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La préservation tridimensionnelle des tissus mous des trilobites met en lumière l’évolution convergente de l’enregistrement défensif

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La préservation tridimensionnelle des tissus mous des trilobites met en lumière l’évolution convergente de l’enregistrement défensif

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L'attachement aux arthropodes est une stratégie de défense importante qui offre une protection contre la prédation. A-C, bûche de Ceraurus de la carrière Walcott-Rust. DF, matériel Flexicalymen enregistré à partir de la carrière Walcott-Rust. G—I, enregistreur isopode. JL, glomérule millénaire enregistré. Crédit : Sarah R. Loso

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L'attachement aux arthropodes est une stratégie de défense importante qui offre une protection contre la prédation. A-C, bûche de Ceraurus de la carrière Walcott-Rust. DF, matériel Flexicalymen enregistré à partir de la carrière Walcott-Rust. G—I, enregistreur isopode. JL, glomérule millénaire enregistré. Crédit : Sarah R. Loso

Ils font partie des collections du Harvard Museum of Comparative Zoology (MCZ) depuis les années 1870, date à laquelle ils ont été découverts pour la première fois. Ces fossiles uniques font partie de la plus grande collection de trilobites et sont restés dans les tiroirs jusqu'à ce que Sarah Loso, Ph.D., les recherche il y a 145 ans. candidate au Département de biologie organisationnelle et évolutive (OEB) de l'Université Harvard, a commencé ses recherches sur le groupe des trilobites dans le cadre de sa thèse.

« J'ai commencé mon doctorat en étudiant toutes ces fines sections de trilobites, en les photographiant et en essayant de comprendre ce que nous pouvions réellement voir », a déclaré Loso. « Ensuite, j'ai découvert quelque chose que nous n'avions jamais vu dans les fossiles de trilobites. »

Dans une nouvelle étude publiée dans Actes de la Royal Society BL'auteur principal, Loso, décrit des fossiles de trilobites 3D inhabituels qui ont été préparés sous forme de fines sections montrant les tissus mous en 3D pendant l'enregistrement. L'étude révèle le dessous mou des trilobites enregistrés et le mécanisme évolutif qui permet aux arthropodes d'enregistrer leur corps pour se protéger des prédateurs et des conditions environnementales défavorables.

Les trilobites sont les premiers arthropodes de l'ère paléozoïque. Ils étaient si nombreux et si divers qu’ils ont été anéantis lors de l’extinction massive de la fin du Permien. Les trilobites doivent leur nom à leur corps trilobé, recouvert d'un exosquelette durable, riche en calcite et facile à conserver ; Faire des trilobites une partie distinctive des archives fossiles du Paléozoïque. Leurs corps segmentés contiennent de nombreuses paires de membres qui comprennent une jambe qui marche et des branchies pour respirer. Contrairement à leur exosquelette robuste, leur dessous, y compris leurs pattes, est beaucoup plus mou, de sorte qu'ils se fossilisent rarement à moins que des conditions idéales ne soient réunies. Les trilobites n'ont pas de parents proches, bien qu'ils ressemblent aux limules. Cependant, les limules peuvent servir de comparaison utile en raison de leur mode de vie similaire.

Les défis associés à la fossilisation des tissus mous rendent les trilobites étudiés par Losso encore plus spéciaux. Les fossiles remontent à la phase Mohawk de la période Ordovicien (il y a 462 à 451 millions d'années). Il a été découvert dans la carrière Walcott Roost située dans le nord de l'État de New York, près de Trenton Falls. Une région habitée à l'origine par la tribu des Iroquois. La carrière porte en partie le nom du scientifique Charles D. Walcott, qui y a découvert des trilobites enregistrés dans sa jeunesse, avant de poursuivre la célèbre découverte des schistes de Burgess alors qu'il était directeur de la Smithsonian Institution.

Les fossiles, que Walcott a vendus au MCZ et à la Smithsonian Institution dans les années 1870, étaient piégés dans une boue de sédiments qui descendait rapidement la pente et enterrait les trilobites, préservant les tissus délicats avant que la décomposition ne les détruise. Il est inhabituel que les tissus mous, comme les pattes et les antennes, soient préservés en 3D. Walcott a étudié les fossiles en les découpant en fines tranches de roche et en les fixant sur des lames de verre à l'aide d'un extracteur de baume. Bien qu'il ait fait de son mieux en utilisant ce qui était disponible à l'époque, la méthode de préparation de Walcott rend l'étude des fossiles difficile, car les structures tridimensionnelles sont considérées comme un plan bidimensionnel.

« Il s'agissait des premiers appendices complets connus d'un trilobite. Avant leur découverte à la fin des années 1800, les scientifiques savaient quelle jambe marchait, mais ils ne savaient pas à quoi ressemblaient les branches branchiales », a déclaré Loso. En raison des perturbations environnementales, les trilobites se sont regroupés pour protéger leurs appendices les plus sensibles. Les sédiments ont ensuite entouré les pattes de trilobites partiellement enregistrées, créant un moulage avec une forme externe alors même que le tissu se décomposait.

L'enregistrement se produit dans de nombreux organismes différents. Il s’agit d’une stratégie de défense pour les animaux dotés d’exosquelettes durs et de tissus mous sur le dessous. Nous observons un record chez les animaux modernes, notamment les insectes céréaliers (isopodes), les mille-pattes (mille-pattes) et même les tatous. En scotchant leur corps, ces animaux peuvent protéger leurs tissus mous vulnérables grâce à leurs exosquelettes durs contre les prédateurs. Chez les arthropodes terrestres modernes, il peut également protéger contre le dessèchement et la perte d’humidité.

Bien que les mécanismes d'enregistrement des trilobites aient été bien étudiés, ces observations n'ont été faites que par l'examen de leurs exosquelettes en raison du manque de fossiles enregistrés avec préservation des tissus mous. Sur les 20 000 espèces de trilobites, moins de 40 ont conservé leurs tissus mous. Parmi ces quarante, la plupart ne conservent que des parties d’une patte ou d’une antenne. Seules douze espèces dotées d'appendices complets sont connues, mais la plupart sont préservées sous forme de fossiles plats et hautement compressés, comme on le voit dans les schistes de Burgess en Colombie-Britannique.

« Ces fossiles nous donnent la première vision claire de l'organisation tridimensionnelle des tissus mous des trilobites, ainsi que les premiers moulages de trilobites à différents stades d'enregistrement, nous permettant de voir comment leurs appendices et autres structures se déplaçaient afin d'enregistrer, « , a déclaré Loso.

Les trilobites et autres arthropodes ont des rangées de plaques exosquelettiques dorsales sur le dos et le dessous. Les plaques du dos, appelées tergites, sont renforcées et beaucoup plus grandes que les plaques du dessous. Les sternites sont une rangée de plaques dures le long de la face inférieure et sont plus molles et plus susceptibles à la décomposition, elles sont donc rarement observées dans les archives fossiles. Cependant, les fossiles de Walcott-Rust ont préservé les structures ventrales, notamment le sternum et les membres.

Bien qu’il soit plus mou, le sternum est trop long et trop rigide pour qu’un animal puisse y adhérer s’il ne peut pas fléchir ou articuler. Pour surmonter cela, elle glisse l'une sur l'autre dans un mouvement de descente, semblable à celui des rideaux de fenêtre, permettant à son corps de se transformer en boule. Les pattes des trilobites se sont également adaptées pour permettre ce mouvement en évoluant vers une forme de coin qui pourrait s'emboîter comme des tranches de pizza à l'intérieur d'une balle marquée.

« Comme la partie du corps de la jambe est rarement vue, et certainement pas sous forme tridimensionnelle, les gens la représentaient souvent comme une section ovale ou carrée, mais les jambes ovales ou carrées ne permettaient pas cela », a déclaré Loso. Flexibilité pour une inscription complète.

Loso a comparé les fossiles de Walcott-Rust avec des tomodensitogrammes d'arthropodes modernes de mille-pattes, d'isopodes et de limules, également présents dans les collections du MCZ. Loso a découvert que les arthropodes modernes utilisent le même mouvement de cisaillement que celui observé chez les trilobites pour enregistrer leur corps. Les trilobites se trouvent tout au long de l’ère paléozoïque. S'adapter à l'assemblage leur a permis de s'épanouir et ils ont développé des structures pour faciliter l'assemblage, telles que des proportions correctes et un nombre correct de segments dans le segment abdominal pour maintenir le corps droit et des jambes en forme de coin.

« Les fossiles sont connus depuis longtemps, mais personne n'en a rassemblé suffisamment pour que nous puissions étudier les adaptations ventrales et enregistrer avec ces fossiles vraiment cool », a déclaré Loso. « Ces fossiles nous ont permis de comparer les trilobites avec les arthropodes modernes et de voir qu'il n'y a qu'une seule façon de réaliser l'assemblage étant donné le plan corporel articulé. C'est un bel exemple d'évolution convergente entre toutes ces différentes lignées, et sur un large espace de temps. parce que nous voyons cela dans l'Ordovicien Et aujourd'hui. « C'est une stratégie de survie importante qui prospère aujourd'hui. »

Il a déclaré : « Le travail de Sarah a grandement amélioré notre compréhension de la stratégie comportementale clé qui a fait le succès incroyable des trilobites pendant plus de 200 millions d'années, et a également suscité un nouvel intérêt pour les collections historiques de fossiles de Walcott-Rust dans la MCZ qui n'ont pas encore été étudiées. étudié pendant plus de 100 millions d'années. » général ». Auteur principal Javier Ortega Hernandez, professeur adjoint à l’OEB et conservateur de paléontologie des invertébrés au MCZ. « De nouvelles données sur la forme 3D des trilobites lors de l'enregistrement nous permettront pour la première fois de modéliser avec précision cette stratégie complexe et représentent un bel exemple d'évolution convergente à l'œuvre entre des espèces éloignées. »

Plus d'information:
Sarah R. Loso et al., Evolution convergente des adaptations ventrales pour l'enregistrement chez les trilobites et arthropodes existants, Actes de la Royal Society B : Sciences biologiques (2023). est ce que je: 10.1098/rspb.2023.2212

Informations sur les magazines :
Actes de la Royal Society B


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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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La NASA et Boeing évaluent les effets potentiels des fuites d’hélium sur le Starliner

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La NASA et Boeing évaluent les effets potentiels des fuites d’hélium sur le Starliner

La capsule Starliner de Boeing poursuit une inspection approfondie lors de sa toute première mission d’astronaute.

Starliner a été lancé le 5 juin, transportant les astronautes de la NASA Butch Wilmore et Sonny Williams vers la Station spatiale internationale (ISS) pour une croisière connue sous le nom de Crew Flight Test (CFT).

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