Les villes obéissent aux mêmes lois que les systèmes vivants, affirment les chercheurs

Crédit : Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

Une étude de l’EPFL révèle que les zones urbaines obéissent aux mêmes règles universelles que celles observées dans la nature. De la taille de la population aux émissions de carbone en passant par le réseau routier, la clé d’une urbanisation durable pourrait-elle résider dans le « métabolisme » même de nos villes ?

Depuis l’essor des mégapoles occidentales, les romanciers ont souvent comparé la ville – et ses systèmes productifs – à un organisme vivant . De fait, les zones urbaines ont été désignées par divers termes anatomiques : un « ventre » chez Émile Zola, une « main » chez Italo Calvino, une « lymphe » chez Michel Butor et un état d’esprit labyrinthique chez Paul Auster.

Les chercheurs explorent cette même analogie depuis plus de dix ans , avec un objectif pratique : simplifier la complexité inhérente aux systèmes urbains et éclairer la planification. Car comprendre le fonctionnement réel des villes pourrait fournir un modèle pour un avenir urbain durable.

Ces recherches se sont concentrées sur une hypothèse en particulier : les villes « plus grandes » sont « meilleures », car elles nécessitent moins de ressources mais génèrent plus de richesses, comme l’expliquent les lois d’échelle urbaine, par analogie avec la loi de Kleiber pour les organismes vivants. Max Kleiber, biologiste zurichois, a découvert dans les années 1930 que les animaux de grande taille utilisent l’énergie plus efficacement, car les systèmes biologiques sont caractérisés par des réseaux de transport ramifiés qui optimisent la dissipation d’énergie et l’allocation des ressources.

Des scientifiques de l’EPFL viennent de publier une étude généralisant ces lois d’échelle des quartiers aux villes du monde entier. Cela donne un nouveau poids à l’analogie intuitive des romanciers. Leurs résultats, basés sur des millions de données provenant de plus de 100 villes du monde entier, sont publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences 

Courbes d’échelle identiques

Les scientifiques ont examiné trois variables : la population urbaine (analogue à la masse d’un animal), les émissions de carbone (équivalentes au taux métabolique d’un organisme vivant) et les réseaux routiers (le système circulatoire).

« Une fois correctement rééchelonnées, nous avons constaté que les distributions de probabilité de ces variables suivent une courbe unique pour toutes les villes, grandes et petites, ce qui implique que la forme et les fonctions urbaines sont régies par des lois universelles similaires à celles qui s’appliquent aux organismes vivants », explique Gabriele Manoli, auteur correspondant de l’étude et directeur du Laboratoire de systèmes urbains et environnementaux (URBES) de l’EPFL.

Les résultats suggèrent également qu’une forme d’auto-organisation émerge naturellement à mesure que les villes se développent, même si, comme l’explique Manoli, il y a une mise en garde importante : « Contrairement à ce qui a souvent été affirmé, les grandes villes ne sont pas nécessairement plus durables que les petites. Ce qui compte, c’est la covariation dans l’espace de la densité de population, des réseaux de transport et des activités économiques, qui sont tous interdépendants. »

Une nouvelle méthode

Selon la loi de Kleiber, les animaux ont une taille moyenne bien définie. Pour les villes, la détermination de leur taille est plus complexe : leurs limites peuvent varier considérablement selon leur définition, et les lois d’échelle peuvent conduire à des résultats contradictoires (par exemple, les grandes villes peuvent être considérées comme plus ou moins vertes en termes d’émissions). Pour surmonter cet obstacle, les auteurs ont divisé chaque ville en unités plus petites, comme des « pixels », et ont utilisé une approche d’échelle de taille finie .

Cette approche a été initialement proposée par des collègues de l’EPFL, dont Andrea Rinaldo, professeur honoraire et co-auteur de l’étude, pour expliquer les « variations intra-espèces » de la loi de Kleiber. En biologie, où la masse et le métabolisme d’une espèce peuvent varier d’un individu à l’autre (et ces variations peuvent différer considérablement de la valeur moyenne considérée par Kleiber), les caractéristiques urbaines varient d’un quartier à l’autre, et une ville est mieux caractérisée par une distribution de valeurs plutôt que par un seul chiffre.

Une approche systémique

Pour Manoli, ces résultats marquent une étape importante dans la recherche urbaine : « Nous avons démontré mathématiquement que l’organisation spatiale des villes présente des propriétés émergentes générales malgré les différences géographiques, politiques et historiques. Par conséquent, les urbanistes doivent adopter une approche systémique et prendre en compte la nature complexe et dynamique de l’évolution urbaine. »

Il soutient également que les villes ressemblent à des organismes vivants plutôt qu’à des machines contrôlables. Pour lui, toute démarche visant à concevoir des territoires plus durables devrait donc dépasser les secteurs et les opérations isolés : la planification devrait prendre en compte des zones urbaines entières , leur comportement multi-échelles et leurs échanges continus avec l’environnement environnant, quasi global.

« Grâce à la grande quantité de données disponibles, les villes offrent un terrain fertile pour tester de nouvelles théories inspirées de la biologie et de l’écologie », a déclaré Manoli.

L’équipe de Manoli espère qu’en considérant davantage de variables et leur évolution temporelle, elle obtiendra de meilleures informations sur les lois qui régissent la plus humaine des créations : la ville moderne.