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Ouvrir la « boîte noire » d’un algorithme d’IA – une nouvelle technologie d’apprentissage automatique pour découvrir ce qui fait vibrer les plantes et les humains –

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Les cycles internes de 24 heures – ou rythmes circadiens – sont fondamentaux pour maintenir la santé humaine, végétale et animale, ce qui peut donner un aperçu de la façon dont les horloges cassées affectent la santé.

Les rythmes circadiens, tels que le cycle veille-sommeil, sont innés à la plupart des organismes et essentiels à la vie sur Terre. Le mot circadien vient de l’expression latine « environ un jour » qui signifie « environ un jour ».

Biologiquement, l’horloge circadienne régule temporairement la physiologie, la biochimie et le métabolisme sur un cycle jour-nuit de 24 heures. C’est pourquoi un manque de forme physique peut affecter notre condition physique, notre santé ou notre capacité à survivre. Par exemple, souffrir du décalage horaire est un problème biologique – nos horloges biologiques sont désynchronisées parce que des signaux externes normaux comme la lumière ou la température ont changé.

L’horloge circadienne n’est pas unique aux humains. Chez les plantes, l’horloge minute aide à réguler la floraison et est essentielle pour synchroniser le métabolisme et la physiologie avec le lever et le coucher du soleil. Comprendre les rythmes circadiens pourrait aider à améliorer la croissance et les rendements des plantes, sans parler de révéler de nouvelles façons de traiter les maladies humaines.

Au-delà des plantes

Dans cette dernière recherche, l’équipe a appliqué l’apprentissage automatique pour prédire les modèles complexes d’expression des gènes de l’horloge circadienne dans une plante modèle Arabidopsis thaliana. À l’aide d’ensembles de données nouvellement générés, d’ensembles de données temporelles publiées et de génomes d’Arabidopsis, l’équipe de scientifiques a formé des modèles ML pour faire des prédictions sur la régulation des gènes circadiens et les modèles d’expression.

Présenté dans le magazine PNASLe travail démontre la puissance des méthodes basées sur l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique pour permettre une analyse plus rentable et un aperçu plus approfondi de la fonction et de l’organisation de l’horloge circadienne. Ces méthodes redéfinissent la façon dont les scientifiques utilisent les données publiques et créent des hypothèses vérifiables pour comprendre le contrôle de l’expression des gènes chez les plantes et les humains.

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Auteur principal Dr Laura-Jayne Gardiner d’IBM Research Europe (Auparavant à l’Institut Earlham où la recherche a été menée)Essentiellement, a-t-il dit, « Notre rythme interne est entraîné par une horloge circadienne, qui est un oscillateur biochimique synchronisé avec l’heure solaire ou la position du soleil dans le ciel. Dans la plupart des organismes, y compris les animaux, les plantes, les champignons et même les cyanobactéries, en interne les horloges circadiennes synchronisées permettent à l’organisme d’anticiper les changements environnementaux quotidiens qui correspondent au cycle jour-nuit et d’ajuster sa biologie et son comportement en conséquence.

Détecter les rythmes circadiens

Le professeur Anthony Hall, chef de groupe à l’Earlham Institute, a déclaré: « Les gènes impliqués dans l’horloge circadienne montrent généralement une oscillation entre des modèles de rythmes d’état déconnectés sur une période de 24 heures. Ce modèle est appelé rythme circadien.

« La détection du rythme circadien avec les méthodes actuelles est difficile car elle nécessite l’utilisation de techniques de séquençage pour créer de longs ensembles de données chronologiques à haute résolution pour mesurer l’expression des gènes au cours d’une journée. Non seulement cela coûte cher, mais cela prend aussi du temps. C’est pourquoi nos connaissances sur la façon dont le contrôle et la régulation des gènes dans l’horloge circadienne sont limitées.

Le développement de la technologie basée sur l’intelligence artificielle et l’apprentissage a d’abord été appliqué à l’usine modèle Arabidopsis, et les progrès réalisés dans le test d’autres modèles d’expression génique complexes ou temporels ainsi que d’autres espèces à travers les écotypes d’Arabidopsis. De plus, l’équipe a adapté l’approche ML au blé pour montrer que les méthodes utilisées permettent une analyse précise des principales cultures vivrières.

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Arabidopsis thaliana C’est un organisme modèle scientifique commun utilisé par la biologie végétale et la génétique. Première plante dont le génome a été séquencé, elle a été utilisée pour comprendre la biologie moléculaire et la génétique de nombreux traits végétaux, y compris la régulation de l’horloge circadienne.

« Nos modèles ML classent les modèles d’expression circadienne en utilisant fréquemment moins de points de temps de transcription, ce qui représente une amélioration de la précision par rapport aux modèles modernes existants », a expliqué le professeur Hall.

« Nous avons développé un modèle ML qui génère un ensemble de gènes de substitution pour prédire le temps circadien (phase) à partir d’un seul point de temps d’échantillonnage transcriptionnel par jour. Il existe des milliers d’ensembles de données de transcriptome publics et en comparant ce temps prédit avec le temps expérimental, il peut identifier des gènes ou des conditions spécifiques qui modifient la fonction de l’horloge, augmentant ainsi notre compréhension du mécanisme et de la fonction de l’horloge.

« Nous avons redéfini le domaine en développant des modèles ML pour distinguer les transcrits circadiens qui n’utilisent pas d’informations de point de temps de transcription, mais plutôt des caractéristiques de séquences d’ADN générées à partir de ressources génomiques publiques. Par conséquent, cela nous permet de prédire la régulation circadienne des gènes simplement en analysant l’ADN séquences du génome. « .

Les chercheurs ont basé leur étude sur la théorie selon laquelle l’un des principaux mécanismes de contrôle de l’expression des gènes, qu’il s’agisse de l’horloge circadienne ou d’autres mécanismes, est médié par des facteurs de transcription (et d’autres facteurs) qui se lient à une séquence régulatrice de l’ADN.

Les facteurs de transcription sont des biomolécules qui peuvent contrôler l’expression des gènes – et diriger quand, où et à quel degré les gènes sont exprimés. Ils se lient à des séquences d’ADN spécifiques et contrôlent la transcription de l’ADN en ARNm.

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IA explicable

Le Dr Gardiner ajoute : « Nos modèles ML et leur application dans les cultures, où les rythmes circadiens sont essentiels au maintien d’une croissance et d’un développement sains, peuvent conduire à des rendements plus élevés à mesure que les agronomes et les agriculteurs commencent à utiliser le modèle pour comprendre les rythmes internes des plantes qu’ils grandir et récolter. »

« Cependant, la technologie que nous avons développée va au-delà des plantes. Nous examinons maintenant différents types de contrôles circadiens et leur lien avec les maladies chez l’homme, par exemple, où les irrégularités circadiennes ont été liées à une gamme de maladies allant de la dépression au cancer. « 

Le Dr Gardiner démontre la valeur du ML et de l’IA pour mieux comprendre la régulation circadienne : « Ce qui rend nos modèles les plus utiles, c’est notre utilisation d’algorithmes d’IA interprétables », explique-t-elle. « Nous voulions utiliser l’interprétation de nos modèles ML pour faire la lumière sur ce qu’il y a à l’intérieur de la » boîte noire « , afin que nous puissions mieux comprendre les prédictions qu’ils font.

« Nous avons utilisé des interprétations de modèles locaux spécifiques au transcrit pour classer les caractéristiques des séquences d’ADN, qui fournissent un profil détaillé des mécanismes régulateurs circadiens potentiels de chaque transcrit. L’utilisation de l’interprétation locale dérivée des caractéristiques des séquences d’ADN ordonnées nous permet de caractériser la phase temporelle du transcrit. expression et, ce faisant, révéler les sous-dossiers de catégories cachés dans la classe quotidienne. Par exemple, si le texte est susceptible de montrer le pic de son expression le matin, l’après-midi, le soir ou la nuit.

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La bioluminescence a évolué 300 millions d’années plus tôt qu’on ne le pensait

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La bioluminescence a évolué 300 millions d’années plus tôt qu’on ne le pensait
Corail de bambou brillant (photo : Expédition Bioluminescence 2009NOAA/REL)

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Une nouvelle étude suggère que la bioluminescence chez les animaux a évolué il y a au moins 540 millions d’années, soit environ 300 millions d’années plus tôt que ce qui avait été enregistré précédemment.

L’étude menée par des scientifiques de Musée national d’histoire naturelle Smithsonian Il a été suggéré que ce trait a d’abord évolué dans une sous-classe d’anthozoaires – la classe qui contient des coraux et des anémones – connue sous le nom d’octocorallia, qui comprend tous les coraux mous, les coraux bleus et les pennatules.

La bioluminescence – dans laquelle les organismes produisent de la lumière par des réactions chimiques – a évolué au moins indépendamment 94 fois dans la natureIl est utilisé dans un large éventail de comportements, allant de la communication et de la parade nuptiale au camouflage et à la chasse. On le trouve dans un large éventail d’espèces marines et terrestres, depuis les bactéries, champignons et insectes jusqu’aux dinoflagellés, poissons et méduses.

Jusqu’à présent, le plus ancien exemple connu de bioluminescence chez les animaux marins se situerait il y a environ 267 millions d’années chez les palourdes, petits crustacés répandus – dont environ 13 000 espèces – dans les eaux du monde. Mais où et quand ce phénomène est apparu reste entouré de mystère.

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Des polypes bioluminescents illuminent les branches d'une espèce de corail bambou
Un type de bambou corail bioluminescent (image: Expédition Bioluminescence 2009NOAA/REL)

« Nous voulions connaître le moment de l’origine de la bioluminescence », a déclaré Danielle DeLeo, auteur principal de l’étude. « Les coraux originaux sont l’un des groupes d’animaux les plus anciens de la planète connus pour leur bioluminescence. » « Alors, la question était : quand ont-ils développé cette capacité ?

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L’équipe a commencé le processus en utilisant un arbre évolutif détaillé pour les huit coraux, composé de données génétiques de 185 espèces vivantes différentes, précédemment publié par Andrea Quattrini et Catherine McFadden, deux des co-auteurs de la nouvelle étude. En comparant les huit fossiles de coraux de structure similaire provenant d’époques connues avec des spécimens plus récents, l’équipe a pu déterminer le moment où les espèces ont divergé et se sont divisées en branches distinctes du registre évolutif.

Les scientifiques ont utilisé cette comparaison pour effectuer une « reconstruction de l’état ancestral », un processus par lequel les caractéristiques connues des espèces vivantes peuvent être extrapolées dans le temps pour retrouver leurs ancêtres communs.

« Si nous savons que ces huit espèces de coraux vivant aujourd’hui sont bioluminescentes, nous pouvons utiliser les statistiques pour déduire si leurs ancêtres étaient très susceptibles d’être bioluminescents ou non », a déclaré Quattrini. « Plus il y a d’espèces vivantes ayant un trait commun, plus il est probable qu’en remontant le temps, ces ancêtres auraient probablement eu ce trait également. »

Un type de corail Iridogorgia présenté dans son état naturel et la lumière émanant de ses polypes
Type de EriduGéorgie Le corail montre la lumière émise par les polypes (Image : Noé Bioluminescence et vision des fonds marins 2015)

La méthodologie établie a révélé que l’ancêtre commun le plus récent des huit coraux était lui-même bioluminescent, plaçant l’origine du phénomène il y a environ 542 millions d’années au début du Cambrien, période de l’histoire de la Terre où la vie multicellulaire commençait déjà à s’implanter. .

Après avoir déterminé la période pendant laquelle la bioluminescence a probablement évolué, la question suivante que se posent les scientifiques est la suivante : Pourquoi Évolué. À quoi servait-il chez les polypes coloniaux aveugles ? Pourquoi a-t-il évolué chez d’autres espèces non apparentées ? Pourrait-il avoir évolué encore plus tôt, chez les ancêtres des huit coraux ?

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540 millions d’années, c’est un long chemin à parcourir. Les yeux et d’autres organes sensibles à la lumière ont déjà évolué et sont présents dans les premiers organismes du Cambrien tels que les trilobites, ce qui, selon les scientifiques, rend plausible l’idée que la bioluminescence soit utilisée comme forme de communication entre les anthozoaires et d’autres créatures, peut-être comme moyen de défense. mécanisme.

Un type de plume marine qui émet de la lumière à partir de la base de chaque polype
parapluie s. Une plume marine émet de la lumière depuis la base de chaque polype (Image : NOAA Bioluminescence et vision des fonds marins 2015)

L’équipe souligne également des études antérieures suggérant que la réaction chimique à l’origine de la bioluminescence pourrait avoir évolué comme un mécanisme permettant d’éliminer l’excès d’oxygène – qui peut être toxique pour la vie marine en quantité suffisante – et que la lumière résultante a été récupérée comme moyen de communication. . À un stade ultérieur du développement des organismes.

Quelles que soient ses origines, le fait que la bioluminescence existe depuis si longtemps suggère qu’elle a un objectif évolutif réussi. DeLeo a déclaré qu’elle et certains des co-auteurs de l’étude travaillaient actuellement sur une « comptabilité complète » du nombre d’environ 3 000 espèces de coraux bioluminescents qui ont perdu cette caractéristique.

Ils espèrent que le test permettra de mieux comprendre comment et quand la bioluminescence a évolué pour la première fois, ajoutant qu’il est possible que de futures études déterminent qu’elle est en réalité plus ancienne.


L’article « Evolution of bioluminescence in Anthozoa with a focus on Octocoralia » de Daniel M. DeLeo, Manabu Bishō-Uehara, Stephen H. D. Haddock, Catherine S. Macfadyen et Andrea M. Quattrini est publié sous licence en libre accès dans Actes de la Royal Society B.

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Cinq avancées majeures des cinq dernières années

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Cinq avancées majeures des cinq dernières années

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Il y a encore beaucoup de choses que nous ne comprenons pas sur l’origine de la vie sur Terre.

La définition même de la vie est source de débat parmi les scientifiques, mais la plupart des chercheurs s’accordent sur les composants fondamentaux d’une cellule vivante. L’eau, l’énergie et certains éléments de base sont les conditions de base pour l’émergence des cellules. Cependant, les détails exacts de la manière dont cela se produit restent un mystère.

Des recherches récentes se sont concentrées sur la tentative de recréer en laboratoire les réactions chimiques qui composent la vie telle que nous la connaissons, dans des conditions plausibles pour la Terre primitive (il y a environ 4 milliards d’années). Les expériences sont devenues de plus en plus complexes, grâce aux progrès technologiques et à une meilleure compréhension des conditions primitives de la Terre.

Cependant, loin de rassembler les chercheurs et de trancher le débat, l’émergence des travaux expérimentaux a donné naissance à de nombreuses théories contradictoires. Certains scientifiques pensent que la vie est apparue dans les profondeurs marines Sources hydrothermalesOù les conditions fournissaient l’énergie nécessaire. D’autres le pensent Sources chaudes sur terre Cela aurait fourni un meilleur environnement car il est plus susceptible de contenir des molécules organiques que des météorites. Ce ne sont que deux possibilités à l’étude.

Voici cinq des découvertes les plus marquantes de ces cinq dernières années.

Réactions dans les premières cellules

Quelle est la source d’énergie qui a déclenché les réactions chimiques lorsque la vie est apparue ? C’est l’énigme qu’un Équipe de recherche en Allemagne Il cherchait à découvrir. L’équipe a étudié la faisabilité de 402 réactions connues pour former certains des composants essentiels de la vie, par ex. Nucléotides (élément constitutif de l’ADN et de l’ARN). Ils l’ont fait en utilisant certains des objets les plus courants que l’on pouvait trouver sur la Terre primitive.

On pense également que ces réactions, trouvées dans les cellules modernes, constituent le principal processus métabolique de LUCA. Le dernier ancêtre commun universelOrganisme unicellulaire qui ressemble à une bactérie.

Pour chaque réaction, ils ont calculé les changements d’énergie libre, ce qui détermine si la réaction peut se dérouler sans autres sources d’énergie externes. Ce qui est étonnant, c’est que bon nombre de ces réactions étaient indépendantes des influences extérieures. Comme l’adénosine triphosphateune source universelle d’énergie dans les cellules vivantes.

La synthèse des éléments de base de la vie n’a pas besoin de renforcement énergétique extérieur : elle s’auto-entretient.

Verre volcanique

La vie dépend de molécules pour stocker et transmettre des informations. Les scientifiques pensent que des brins d’ARN étaient présents Précurseurs de l’ADN En remplissant ce rôle, car sa structure est plus simple.

L’apparition de l’acide ribonucléique (ARN) sur notre planète a longtemps dérouté les chercheurs. Cependant, certains progrès ont été réalisés récemment. En 2022, une équipe de collaborateurs aux Etats-Unis Des brins d’ARN stables ont été générés dans le laboratoire. Pour ce faire, ils ont fait passer des nucléotides à travers du verre volcanique. Les fils de discussion qu’ils créaient étaient suffisamment longs pour stocker et transmettre des informations.

Le verre volcanique était présent sur la Terre primitive, grâce aux fréquents impacts de météorites combinés à une forte activité volcanique. Les nucléotides utilisés dans l’étude sont également… On pense qu’il était présent À cette époque de l’histoire de la Terre. Les roches volcaniques peuvent avoir facilité les réactions chimiques qui assemblent les nucléotides en chaînes d’ARN.



Sources hydrothermales

La fixation du carbone est un processus dans lequel le dioxyde de carbone est libéré2 Gagne des électrons. Il est nécessaire de construire les molécules qui constituent la base de la vie.

Un donneur d’électrons est nécessaire pour conduire cette réaction. Au début de la Terre, H2 Il peut s’agir d’un donateur électronique. En 2020, un Afficher une équipe de collaborateurs Cette réaction pourrait se produire spontanément et être alimentée par des conditions environnementales similaires aux sources hydrothermales alcalines des profondeurs marines des premiers océans. Ils l’ont fait en utilisant Technologie microfluidiquedes appareils qui manipulent de petits volumes de liquides pour réaliser des expériences en simulant des ouvertures alcalines.

Ce chemin est Étonnamment similaire Combien de cellules bactériennes et archéennes modernes (organismes unicellulaires sans noyau) fonctionnent.

Cycle de Krebs

Dans les cellules modernes, la fixation du carbone fait suite à une série de réactions chimiques qui assemblent ou décomposent des molécules dans des réseaux métaboliques complexes pilotés par des enzymes.

Mais les scientifiques débattent encore de la manière dont les réactions métaboliques se produisaient avant l’apparition et l’évolution de ces enzymes. En 2019, une équipe de l’Université de Strasbourg en France a réalisé des travaux percée. Ils ont montré que le fer ferrique, un type de fer abondant dans la croûte terrestre et dans les premiers océans, pouvait propulser neuf marches sur 11. Cycle de Krebs. Le cycle de Krebs est une voie biologique présente dans de nombreuses cellules vivantes.

Ici, le fer ferrique a servi de donneur d’électrons pour stabiliser le carbone, déclenchant une série de réactions. Les réactions ont produit les cinq précurseurs métaboliques universels, cinq molécules essentielles traversant différentes voies métaboliques dans tous les organismes vivants.

Les éléments constitutifs des anciennes membranes cellulaires

Comprendre la composition des éléments constitutifs de la vie et leurs réactions complexes constitue une étape majeure dans la compréhension de l’émergence de la vie.

Cependant, qu’elles se soient produites dans des sources chaudes terrestres ou dans les profondeurs marines, ces réactions n’auraient pas été très efficaces sans la membrane cellulaire. Les membranes cellulaires jouent un rôle actif dans la biochimie de la cellule primitive et dans sa relation avec l’environnement.

Les membranes cellulaires modernes sont principalement composées de composés appelés phospholipides, qui contiennent une tête hydrophile et deux queues hydrophobes. Ils sont organisés en bicouches, les têtes hydrophiles pointant vers l’extérieur et les queues hydrophobes pointant vers l’intérieur.

Des recherches ont montré que certains composants des phospholipides, tels que les acides gras qui forment les queues, peuvent s’auto-assembler dans ces membranes bicouches en Un ensemble de conditions environnementales. Mais ces acides gras étaient-ils présents au début de la Terre ? Des recherches récentes menées par l’Université de Newcastle au Royaume-Uni apportent une réponse intéressante. Des chercheurs Recréez-le La formation spontanée de ces molécules résulte de la combinaison de fluides riches en H₂, probablement présents dans d’anciennes sources hydrothermales alcalines, avec du dioxyde de carbone.2-Des eaux riches ressemblant aux premiers océans.

Cette réalisation est cohérente avec l’hypothèse selon laquelle des membranes d’acides gras stables peuvent apparaître dans les sources hydrothermales alcalines, se développant potentiellement en cellules vivantes. Les auteurs ont émis l’hypothèse que des réactions chimiques similaires pourraient se produire dans les océans souterrains des lunes glacées, qui contiendraient des sources hydrothermales similaires à celles de la Terre.

Chacune de ces découvertes ajoute une nouvelle pièce au puzzle de l’origine de la vie. Quelle que soit la validité de ces théories, des théories contradictoires alimentent la recherche de réponses.

Comme Charles Darwin livres« Les faits faux sont très préjudiciables au progrès de la science parce qu’ils persistent souvent longtemps : mais les fausses opinions, si elles sont appuyées par quelques preuves, ne font pas grand mal, car tous prennent un plaisir utile à se prouver faux ; le chemin vers l’erreur est fermé. « Et le chemin vers la vérité est souvent en même temps ouvert. »

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Les perroquets en captivité semblent apprécier le chat vidéo avec leurs amis sur Messenger

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Les perroquets en captivité semblent apprécier le chat vidéo avec leurs amis sur Messenger

Les perroquets sont des créatures naturellement sociales. En captivité, où ils n’ont généralement pas de troupeau avec qui interagir, cela peut présenter de réels défis pour les garder heureux et en bonne santé. Mais des recherches récentes suggèrent que la technologie pourrait les aider à répondre davantage à leurs besoins sociaux. une Dirigé par des chercheurs de Université de Glasgow La Northeastern University a comparé les réponses des perroquets lorsqu’ils avaient la possibilité de discuter en vidéo avec d’autres oiseaux via Meta’s Messenger par rapport au visionnage de vidéos préenregistrées. Ils semblent préférer les conversations en temps réel.

La recherche s’appuie sur les résultats d’une série de petites études menées au cours des dernières années, dont une dans laquelle l’équipe a entraîné des perroquets de compagnie à passer des appels vidéo entre eux (avec l’assistance humaine) et une autre dans laquelle on leur a appris à jouer à des jeux sur tablette. Lors de la dernière expérience, neuf propriétaires de perroquets ont reçu des comprimés pour se préparer à accueillir leurs animaux de compagnie, puis ont été surveillés pendant six mois. Au cours de cette période, les perroquets, initialement présentés les uns aux autres par chat vidéo, ont pu s’appeler pendant jusqu’à trois heures, réparties sur 12 sessions. La moitié de ces sessions comprenaient des vidéos préenregistrées, tandis que l’autre moitié était des chats vidéo en direct via Messenger.

Les soignants qui ont enregistré les séances ont rapporté que les oiseaux semblaient plus engagés lors des interactions en direct. Ils ont lancé plus d’appels dans ces scénarios et ont passé en moyenne plus de temps à interagir avec les oiseaux à l’autre bout du fil.

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Au cours de chaque session, les perroquets étaient autorisés à passer jusqu’à deux appels, et les chercheurs ont constaté que ceux qui parlaient via Messenger atteignaient cette limite 46 % du temps, contre environ la moitié lorsqu’ils regardaient des vidéos préenregistrées. Au total, ils ont passé 561 minutes à discuter en vidéo sur Messenger, contre seulement 142 minutes à regarder des vidéos préenregistrées.

« L’apparence » vivante « semble avoir fait une différence dans les interactions des perroquets avec leurs parades. » Le Dr Elena Hercej Douglas a déclaré, même s’il convient de noter qu’une étude plus approfondie sera nécessaire avant de pouvoir tirer des conclusions définitives. « Leur comportement lors de l’interaction avec un autre oiseau vivant reflétait souvent les comportements qu’ils adopteraient avec d’autres perroquets dans la vie réelle, ce qui n’était pas le cas dans les sessions préenregistrées. » Cependant, les soignants ont généralement signalé que les appels en direct et préenregistrés semblaient avoir un effet positif sur les oiseaux.

« Internet recèle un grand potentiel pour donner aux animaux la possibilité d’interagir les uns avec les autres de nouvelles manières, mais les systèmes que nous construisons pour les aider à y parvenir doivent être adaptés à leurs besoins spécifiques et à leurs capacités physiques et mentales », a déclaré le médecin. Hersky Douglas. « Des études comme celle-ci peuvent aider à jeter les bases d’un Internet véritablement centré sur les animaux. »

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