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La base de données mondiale fournit un instantané quantitatif de l’impact humain sur la planète

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La base de données mondiale fournit un instantané quantitatif de l’impact humain sur la planète

Les chercheurs de Caltech ont développé la base de données des effets humains. Il contient des données mondiales sur la façon dont les humains affectent la planète. Crédit : Institut de technologie de Californie

Si vous êtes dans presque n’importe quelle grande ville du monde, il est très facile d’obtenir un hamburger bon marché dans un restaurant de restauration rapide à proximité. Mais ce que vous ne réalisez peut-être pas, c’est que la viande de ce burger bon marché peut en fait raconter un récit formidable sur la façon dont les humains ont façonné la planète. De la terre utilisée pour élever du bétail pour consommer du bœuf, à l’eau utilisée pour nourrir ce bétail, au carburant utilisé pour transporter le bœuf à travers le monde, le progrès humain qui nous permet d’acheter facilement un hamburger – et à cet égard, hop on un avion, recharger nos téléphones et participer à De nombreuses activités qui composent nos expériences quotidiennes ont changé la biosphère.

Maintenant, les chercheurs de Caltech ont développé une base de données contenant des données mondiales sur la façon dont les humains affectent la planète. La Base de données sur les effets humains Il est conçu pour être accessible aux scientifiques, aux décideurs et aux citoyens ordinaires, et fournit des informations allant de la production mondiale de plastique (400 milliards de kilogrammes par an), au nombre de têtes de bétail sur Terre (environ 1,6 milliard), à la mer mondiale annuelle moyenne. élévation du niveau (environ 3,4 milliards de mm par an). Les données sont divisées en cinq catégories principales : l’eau, l’énergie, les plantes et les animaux, les cycles atmosphériques et biochimiques et la terre. Ceux-ci comprennent également 20 sous-catégories. Lorsqu’elle est disponible, la base de données comprend des séries chronologiques pour aider à illustrer l’évolution de ces chiffres au fil des ans.

Impact humain sur l'infographie de l'environnement

Un graphique montrant différentes valeurs numériques liées aux impacts humains sur l’environnement. Cliquez sur l’icône de la loupe en bas à droite pour zoomer. 1 crédit

Le projet a été réalisé dans le laboratoire de Rob Phillips, professeur Fred et Nancy Morris de biophysique, de biologie et de physique. Il est dirigé par les anciennes étudiantes diplômées Griffin Chor (PhD 20) et Rachel Banks (PhD 22). Un article décrivant la recherche a été récemment publié dans la revue motifs.

L’équipe espère qu’en proposant des chiffres simples sur les influences humaines, les citoyens et les scientifiques pourront développer des intuitions basées sur les données sur la façon dont le monde fonctionne et prendre des décisions plus éclairées.

Griffon Schorr

Griffin Chure (20 Ph.D.) déclare à propos de la base de données sur les effets humains : « D’un point de vue personnel, ce projet a complètement changé ma vie. Il a changé l’orientation de ma science. Je suis convaincu que je passerai le reste de ma science carrière axée sur la façon dont les humains changent la biologie. Crédit : Institut de technologie de Californie

« Par exemple, un ami m’a envoyé un texto pour me demander quel était l’effet des bovins laitiers par rapport aux bovins à viande », explique Shore. « Nous pouvons utiliser notre base de données pour voir qu’en termes de besoins en terres, d’émissions de gaz à effet de serre et d’utilisation de l’eau, les vaches de boucherie ont cinq fois plus d’impact ou plus sur une base calorique. Nous espérons vraiment que cette base de données sera utile aux deux des citoyens qui essaient de prendre des décisions et des gens qui réfléchissent à la politique. Je considère que la connaissance des chiffres est une condition préalable à l’obtention d’informations, que vous soyez un citoyen ou un scientifique.

Le projet examine de manière exhaustive les impacts humains plutôt que de les trier par pays ou par région.

« La plupart du temps, nous proposons des valeurs universelles », explique Banks. Nous tirons également des données de toutes sortes de ressources différentes : articles scientifiques, rapports gouvernementaux et intergouvernementaux et, dans certains cas, rapports de l’industrie. Nous nous sommes efforcés de voir la cohérence de ces rapports. Si nous avons plusieurs sources, nous signalons plus d’une valeur d’un nombre afin de nous donner une meilleure idée de la certitude de la valeur.

Il existe une longue tradition dans les sciences de la construction de bases de données contenant des quantités fondamentales en physique et en chimie. Inspirés par ce travail, en 2009, Phillips et son collaborateur Ron Mello de l’Institut Weizmann des sciences en Israël ont développé le site. nombres biologiques, un site accessible au public où les chercheurs peuvent trouver des données quantitatives sur différents aspects de la biologie tirées de la littérature scientifique, telles que le nombre de protéines impliquées dans un processus biochimique particulier. La base de données sur les impacts humains offre le même élan pour étudier les nombreuses façons dont les humains interagissent avec la terre, les océans et l’atmosphère.

Rachel Banks

Rachel Banks (PhD 22) déclare à propos du projet Human Effects Database : « Ce projet m’a vraiment inspiré. Je n’ai jamais entendu les gens parler des influences humaines de cette façon, et c’est quelque chose qui m’intéresse depuis longtemps – alors le lendemain j’ai sauté dans Le projet ». Crédit : Institut de technologie de Californie

Alors qu’il travaillait sur son doctorat, Chor a fait beaucoup référence à BioNumbers, mais s’est rendu compte qu’il serait utile d’avoir une base de données qui se concentre spécifiquement sur la façon dont l’activité humaine affecte les processus à l’échelle planétaire. Il a commencé à développer la base de données sur l’impact humain au cours des premiers mois de[{ » attribute= » »>COVID-19 pandemic in 2020, and the project had a bigger impact upon him than he expected.

“From a personal standpoint, this project has completely changed my life. It’s changed the direction of my science,” Chure says. “I’m confident that I’m going to spend the rest of my scientific career focusing on how humans are changing biology. That may range from considering the huge amounts of nitrogen and phosphorusthat we dump into coastal watersheds and how that changes the microbial composition of these ecosystems, to how we artificially evolve chickens to have their meat grow faster than their bones can support, for example. From a personal standpoint, this has really refocused what I care about, and what I think that I can do to be impactful.”

The team emphasizes that the database is not comprehensive or exhaustive; they plan to continually update the numbers as new data comes out.

“In my view, the root to understanding is numeracy: once you have the numbers, it becomes clear what the problems are, which things are significant, and which things are less so,” Phillips says. “Charles Darwin once remarked that numeracy gives one a ‘sixth sense.’ The Human Impacts Database is a first step toward providing a coherent invitation to that sixth sense in the context of the great human experiment.”

The project was funded in part by the Resnick Sustainability Institute at Caltech. “Projects like the Human Impacts Database are a unique resource that can help experts and the general public alike to put into clearer perspective the various ways people are affecting the planet,” says Neil Fromer, Executive Director of Programs at the RSI. “Supporting the development of this tool, alongside the other incredible research the Resnick Sustainability Institute supports on campus, is key to fulfilling our mission to educate and inform people about their impact on the world, as well as provide solutions to the problems these impacts are causing.”

Reference: “Anthroponumbers.org: A Quantitative Database Of Human Impacts on Planet Earth” by Griffin Chure, Rachel A. Banks, Avi I. Flamholz, Nicholas S. Sarai, Mason Kamb, Ignacio Lopez-Gomez, Yinon Bar-On, Ron Milo and Rob Phillips, 3 August 2022, Patterns.
DOI: 10.1016/j.patter.2022.100552

Chure and Banks are the study’s lead authors. In addition to Phillips, additional Caltech coauthors are postdoctoral scholar Avi Flamholz, and graduate students Nicholas Sarai and Ignacio Lopez-Gomez. Other co-authors are Mason Kamb of the Chan-Zuckerberg BioHub, and Yinon Bar-On and Ron Milo of the Weizmann Institute of Science in Israel. Funding was provided by the Resnick Sustainability Institute at Caltech and the Schwartz-Reisman Collaborative Science Program at the Weizmann Institute of Science.

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Une nouvelle étude au sol suggère que la gravité peut exister sans masse : ScienceAlert

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Une nouvelle étude au sol suggère que la gravité peut exister sans masse : ScienceAlert

Qu’est-ce que la gravité sans la masse ? les deux Newton révolutionnaire Les lois décrivant son effet global et la proposition d’Einstein d’espace-temps alvéolé, nous pensions que la gravité se situe exclusivement dans le domaine de la matière.

Aujourd’hui, une nouvelle étude folle suggère que la gravité peut exister sans masse, éliminant ainsi le besoin de l’une des substances les plus insaisissables de notre univers : la matière noire.

La matière noire est une masse hypothétique et invisible qui représenterait 85 % de la masse totale de l’univers. Créé à l’origine pour Calculer les galaxies Bien qu’ils restent ensemble sous une rotation à grande vitesse, ils n’ont pas encore été observés directement, ce qui a conduit les physiciens à suggérer toutes sortes de phénomènes. Des idées là-bas Pour éviter de qualifier ce matériau insaisissable de moyen de combler les lacunes des théories existantes.

La dernière démonstration dans ce contexte vient de l’astrophysicien Richard Liu de l’Université d’Alabama à Huntsville, qui a proposé qu’au lieu que la matière noire maintienne les galaxies et autres objets ensemble, l’univers… Peut contenir de fines couches de « défauts topologiques » ressemblant à une croûte Ce qui conduit à la gravité sans aucune masse fondamentale.

Leo a commencé à essayer de trouver une autre solution au problème Les équations du champ d’EinsteinCe qui relie la courbure de l’espace-temps à la présence de matière en son sein.

Comme Einstein l’a décrit dans sa théorie en 1915 Relativité généraleL’espace-temps entoure des faisceaux de matière et des flux de rayonnement dans l’univers, en fonction de leur énergie et de leur élan. Cette énergie est bien entendu liée à la masse dans la célèbre équation d’Einstein : E=mc2.

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Ainsi, la masse d’un objet est liée à son énergie, ce qui conduit à la courbure de l’espace-temps – et cette courbure de l’espace-temps est Ce qu’Einstein a décrit comme la gravitéC’est un degré plus complexe que l’approximation de la gravité de Newton au XVIIe siècle. Force entre deux objets de masse. En d’autres termes, la gravité semble être étroitement liée à la masse.

Ce n’est pas le cas, dit Liu.

Dans son travail, Liu a entrepris de résoudre une version simplifiée des équations de champ d’Einstein qui permettent une force gravitationnelle finie en l’absence de toute masse détectable. il Il dit Ses efforts étaient « motivés par ma frustration face au statu quo, c’est-à-dire l’idée que la matière noire existe malgré l’absence de toute preuve directe depuis un siècle entier ».

La solution de Liu consiste en des défauts topologiques en forme de coquille qui peuvent se produire dans des régions très comprimées de l’espace avec une très haute densité de matière.

Ces groupes de coquilles concentriques contiennent une fine couche de masse positive nichée à l’intérieur d’une couche externe de masse négative. Les deux masses s’annulent, la masse totale des deux couches est donc exactement nulle. Mais lorsqu’une étoile tombe sur cette croûte, elle est exposée à une grande force gravitationnelle qui la tire vers le centre de la croûte.

« Ce que mon article prétend, c’est que les obus qu’il suppose sont au moins sans masse », a déclaré Liu. Il dit. Si ces suggestions controversées ont un quelconque poids, « alors il n’est pas nécessaire de perpétuer cette recherche apparemment sans fin de la matière noire ». Ajouter.

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La question suivante est alors de savoir comment confirmer ou infirmer les coquilles proposées par Liu à travers des observations.

« La fréquence croissante des observations d’anneaux et de formations semblables à des galaxies dans l’univers fournit une preuve du type de source proposé ici. » Il écrit dans son journal. Bien qu’il admette que la solution qu’il propose est « très suggestive » et ne peut à elle seule réfuter l’hypothèse de la matière noire.

« Cela peut être au mieux un exercice intéressant », Leo Il finit. « Mais c’est le premier [mathematical] Preuve que la gravité peut exister sans masse.

L’étude a été publiée dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

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Une étude réalisée en Oregon a révélé que les baleines grises de la côte du Pacifique sont devenues 13 % plus petites au cours des 20 à 30 dernières années.

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Les baleines grises qui passent l’été à se nourrir dans les eaux peu profondes au large de la côte nord-ouest du Pacifique ont connu une diminution significative de leur longueur depuis 2000 environ, selon une nouvelle étude de l’Université d’État de l’Oregon.

Selon les chercheurs, la taille plus petite pourrait avoir de graves conséquences sur la santé et le succès reproductif des baleines affectées, et également sonner l’alarme sur l’état du réseau trophique dans lequel elles coexistent.

« Cela pourrait être un signe avant-coureur indiquant que l’abondance de ce groupe d’animaux commence à décliner ou n’est pas en bonne santé », a déclaré KC Perlich, co-auteur de l’étude et professeur adjoint au Marine Mammal Institute de l’Ohio State University à Newport. « Les baleines sont les gardiennes de l’écosystème, donc si les populations de baleines ne se portent pas bien, cela pourrait nous en apprendre beaucoup sur l’environnement lui-même. »

L’étude, publiée dans la revue Global Change Biology, a porté sur le Pacific Coast Feeding Group (PCFG), un petit sous-groupe d’environ 200 baleines grises au sein du plus grand groupe du Pacifique Nord-Est (ENP) d’environ 14 500 baleines. Cette sous-population reste plus près des côtes de l’Oregon, se nourrissant dans les eaux moins profondes et plus chaudes des mers arctiques, où la majeure partie de la population de baleines grises passe la majeure partie de l’année.

Des études récentes menées par l’Ohio State University ont montré que les baleines de cette sous-population sont plus petites et dans une condition physique généralement pire que celles de leurs homologues ENP. L’étude actuelle révèle qu’ils ont diminué au cours des dernières décennies.

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Le laboratoire d’écologie géospatiale de la mégafaune marine (GEMM) du Marine Mammal Institute étudie ce sous-groupe de baleines grises depuis 2016, notamment en faisant voler des drones au-dessus des baleines pour mesurer leur taille. À l’aide d’images de 2016 à 2022 de 130 baleines individuelles d’âges connus ou estimés, les chercheurs ont déterminé qu’une baleine grise adulte née en 2020 devrait atteindre une longueur de corps adulte de 1,65 mètres (environ 5 pieds 5 pouces), soit plus courte que une baleine grise née avant 2000. Pour les baleines grises PCFG qui atteignent 38 à 41 pieds de longueur à pleine maturité, cela représente une perte de plus de 13 % de leur longueur totale.

Si la même tendance se produisait chez les humains, la taille moyenne d’une femme américaine passerait de 5 pieds 4 pouces à 4 pieds 8 pouces en 20 ans.

« En général, la taille est cruciale pour les animaux », a déclaré Enrico Perrotta, auteur principal de l’étude et chercheur à l’Université de St. Andrews en Écosse. « Cela affecte leur comportement, leur physiologie et leur histoire de vie, et a des effets en cascade sur les animaux et sur la société dont ils font partie. »

Les jeunes baleineaux en âge de sevrage pourraient ne pas être en mesure de gérer l’incertitude liée au fait de devenir indépendant, ce qui peut affecter les taux de survie, a déclaré Perrotta.

Pour les baleines grises adultes, l’une des plus grandes préoccupations est le succès de la reproduction.

« Comme ces baleines sont plus petites, des questions se posent quant à leur efficacité à stocker et à allouer l’énergie nécessaire à leur croissance et à maintenir leur santé. Plus important encore, sont-elles capables de fournir suffisamment d’énergie pour se reproduire et maintenir la croissance de la population ? » « , a déclaré Berlic.

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Les cicatrices que les baleines PCFG souffrent des collisions avec des bateaux et des enchevêtrements dans les engins de pêche font également craindre à l’équipe que leur taille corporelle plus petite combinée à leurs réserves d’énergie inférieures puissent rendre les baleines moins résistantes aux blessures.

L’étude a également examiné les modèles de l’environnement océanique qui régulent probablement la disponibilité de nourriture pour ces baleines grises au large de la côte Pacifique en suivant les cycles de « remontée d’eau » et de « relaxation » dans l’océan. Le courant de l’eau qui coule balaye les nutriments des zones profondes vers les zones peu profondes, tandis que des périodes de relaxation permettent ensuite à ces nutriments de rester dans des zones peu profondes où la lumière permet au plancton et à d’autres petits organismes de se développer, y compris les proies des baleines grises.

« Sans un équilibre entre la montée des eaux du fond et leur relâchement, l’écosystème pourrait ne pas être en mesure de produire suffisamment de proies pour supporter la grande taille de ces baleines grises », a déclaré le co-auteur Lee Torres, professeur agrégé et directeur du laboratoire GEMM. à l’Université d’État de l’Ohio.

Perrotta a déclaré que les données montrent que la taille des baleines a diminué en conjonction avec des changements dans l’équilibre entre la montée et la détente des eaux de fond.

« Nous n’avons pas examiné spécifiquement comment le changement climatique affecte ces tendances, mais nous savons de manière générale que le changement climatique affecte l’océanographie du nord-est du Pacifique à travers des changements dans la configuration des vents et la température de l’eau », a-t-il déclaré. « Ces facteurs et d’autres affectent la dynamique des fluctuations et des relâchements dans la région. »

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Maintenant qu’ils savent que la taille du corps des baleines grises PCFG est en déclin, les chercheurs affirment se poser de nombreuses nouvelles questions sur les conséquences ultimes de ce déclin et les facteurs qui pourraient y contribuer.

« Nous entamons notre neuvième saison sur le terrain pour étudier le sous-groupe PCFG », a déclaré Perlich. « Il s’agit d’un ensemble de données puissant qui nous permet de détecter les changements dans l’état corporel chaque année. Nous examinons donc maintenant les facteurs environnementaux de ces changements. »

Les autres co-auteurs de l’article sont Lisa Hildebrand, Clara Byrd et Alejandro Ajo de l’Ohio State University, ainsi que Leslie New de l’Ursinus College en Pennsylvanie.

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La formation par simulation basée sur l’IA améliore les performances humaines dans les exosquelettes robotiques

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Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont démontré une nouvelle méthode qui exploite l’intelligence artificielle (IA) et les simulations informatiques pour entraîner des exosquelettes robotiques afin d’aider de manière indépendante les utilisateurs à économiser de l’énergie lorsqu’ils marchent, courent et montent les escaliers.

« Ce travail propose et démontre un nouveau cadre d’apprentissage automatique qui comble le fossé entre la simulation et la réalité pour contrôler de manière autonome des robots portables afin d’améliorer la mobilité et la santé des humains », explique Hao Su, auteur correspondant d’un article sur les travaux qui seront publiés. Le 12 juin dans le magazine nature.

« Les exosquelettes ont un énorme potentiel pour améliorer les performances des locomotives humaines », déclare Su, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à l’Université d’État de Caroline du Nord. « Cependant, leur développement et leur déploiement à grande échelle sont limités par de longues exigences en matière de tests humains et par des lois sur la surveillance manuelle.

« L’idée de base ici est que l’IA incorporée dans l’exosquelette portable apprend à aider les gens à marcher, courir ou grimper dans une simulation informatique, sans nécessiter aucune expérience », explique Su.

Plus précisément, les chercheurs se sont concentrés sur l’amélioration du contrôle autonome dans les systèmes d’IA incorporés, c’est-à-dire les systèmes dans lesquels le logiciel d’IA est intégré à la technologie des robots physiques. Ce travail visait à enseigner aux exosquelettes robotiques comment aider les personnes en bonne santé à effectuer divers mouvements. En règle générale, les utilisateurs doivent passer des heures à « entraîner » l’exosquelette afin que la technologie sache quelle force est nécessaire – et quand appliquer cette force – pour aider les utilisateurs à marcher, courir ou monter les escaliers. La nouvelle méthode permet aux utilisateurs de profiter immédiatement des exosquelettes.

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« Ce travail fait de la science-fiction une réalité, permettant aux gens de dépenser moins d’énergie tout en effectuant diverses tâches », explique Su.

« Nous avons développé une méthode pour former et contrôler des robots portables qui profitent directement aux humains », explique Xuzhen Lu, premier auteur de l’article et ancien chercheur postdoctoral à NC State. Luo est maintenant professeur adjoint à l’Université aéronautique Embry-Riddle.

Par exemple, lors de tests sur des humains, les chercheurs ont découvert que les participants à l’étude utilisaient 24,3 % d’énergie métabolique en moins lorsqu’ils marchaient avec un exosquelette robotique que lorsqu’ils marchaient sans exosquelette. Les participants ont utilisé 13,1 % d’énergie en moins lorsqu’ils couraient dans l’exosquelette et 15,4 % d’énergie en moins lorsqu’ils montaient les escaliers.

« Il est important de noter que ces réductions de puissance comparent les performances de l’exosquelette robotique à celles d’un utilisateur ne portant pas l’exosquelette », explique Su. « Cela signifie qu’il s’agit d’une mesure réelle de la quantité d’énergie économisée par l’exosquelette. »

Bien que cette étude se soit concentrée sur le travail des chercheurs auprès de personnes en bonne santé, la nouvelle méthode s’applique également aux applications d’exosquelettes robotiques visant à aider les personnes à mobilité réduite.

« Notre cadre peut offrir une stratégie généralisable et évolutive pour le développement rapide et l’adoption généralisée d’une variété de robots d’assistance pour les personnes en bonne santé et à mobilité réduite », explique Su.

« Nous en sommes aux premiers stades de tests des performances de la nouvelle méthode sur des exosquelettes robotiques utilisés par des personnes âgées et des personnes souffrant de troubles neurologiques, tels que la paralysie cérébrale. Nous souhaitons également explorer comment cette méthode peut améliorer les performances des dispositifs prothétiques robotiques. pour la population amputée.

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Cette recherche a été menée avec le soutien de la National Science Foundation sous les prix n° 1944655 et 2026622 ; Institut national de recherche sur le handicap, la vie indépendante et la réadaptation, dans le cadre de la bourse 90DPGE0019 et de la bourse de recherche suisse SFGE22000372 ; et les National Institutes of Health, sous le prix 1R01EB035404.

Shuzhen Luo et Hao Su sont co-inventeurs de la propriété intellectuelle liée au contrôleur évoquée dans ce travail. Su est également co-fondateur et détient un intérêt financier dans Picasso Intelligence, LLC, qui développe des exosquelettes.

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