polypeptides

Les biologistes dévoilent les formes moléculaires de la vie

On vous décrit la quête visant à comprendre comment les protéines se plient rapidement et élégamment pour prendre des formes qui leur permettent d'effectuer des tâches uniques.

Pour le hula hoop, vous vous levez et faites pivoter vos hanches vers la droite et vers la gauche. Pour faire du vélo, on s'accroupit, on tend les bras et on pédale sur les jambes. Pour plonger dans une piscine, vous étendez les bras, rentrez le menton et vous penchez en avant. Ces formes corporelles nous permettent d’entreprendre certaines actions – ou, comme pourrait le dire un biologiste, notre structure détermine notre fonction.

Cela est également vrai au niveau moléculaire. Chaque tâche imaginable effectuée par une cellule possède une protéine conçue pour l'exécuter. Selon certaines estimations, il existe 20 000 types différents de protéines dans le corps humain : certaines protéines des cellules sanguines sont parfaitement conçues pour capter les molécules d'oxygène et de fer, certaines protéines des cellules cutanées fournissent un soutien structurel, etc. Chacun a une forme adaptée à son métier. 

Cependant, si une protéine se replie mal, elle ne peut plus fonctionner, ce qui peut entraîner un dysfonctionnement et une maladie. En comprenant comment les protéines se replient, les biologistes gagneraient non seulement une compréhension plus approfondie des protéines elles-mêmes, mais pourraient également débloquer de nouvelles façons de cibler les protéines liées à la maladie avec de nouveaux médicaments.

Cela s’est avéré être un formidable défi scientifique. Chaque protéine commence par une chaîne de molécules plus petites liées appelées acides aminés. Lorsque les acides aminés s'alignent dans l'ordre dicté par un gène, ils se plient et prennent la forme appropriée de la protéine en quelques microsecondes – un phénomène qui a stupéfié les scientifiques du XXe siècle lorsqu'ils l'ont découvert. 

Dans les années 1950, le biochimiste Christian Anfinsen a émis l’hypothèse qu’il devait y avoir un code interne intégré à la chaîne d’acides aminés qui détermine la manière dont une protéine doit se replier. Si tel était le cas, pensait-il, il devrait exister un moyen de prédire la structure finale d'une protéine à partir de sa séquence d'acides aminés. Faire cette prédiction est devenu connu sous le nom de problème de repliement des protéines. Depuis, certains scientifiques ont redéfini le problème en trois questions liées : Qu'est-ce que le code de pliage ? Quel est le mécanisme de pliage ? Pouvez-vous prédire la structure d’une protéine simplement en regardant sa séquence d’acides aminés ? 

Les biologistes ont passé des décennies à tenter de répondre à ces questions. Ils ont expérimenté des protéines individuelles pour comprendre leurs structures et construit des programmes informatiques pour déduire des modèles de repliement des protéines. Ils ont étudié la physique et la chimie des molécules d’acides aminés jusqu’au niveau atomique pour découvrir les règles du repliement des protéines. Malgré cela, les biologistes n'ont fait que des progrès hésitants dans la compréhension des règles de repliement internes d'une protéine depuis qu'Anfinsen a exposé le problème.

Il y a quelques années, ils ont réalisé une avancée décisive lorsque de nouveaux outils d’intelligence artificielle ont permis de résoudre une partie du problème. Les outils, notamment AlphaFold de Google DeepMind, ne peuvent pas expliquer comment une protéine se replie à partir d'une chaîne d'acides aminés. Mais étant donné une séquence d’acides aminés, ils peuvent souvent prédire la forme finale dans laquelle elle se replie. 

Ce n’est que dans les décennies à venir qu’il deviendra clair si cette distinction – savoir comment une protéine se replie par rapport à ce en quoi elle se replie – fera une différence dans des applications telles que le développement de médicaments. Le magicien doit-il révéler le tour de magie ?

Quoi de neuf et remarquable

Début mai, Google DeepMind a annoncé la dernière itération de son algorithme de prédiction des protéines, appelé AlphaFold3, qui prédit les structures non seulement de protéines individuelles, mais également de protéines liées les unes aux autres et d'autres biomolécules comme l'ADN et l'ARN. Comme je l’ai signalé pour Quanta, cette annonce est intervenue quelques mois seulement après qu’un algorithme concurrent de prédiction des protéines – RosettaFold All-Atom, développé par le biochimiste David Baker de la faculté de médecine de l’Université de Washington et son équipe – a annoncé une mise à niveau similaire. " Vous découvrez désormais toutes les interactions complexes qui comptent en biologie ", m'a dit Brenda Rubenstein, professeure agrégée de chimie et de physique à l'Université Brown. Il reste néanmoins un long chemin à parcourir avant que ces algorithmes puissent déterminer les structures dynamiques des protéines lors de leur déplacement dans les cellules. 

Parfois, les protéines agissent de manière imprévisible, ce qui ajoute une autre difficulté au problème du repliement. La plupart des protéines se replient en une seule forme stable. Mais comme Quanta l’a rapporté en 2021, certaines protéines peuvent se replier sous plusieurs formes pour remplir plusieurs fonctions. Ces protéines à commutation de plis ne sont pas bien étudiées et personne ne sait quelle est leur abondance. Mais grâce aux progrès technologiques tels que la cryomicroscopie électronique et la résonance magnétique nucléaire à l’état solide, les chercheurs y voient plus clairement. De plus, certaines protéines possèdent des régions qui ne se plient pas selon une forme discrète mais qui bougent de manière dynamique. Comme Quanta l'a rapporté en février, ces protéines intrinsèquement désordonnées peuvent avoir des fonctions importantes, comme l'amélioration de l'activité des enzymes, la classe de protéines qui provoquent des réactions chimiques. 

Lorsque les protéines se replient mal, elles peuvent se regrouper et causer des ravages dans l’organisme. Les agrégats de protéines sont caractéristiques des maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer, dans lesquelles des agrégats de protéines potentiellement toxiques appelés plaques amyloïdes s'accumulent entre les neurones et compromettent la signalisation du cerveau. Comme Quanta l’a rapporté en 2022 , l’agrégation des protéines pourrait être répandue dans les cellules vieillissantes ; comprendre pourquoi les protéines se replient mal et s’accumulent pourrait aider au développement de traitements pour les problèmes liés au vieillissement. Parfois, des protéines mal repliées peuvent également favoriser le mauvais repliement et l’agrégation d’autres protéines, déclenchant une cascade d’effets néfastes qui illustrent à quel point il est essentiel qu’une protéine se plie pour prendre sa forme appropriée.



 

Auteur: Internet

Info: https://www.quantamagazine.org/ mai 2024, Mme Yasemin Saplakoglu

[ tridimensionnelles ] [ conformation protéique ]

paliers évolutionnaires

Des chercheurs découvrent une extinction de masse jusqu’alors inconnue de l’histoire de la Terre

Une extinction de masse désigne un événement ayant entraîné la disparition d’au moins 75 % des espèces présentes sur Terre. Les paléobiologistes affirment que notre planète a déjà connu cinq principaux épisodes de ce type ; certains estiment que nous sommes en train de vivre la sixième extinction. Mais la liste ne s’arrête pas là : des chercheurs de Virginia Tech ont découvert que la Terre aurait subi une extinction de masse il y a environ 550 millions d’années. Ce serait ainsi la toute première extinction que notre planète ait connu.

À ce jour, l’extinction de l’Ordovicien-Silurien, survenue il y a environ 440 millions d’années, est considérée comme la première extinction massive de notre planète. Celle-ci s’est vraisemblablement produite à la suite d’une grande glaciation, à laquelle auraient succombé près de 85% des espèces, faute de réussir à s’adapter à ces nouvelles conditions. Mais des preuves suggèrent aujourd’hui qu’un autre événement d’extinction l’aurait précédée : une diminution de la disponibilité mondiale d’oxygène aurait entraîné la perte d’une majorité d’animaux présents vers la fin de l’Édiacarien, il y a environ 550 millions d’années.

La première extinction de l’histoire de la Terre

Le déclin soudain de la diversité fossile il y a 550 millions d’années est connu depuis longtemps, mais les scientifiques n’avaient pas pu en déterminer la cause avec certitude. Il était possible que les espèces en présence soient entrées en compétition pour la survie, s’éliminant les unes les autres, ou simplement que les conditions environnementales de l’époque n’étaient pas propices à la préservation des fossiles édiacariens. Une nouvelle étude publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences permet aujourd’hui d’affirmer que ce déclin résulte bel et bien d’une extinction de masse.

Notre planète compte cinq extinctions de masse connues, les "Big Five", selon Shuhai Xiao, professeur de géobiologie à Virginia Tech : l’extinction de l’Ordovicien-Silurien (il y a 440 millions d’années), l’extinction du Dévonien tardif (il y a 370 millions d’années), l’extinction du Permien-Trias (il y a 250 millions d’années), l’extinction du Trias-Jurassique (il y a 200 millions d’années) et enfin, l’extinction du Crétacé-Paléogène (il y a 65 millions d’années), qui a anéanti environ 75 % des plantes et des animaux, y compris les dinosaures non aviens.

Toutes sont liées à des changements environnementaux majeurs et à grande échelle. Un changement climatique ou un événement de désoxygénation peuvent entraîner une extinction massive d’animaux, ainsi qu’une perturbation et une réorganisation profondes des écosystèmes. Ce premier événement d’extinction survenu lors de l’Édiacarien n’échappe pas à la règle : lui aussi a été induit par une modification significative de l’environnement.

Près de 80 % des animaux vivant sur Terre auraient disparu lors de cette première extinction massive. "Cela comprenait la perte de nombreux types d’animaux différents, mais ceux dont les plans corporels et les comportements indiquent qu’ils dépendaient d’importantes quantités d’oxygène semblent avoir été particulièrement touchés", explique Scott Evans, chercheur postdoctoral au Département des géosciences de Virginia Tech et premier auteur de l’étude décrivant l’événement.

Un "coup de pouce" à l’évolution ?

Les fossiles à corps mou du biote d’Ediacara – du nom des collines situées au sud de l’Australie où ont été découverts ces fossiles en 1946 – font partie des plus anciens organismes pluricellulaires complexes connus. Les empreintes fossiles datant de la période édiacarienne – soit d’environ -635 à -539 millions d’années – montrent que les animaux qui ont péri lors de cette extinction de masse avaient une apparence très étrange, en forme de feuille, de plume ou de tube.

Selon Evans, les organismes de l’époque semblaient expérimenter différentes façons de construire leurs grands corps multicellulaires. Par conséquent, les fossiles mis au jour datant d’avant l’extinction, ne correspondent pas toujours aux classifications actuelles des animaux. "Cette extinction a peut-être contribué à ouvrir la voie à l’évolution des animaux tels que nous les connaissons", conclut le chercheur. À savoir que la plupart des plans d’organisation animaux existant aujourd’hui sont apparus au cours du Cambrien (soit la période qui succède à l’Édiacarien).

Evans et ses collègues ont scrupuleusement examiné et catalogué l’ensemble des fossiles de la période édiacarienne décrits dans la littérature. Ils ont ainsi identifié 70 genres d’animaux, dont seuls 14 existaient encore quelque 10 millions d’années plus tard. L’équipe n’a toutefois trouvé aucun signe suggérant que ces animaux étaient en concurrence avec les premiers animaux du Cambrien, ni rien qui pouvait expliquer la non-préservation des fossiles.

En revanche, les animaux qui ont survécu arboraient tous un plan d’organisation favorisant la survie en cas d’anoxie : une surface corporelle relativement élevée par rapport à leur volume. Des preuves géochimiques confirment par ailleurs une faible disponibilité d’oxygène dans les océans il y a 550 millions d’années.

Une anoxie dont la cause reste à éclaircir

Qu’est-ce qui a causé cette baisse de la disponibilité globale de l’oxygène ? "La réponse courte à la façon dont cela s’est produit est que nous ne savons pas vraiment", a déclaré Evans. En réalité, plusieurs événements, individuels ou combinés, pourraient être à l’origine du phénomène explique le scientifique : éruptions volcaniques, mouvements de plaques tectoniques, impact d’astéroïde, etc. Des changements dans les niveaux de nutriments des océans pourraient être une autre cause possible. 

 Dans tous les cas, cette extinction a largement influencé l’évolution de la vie sur Terre et cette étude nous donne un aperçu de l’impact à long terme du manque d’oxygène sur la vie aquatique. Il se trouve que dans une autre étude, les scientifiques de Virginia Tech ont récemment découvert que les lacs d’eaux douces du monde perdaient actuellement rapidement de l’oxygène.

Ce phénomène est lié non seulement au réchauffement des eaux induit par le changement climatique, mais aussi à l’excès de ruissellement de substances polluantes (phosphore, azote) lié aux pratiques agricoles : "le réchauffement des eaux diminue la capacité de l’eau douce à retenir l’oxygène, tandis que la dégradation des nutriments dans le ruissellement par les microbes d’eau douce engloutit l’oxygène", expliquent les chercheurs.

En d’autres termes, la découverte de cette nouvelle extinction donne un aperçu des dangers de la crise climatique actuelle pour la vie animale.

Auteur: Internet

Info: https://www.science-et-vie.com, 7 déc 2022  Fleur Brosseau

[ stases ] [ Gaïa ]

chronos

Comment les physiciens explorent et repensent le temps

Le temps est inextricablement lié à ce qui pourrait être l’objectif le plus fondamental de la physique : la prédiction. Qu'ils étudient des boulets de canon, des électrons ou l'univers entier, les physiciens visent à recueillir des informations sur le passé ou le présent et à les projeter vers l'avant pour avoir un aperçu de l'avenir. Le temps est, comme l’a dit Frank Wilczek, lauréat du prix Nobel, dans un récent épisode du podcast The Joy of Why de Quanta, " la variable maîtresse sous laquelle le monde se déroule ".  Outre la prédiction, les physiciens sont confrontés au défi de comprendre le temps comme un phénomène physique à part entière. Ils développent des explications de plus en plus précises sur la caractéristique la plus évidente du temps dans notre vie quotidienne : son écoulement inexorable. Et des expériences récentes montrent des façons plus exotiques dont le temps peut se comporter selon les lois de la mécanique quantique et de la relativité générale. Alors que les chercheurs approfondissent leur compréhension du temps dans ces deux théories chères, ils se heurtent à des énigmes qui semblent surgir de niveaux de réalité plus obscurs et plus fondamentaux. Einstein a dit en plaisantant que le temps est ce que mesurent les horloges. C'est une réponse rapide. Mais alors que les physiciens manipulent des horloges de plus en plus sophistiquées, on leur rappelle fréquemment que mesurer quelque chose est très différent de le comprendre. 

Quoi de neuf et remarquable

Une réalisation majeure a été de comprendre pourquoi le temps ne s'écoule qu'en avant, alors que la plupart des faits physiques les plus simples peuvent être faits et défaits avec la même facilité.  La réponse générale semble provenir des statistiques des systèmes complexes et de la tendance de ces systèmes à passer de configurations rares et ordonnées à des configurations désordonnées plus courantes, qui ont une entropie plus élevée. Les physiciens ont ainsi défini une " flèche du temps " classique dans les années 1800, et dans les temps modernes, les physiciens ont remanié cette flèche probabiliste en termes d’intrication quantique croissante. En 2021, ma collègue Natalie Wolchover a fait état d’une nouvelle description des horloges comme de machine qui ont besoin du désordre pour fonctionner sans problème, resserrant ainsi le lien entre emps et entropie. 

Simultanément, les expérimentateurs se sont fait un plaisir d'exposer les bizarres courbures et crépitements du temps que nous ne connaissons pas, mais qui sont autorisés par les lois contre-intuitives de la relativité générale et de la mécanique quantique. En ce qui concerne la relativité, Katie McCormick a décrit en 2021 une expérience mesurant la façon dont le champ gravitationnel de la Terre ralentit le tic-tac du temps sur des distances aussi courtes qu'un millimètre. En ce qui concerne la mécanique quantique, j'ai rapporté l'année dernière comment des physiciens ont réussi à faire en sorte que des particules de lumière fassent l'expérience d'un écoulement simultané du temps vers l'avant et vers l'arrière.

C'est lorsque les physiciens sont confrontés à la formidable tâche de fusionner la théorie quantique avec la relativité générale que tout ça devient confus ; chaque théorie a sa propre conception du temps, mais les deux notions n’ont presque rien en commun.

En mécanique quantique, le temps fonctionne plus ou moins comme on peut s'y attendre : vous commencez par un état initial et utilisez une équation pour le faire avancer de manière rigide jusqu'à un état ultérieur. Des manigances quantiques peuvent se produire en raison des façons particulières dont les états quantiques peuvent se combiner, mais le concept familier du changement se produisant avec le tic-tac d’une horloge maîtresse reste intact.

En relativité générale, cependant, une telle horloge maîtresse n’existe pas. Einstein a cousu le temps dans un tissu espace-temps qui se plie et ondule, ralentissant certaines horloges et en accélérant d’autres. Dans ce tableau géométrique, le temps devient une dimension au même titre que les trois dimensions de l'espace, bien qu'il s'agisse d'une dimension bizarroïde qui ne permet de voyager que dans une seule direction.

Et dans ce contexte, les physiciens dépouillent souvent le temps de sa nature à sens unique. Bon nombre des découvertes fondamentales de Hawking sur les trous noirs – cicatrices dans le tissu spatio-temporel créées par l’effondrement violent d’étoiles géantes – sont nées de la mesure du temps avec une horloge qui marquait des nombres imaginaires, un traitement mathématique qui simplifie certaines équations gravitationnelles et considère le temps comme apparié à l'espace. Ses conclusions sont désormais considérées comme incontournables, malgré la nature non physique de l’astuce mathématique qu’il a utilisée pour y parvenir.

Plus récemment, des physiciens ont utilisé cette même astuce du temps imaginaire pour affirmer que notre univers est l'univers le plus typique, comme je l'ai rapporté en 2022. Ils se demandent encore pourquoi l'astuce semble fonctionner et ce que signifie son utilité. "Il se peut qu'il y ait ici quelque chose de profond que nous n'avons pas tout à fait compris", a écrit le célèbre physicien Anthony Zee à propos du jeu imaginaire du temps dans son manuel de théorie quantique des champs.

Mais qu’en est-il du temps réel et à sens unique dans notre univers ? Comment les physiciens peuvent-ils concilier les deux images du temps alors qu’ils se dirigent sur la pointe des pieds vers une théorie de la gravité quantique qui unit la théorie quantique à la relativité générale ? C’est l’un des problèmes les plus difficiles de la physique moderne. Même si personne ne connaît la réponse, les propositions intrigantes abondent.

Une suggestion, comme je l’ai signalé en 2022, est d’assouplir le fonctionnement restrictif du temps en mécanique quantique en permettant à l’univers de générer apparemment une variété d’avenirs à mesure qu’il grandit – une solution désagréable pour de nombreux physiciens. Natalie Wolchover a écrit sur la suspicion croissante selon laquelle le passage du temps résulte de l'enchevêtrement de particules quantiques, tout comme la température émerge de la bousculade des molécules. En 2020, elle a également évoqué une idée encore plus originale : que la physique soit reformulée en termes de nombres imprécis et abandonne ses ambitions de faire des prévisions parfaites de l’avenir.

Tout ce que les horloges mesurent continue de s’avérer insaisissable et mystérieux. 

Auteur: Internet

Info: https://www.quantamagazine.org/ - Charlie Wood, 1 avril 2024

source du vivant

Comment les archées, la troisième forme de vie sur Terre, produisent de l'énergie

(photo : Un arbre phylogénétique à vraisemblance maximale non enraciné de la sous-unité catalytique (HydA) des hydrogénases [FeFe] et des hydrogénases hybrides. L'arbre a été construit sur la base de 3 677 séquences d'acides aminés en utilisant le modèle LG + C20 + R + F. Les nombres sur les branches indiquent les valeurs de support aLRT (test du rapport de vraisemblance approximatif) et bootstrap ultrarapide (entre parenthèses), chacune avec 1 000 répétitions. La barre d'échelle correspond au nombre de substitutions attendu par site. Les cercles colorés à l'extrémité indiquent des séquences d'eucaryotes et de groupes archéens majeurs. Toutes les autres séquences proviennent de bactéries)

Une équipe scientifique internationale a redéfini notre compréhension des archées, un ancêtre microbien de l'homme datant de deux milliards d'années, en montrant comment elles utilisent l'hydrogène gazeux.

Les résultats, publiés aujourd'hui dans Cell, expliquent comment ces minuscules formes de vie produisent de l'énergie en consommant et en produisant de l'hydrogène. Cette stratégie simple mais fiable leur a permis de prospérer dans certains des environnements les plus hostiles de la Terre depuis des milliards d'années.

L'article, dirigé par des scientifiques du Biomedicine Discovery Institute de l'Université Monash, dont le professeur Chris Greening, le professeur Jill Banfield et le Dr Bob Leung, réécrit le manuel de biologie fondamentale.

Le Dr Bob Leung a déclaré que cette découverte sur l'une des formes d'existence les plus anciennes de la Terre pourrait également aider à l'existence humaine, notamment en concevant de nouvelles façons d'utiliser l'hydrogène pour une future économie verte.

(Image : Résumé graphique évolutif)

" Les humains n’ont commencé que récemment à penser à l’utilisation de l’hydrogène comme source d’énergie, mais les archées le font depuis un milliard d’années. Les biotechnologues ont désormais la possibilité de s’inspirer de ces archées pour produire industriellement de l’hydrogène.

Tout en haut de la pyramide de la vie, il y a trois " domaines "de la vie : les eucaryotes (domaine des animaux,  plantes et champignons), les bactéries et les archées. Les archées sont des organismes unicellulaires qui peuvent vivre dans les environnements les plus extrêmes de la Terre. La théorie scientifique la plus largement acceptée suggère également que les eucaryotes, comme les humains, ont évolué à partir d’une très ancienne lignée d’archées fusionnant avec une cellule bactérienne par échange d’hydrogène gazeux.

"Notre découverte nous rapproche de la compréhension de la manière dont ce processus crucial a donné naissance à tous les eucaryotes, y compris les humains", explique Leung.

(image : description des nano-interactions à l'origine de la vie - Les hydrogénases [FeFe] et [NiFe] codées par les archées ont vraisemblablement formé des complexes uniques)  

L’équipe a analysé le génome de milliers d’archées à la recherche d’enzymes productrices d’hydrogène, puis a produit les enzymes en laboratoire pour étudier leurs caractéristiques. Ils ont découvert que certaines archées utilisent des types inhabituels d’enzymes appelées [FeFe]-hydrogénases.

Les archées qui produisent ces enzymes utilisant l'hydrogène ont été trouvées dans bon nombre des environnements les plus difficiles de la Terre, notamment les sources chaudes, les réservoirs de pétrole et les profondeurs des fonds marins.

On pensait jusque là que ces hydrogénases étaient limitées à seulement deux " domaines " de la vie : les eucaryotes et les bactéries. Ici, l’équipe a montré qu'on les trouve dans les archées pour la première fois et qu’elles sont remarquablement diverses dans leurs formes et leurs fonctions.

Non seulement les archées possèdent les plus petites enzymes utilisant l’hydrogène, mais elles possèdent également les enzymes les plus complexes qui usent de l’hydrogène, ce qui pourrait offrir des solutions rationalisées pour la production d’hydrogène biologique en milieu industriel.

Le professeur Chris Greening a déclaré que ces découvertes sur la manière dont les archées utilisent l'hydrogène ont des applications potentielles pour la transition vers une économie verte.

" L’industrie utilise actuellement de précieux catalyseurs chimiques pour utiliser l’hydrogène. Cependant, nous savons par la nature que le fonctionnement des catalyseurs biologiques peut être très efficace et résilient. Pouvons-nous les utiliser pour améliorer la façon dont nous utilisons l’hydrogène ? "

Avec leurs très anciennes origines et des applications potentielles en biotechnologie, les archées continuent de captiver les chercheurs et offrent des voies prometteuses pour de nouvelles découvertes et applications.

(Photo avec grande complexité de détails. La partie gauche de la figure montre un arbre phylogénomique de vraisemblance maximale (modèle LG + F + G4) basé sur les 15 protéines marqueurs ribosomiques concaténées des génomes archéens qui codent pour les hydrogénases [FeFe]. Les résultats sont présentés pour les 118 génomes (sur 130) qui sont complets à au moins 60 %, contaminés à moins de 5 % et contiennent au moins 75 % des 15 protéines synténiques. Les branches sont codées par couleur, codées en fonction du phylum respectif. Les cercles noirs indiquent des valeurs de support bootstrap supérieures à 80 %. La partie centrale montre la présence de gènes métaboliques clés (dans au moins un génome) impliqués dans différents processus métaboliques. Fixation du carbone : sous-unité bêta d'ATP-citrate lyase (AclB), sous-unité bêta d'acétyl-CoA synthase (AcsB), 4-hydroxybutyryl-CoA déshydratase/vinylacétyl-CoA-delta-isomérase (AbfD), monoxyde de carbone déshydrogénase/acétyl-CoA synthase ( CODH/ACS), sous-unité complexe delta (CdhD), sous-unité complexe CODH/ACS gamma (CdhE), sous-unité catalytique anaérobie CODH (CooS), ribulose-bisphosphate carboxylase de type II/III (RbcL II/II) et ribulose-bisphosphate de type III carboxylase (RbcL III); respiration : déshalogénase réductrice (RdhA), enzyme activatrice du formaldéhyde (Fae), sous-unité alpha du formate déshydrogénase (FdhA) et succinate déshydrogénase réversible et flavoprotéine fumarate réductase (SdhA/FrdA) ; Synthèse d'ATP : sous-unité alpha de l'ATP synthase (AtpA) et sous-unité bêta de l'ATP synthase (AtpB) ; fermentation : 2-oxoacide : ferrédoxine ou pyruvate : sous-unité alpha de ferrédoxine oxydoréductase (OorA/PorA), L-lactate déshydrogénase (Idh), acétyl-CoA synthétase formant l'ADP (AcdA), acétate kinase (Ack), phosphate acétyltransférase (Pta) , acétyl-CoA synthétase (Acs) et formiate C-acétyltransférase (PflD); dégradation des acides gras : acyl-CoA déshydrogénase (ACAD) ; dégradation des aromatiques : flavine prényltransférase (UbiX) ; métabolisme du soufre : soufre dioxygénase (Sdo), sulfate adenylyltransférase (Sat), adenylylsulfate kinase (CysC), sous-unité 1 de sulfate adenylyltransférase (CysN) et sous-unité A de sulfite réductase anaérobie (AsrA). La partie droite montre les divers environnements à partir desquels les génomes archéens ont été récupérés. Notez que le phylum QMZS01 a été classé comme Aenigmatarchaeota dans GTDB R06-RS207, tandis que la classe Thermoproteota EX4484-205 a été proposée comme Brockarchaeia. )

Les hydrogénases minimales et hybrides sont actives à partir des archées (Cell - accès libre).

Auteur: Cowing Keith

Info: Communiqué de presse, Université Monash, 12 juin 2024

[ astrobiologie ] [ extrémophiles ]

topologie abstraite

Des surfaces au-delà de l'imagination sont découvertes après des décennies de recherche

Grâce à des idées empruntées à la théorie des graphes, deux mathématiciens ont montré que des surfaces extrêmement complexes sont faciles à parcourir.

En juillet dernier, deux mathématiciens de l'Université de Durham, Will Hide et Michael Magee , ont confirmé l'existence d'une séquence de surfaces très recherchée : chacune plus compliquée que la précédente, devenant finalement si étroitement liée à elles-mêmes qu'elles atteignent presque les limites de ce qui est possible. possible.

Au début, il n’était pas évident que ces surfaces existaient. Mais depuis que la question de leur existence s’est posée pour la première fois dans les années 1980, les mathématiciens ont compris que ces surfaces pouvaient en réalité être courantes, même si elles sont extrêmement difficiles à identifier – un exemple parfait de la façon dont les mathématiques peuvent renverser l’intuition humaine. Ce nouveau travail constitue un pas en avant dans une quête visant à aller au-delà de l’intuition pour comprendre les innombrables façons dont les surfaces peuvent se manifester.

"C'est un brillant morceau de mathématiques", a déclaré Peter Sarnak , mathématicien à l'Institute for Advanced Study de Princeton, New Jersey.

Les surfaces comprennent toutes sortes d’objets bidimensionnels : l’enveloppe extérieure d’une sphère, d’un beignet ou d’un cylindre ; une bande de Möbius. Ils sont essentiels aux mathématiques et à la physique. Mais même si la relation des mathématiciens avec les surfaces remonte à plusieurs siècles, ils ne connaissent pas du tout ces objets.

Les surfaces simples ne sont pas le problème. Simple dans ce cas signifie que la surface a un petit nombre de trous, ou un faible " genre ". Une sphère, par exemple, n'a pas de trous et a donc un genre nul ; un beignet en a un.

Mais lorsque le genre est élevé, l’intuition nous fait défaut. Lorsqu'Alex Wright , mathématicien à l'Université du Michigan, tente de visualiser une surface de haut genre, il se retrouve avec des trous disposés en rangée bien rangée. " Si vous vouliez que je sois un peu plus créatif, je pourrais l'enrouler en un cercle avec de nombreux trous. Et j’aurais du mal à imaginer une image mentale fondamentalement différente de celle-là ", a-t-il déclaré. Mais sur les surfaces de grande qualité, les trous se chevauchent de manière complexe, ce qui les rend difficiles à saisir. Une simple approximation est " aussi loin d’être représentative qu’elle pourrait l’être, dans tous les sens du terme ", a déclaré Wright.

Cette lutte était prévisible, a déclaré Laura Monk , mathématicienne à l'Université de Bristol. " On peut souvent faire des choses qui ne sont pas bonnes. Cependant, créer des choses qui sont bonnes, qui ressemblent à ce que nous attendons généralement d’être vrai, est un peu plus difficile ", a-t-elle déclaré.

Cela signifie que les mathématiciens souhaitant vraiment comprendre l’espace des surfaces doivent trouver des moyens de découvrir des objets dont ils ignorent même l’existence.

C’est exactement ce qu’ont fait Hide et Magee dans leur article de juillet, confirmant l’existence de surfaces sur lesquelles les mathématiciens s’interrogeaient depuis des décennies. La conjecture qu’ils ont prouvée et l’histoire qui l’entoure s’inspirent d’un tout autre domaine des mathématiques : la théorie des graphes.

Le maximum possible

Pour les mathématiciens, les graphiques sont des réseaux constitués de points ou de nœuds reliés par des lignes ou des arêtes. Dès 1967, des mathématiciens comme Andrey Kolmogorov étudiaient des réseaux qui imposaient un coût à la connexion de deux nœuds. Cela a conduit à un exemple de ce que l’on appellera plus tard un graphe d’expansion : un graphe qui maintient le nombre d’arêtes à un faible niveau, tout en maintenant une connectivité élevée entre les nœuds.

Les graphiques expanseurs sont depuis devenus des outils cruciaux en mathématiques et en informatique, y compris dans des domaines pratiques comme la cryptographie. À l’instar d’un système routier bien conçu, ces graphiques facilitent le déplacement d’un nœud à un autre sans couvrir l’intégralité du graphique avec des arêtes. Les mathématiciens aiment limiter le nombre d’arêtes en stipulant que chaque nœud ne peut avoir, disons, que trois arêtes en émanant – tout comme vous ne voudriez peut-être pas plus de quelques autoroutes sillonnant votre ville.

Si un ordinateur choisit au hasard où mènent les trois arêtes de chaque nœud, vous constaterez que, surtout lorsque le graphique est très grand, la plupart de ces graphiques aléatoires sont d'excellents expanseurs. Mais bien que l’univers soit rempli de graphiques d’expansion, les êtres humains ont échoué à maintes reprises à les produire à la main.

"Si vous voulez en construire un, vous ne devriez pas les dessiner vous-même", a déclaré Shai Evra , mathématicien à l'Université hébraïque de Jérusalem. "Notre imagination ne comprend pas ce qu'est un expanseur."

L’idée d’expansion, ou de connectivité, peut être mesurée de plusieurs manières. La première consiste à couper un graphique en deux gros morceaux en coupant les bords un par un. Si votre graphique est constitué de deux groupes de nœuds, les groupes étant reliés par une seule arête, il vous suffit de couper une seule arête pour la diviser en deux. Plus le graphique est connecté, plus vous devrez découper d'arêtes.

Une autre façon d’accéder à la connectivité consiste à parcourir le graphique de nœud en nœud, en choisissant à chaque étape une arête sur laquelle marcher au hasard. Combien de temps faudra-t-il pour visiter tous les quartiers du graphique ? Dans l'exemple avec les deux amas, vous serez confiné à l'une des bulles à moins que vous ne traversiez la seule connexion avec l'autre moitié. Mais s’il existe de nombreuses façons de voyager entre les différentes zones du graphique, vous parcourrez l’ensemble en peu de temps.

Ces mesures de connectivité peuvent être quantifiées par un nombre appelé écart spectral. L'écart spectral est nul lorsque le graphe est complètement déconnecté, par exemple s'il est composé de deux groupes de nœuds qui ne sont pas du tout attachés l'un à l'autre. À mesure qu’un graphe devient plus connecté, son écart spectral aura tendance à s’élargir.

Mais l’écart spectral ne peut aller que jusqu’à un certain point. En effet, les deux caractéristiques déterminantes des graphes d’expansion – peu d’arêtes et une connectivité élevée – sont apparemment en contradiction l’une avec l’autre. Mais en 1988, Gregory Margulis et, indépendamment, Sarnak et deux co-auteurs ont décrit des " expanseurs optimaux " – des graphiques dont l’écart spectral est aussi élevé que le maximum théorique. " C'est choquant qu'ils existent ", a déclaré Sarnak.

Plus tard, les mathématiciens prouveront que la plupart des grands graphes sont proches de ce maximum. Mais le travail avec les expanseurs optimaux et les graphiques aléatoires ne consistait pas simplement à trouver les bons endroits pour placer les arêtes. Cela nécessitait le recours à des techniques étranges et sophistiquées empruntées à la théorie des nombres et des probabilités.

Auteur: Internet

Info: https://www.quantamagazine.org/ - Leila Sloman, 2 juin 2022

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sciences

36'000 sexes, mais à deux, c'est mieux pour les biologistes de l'évolution, le sexe est un mystère - et le binôme mâle-femelle un paradoxe. Explications sur l'origine des genres.
"L'émergence des genres reste un problème déroutant en biologie, lance Lukas Schärer, spécialiste de l'évolution de la reproduction à l'Université de Bâle. Nous ne comprenons pas encore tout à fait le sexe."
Car la présence de deux sexes amène un désavantage immédiat: elle réduit de moitié la probabilité de rencontrer un partenaire de reproduction. "Avoir deux genres n'est pas seulement une mauvaise stratégie; c'est la pire", renchérit Laurence Hurst, biologiste à l'Université de Bath (G.B.) et l'un des spécialistes mondiaux de l'évolution de la reproduction. Avec un seul genre - ou une multitude -, nous pourrions nous reproduire avec tout le monde.
La reproduction sexuée présente des avantages évidents sur le plan de l'évolution (voir encadré plus bas). Mais qui dit sexe ne dit pas forcément mâle et femelle: il est tout à fait possible de fusionner deux cellules similaires. "Il faut distinguer deux étapes, précise Laurence Hurst. D'abord, on doit pouvoir expliquer l'émergence de deux types de gamètes (les cellules reproductrices, ndlr) qui - tout en restant morphologiquement identiques - ne peuvent fusionner que l'un avec l'autre. Un deuxième niveau concerne leur différenciation en gamètes mâles et femelles, qui sont non seulement distincts, mais également différents." "Des théories existent, ajoute Lukas Schärer, mais leur démonstration univoque par des expériences fait encore défaut."
La faute aux mitochondries
Dans les années 1990, Laurence Hurst a proposé une piste pour élucider la première étape: un seul genre favoriserait des mutations potentiellement nuisibles. "En fusionnant, les gamètes ne combinent pas seulement les informations génétiques contenues dans leur noyau, mais partagent aussi leurs mitochondries (responsable de fournir la cellule en énergie, ndlr), explique le biologiste anglais. Comme celles-ci évoluent indépendamment du noyau, il n'est pas certain que les mitochondries dominantes, qui par exemple se reproduisent plus rapidement que les autres, s'avèrent également bénéfiques à la cellule et à l'individu."
Une solution à ce problème serait procurée par l'émergence de deux types de gamètes (appelés "+" et "-"), dont un seul est capable de transmettre ses mitochondries. On réduit ainsi les probabilités d'avoir des mutations mitochondriales délétères à la cellule. Afin de propager les types de mitochondries bénéfiques à l'individu, il y aurait un avantage évolutionniste à ce que seuls les différents types de gamètes puissent fusionner entre eux.
"Notre thèse est appuyée par des observations faites sur des protozoaires ciliés, poursuit Hurst. Ceux qui se reproduisent par fusion et mélangent leurs mitochondries ont deux genres alors que d'autres, qui ne font qu'échanger leur noyau sans partager leurs mitochondries, possèdent non pas deux mais des centaines de genres distincts. On observe le même phénomène chez les champignons: ils n'échangent que leur noyau, et certains possèdent jusqu'à 36'000 sexes." Avoir exactement deux sexes servirait ainsi à filtrer les mitochondries.
A quoi ressemble l'acte de chair lorsqu'on a plusieurs genres? "Les deux partenaires doivent être d'un genre différent, répond Lukas Schärer. Au niveau des probabilités, un nombre élevé de sexes se rapproche de l'absence de genre de plusieurs façons, car on peut se reproduire avec à peu près tout le monde. L'existence de genres protège les individus de l'auto-fertilisation, qui est dangereuse car elle expose souvent des mutations délétères." De nombreux sexes, donc, pour éviter la consanguinité.
La naissance du mâle
Mais pourquoi les + et les - se sont-ils ensuite différenciés en "mâles" et "femelles"? Dans les années 1970, le biologiste Geoff Parker a proposé un mécanisme évolutionniste. Des mutations ont changé la taille des cellules reproductives. Graduellement, deux types d'individus ont été sélectionnés, qui produisent soit des spermatozoïdes petits, nombreux et de valeur limitée, soit des oeufs gros, rares et précieux. Les premiers peuvent être produits en très grand nombre, ce qui augmente la probabilité de rencontre. Grâce à leur grande taille, les seconds ont davantage de chances d'être fécondés et peuvent fournir une grande quantité de matière au zigote (obtenu par la fusion des gamètes), ce qui améliore ses chances de survie. "L'évolution de l'anisogamie (des gamètes de tailles différentes, ndlr) a eu lieu plusieurs fois au cours de l'évolution et ceci de manière indépendante", rappelle Brian Charlesworth, professeur de biologie évolutionnaire à l'Université d'Edimbourg. "L'anisogamie a probablement moins de chance d'évoluer dans des espèces plus petites, car l'avantage procuré par un grand oeuf joue un rôle plus faible", note Lukas Schärer.
Reste encore la différentiation au niveau de l'individu: pourquoi la plupart des animaux comprennent des mâles et des femelles - au lieu de favoriser l'hermaphrodisme? Ce dernier s'accompagne du risque d'autofertilisation et des problèmes dus à la consanguinité, mais atténue la difficulté de trouver un partenaire. Cet avantage pourrait être un facteur déterminant chez les plantes: incapables de se déplacer, elles sont en grande majorité hermaphrodites. Au contraire des animaux, qui eux ont les moyens de partir chercher l'âme soeur.
Les bienfaits du sexe
Le but de la chair, c'est de mélanger pour mieux s'adapter. En combinant les gènes des deux parents, la reproduction sexuée permet de sélectionner les bonnes mutations et de purger les mauvaises. "Des expériences avec des levures modifiées pour se reproduire asexuellement ont montré qu'elle s'adaptent moins rapidement aux changements de l'environnement, détaille Laurence Hurst de l'Université de Bath (G.B.). On a pu observer que certaines espèces capables d'utiliser les deux modes de reproduction favorisent la voie sexuée lorsqu'elles se voient soumises à des pressions de l'environnement." Une fois le danger passé, elles retournent au sexe en solitaire - également favorisé lorsque la rencontre d'un partenaire s'avère trop difficile.
Le kamasutra de la Nature
Entre des bactéries échangeant du matériel génétique et des champignons possédant des milliers de sexes, la Nature ne montre aucun tabou. Les hermaphrodites simultanés tels que la majorité des plantes et escargots possèdent les appareils génitaux mâles et femelles, alors que les hermaphrodites séquentiels (certains poissons et crustacés) changent de sexe au cours du temps. Les êtres hétérogames (amibes sociales, micro-crustacés, algues) peuvent alterner entre reproduction asexuée et sexuée. On a observé que les femelles d'un certain nombre d'animaux (dont le dragon du Komodo et le requin marteau) peuvent parfois se passer de mâle pour se reproduire par parthénogenèse lorsque rencontrer l'âme soeur s'avère trop difficile. Les polyploïdes, eux, ne possèdent pas des paires de chromosomes comme la plupart des animaux sexués, mais de multiples copies: une espèce de salamandre n'a que des femelles possédant leurs chromosomes en triple. Elles se reproduisent par "cleptogénèse", en volant des spermatozoïdes de variétés voisines.
80 millions d'années sans sexe: un scandale évolutionnaire
Même si les premiers êtres vivants unicellulaires comme les bactéries se sont toujours reproduits de manière asexuée, "la plupart des êtres multicellulaires asexués ont évolué à partir d'espèces sexuées, note Brian Charlesworth de l'Université d'Edimbourg. Ils n'ont pas eu le temps de se diversifier et sont normalement d'origine récente." La découverte que des invertébrés aquatiques asexués appelés bdelloidés ont survécu quelque 80 millions d'années fut qualifiée de "scandale évolutionnaire" par le biologiste John Maynard Smith. Autre particularité, ces invertébrés pratiquent une forme d'hibernation: face à une pression environnementale, ils peuvent sécher et entrer en animation suspendue. En 2008, une étude d'Harvard apporte un élément de réponse: lorsqu'ils se réveillent, les bdelloidés incorporent l'ADN étranger se trouvant à proximité. Même pour les êtres asexués, le mélange des gènes semble incontournable pour survivre.

Auteur: Saraga Daniel

Info: Largeur.com, 25 mai 2011

[ couple ] [ reproduction ]

infox

Avons-nous une information économique indépendante? Cet ouvrage est un guide sans complaisance pour comprendre l’était réel de l’économie — inflation, chômage, propriété, retraites, contenus sponsorisés — loin du chichi et du marketing.

Si vous avez fait le plein d’essence dernièrement, vous avez vu la pompe indiquer 130, voire 140 francs suivant la taille de votre réservoir. Pourtant, votre coût de la vie est mal reflété par les statistiques de l’inflation. Celle-ci était déjà une réalité de votre quotidien avant le Covid et avant la guerre en Ukraine, mais l’indice officiel ne vous renseignait que peu sur votre pouvoir d’achat.

L'immobilier s'est envolé

Depuis quelques années, vous avez sans doute constaté que les prix de l’immobilier ont fortement augmenté en Suisse. Vous aurez noté que certes, les taux hypothécaires s’affichent au plancher, à 1%, mais que les jeunes couples peinent à emprunter à la banque pour acquérir un bien à 1 million, s’ils gagnent moins de 180'000 francs. Peut-être avez-vous vu passer le fait qu’en Suisse, la part des ménages propriétaires de leur logement est tombée de 48% à 37% sur la décennie. Ailleurs, les problématiques sont similaires. En France, le logement ne pèse que 6% dans l’indice calculé par l’Insee, alors que chez une partie des locataires, la part des loyers est de 20% du budget et chez une partie des propriétaires, le remboursement des emprunts s’élève à 25% du budget.

Les primes maladies en forte hausse

Vous avez peut-être aussi vu que les primes maladie en Suisse se sont envolées (de 70%) alors même que l’inflation officielle était donnée à 0%, entre 2008 et 2018, et que les salaires n’ont pas été ajustés en conséquence. Vous avez peut-être cherché l’indice des primes maladie de la Confédération, calculé séparément, mais vous avez vu que même lui traduit mal l’impact beaucoup plus fort des hausses de primes sur les bas revenus que sur les hauts revenus, et que son utilité s’avère limitée.

Vous aurez peut-être vu que le nombre de ménages subventionnés pour payer l’assurance maladie a doublé depuis 1996, ce qui peut étonner dans un pays aussi riche que la Suisse. Le nombre de bénéficiaires a augmenté deux fois plus vite que la population, et le montant du subside moyen versé par assuré a triplé depuis 1996.

Et l'inflation, dans tout ça?

Une statistique de l’inflation qui, dans les pays développés, n’informe pas sur le coût de la vie, car elle exclut à peu près tout ce qui monte (assurances, logement, bourse, et dont l’indice étroit exclut l’alimentation et l’énergie): qu’est-ce que cela apporte, à part une image lustrée, peu en phase avec le quotidien de millions de ménages et peu propice à une adaptation des salaires?

Vous avez peut-être constaté que vos avoirs de 2ème pilier n’avaient pas beaucoup bénéficié de l’envolée phénoménale de la bourse ces dix dernières années. La priorité des caisses de pension a été d’alimenter les réserves pour longévité, et c’est tant mieux, mais ça met à mal le lieu commun qui veut que "quand la bourse monte, on est tous gagnants".

Les salariés, grands perdants du siècle

Vous saviez peut-être qu’à cotisations égales, les assurés d’aujourd’hui toucheront 30% moins de deuxième pilier que les générations précédentes. Et que la part de la population directement exposée à la bourse via des portefeuilles d’investissements ne dépasse pas les 10% aux Etats-Unis et probablement aussi en Europe, confirmant que la bourse n’est pas une richesse collective et que la stagnation des salaires a détérioré le pouvoir d’achat de ceux, largement majoritaires, qui dépendent exclusivement de ce revenu.

Peut-être avez-vous également noté que les chiffres du chômage en Suisse, donnés à 2,5%, n’incluent pas les inactifs et les fins de droit, sortis des statistiques, et ne tiennent pas compte du phénomène de sous-emploi, des CDD chez les jeunes ou du chômage des seniors, qui sont en nette hausse.

Dans cet ouvrage il est question de tous ces chiffres qui minimisent les aspects moins reluisants de notre économie, et dont j’observe la faible valeur informative depuis deux décennies de journalisme économique.

Les fake news économiques, un fléau moderne

Tout cela pour dire que la désinformation économique existe dans les pays développés. Les statistiques officielles sont aussi enjolivées, parfois: les déficits budgétaires européens ont été retouchés par tous les pays de l’UE, et pas seulement par la Grèce. On fait dire beaucoup de choses à une statistique de PIB, alors que sa croissance est souvent surestimée par une inflation calculée trop bas.

On publie le chiffre initial du PIB, puis sa version révisée et plus correcte vient plus tard ; mais seul le chiffre initial, souvent trop flatteur, sera largement diffusé. Un PIB devrait être complété par nombre d’indicateurs démographiques et de développement humain si l’on veut avoir une image réaliste de la performance d’un pays.

Du côté corporate, lorsqu’on lit un rapport annuel d’entreprise, on comprend vite que tant de transparence va nous noyer. Parfois, certains rapports annuels font 500 pages, et pourtant, l’essentiel n’y figure pas toujours, ou n’est pas facile à trouver. Les comptes de Credit Suisse ne disaient rien de l’exposition au fonds spéculatif Archegos, qui lui a valu une perte de 5 milliards.

Les comptes d’UBS ne disaient pas un mot de l’exposition aux subprimes américains, qui a duré des années et a constitué une part majeure des profits du groupe. Chez la plupart des multinationales, beaucoup trop de pages technico-légales noient l’information pertinente des comptes, et encore plus de pages sur la responsabilité sociale et environnementale assomment le lecteur par un marketing qui confine dans certains cas au greenwashing. C’est pourquoi j’ai voulu attirer l’attention des lecteurs, à travers cet ouvrage ici résumé, sur les nombreuses imperfections de l’information économique et financière.

Comment bien s'informer aujourd'hui en matière économique?

De nombreux autres exemples sont abordés dans le livre, et notamment le cas des fuites des paradis fiscaux divulgués par des consortiums de journalistes sur la base de sources anonymes, la question du financement des médias et des conflits d’intérêts potentiels, la manipulation des cours de l’or et ses conséquences, les campagnes de désinformation orchestrées par des agences de propagande de plus en plus actives, l’essor du marketing et de la publicité qui ne pose nul problème en soi, sauf quand ces contenus pénètrent l’information économique indépendante, et aussi l’essor des entreprises en tant que médias, avec des moyens démultipliés, et la question de l’indépendance de l’information.

Comment bien s’informer aujourd’hui en matière économique? Cet ouvrage sans complaisance se veut un guide face à toutes ces façons qu’a l’information, dans les pays développés, de se brouiller, de se diluer, de s’embellir, de perdre son indépendance, son objectivité, son utilité sociale et son rôle au service de l’intérêt public. La politisation des chiffres et l’embellissement des statistiques officielles sont souvent masquées par l’extrême mathématisation des indices.

On croirait qu’il s’agit de sciences dures, apolitiques, alors qu’en réalité, derrière chaque chiffre, il y a des postulats et des choix de société. Mieux s’informer sur l’état réel de nos sociétés, recouper les informations, n’a jamais été aussi primordial. Après avoir lu cet ouvrage, vous ne prendrez plus les statistiques officielles ou les concepts à la mode pour argent comptant. Et c’est tout ce que je vous souhaite. 

Auteur: Zaki Myret

Info: Désinformation économique, février 2022, éditions Favre. https://www.blick.ch/

[ idées fausses ] [ hyperinflation ] [ contrevérités ] [ euphémismes ] [ pouvoir informationnel ] [ soft power financier ] [ Helvétie ] [ dissimulation ]

physique fondamentale

Pourquoi les particules qui collisionnent révèlent la réalité 

Une grande partie de ce que les physiciens savent des lois fondamentales de la nature vient de la construction de machines destinées à écraser les particules entre elles.

Les physiciens ont commencé à développer des collisionneurs de particules à la suite de révélations selon lesquelles l’univers ne se résume pas à des atomes. Ernest Rutherford a perçu l'intérieur de l'atome lors de l'une des premières expériences de proto-collisionneur en 1909. Lui et son élève ont placé une matière radioactive derrière un bouclier en plomb percé d'un trou, de sorte qu'un flux de particules alpha (maintenant connues sous le nom de noyaux d'hélium) ) puisse passer à travers le trou. Lorsqu’ils ont projeté ce faisceau de particules sur une fine feuille d’or, ils ont observé qu’une particule sur 20 000 rebondissait directement vers l’arrière. Rutherford l'a comparé à un obus d'artillerie qui se refléterait sur une feuille de papier de soie. Les physiciens avaient découvert que les atomes d'or étaient pour la plupart constitués d'espace vide, mais que les particules alpha se dispersaient occasionnellement hors des noyaux denses et chargés positivement des atomes.

Deux des étudiants de Rutherford, John Cockcroft et Ernest Walton, ont ensuite assemblé et exploité le premier véritable collisionneur de particules en 1932. Ils ont utilisé un champ électrique pour accélérer les protons et les transformer en atomes de lithium avec suffisamment d'énergie pour briser les atomes de lithium en deux, divisant l'atome pour la première fois.

Au cours des décennies suivantes, les physiciens ont construit un défilé de collisionneurs de particules de plus en plus performants. Ils ont augmenté la densité des particules du projectile, ajouté des aimants supraconducteurs pour mieux les diriger et se sont offert plus de pistes en concevant des collisionneurs circulaires. Pour produire des feux d’artifice plus violents, ils ont brisé des faisceaux de particules circulant dans des directions opposées.

De nombreuses innovations technologiques visaient à produire des collisions à plus haute énergie pour générer des variétés de particules plus riches. Toute la matière que vous avez vue ou touchée est composée de seulement trois particules légères et fondamentales : des électrons et deux types de quarks. La nature laisse aussi entrevoir l'existence de plus d'une douzaine de particules élémentaires plus lourdes, mais seulement pour un instant, avant qu'elles ne se transforment en particules légères et stables. Pour savoir quelles particules massives peuvent exister, les physiciens exploitent l'interchangeabilité de la matière et de l'énergie découverte par Albert Einstein, exprimée dans sa célèbre équation E = mc 2. En générant des collisions plus énergétiques, ils virent émerger des particules plus lourdes.

Une autre façon de voir les choses est que les collisions à haute énergie s’enfoncent plus profondément dans le monde subatomique. Toutes les particules quantiques ont des propriétés ondulatoires, telles que les longueurs d'onde. Et leurs longueurs d’onde déterminent ce avec quoi ils peuvent interagir. Les ondes sonores peuvent contourner les murs parce qu'elles mesurent des mètres en longueur, par exemple, tandis que les ondes lumineuses sont arrêtées par tout ce qui est plus grand que leur longueur d'onde de quelques centaines de nanomètres. Les ondes incroyablement minuscules impliquées dans les collisions à haute énergie sont sensibles à des obstacles quantiques tout aussi minuscules. De cette manière, les énergies plus élevées permettent aux physiciens d’explorer les règles de la réalité à des échelles de plus en plus petites.

Suivant l’exemple de Rutherford et de ses étudiants, les chercheurs ont continué leurs explorations à un rythme effréné. L'énergie des collisions de particules a augmenté de 10 fois tous les six à huit ans pendant la majeure partie d'un siècle, ce qui correspond presque au rythme de la loi de Moore pour les puces informatiques. Ces progrès ont culminé avec la construction du Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Europe, une piste souterraine circulaire de 27 kilomètres de circonférence qui écrase des protons à des énergies environ 20 millions de fois supérieures à celles utilisées par Cockcroft et Walton pour diviser l'atome. C’est au LHC en 2012 que les physiciens ont découvert le boson de Higgs, une particule lourde qui donne de la masse à d’autres particules fondamentales. Le Higgs était la dernière pièce manquante du modèle standard de la physique des particules, un ensemble d'équations qui rend compte de toutes les particules élémentaires connues et de leurs interactions. 

Quoi de neuf et remarquable

Le LHC, qui a entamé une nouvelle période d'exploitation de six mois en avril, a consolidé le modèle standard avec la découverte du boson de Higgs. Mais ce qui n'a pas été découvert a laissé le domaine en crise. Pendant des décennies, de nombreux théoriciens des particules ont espéré qu'une nouvelle " supersymétrie “ entre les particules de matière et les particules de force serait observée afin de résoudre une énigme appelée " problème de la hiérarchie ", et aider ainsi à relier les forces quantiques et fournir un candidat pour les particules de ” matière noire » qui maintiennent les galaxies ensemble.

Mais le LHC n’a vu aucun signe des particules prédites par la supersymétrie et, en 2016, les partisans de la théorie ont reconnu que notre univers n’est pas supersymétrique comme ils le pensaient simplement. La même année, l'évocation d'une nouvelle particule s'est avérée être un mirage statistique, et les physiciens ont dû se rendre compte que le LHC ne découvrirait probablement aucun nouveau phénomène au-delà des particules du modèle standard - une situation parfois appelée "scénario du cauchemar" .

Sans indices indiquant l’existence de particules plus lourdes qui pourraient être évoquées dans des collisions à plus haute énergie, il est difficile de justifier la construction d’un autre collisionneur de particules encore plus grand, de plusieurs milliards de dollars. Certains insistent sur le fait que cela en vaut la peine, car il reste encore beaucoup à étudier sur le boson de Higgs, qui pourrait contenir des indices sur d'éventuelles entités plus lourdes situées hors de portée du LHC. Mais aucun indice - ni aucune entité - de cette nature n'est garanti.

Une proposition visant à construire un collisionneur de nouvelle génération au Japon est au point mort. L'Europe réfléchit à un successeur du LHC de 100 kilomètres, mais s'il est approuvé et financé, sa construction prendra tellement de temps que les étudiants diplômés d'aujourd'hui seront à la retraite depuis longtemps avant que ce nouveau LHC ne démarre.

Les physiciens des particules américains ont reçu des nouvelles optimistes en décembre dernier lorsqu'un comité gouvernemental a soutenu l'étude des perspectives quant à un collisionneur de muons . Les muons sont des versions plus volumineuses d'électrons qui seraient plus puissantes lors des collisions, tout en étant dépourvues de la sous-structure des protons, de sorte qu'un collisionneur de muons relativement petit pourrait produire des collisions propres et à haute énergie. Un collisionneur de muons de pointe pourrait s’insérer dans la structure d’une installation existante, le Fermi National Accelerator Laboratory dans l’Illinois, et pourrait donc être construit plus rapidement et à moindre coût. Le problème est que les muons se désintègrent en quelques microsecondes et que la technologie nécessaire pour créer et contrôler des faisceaux étroits de ceux-ci n'existe pas encore. Néanmoins, si le projet va de l'avant, les partisans espèrent qu'un tel dispositif pourrait être opérationnel au moment où les élèves de maternelle d'aujourd'hui commencent à obtenir leur doctorat.

En attendant, les physiciens n’ont d’autre choix que de proposer des expériences alternatives et de nouvelles façons de reconstituer les indices que les collisionneurs leur ont déjà fournis.  

 

Auteur: Internet

Info: https://www.quantamagazine.org/, Charlie Wood, 2 juin 2024

[ impasse ] [ historique ] [ vulgarisation ]

univers inversé

Les possibilités métagénomiques

Une infime fraction - la plupart des scientifiques estiment <1% - des espèces microbiennes sur Terre peut être cultivée et étudiée à l'aide de techniques classiques de microbiologie et de génomique. Mais en utilisant des outils de métagénomique récemment développés, les chercheurs appliquent l'analyse génomique à des communautés microbiennes entières à la fois, sans avoir à isoler et à cultiver des espèces individuelles. Les études de métagénomique commencent par obtenir un échantillon d'un environnement particulier tel que l'eau de mer, le sol ou l'intestin humain, en extrayant le matériel génétique de tous les organismes de l'échantillon, puis en analysant l'ADN de ce mélange pour mieux comprendre comment les membres de la communauté interagir, changer et exécuter des fonctions complexes.

Processus : la métagénomique consiste à obtenir l'ADN de tous les micro-organismes d'une communauté, sans nécessairement identifier toutes les espèces impliquées. Une fois les gènes séquencés et comparés aux séquences identifiées, les fonctions de ces gènes peuvent être déterminées.

Parce qu'elle ne dépend pas de l'établissement de cultures pures, la métagénomique offre l'accès à des millions d'espèces microbiennes qui auparavant ne pouvaient pas être étudiées. Il permet également aux chercheurs d'examiner les micro-organismes dans le contexte des environnements dans lesquels ils existent naturellement, en étudiant des communautés entières en même temps.

Applications de la métagénomique

Pratiquement tous les biologistes, quel que soit leur domaine, découvriront qu'une meilleure compréhension des communautés microbiennes et de la métagénomique peut contribuer à leurs propres recherches. L'étude des communautés microbiennes par la métagénomique peut aider les biologistes à s'attaquer à des questions scientifiques fondamentales et à résoudre les problèmes sociaux, environnementaux et économiques connexes. Voici quelques-unes des applications potentielles de la métagénomique :

Avancées des sciences de la vie.

Décrypter le fonctionnement et l'interaction des espèces au sein des communautés microbiennes peut répondre en partie à des questions fondamentales sur de nombreux aspects de la biologie microbienne, végétale et animale et améliorer considérablement la compréhension de l'écologie et de l'évolution. La métagénomique pourrait aider à répondre à des questions telles que : Qu'est-ce qui constitue un génome ? Qu'est-ce qu'une espèce ? Quelle est la diversité de la vie ?

Sciences de la Terre.

L'exploration de la manière dont les communautés microbiennes du sol et des océans affectent les équilibres atmosphériques et les conditions environnementales peut aider les scientifiques à mieux comprendre, prévoir et potentiellement faire face aux changements mondiaux.

Médicament.

Des centaines de médicaments disponibles aujourd'hui sont dérivés de produits chimiques trouvés pour la première fois dans des microbes ; l'accès aux génomes d'espèces microbiennes supplémentaires est très prometteur pour en découvrir des milliers d'autres. L'étude du "microbiome" humain – les milliers de milliards de bactéries vivant dans et sur le corps humain – peut conduire à de nouvelles façons de diagnostiquer, de traiter et de prévenir les maladies.

Énergie alternative.

De nouvelles sources d'énergie pourraient être développées en exploitant le pouvoir des communautés microbiennes pour produire des sous-produits tels que l'hydrogène, le méthane, le butanol et même le courant électrique.

Assainissement de l'environnement.

Comprendre les microbes qui dégradent les produits chimiques environnementaux peut aider à nettoyer des polluants tels que les fuites d'essence, les déversements de pétrole, les eaux usées, les rejets industriels et les déchets nucléaires.

Biotechnologie.

L'identification et l'exploitation des capacités biosynthétiques polyvalentes et diverses des communautés microbiennes peuvent conduire au développement de nouveaux produits industriels, alimentaires et de santé bénéfiques.

Agriculture.

Mieux comprendre les microbes bénéfiques vivant dans, sur, sous et autour des plantes et des animaux domestiques peut contribuer à améliorer les méthodes de détection des agents pathogènes dans les cultures, le bétail et les produits alimentaires et peut faciliter le développement de pratiques agricoles qui tirent parti des les alliances naturelles entre les microbes, les plantes et les animaux.

Biodéfense et médecine légale microbienne.

L'étude de l'ADN et des empreintes biochimiques des communautés microbiennes aide les spécialistes à surveiller les agents pathogènes connus et potentiels, à créer des vaccins et des traitements plus efficaces contre les agents bioterroristes potentiels et à reconstruire les événements dans lesquels les microbes ont joué un rôle.

Valeur de la métagénomique pour l'enseignement de la biologie

La citation de Muir a également une pertinence importante pour l'enseignement des sciences. Qu'est-ce qui sépare la chimie, la génétique, la biologie moléculaire, l'évolution, l'écologie et d'autres disciplines ? Où se croisent-elles et comment se construisent-elles les unes sur les autres ?

La métagénomique aide à combler le fossé entre la génétique et l'écologie, démontrant que les gènes d'un seul organisme sont connectés aux gènes des autres et à l'ensemble de la communauté. En fait, les processus de la métagénomique démontrent qu'il est important d'étudier les gènes et les organismes en contexte et d'apprécier toute la diversité de la vie, même dans un seul cadre. Ces messages ont une pertinence importante dans l'ensemble de la biologie et seraient des ajouts précieux à n'importe quel cours de biologie, peut-être en particulier ceux du niveau d'introduction.

Parce que la métagénomique s'inspire d'un large éventail de domaines et les affecte, c'est un outil précieux pour enseigner des thèmes et des concepts qui sont tissés tout au long de l'enseignement de la biologie. En effet, l'enseignement et l'apprentissage de la métagénomique pourraient clairement intégrer les types de changements dans l'enseignement des sciences de la maternelle à la 12e année et du premier cycle que de nombreux rapports ont demandé au cours de la dernière décennie.

Certains professeurs estiment qu'ils doivent utiliser des cours d'introduction pour fournir aux étudiants pratiquement toutes les connaissances qu'ils utiliseront pour comprendre les concepts de base d'une discipline. Certains considèrent également les cours d'introduction comme un moyen d'aider les étudiants à apprendre à interpréter les nouvelles et autres informations sur la science afin qu'ils puissent prendre des décisions plus éclairées à la maison, chez le médecin et dans l'isoloir. Trop souvent, cependant, de tels cours ne parviennent pas à transmettre la beauté complexe du monde vivant et les innombrables façons dont la biologie a un impact sur la "vraie vie". L'apprentissage de la métagénomique au niveau introductif - en mettant l'accent sur ses applications potentielles dans le monde réel - pourrait servir à éclairer les principes de base d'une grande variété de domaines, les liens entre eux et la pertinence plus large des avancées scientifiques pour les problèmes du monde réel. Si les étudiants peuvent voir qu'il y a vraiment des questions non résolues intéressantes auxquelles ils peuvent jouer un rôle pour répondre, le recrutement de jeunes talentueux pour les carrières scientifiques peut être facilité. De cette façon, les élèves rencontreront une science dynamique plutôt que statique.

LES BÉNÉFICES DE L'INTÉGRATION DE L'ÉDUCATION ET DE LA RECHERCHE

Les avantages de l'intégration précoce de la métagénomique et d'autres sciences nouvelles dans l'enseignement de la biologie profiteraient non seulement aux étudiants en biologie, mais aussi aux scientifiques et à leurs projets de recherche. L'expérience montre que lorsque les chercheurs enseignent, leur propre compréhension s'approfondit, menant à de nouvelles questions et pistes de recherche souvent inattendues qui sont posées par les étudiants, ainsi qu'à contribuer au développement d'approches créatives des problèmes. Si la communauté de la biologie peut intégrer l'enseignement de la métagénomique aux progrès de la recherche dès le départ, les étudiants pourraient devenir des participants actifs au développement du domaine.

Enseigner un domaine nouveau ou émergent est un moyen idéal d'engager profondément les étudiants dans l'exploration de questions fondamentales qui sont au cœur de la poursuite scientifique et de les encourager à poser leurs propres questions. En effet, dans le cas du domaine émergent de la métagénomique, les questions les plus fondamentales peuvent être les plus profondes. Répondre à ces questions inspire à son tour les jeunes esprits et les chercheurs actifs, et la science est bénéfique. 

D'autres ont vu l'intérêt d'intégrer la science émergente à l'éducation. Un certain nombre d'efforts sont actuellement en cours pour intégrer la recherche et l'enseignement en génomique.

Auteur: Internet

Info: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ Metagenomics: A Call for Bringing a New Science into the Classroom (While It's Still New) Anne Jurkowski,* Ann H. Reid,† and Jay B. Labovcorresponding author

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pédagogie

Les parents envoient leurs enfants à l'école avec les meilleurs intentions, pensant que c'est ce dont ils ont besoin pour devenir des adultes productifs et épanouis. Beaucoup doutent du bon fonctionnement des écoles, mais la sagesse conventionnelle veut que ces problèmes peuvent être résolus avec plus d'argent, de meilleurs enseignants, des programmes plus difficiles, et/ou des examen plus rigoureux.
Mais si le problème était l'école en elle-même ? La triste réalité est que l'une de nos institutions préférées est, par sa nature même, ne répond pas aux besoins de nos enfants et de notre société.
L'école est un lieu où les enfants doivent obligatoirement aller, et où leur liberté est fortement restreinte - bien plus restreinte que le toléreraient la plupart des adultes pour leurs lieux de travail. Ces dernières décennies, nous avons forcés nos enfants à rester de plus en plus de temps dans ce genre de cadre, et des preuves solides (résumées dans mon dernier livre) indiquent que c'est souvent la cause de graves dommages psychologiques. Par ailleurs, plus les scientifiques étudient le mode d'apprentissage naturel des enfants, plus nous comprenons que les enfants apprennent profondément et véritablement, et avec plus d'enthousiasme, dans des conditions presque opposées à celles de l'école.
La scolarité obligatoire fait partie intégrante de notre culture depuis plusieurs générations. La plupart des gens auraient du mal à imaginer aujourd'hui comment les enfants apprendraient ce dont ils ont besoin pour réussir dans notre culture sans l'école. Le président Obama et le secrétaire à l'éducation Arne Duncan aiment tellement l'école qu'ils souhaiteraient même allonger les jours et les années scolaires. La plupart des gens pensent que la conception de base des écoles, telle qu'on la connaît aujourd'hui, est validée par des preuves scientifiques qui montreraient que c'est ainsi que les enfants apprennent le mieux. Mais en réalité, rien n'est plus éloigné de la vérité.
Les écoles telles que nous les connaissons aujourd'hui sont le produit de l'histoire, et non pas d'une recherche sur l'apprentissage. La conception actuelle de nos écoles découle de la Réforme protestante, lorsque des écoles ont été créées pour apprendre aux enfants à lire la Bible, à croire l'Ecriture et les figures d'autorité sans les remettre en question. Les premiers fondateurs des écoles l'indiquaient clairement dans leurs écrits. L'idée que les écoles puissent permettre le développement de la pensée critique, de la créativité, de l'initiative personnelle ou de la capacité à apprendre par soi-même - le genre de compétences les plus importantes dans notre économie actuelle - ne leur effleurait même pas l'esprit. Pour eux, encourager les enfants à agir par eux-mêmes était un péché qu'il fallait casser ou réprimer.
Ce n'est pas parce que les écoles ont été reprises par l'Etat, sont devenues obligatoires et à but laïque, que la structure de base et les méthodes d'enseignement ont changé. Les tentatives ultérieures de réformes ont échoué, et même si elles ont joué sur des points mineurs de la structure, elles n'ont pas modifié la conception de base. La méthode hiérarchique, par l'évaluation, qui suppose que l'apprentissage est motivé par un système de récompense et de punitions plutôt que par la curiosité et un vrai désir d'apprendre, sert surtout à l'endoctrinement et l'obéissance et pas à grand-chose d'autre. Il n'est pas étonnant que de nombreux grands entrepreneurs et innovateurs dans le monde ont quitté l'école à un jeune âge (comme Thomas Edison), ou disaient détecter l'école et apprendre de leur côté, et pas grâce à elle (comme Albert Einstein).
Il n'est pas étonnant qu'aujourd'hui même les " meilleurs élèves " (et peut-être surtout eux) disent souvent être " lessivés " par le processus de scolarisation. Un des meilleurs étudiants diplômés, a expliqué à un journaliste pourquoi il remettait à plus tard l'université : " j'étais rongé par le fait de bien réussir et je ne dormais pas beaucoup ces dernières deux années. J'avais cinq ou six heures de devoirs tous les soirs. La dernière chose que je voulais était que ça continue. "
La plupart de élèves - qu'ils aient de bons résultats, des résultats moyens ou qu'ils soient en échec scolaire - ont perdu leur goût de l'apprentissage au moment où ils entrent au collège ou au lycée. Dans une récente étude, Mihaly Czikszentmihalyl et Jeremy Hunter ont placé sur plus de 800 élèves de la sixième jusqu'à la terminale, dans 33 écoles différentes du pays, une montre-bracelet spéciale qui émettait un signal spécial à des moments aléatoires de la journée. A chaque fois que le signal retentissait, ils devaient remplir un questionnaire indiquant où ils étaient, ce qu'ils faisaient et s'ils étaient heureux ou malheureux. Ils étaient de loin le moins heureux quand ils étaient à l'école et ils étaient le plus heureux quand ils étaient hors de l'école, à jouer ou discuter avec des amis. A l'école, ils éprouvaient de l'ennui, de l'anxiété ou les deux. D'autres chercheurs ont montré qu'à chaque nouvelle année, les élèves adoptent des attitudes de plus en plus négatives envers les matières enseignées, en particulier pour les mathématiques et les sciences.
La société en général tend à ignorer ces conclusions. Nous ne sommes pas surpris de voir que l'apprentissage soit désagréable. Nous pensons que c'est une pilule à avaler qui finira par payer sur le long terme. Certaines personnes pensent même que le fait même que l'école soit désagréable est une bonne chose car elle permet aux enfants d'apprendre à tolérer les situations désagréables, car la vie après l'école est désagréable. Peut-être que ce triste point de vue découle de l'école. Bien sûr, il y a des hauts et des bas dans la vie, à l'âge adulte comme dans l'enfance. Mais il y a bien des façons d'apprendre à tolérer les désagréments sans devoir rajouter une scolarité désagréable. La recherche a montré que les personnes de tous âges apprennent mieux quand elles sont motivées, approfondissant des questions qui les concernent réellement, et des objectifs qui sont leurs propres dans la vie. Dans de telles conditions, apprendre est en général amusant.
J'ai passé une grande partie de ma carrière de chercheur à étudier comment les enfants apprennent. Les enfants viennent au monde avec la capacité magnifique de diriger leur propre éducation. La nature leur a donnés de puissants instincts éducatifs, comme la curiosité, le ludisme, la sociabilité, l'attention à ce qu'il se passe autour d'eux, le désir de grandir et de faire ce que les enfants plus âgés et adultes peuvent faire.
La preuve que tout cela s'applique aux petits enfants se trouve sous les yeux de tous ceux qui ont regardé un enfant grandir de la naissance jusqu'à l'âge scolaire. Par leurs propres efforts, les enfants apprennent à marcher, courir, sauter et grimper. Ils apprennent leur langue maternelle à partir de rien, et partant de là, apprennent à affirmer leur volonté, débattent, amusent, ennuient, se font des amis, charment et posent des questions. En interrogeant et en explorant, ils acquièrent énormément de connaissances sur leur environnement matériel et social, et par leur jeu, des compétences pratiques qui favorisent leur développement physique, intellectuel, social et émotionnel. Ils font tout cela avant que quiconque, de quelque manière systématique que ce soit, essaye de leur enseigner quelque chose.
Cette progression et capacité d'apprendre étonnante ne s'arrête pas toute seule quand l'enfant a 5 ou 6 ans. C'est nous qui y mettons un terme avec ce système coercitif qu'est l'école. La plus importante et mémorable leçon de notre système scolaire est que l'apprentissage sous la forme d'un travail doit être évité autant que possible.
Mes recherches portaient sur l'apprentissage chez les enfants qui sont " d'âge scolaire " mais qui ne sont pas envoyés à l'école, ou qui ne sont pas dans une école tel qu'on l'entend habituellement. J'ai examiné comment les enfants apprennent dans les cultures qui n'ont pas d'écoles, surtout les cultures de chasseurs-cueilleurs, les genres de cultures dans lesquelles notre espèce a évolué. J'ai également étudié l'apprentissage dans notre culture, quand on laisse aux enfants le soin de leur propre éducation et qu'on leur donne la possibilité et les moyens de s'instruire eux-mêmes. Dans ces conditions, la curiosité naturelle des enfants et leur goût de l'apprentissage persiste tout au long de l'enfance et de l'adolescence, jusqu'à l'âge adulte.

Auteur: Gray Peter

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