mis en évidence sur le thème interaction onde-matière quelquechose de spécifique au vivant?

oui le fait que des effets radio induits peuvent se propager de cellules en cellules, jusqu'à très grande échelle, alors que seulement quelques cellules ont été irradiées. L'explication physique de ce genre de chose n'est absolument pas comprise actuellement.

Je ne comprend pas ce dont il s'agit?

C'est juste une branche des math appliquées (cf Mathematical physiology)

Est-ce un problème de physique? j'en doute.

Ba c'est un problème de quoi alors ?
Quel phénomène observable dans la nature n'est pas un problème de physique a priori ?

[mariposa]

Ben ça dépend ce qu'on appelle réduire la chimie à la physique non ? En pratique on ne sait pas le faire pour des réactions complexes mais c'est le rôle de la physique atomique et moléculaire et en principe je ne vois pas en quoi la chimie ne pourrait pas se réduire à la physique (mais là c'est plus un problème épistemologique)

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S'il exite des disciplines avec leurs méthodes et leurs concepts c'est justement parce que celles-ci sont largement indépendantes. On peut conceptualiser des molécules simples a partir d'atomes dans le sens ou l'on peut comprendre par exemple leur géométrie. Quant on passe à la structure des protéines on a atteint un tel niveau de complexité qu'il est nécessaire d'introduire un langage topologique et décrire les fonctions de ces protéines en rapport avec leur conformation (en ignorant leur hamiltonien). On s'éloigne ainsi de la chimie pour entrainer dans la biochimie et même plus abstrait encore puisque l'ADN et ARN se comprennent non pas d'un point de vue chimique mais d'un point de vue informationnel
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en physique du solide c'est encore plus net. Il y a des mécanismes émergents qui ne dépendent pas en rien de la physique atomique ou moléculaire. un solide ce n'est pas une immense macromolécule. Le plus connu est l'exemple des phonons qui sont des particules émergentes indépendamment de la structure atomique sous-jacente.

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D'après ce que j'ai compris le coté vivant change quelque chose, par rapport aux cas usuels dirons nous, par ce qu'il y a une très forte tension dans ces tissus (vivants) et que donc la mécanique des froissements et compagnie y est assez spécifique.

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Effectivement j'imagine (si la contrainte est lente) qu'il exite des mécanismes de réparation du tissu vivant spécifique, une sorte d'homéostasie semblable aux mécanismes de la cellule.

je n'ai peut être pas assez étudier le GR mais je ne vois pas fondamentalement pourquoi on ne peut pas l'utiliser en biologie, il ne me semble pas que son application à l'infini soit obligatoire, normalement rien que quelques petits coups du GR peuvent nous permettre de savoir quels sont les paramètres relevants et irrelevants dans un hamiltonien non ?

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Ecrire des hamiltoniens pour la biologie? Impossible. On ne le fait pas pour des molécules complexes de chimie au delà de modèle rudimentaires. Quand au GR on n'est pas dans le bon domaine d'applications.
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Voir le livre de Annick Lesne: méthodes de renormalisation aux éditions Eyrolles Sciences

Ba c'est là que peut être la biologie en elle même intervient je pense. En particulier toute les théories sur les signaux intercellulaires et intracellulaires.

Quand on interprete les réactions en termes de signaux on s'éloigne fortement de la physique. effectivement la théorie de l'information a fait ses preuves dans le domaine du vivant.

A la rigueur, que les cas pratiques que l'on sait traiter soient proche équilibre je veux bien mais je ne comprends pas pourquoi la notion de non equilibre serait réservée au proche equilibre seulement.

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En disant cela je faisait implicitement allusion au programme de Prigogine et autres qui ont tenté de développer une thermodynamique loin de l'équilibre, programme qui a échoué.

Par exemple tous les systèmes faisant intervenir l'hydrolyse de l'ATP pour induire un changement de conformation ou je ne sais quoi d'autres et qui pourtant sont dans un bain à l'equilibre ne sont pas à l'equilibre a proprement parlé et nécessite un traotement hors d'equilibre via des equations de Langevin modifiées par exemple.

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OK

je ne suis pas sûr que la question soit la bonne. Certes un des role de la "biophysique" est d'expliquer des phénomènes observés dans le vivant en imaginant des processus physiques sous jacent inobservables experimentalement de nos jours, mais il y a également des modélisations quantitatives de systèmes dont la biologie comprenait à peu près le fonctionnement mais pas au point de faire des modèles explicatifs au lieu de modèles descriptifs. Dans ce dernier cas toute la physiologie depuis la cellule jusqu'au fonctionnement du coeur doit quelques chose à la physique et aux mathématiques appliquées.

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Ce serait plutôt le rôle des mathématiques appliquées, a mon avis.

oui le fait que des effets radio induits peuvent se propager de cellules en cellules, jusqu'à très grande échelle, alors que seulement quelques cellules ont été irradiées. L'explication physique de ce genre de chose n'est absolument pas comprise actuellement.

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As-tu un exemple bien documenté de ce type d'effet car j'ai l'impression que l'interprétation ne devrait pas posé de gros problèmes.

Ba c'est un problème de quoi alors ?
Quel phénomène observable dans la nature n'est pas un problème de physique a priori ?

On peut dire très tres formellement que tous les phénomènes sont physique et décrits par le modèle standard des particules (et plus tard par la théorie M!!). Et pourtant il ne viendrait pas à l'esprit d'expliquer un mouvement de foule (problématique sociologique) en écrivant l'hamiltonien du système.
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En fait la complexité multiple de la réalité exige des méthodes et des concepts spécifiques. Comme je te l'ai fait remarquer précedemment on ne résoud jamais l'équation de Shrodinger en physique du solide, tout simplement parceque c'est impossible. La physique du solide c'est dèja un territoire de phénomènes émergents. Et que dire des mécanismes du vivant! La comprehension de l'ADN en termes d'information ne se déduit de l'hamiltonien de l'ADN

[Gwyddon]

Et que dire des mécanismes du vivant! La comprehension de l'ADN en termes d'information ne se déduit de l'hamiltonien de l'ADN

Cela ne nous empêche pas d'écrire des hamiltoniens effectifs pour décrire sa dynamique (c'est, présentement, ce que je fais dans mes simulations de transposition)

[gatsu]

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S'il exite des disciplines avec leurs méthodes et leurs concepts c'est justement parce que celles-ci sont largement indépendantes. On peut conceptualiser des molécules simples a partir d'atomes dans le sens ou l'on peut comprendre par exemple leur géométrie. Quant on passe à la structure des protéines on a atteint un tel niveau de complexité qu'il est nécessaire d'introduire un langage topologique et décrire les fonctions de ces protéines en rapport avec leur conformation (en ignorant leur hamiltonien). On s'éloigne ainsi de la chimie pour entrainer dans la biochimie et même plus abstrait encore puisque l'ADN et ARN se comprennent non pas d'un point de vue chimique mais d'un point de vue informationnel
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en physique du solide c'est encore plus net. Il y a des mécanismes émergents qui ne dépendent pas en rien de la physique atomique ou moléculaire. un solide ce n'est pas une immense macromolécule. Le plus connu est l'exemple des phonons qui sont des particules émergentes indépendamment de la structure atomique sous-jacente.

je n'ai jamais dis que les propriétés d'un systèmes de plusieurs particules étaient réduites aux propriétés d'une de ces particules mais pourtant si on prend le système en entier comme en physique du solide, on fera apparaitre les phonons de façon naturelle via un traitement de méca stat en partant des propriétés microscopiques.

Ecrire des hamiltoniens pour la biologie? Impossible. On ne le fait pas pour des molécules complexes de chimie au delà de modèle rudimentaires.

je ne parle pas forcément de hamiltoniens quantiques je parle d'hamiltoniens en général quoi.

Quand au GR on n'est pas dans le bon domaine d'applications.
Voir le livre de Annick Lesne: méthodes de renormalisation aux éditions Eyrolles Sciences

Je ne vois franchement pas où est le problème. Il n'y a pas de criticalité, je n'ai aucune raison de continuer le processus de renormalisation à l'infini. Par contre si j'étudie la statistique d'équilibre d'un microtubule dans la cellule par exemple faire deux ou trois itérations du GR va sans aucun doute m'aider à tomber sur un hamiltonien effectif plus sympathique que si je regardais tout de très près, c'est un coarse graining quoi.

Quand on interprete les réactions en termes de signaux on s'éloigne fortement de la physique. effectivement la théorie de l'information a fait ses preuves dans le domaine du vivant.

Je crois que dans cette partie de la bio, chaque signal correspond à une molécule bien spécifique qui a tel but spécifique etc...

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En disant cela je faisait implicitement allusion au programme de Prigogine et autres qui ont tenté de développer une thermodynamique loin de l'équilibre, programme qui a échoué.

Fort heureusement, des gens continuent malgré tout d'essayer de faire de la méca stat hors d'equilibre ce qui est, il me semble très important pour les sytèmes gravitationnels par exemple.

Ce serait plutôt le rôle des mathématiques appliquées, a mon avis.

Ba chacun son avis . Mais ayant vu certains de ces modèles, ils dérivent souvent directement de la physique statistique ou de la thermodynamique donc..

As-tu un exemple bien documenté de ce type d'effet car j'ai l'impression que l'interprétation ne devrait pas posé de gros problèmes.

Je ne dirais pas ça aussi rapidement que toi
Pour les effets à distances spécifique à la bio, il y a "l'effet bystander" et l'"effet abscopal" par exemple mais il y a pleins pleins d'autres effets radio induits qui concerne la cellule et dont les mécanisme ne sont pas très bien compris.

On peut dire très tres formellement que tous les phénomènes sont physique et décrits par le modèle standard des particules (et plus tard par la théorie M!!). Et pourtant il ne viendrait pas à l'esprit d'expliquer un mouvement de foule (problématique sociologique) en écrivant l'hamiltonien du système.

Effectivement mais bon, il faut avouer que c'est un cas extreme , on comprend déjà pas comment fonctionne un cerveau alors plusieurs...ça n'empeche pas certains scientifiques et physiciens d'esperer pourtant un jour simuler le cerveau humain (si c'est pas du réductionisme ça ).

En fait la complexité multiple de la réalité exige des méthodes et des concepts spécifiques. Comme je te l'ai fait remarquer précedemment on ne résoud jamais l'équation de Shrodinger en physique du solide, tout simplement parceque c'est impossible. La physique du solide c'est dèja un territoire de phénomènes émergents. Et que dire des mécanismes du vivant! La comprehension de l'ADN en termes d'information ne se déduit de l'hamiltonien de l'ADN

Je suis d'accord mais dans la plupart des domaines que tu cites, la séparation est plus souvent pratique que conceptuelle et il y a quand même un gros gap entre la compréhension de processus fondamentaux en biologie comme la transcription, la traduction etc.. et l'étude d'un mouvement de foule.

En ce qui concerne les prpriétés emergentes d'un solide, elles ne sont pas réductibles à leur constituants en tant que tels mais à leur constituants en intéraction permanente. La supraconductivité et une aimantation non nulle était considérés avant comme des prpriétés purement émergentes mais qui sont finalement réduites (en partie disons) à la dynamique de l'ensemble du système en tenant compte de toutes les intéractions ou presque.