La thèse propose un cadre générique pour dénoter les spécifications des systèmes à base de composants et pour caractériser les systèmes complexes par la présence de propriétés émergentes, qui soit entrent en conflit avec les propriétés attachées aux sous-systèmes le constituant, soit sont directement issues de la coopération des sous-systèmes. Ce cadre générique a été décliné pour les cas des systèmes réactifs et des réseaux de régulation génétique. / The thesis proposes a generic framework to denote specifications of basic system components and to characterize the notion of complex system by the presence of emergent property, that are either in conflict with the properties attached to the subsystems the constituent, either are directly due to the cooperation of the subsystems. The framework is declined for the cases of the relative systems and genetic regulatory network.

L'objectif principal de ces travaux est l'exploration des propriétés émergentes qui accompagnent les processus d'auto-assemblages, à partir d'entités moléculaires ou macromoléculaires multivalentes. La fonctionnalisation appropriée des nano-objets auto-assemblés constitue un réel challenge compte tenu des nombreuses applications auxquelles ces systèmes peuvent répondre. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux apports des différentes interactions dynamiques et réversibles dans la construction « bottom-up » de systèmes et membranes adaptatifs. Dans un premier temps, nous avons voulu explorer l'effet de la multivalence sur les interactions de faible énergie de type Lectine-Carbohydrates. Une autre partie des travaux consiste à incorporer des synthons dynamiques dans une matrice polymère de type polyetherimines, afin d'explorer leurs influences en transport de gaz. Enfin, nous avons mis à profit l'auto-organisation à l'échelle mésoscopique de copolymères triblocs ABA, dans l'élaboration de membranes avec des tailles de pores modulables en fonction des forces des interactions mises en jeu dans la construction du matériau membranaire. Ces interactions, qui varient en fonction des différents stimuli : Pression, pH et UV, sont explorées dans la perspective d'une application en ultrafiltration « adaptative ». / The main objective of this work is the exploration of emergent properties that accompany the self-assembly process from multivalent molecular or macromolecular entities. The appropriate functionalization of self-assembled nano-objects is a real challenge given the numerous applications for which these systems can respond. Thus, research was performed in order to emphasize the different contributions of dynamic and reversible interactions, in the "bottom-up" construction of adaptive systems and membranes. At first, we explored the effect of multivalency on the low energy biomolecular interaction between a lectin and its ligand. Then, the incorporation of dynamic building blocks in a polyetherimines polymer matrix was performed in order to explore their influence on the transport of gases, namely CO2. Finally, we have taken advantage of the self-organization at the mesoscopic scale of ABA type triblock copolymers, in the development of membranes with adjustable pore size. Based on the strength of interactions involved in the construction of the material (supramolecular and/or covalent), it has been shown that the properties of the membranes vary as a function of different stimuli: pressure, pH and UV, leading to an "adaptive" ultrafiltration membrane.

Perçu comme un système adaptatif complexe, l’espace public pourrait être examiné par le biais de la complexité. Dans cette thèse, nous discutons du cas d'un parc urbain, Horch Beyrouth, visant à mettre en valeur les apports épistémologiques et méthodologiques de l'approche de la complexité dans les études urbaines. Malgré que Horch Beyrouth représente jusqu'à 70% des espaces verts de Beyrouth, il a été en grande partie fermé au public depuis la fin de la guerre civile libanaise en 1990. Entouré de trois quartiers culturellement hétérogènes, le parc triangulaire incarne à la fois la multiplicité et l'exclusion urbaine. L’approche de la complexité offre non seulement un lexique scientifique transdisciplinaire, mais également des outils de modélisation interdisciplinaires. Pour illustrer ces outils, nous avons utilisé la triangulation systémique pour le diagnostic urbain de Horch Beyrouth. Il s’agit d’un outil qui reconnaît l’inscription des problèmes complexes dans des continuums structurels, fonctionnels et dynamiques, établissant des relations entre eux et projetant des interactions entre le système et son environnement. Nous avons également présenté l'outil de la méthodologie des systèmes souples pour une gouvernance interactive basée sur des représentations non linéaires de la réalité urbaine. Cette approche nous a fourni de nouvelles idées. Premièrement, aborder les villes, ainsi que les entités urbaines comme Horch Beyrouth, en tant que systèmes complexes, pourrait diverger notre perception des solutions linéaires fragmentées vers des processus évolutifs adaptifs. Deuxièmement, le chaos n’est pas à craindre. En fait, en se situant au bord du chaos les systèmes complexes s’adaptent et co-évoluent, ainsi la créativité se catalyse et le changement émerge. Enfin et surtout, un espace public ne doit pas être conçu, mais encouragé à émerger. Il serait donc préférable d’induire son auto-organisation que d'essayer de la contrôler. Ainsi, un changement d'attitude est nécessaire : le rôle des acteurs urbains, architectes et urbanistes, devrait se réorienter pour rechercher la dynamique sous-jacente d’un système urbain, établir ses propriétés émergentes, pour ultérieurement, déterminer et induire ses opportunités synergiques. / Perceived as a complex adaptive system, public space could be examined through the means of complexity. In this thesis, we discuss the case of an urban park, Horch Beirut, aiming to showcase the contributions of the complexity approach to urban studies, both epistemological and methodological ones. Horsh Beirut makes up to 70% of green spaces in Beirut, but has been mostly closed to the public since the end of the Lebanese civil war in 1990. Surrounded by three culturally heterogeneous neighborhoods, the triangular park embodies both urban multiplicity and exclusion. The complexity approach not only offers a transdiciplinary scientific lexicon but also interdisciplinary modeling tools. To showcase these tools, we apply Systemic Triangulation for the urban diagnosis of Horch Beirut. This tool acknowledges the inscription of complex problems in structural, functional and dynamic continuums, establishing the relationships between them, and projecting interactions between the system and its environment. We also propose the Soft Systems Methodology tool for an interactive governance based on non-linear representations of urban reality. The complexity approach has provided us some new insights. First, addressing cities, and urban entities like Horsh Beirut, as complex systems could diverge our perception of fragmented linear solutions towards adaptive evolutionary processes. Secondly, chaos is not to be feared. In fact, by being on the edge of chaos complex systems adapt and co-evolve, consequently creativity is catalyzed and change emerges. Finally, and most importantly, a public space should not be designed, but encouraged to emerge. It would be better to induce its self-organization than to try to control it. Thus, a change of attitude is necessary: the role of urban actors, architects and urban planners, should be reoriented towards seeking the underlying dynamics of an urban system, establishing its emerging properties, and subsequently, determining and inducing its synergistic opportunities.

Les modèles structure-fonction de la croissance des plantes (FSPMs) combinent la description du fonctionnement biophysique et du développement architectural des plantes. On peut distinguer deux grandes familles de FSPM : d'une part les modèles décrivant finement la structure de la plante au niveau de l'organe et d'autre part les modèles à plus grande échelle qui s'intéressent directement à la forme du houppier. La paramétrisation du premier type de modèle est souvent difficile car elle nécessite des données expérimentales très riches. A l'inverse, les modèles à plus grande échelle mettent généralement en œuvre des lois empiriques qui ne permettent pas de décrire la plasticité de la croissance, et l'adaptation de la plante à des conditions environnementales différentes.Pour répondre à ces problématiques, nous nous tournons vers un nouveau paradigme : Motivé par le succès du concept de la densité spatiale dans les modèles en écologie des populations, cette thèse caractérise la distribution spatiale de feuillage dans les plantes par la densité de surface foliaire , ce qui permet une description locale ouvrant la voie à une prise en compte de la plasticité des plantes, tout en ne décrivant pas chaque feuille individuellement, ce qui permet de modéliser des vieux et grands arbres, dont le nombre de feuilles est sinon trop lourd à gérer du point de vue des calculs. Cette thèse présente des modèles dynamiques de croissance développés spécifiquement pour les plantes agricoles et les arbres. Nous explorons des approches mathématiques différentes en temps discrète et continue, tout en examinant d'un œil critique leurs aptitudes conceptuelles ainsi que des possibilités de simplifications et de solutions analytiques dans l'optique de l'accélération des simulations.La densité foliaire permet le calcul de l'interception de lumière par la loi de Beer-Lambert et la production de biomasse grâce au concept d'efficience d'utilisation de la lumière. Le mécanisme central qui est considéré pour les différentes approches développées dans cette thèse est celui de l'expansion locale de la surface foliaire dans la direction du gradient de lumière. Par ce concept téléonomique, nous faisons l'hypothèse que la plante cherche par son développement à optimiser la productivité de la surface foliaire pour la production de biomasse. Ce principe induit ainsi un développement horizontal et vertical du feuillage vers l'extérieur du houppier. Le développement horizontal cesse quand on s'approche trop de plantes voisines, leur ombrage diminuant le gradient de lumière et donc l'expansion de densité de surface foliaire dans ces directions. Le modèle de production de biomasse est également généralisé pour une prise en compte explicite de la teneur en eau du sol en introduisant une composante hydraulique permettant de décrire l'équilibre mécaniste entre le potentiel hydrique dans les feuilles et la transpiration par la régulation stomatale. Finalement, nous prenons en compte l'allocation de biomasse produite à d'autres compartiments de la plante tels que les racines et le bois selon la théorie du « pipe model ».Les résultats des modèles sont comparés à un large jeu de données expérimentales sur des plantations à différentes densités et conditions environnementales. Celui-ci montre de remarquables capacités d'une part à prévoir les variables biométriques importantes (hauteur, diamètre du tronc) ainsi que certaines relations d'allométrie, et d'autre part à générer des formes de houppier en accord avec les formes observées, ceci pour les différents scénarios de compétition et comme propriété émergente du modèle. Ainsi, cette thèse démontre le potentiel du concept de densité de surface foliaire en modélisation de la croissance des plantes, par sa capacité à reproduire les comportements locaux et l'adaptation à des conditions environnementales variées sans compromettre l'efficacité et la robustesse. / Functional-structural plant growth models (FSPMs) have emerged as the synthesis of mechanistic process-based models, and geometry-focussed architectural models. In terms of spatial scale, these models can essentially be divided into small-scale models featuring a topologic­al architecture – often facing data-demanding parametrisations, parameter sensitivity, as well as computational heaviness, which imposes problematic limits to the age and size of in­dividuals than can be simulated – and large-scale models based on a description of crown shape in terms of rigid structures such as empirical crown envelopes – commonly strug­gling to allow for spatial variability and plasticity in crown structure and shape in response to local biotic or abiotic growth conditions.In response to these limitations, and motivated not least by the success-story of spatial density approaches in theoretical populations ecology, the spatial distribution of foliage in plants in this thesis is characterised in terms of spatial leaf density, which allows for a com­pletely local description that is a priori unrestricted in terms of plasticity, while being robust and computationally efficient. The thesis presents dynamic growth models specific­ally developed for crops and trees, exploring different mathematical frameworks in continu­ous and discrete time, while critically discussing their conceptual suitability and exploring analyt­ical simplifications and solutions to accelerate simulations.The law of Beer-Lambert on the passing of light though an absorbing medium allows to infer the local light conditions based on which local biomass production can be computed via a radiation use efficiency. A key unifying mechanism of the different models is the local ex­pansion of leaf density in the direction of the light gradient, which coincides with the direc­tion most promising with regard to future biomass productivity. This aspect falls into the line of teleonomic and optimization-oriented plant growth models, and allows to set aside the otherwise complex modelling of branching processes. The principle induces an expans­ive horizontal and upward-directed motion of foliage. Moreover, it mechanistically accounts for a slow-down of the horizontal expansion as soon as a neighbouring competitor's crown is reached, since the appropriate region is already shaded, implying a corresponding adapta­tion of the light gradient. This automatically results in narrower crowns in scenarios of in­creased competition, ultimately decreasing biomass production and future growth due to lesser amount of intercepted light. In an extension, the impact of water availability is incor­porated into the previously light-only dependency of biomass production by means of a novel hydraulic model describing the mechanistic balancing of leaf water potential and tran­spiration in the context of stomatal control. The allocation of produced biomass to other plant compartments such as roots and above-ground wood, e.g. by means of the pipe model theory, is readily coupled to leaf density dynamics.Simulation results are compared against a variety of empirical observations, ranging from long-term forest inventory data to laser-recorded spatial data, covering multiple abi­otic environmental conditions and growth resources as well as stand densities and thus de­grees of competition. The models generate a series of complex emergent properties includ­ing the realistic prediction of biometric growth parameters, the spontaneous adaptability and plasticity of crown morphologies in different competitive scenarios, the empirically documented insensitivity of height to stand density, the accurate deceleration of height growth, as well as popular allometric relationships – altogether demonstrating the potential of leaf density based approaches for efficient and robust plant growth modelling.