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Quel est le profil d'accélération d'un guépard ?

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Je m'intéresse au temps qu'il faut à un guépard pour atteindre sa vitesse maximale ainsi qu'à l'accélération dans le temps qui est typique d'un guépard avant d'atteindre cette vitesse maximale.


Selon un article récent publié le La nature, les guépards peuvent atteindre une vitesse maximale de 29 ms-1 et des accélérations très impressionnantes, jusqu'à 100ms-2:

La vitesse de pointe moyenne était de 14,9 +- 3,4 ms-1 et n'était généralement maintenu que pendant 1-2 s. La vitesse la plus élevée que nous ayons enregistrée était une foulée moyenne de 25,9-1

Les accélérations latérales sont également impressionnantes :

Les chasses impliquaient des manœuvres considérables, avec des accélérations latérales maximales (centripètes) dépassant souvent 13 ms-2

Voici le tableau d'accélération et de vitesse :

L'article contient plusieurs autres graphiques : Dynamique de locomotion de la chasse chez les guépards sauvages


À quelle vitesse un guépard peut-il courir ?

Le guépard (Acinonyx jubatus) est l'animal terrestre le plus rapide sur Terre, capable d'atteindre des vitesses aussi élevées que 75 mph ou 120 km/h. Les guépards sont des prédateurs qui se faufilent sur leurs proies et sprintent sur une courte distance pour les chasser et les attaquer.

Alors que la vitesse maximale d'un guépard varie de 65 à 75 mph (104 à 120 km/h), sa vitesse moyenne n'est que de 40 mph (64 km/h), ponctuée de courtes rafales à sa vitesse maximale. En plus de la vitesse, un guépard atteint une accélération élevée. Il peut atteindre une vitesse de 47 mph (75 km/h) en deux secondes, ou passer de zéro à 60 mph en 3 secondes et trois foulées. Un guépard accélère aussi vite que l'une des voitures de sport les plus puissantes au monde.

Points clés à retenir : à quelle vitesse un guépard peut-il courir ?

  • La vitesse maximale d'un guépard est d'environ 69 à 75 mph. Cependant, le chat ne peut sprinter que sur une courte distance d'environ 0,28 mille. Un guépard est environ 2,7 fois plus rapide que le coureur humain le plus rapide.
  • Un guépard accélère très rapidement, ce qui lui permet de dépasser ses proies à courte distance.
  • Le guépard le plus rapide jamais enregistré est Sarah. Sarah vit au zoo de Cinncinati dans l'Ohio. Elle a couru le 100 mètres en 5,95 secondes avec une vitesse de pointe de 61 mph.

Une étude des fibres musculaires révèle les secrets de vitesse des guépards

Juste le mot &lsquocheetah&rsquo est suffisant pour évoquer des images d'un gros félin élégant et agile se fondant facilement dans les hautes prairies sèches de l'Afrique subsaharienne, traquant silencieusement une antilope ou un lièvre avant de courir à un rythme incroyable le long des plaines herbeuses ouvertes pour apporter sa proie sans méfiance.

Avec sa vue perçante, ses mouvements furtifs et sa vitesse brute, le guépard est probablement l'un des chasseurs les plus redoutables au monde. Ce qui en fait l'un des prédateurs les plus meurtriers et les plus performants, c'est sa vitesse extraordinaire et sa capacité à prendre des virages rapides et soudains tout en poursuivant sa proie.

Le guépard est reconnu comme le mammifère terrestre le plus rapide du monde. Selon National Geographic.com, ce membre élégant et gracieux de la famille des chats peut parcourir de 0 à 96 kilomètres à l'heure en seulement trois secondes. une accélération qui laisserait la plupart de ses concurrents dans la poussière.

Maintenant, une équipe de chercheurs japonais a réussi à cartographier les fibres musculaires du guépard pour trouver le secret qui permet à ce chasseur d'accélérer à des vitesses record en quelques secondes. Les résultats ont été publiés dans la revue Mammalian Biology et examinent comment les fibres musculaires des chats domestiques et des chiens beagle se comparent à celles des mammifères terrestres les plus rapides au monde.

Le Dr Naomi Wada, co-auteur de l'étude et professeur de physiologie du système à l'Université de Yamaguchi au Japon, a utilisé l'analogie d'une "voiture à roues motrices" pour expliquer comment le rôle de propulsion du membre postérieur est supérieur à celui du membre antérieur chez le guépard. .

Dans une voiture à traction arrière, les roues arrière de l'automobile font la poussée tandis que les roues avant sont réservées aux fonctions de direction. D'autres caractéristiques de la propulsion arrière comprennent un meilleur équilibre du poids et une meilleure accélération et décélération sur la route. En raison d'une répartition plus efficace de l'équilibre, les voitures à propulsion arrière freinent mieux et s'arrêtent plus facilement.

Le corps du guépard est conçu pour la vitesse de la même manière. L'étude révèle que la différence fonctionnelle entre les membres antérieurs et postérieurs est la plus remarquable chez le guépard par rapport aux autres animaux à l'étude. Les différents types de fibres musculaires d'un guépard sont également adaptés à différentes activités.

Les chercheurs ont découvert qu'il existe un pourcentage élevé de fibres de type IIx réparties sur un large éventail, des parties thoracique aux parties lombaires chez un guépard. Les fibres de type IIx ou « . Les fibres musculaires du guépard garantissent également que le mammifère peut produire une extension forte et rapide de la colonne vertébrale et augmenter sa rigidité pendant la locomotion, ce qui est nécessaire pour le mouvement de sprint rapide.

En raison de ses membres longs et flexibles, un guépard qui sprinte passe plus de la moitié de son temps dans les airs et contrôle son équilibre en utilisant ses pieds antérieurs pour tourner et ralentir. Un guépard utilise sa vue exceptionnellement perçante pour analyser son environnement à la recherche de tout signe de proie. S'il est repéré, le guépard va tuer avec la vitesse et l'habileté étonnantes que la nature lui a dotées. Il traînait alors sa proie jusqu'à une cachette ombragée et savourait son repas.


Reproduction et population

Les guépards femelles ont généralement une portée de trois petits et vivent avec eux pendant un an et demi à deux ans. Les jeunes oursons passent leur première année à apprendre de leur mère et à pratiquer les techniques de chasse avec des jeux ludiques. Les guépards mâles vivent seuls ou en petits groupes, souvent avec leurs congénères.

La plupart des guépards sauvages se trouvent dans l'est et le sud-ouest de l'Afrique. Ces populations sont sous pression car les prairies largement ouvertes qu'elles privilégient disparaissent aux mains des colons humains.


Comment les guépards dépassent les lévriers

Les guépards sont les voitures de sport hautes performances du règne animal, mais comment surpassent-ils les autres athlètes d'élite lorsqu'ils utilisent la même technique de sprint ? Les biologistes ont comparé les performances de guépards et de lévriers captifs et ont découvert qu'en plus d'augmenter leur fréquence de foulée, les guépards passent plus de temps en contact avec le sol, probablement pour protéger leurs membres des fractures de stress à grande vitesse.

Dans une impasse de 0 à 60 mph, la plupart des voitures auraient du mal à en avoir pour leur argent, et à leur vitesse la plus élevée enregistrée de 29 m/s (65 mph), les guépards dépassent facilement les lévriers les plus rapides. Mais, selon Alan Wilson du Royal Veterinary College, Royaume-Uni, il n'y a aucune raison claire pour les performances exceptionnelles du guépard. « Les guépards et les lévriers sont connus pour utiliser un galop rotatif et physiquement ils sont remarquablement similaires, mais il y a cette différence envoûtante de vitesse maximale de presque un facteur de deux », dit-il. En faisant équipe avec Penny Hudson et Sandra Corr, Wilson a décidé de comparer la façon dont les guépards et les lévriers sprintent pour voir s'il y avait des différences mécaniques entre les mouvements des deux animaux.

Sachant que les grands félins en captivité sont heureux de chasser un leurre, le trio était convaincu qu'ils pourraient obtenir les guépards du zoo ZSL Whipsnade, au Royaume-Uni, et du Centre Ann van Dyk Cheetah, en Afrique du Sud, pour sprinter à travers des plaques de force enterrées dans une piste en l'enclos des animaux. Le problème serait de faire fonctionner le précieux équipement à l'air libre. "Les plaques de force sont des pièces d'équipement chéries et appréciées que les gens ne sortent généralement pas du laboratoire et n'enterrent pas dans le sol pendant l'été anglais", rit Wilson. Cependant, après avoir installé avec succès huit plaques de force dans l'enceinte des guépards, ainsi que quatre caméras à grande vitesse filmant à 1000 images/s, Hudson a tenté les guépards de galoper le long de la piste avec un morceau de poulet attaché à un démarreur de camion pendant qu'elle mesurait le forces exercées sur les membres des animaux, leurs mouvements corporels et leurs mouvements de pas. Elle a également répété les mesures sur des lévriers au galop dans le laboratoire, filmant les animaux à une vitesse de 350 images/s plus lente.

Mais, lorsque Hudson a comparé les vitesses maximales des animaux, elle a été surprise de voir que les lévriers entraînés galopaient plus vite que les guépards captifs, atteignant une vitesse maximale de 19 m/s contre 17,8 m/s pour les guépards. Néanmoins, Hudson a pu identifier des différences claires dans les schémas de foulée des animaux qui pourraient expliquer comment les guépards sauvages dépasseraient les chiens.

Lorsqu'ils couraient à la même vitesse, la foulée des grands félins était légèrement plus longue que celle des lévriers, bien que les guépards aient compensé cela par une fréquence de foulée légèrement inférieure. De plus, les guépards augmentaient leur fréquence de foulée au fur et à mesure qu'ils passaient à la vitesse supérieure - fonctionnant à 2,4 foulées/s à un rythme tranquille de 9 m/s, atteignant 3,2 foulées/s à leur vitesse maximale de 17 m/s - tandis que les lévriers maintenaient une fréquence de foulée constante autour de 3,5 foulées/s sur toute leur plage de vitesse. Wilson soupçonne que les chats sauvages peuvent atteindre des fréquences de foulée de 4 foulées/s, ce qui, combiné à des longueurs de foulée plus longues, peut leur permettre de dépasser leurs cousins ​​captifs et d'atteindre des vitesses maximales de 29 m/s.

De plus, lorsque Hudson a analysé la durée pendant laquelle le pied de chaque animal est resté en contact avec le sol - le temps de position - elle a remarqué que pour certains membres du guépard, il était plus long, et l'équipe soupçonne que cela peut être un autre facteur qui contribue aux performances record du guépard sauvage. Expliquant que l'augmentation du temps d'appui réduit les charges maximales sur les pattes de l'animal, Wilson déclare : « [avec] un temps d'appui plus long, le guépard atteindra la charge limite à une vitesse plus élevée que le lévrier ».

Spéculant sur les performances relativement médiocres des guépards captifs, Wilson suggère qu'ils peuvent manquer de motivation. «Ils vivent dans un zoo depuis plusieurs générations et n'ont jamais eu à courir pour attraper de la nourriture. Ils n'ont probablement jamais appris à courir en particulier », dit-il, ajoutant : « La prochaine étape consiste à essayer de faire des mesures chez des guépards sauvages dans l'espoir de voir des vitesses plus élevées.


Quelques faits pas étonnants sur le guépard

Autrefois présent dans toute l'Asie et l'Afrique, le guépard figure aujourd'hui sur la liste rouge de l'UICN en tant que vulnérable, car il a subi un déclin important de son aire de répartition historique au 20e siècle en raison de la perte d'habitat, du braconnage, du commerce illégal d'animaux de compagnie et des conflits avec les humains.

En 2016, la population mondiale de guépards a été estimée à environ 7 100 individus à l'état sauvage. faisant du guépard le grand félin le plus menacé d'Afrique. Ce nombre est passé de 100 000 il y a un siècle.

La plupart des guépards sauvages existent en populations fragmentées dans des poches d'Afrique, occupant à peine 9 % de leur aire de répartition historique. En Iran, il reste moins de 50 guépards asiatiques (une sous-espèce).

Plus de 75 pour cent des guépards en Afrique vivent en dehors des zones protégées et sur des terres partagées avec les communautés agricoles rurales. Cela provoque des conflits avec les humains – ce qui est vraiment mauvais pour le gros chat.

De plus, la vie d'adulte pour un guépard est difficile. Les guépards vivent vite et meurent jeunes. Il y a une compétition entre les mâles territoriaux, qui entraîne souvent la mort. La durée de vie d'un mâle adulte n'est que de 8 ans.

Ils ont beaucoup d'ennemis dans la nature, notamment des lions, des léopards, des chiens sauvages africains et des hyènes.

La mortalité des adultes est l'un des facteurs limitants les plus importants pour la croissance et la survie de la population de guépards.


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Cheetah vs Greyhound : lequel est le plus rapide ?

Avec des guépards passant de 0 à 100 km/h en environ trois secondes, ils peuvent facilement dépasser la Ford Mustang de l'année dernière, mais qu'est-ce qui pousse l'animal terrestre le plus rapide au monde à enregistrer des taux ?

C'est ce qu'une équipe de chercheurs britanniques et sud-africains a tenté de découvrir en les comparant aux lévriers, selon leur rapport dans la dernière édition du Journal of Experimental Biology.

« Les guépards et les lévriers sont connus pour utiliser un galop rotatif et physiquement ils sont remarquablement similaires, mais il y a cette différence envoûtante de vitesse maximale de près d'un facteur deux », a déclaré le co-auteur de l'étude Alan Wilson du Royal Veterinary College. de Londres, dans un communiqué.

Pour comparer les deux animaux, les chercheurs ont d'abord incité les grands félins vivant au zoo ZSL Whipsnade, au Royaume-Uni, et au Centre Ann van Dyk Cheetah, en Afrique du Sud, à courir après des appâts et à traverser des plaques de force enfouies dans le sol tout en filmant la poursuite à 1 000 images par seconde.

"Les plaques de force sont des pièces d'équipement cossues et appréciées que les gens ne sortent généralement pas du laboratoire et n'enterrent pas dans le sol pendant l'été anglais", a réfléchi Wilson.

Après avoir pris des mesures de la foulée, des mouvements de pas et des efforts de force des grands félins captifs, ils ont transféré la même procédure de test à leurs sujets lévriers. La seule exception étant que les chiens rapides ont été filmés à 350 images par seconde.

En regardant la vidéo des schémas de foulée des deux animaux, l'équipe a d'abord constaté que les foulées des guépards étaient légèrement plus longues avec une fréquence légèrement inférieure. Cependant, lorsqu'ils passent à la vitesse supérieure, les félins rapides et furieux augmentent la fréquence de 2,4 foulées par seconde à 20 mph jusqu'à 3,2 foulées par seconde à leur vitesse maximale de 40 mph. En revanche, les chiens sont restés à environ 3,5 foulées par seconde sur toute leur aire de répartition.

Étonnamment, la vitesse maximale des chiens était plus rapide que celle des chats à 42,5 mph. Dans la nature, Wilson a déclaré que les guépards pourraient probablement atteindre 4 foulées par seconde, ce qui pourrait expliquer leurs vitesses de pointe plus élevées mesurées à environ 65 mph.

Les chercheurs ont également analysé la durée pendant laquelle le pied de chaque animal est resté en contact avec le sol, connu sous le nom de temps de position. Pour certains membres du guépard, il était plus long que celui des lévriers, et l'équipe soupçonne que cela peut être un autre facteur qui contribue aux performances record du guépard sauvage. Wilson a expliqué qu'en augmentant le temps d'appui, l'animal met moins de pression sur les pattes de l'animal et qu'avec un temps d'appui plus long, le guépard atteindra la charge limite à une vitesse plus élevée que le lévrier.

Les chats captifs n'ont probablement pas réussi à courir près des vitesses record parce qu'ils manquent de motivation ou ont un mode de vie inhabituellement sédentaire. Wilson espère résoudre ce problème dans ses futures recherches.

"Ils vivent dans un zoo depuis plusieurs générations et n'ont jamais eu à courir pour attraper de la nourriture", a-t-il déclaré. "La prochaine étape consiste à essayer de faire des mesures chez les guépards sauvages dans l'espoir de voir des vitesses plus élevées."


Le guépard et le lévrier de course ont une taille et une morphologie grossières similaires et pourtant le guépard est capable d'atteindre une vitesse de pointe beaucoup plus élevée. Nous avons comparé la cinématique et la cinétique du galop chez le guépard et le lévrier pour étudier comment le guépard peut atteindre des vitesses maximales aussi remarquables. Cela a également été l'occasion d'étudier certaines des limites potentielles de la vitesse de course maximale chez les quadrupèdes, qui restent mal comprises. En combinant la plaque de force et les données vidéo à grande vitesse de guépards et de lévriers au galop, nous montrons comment le guépard utilise une fréquence de foulée inférieure/une longueur de foulée plus longue que le lévrier à une vitesse donnée. Dans certains essais, les guépards utilisaient des temps d'oscillation aussi bas que ceux des lévriers (0,2 s) de sorte que le guépard a la possibilité d'utiliser des fréquences de foulée plus élevées (jusqu'à 4,0 Hz), ce qui peut contribuer à ce qu'il ait une vitesse de pointe plus élevée que le lévrier. . La répartition du poids entre les membres de l'animal variait avec l'augmentation de la vitesse. À grande vitesse, les membres postérieurs supportent la majorité du poids corporel de l'animal, le guépard supportant 70 % de son poids corporel sur ses membres postérieurs à 18 m s -1 cependant, les membres postérieurs du lévrier ne supportent que 62 % de son poids corporel. Soutenir une plus grande proportion du poids corporel sur un membre particulier est susceptible de réduire le risque de glissade lors des efforts de propulsion. Nos résultats démontrent plusieurs caractéristiques du galop et mettent en évidence des différences entre le guépard et le lévrier qui peuvent expliquer les vitesses maximales plus rapides du guépard.

Le guépard au galop [Acinonyx jubatus (Schreber 1775)] se caractérise par les mouvements extrêmes de son dos et ses membres qui se balancent rapidement, mais surtout pour sa vitesse de pointe remarquable. La vitesse la plus rapide enregistrée d'un guépard est de 29 m s -1 en moyenne sur un parcours de 200 m (Sharp, 1997), et sa vitesse maximale est donc susceptible d'être encore plus élevée. En revanche, le canidé le plus rapide, le lévrier de course (Canis familiaris L.), a une vitesse de pointe de seulement 17 m s –1 (Jayes et Alexander, 1982 Usherwood et Wilson, 2005), bien que les deux animaux aient une masse et une morphologie grossière similaires. Les études anatomiques (Hudson et al., 2011a Hudson et al., 2011b) n'ont présenté aucune raison claire expliquant pourquoi il y a une si grande différence dans leurs vitesses de pointe, et il n'y a pas de consensus clair dans la littérature quant à ce qui limite fondamentalement le vitesse de course maximale d'un quadrupède. Ici, nous avons étudié la cinématique et la cinétique du galop chez le guépard et le lévrier de course pour étudier comment le guépard atteint des vitesses plus rapides que le lévrier, et pour explorer certaines des limites théoriques de la vitesse de course maximale.

Les déterminants de la vitesse de course maximale ont été examinés en détail pour les humains, et trois limites majeures ont été proposées pour la force maximale des membres, le temps d'oscillation minimum réalisable et la puissance musculaire. Cependant, de telles limites chez les quadrupèdes restent relativement inexplorées. Au cours d'une foulée, un animal doit produire une impulsion verticale égale au produit de son poids corporel et du temps de foulée afin de supporter son poids corporel. Les impulsions nécessaires pour ce faire doivent être générées pendant la position, et donc, en raison de la diminution du temps de contact et du facteur de service avec l'augmentation de la vitesse (observée chez plusieurs animaux) (Hoyt et Taylor, 1981 Kram et Taylor, 1990 Usherwood et Wilson, 2005 Weyand et al., 2000 Witte et al., 2006), les membres doivent résister à des forces de réaction au sol (GRF) de pointe plus importantes pour supporter le poids corporel de l'animal. Un animal peut donc rencontrer une vitesse où ses membres ne peuvent pas résister à un pic plus élevé de GRF (une limite de force) peut-être en raison des propriétés de contraction ou de l'architecture de ses muscles, ou les limites de sécurité des éléments squelettiques du membre peuvent être approchées. L'animal ne peut donc plus augmenter sa vitesse et doit ralentir pour augmenter le temps de contact et réduire la force maximale. Ce phénomène semble être vrai pour les humains, car ils courent plus lentement avec des temps de contact plus longs lors d'un virage, une situation qui simule une augmentation du poids corporel en raison des forces centripètes subies par le coureur (Bowtell et al., 2007 Usherwood et Wilson, 2006). Cela leur permet de maintenir des forces maximales constantes dans les membres, ce qui suggère qu'ils ont déjà atteint une limite maximale de force dans les membres lorsqu'ils courent en ligne droite. Dans une étude similaire sur les lévriers de course, il est devenu évident que, contrairement aux humains, les lévriers ne sont pas limités par les GRF de pointe rencontrés lors de la course à vitesse maximale (Usherwood et Wilson, 2005). Malgré cela, la vitesse maximale d'un cheval de course qui tourne semble être limitée par la force maximale des membres et donc on ne sait pas s'il s'agit d'une contrainte universelle pour tous les quadrupèdes (Tan et Wilson, 2010). Toutes ces études, cependant, se sont appuyées sur des estimations du GRF maximal à partir du facteur de service, des estimations de la distribution du poids corporel (Jayes et Alexander, 1978) et une hypothèse selon laquelle le GRF est sinusoïdal, les estimations de la force maximale pourraient donc être quelque peu incorrectes.

Une autre limite de vitesse proposée est le temps minimum pendant lequel un animal peut repositionner son membre pendant le balancement. Il existe plusieurs adaptations qui peuvent minimiser le travail musculaire requis pour balancer le membre, dont certaines ont été observées à la fois chez le guépard et le lévrier. Une réduction de la masse distale du membre est observée chez les deux espèces et réduira l'inertie du membre (Hudson et al., 2011a Hudson et al., 2011b Williams et al., 2008a Williams et al., 2008b). Les insertions musculaires proches de l'articulation permettront des vitesses de rotation articulaires plus rapides pour un changement donné de la longueur musculaire et sont observées chez le lévrier, mais les muscles de la hanche et de l'épaule du guépard ont tendance à avoir des bras de moment longs en comparaison (Hudson et al., 2011a Hudson et al., 2011b). Enfin, le recrutement de fibres glycolytiques rapides ou musculaires longues qui se contracteront à des vitesses plus élevées que les fibres oxydatives lentes ou courtes entraînera une rotation plus rapide du membre. Il a été démontré que les fibres rapides sont répandues chez les guépards (Hyatt et al., 2010 Williams et al., 1997) et chez le lévrier par rapport à d'autres races de chiens (Rodriguez-Barbudo et al., 1984). Weyand a souligné l'importance de cette limite chez l'homme, illustrant qu'il n'y avait aucune variation dans les temps d'oscillation minimum des membres (0,37 s) atteints par les athlètes d'élite et les non-coureurs (Weyand, 2000). Chez les chevaux, on pense que la prolongation du membre est un processus de catapulte rapide (Lichtwark et al., 2009 Wilson et al., 2003), car il n'y a pas de variation significative du temps d'oscillation (0,35 s) avec l'augmentation de la vitesse chez le cheval ( Witte et al., 2006). Pour atteindre des vitesses élevées, une capacité à minimiser les temps de swing est cruciale.

La dernière limite est la puissance musculaire dont dispose un animal pour remplacer les pertes d'énergie du centre de masse (CdM) lors d'une foulée. Un animal peut atteindre une vitesse à laquelle la puissance requise pour maintenir une vitesse horizontale constante est si grande qu'il est incapable d'accélérer davantage. Cette limite a été étudiée en augmentant les besoins en puissance d'un individu grâce à la course en pente. Chez l'homme, il a été démontré que le coût de la locomotion augmente avec l'augmentation du gradient. Cela se traduit par une diminution de la vitesse de course (Minetti et al., 1994) cependant, de telles études ont été réalisées à des vitesses sous-maximales et donc comme limite à la vitesse maximale, la puissance musculaire reste relativement inexplorée.

Il y a peu d'informations sur les paramètres de foulée utilisés par le guépard. Une étude a rapporté qu'à 25 m s -1 un guépard effectue une foulée en 0,28 s avec une longueur de foulée de 7 m, mais aucune autre information temporelle ou aucune information GRF n'est connue (Hildebrand, 1961). Deux études ont étudié les forces des membres pendant le galop chez les chiens (Bryant et al., 1987 Walter et Carrier, 2007), mais aucune n'a examiné le galop à l'état d'équilibre chez le lévrier, qui a une morphologie hautement spécialisée par rapport aux autres canidés (Williams et al. ., 2008a Williams et al., 2008b).

Informations sur le sujet et nombre de foulées et de contacts d'un seul membre (SLC) analysés pour chaque individu


Qu'est-ce qui donne l'avantage aux guépards dans une course avec des lévriers

Un guépard en pleine foulée (avec l'aimable autorisation de l'utilisateur de flickr ShootNFish)

Si vous pouviez opposer un guépard sauvage à un lévrier dans une course, le guépard gagnerait, pas de problème. Après tout, la vitesse maximale enregistrée du guépard est de 65 mph, et on pense que les chats sont capables de bien plus. Les lévriers atteignent une vitesse d'environ 40 mph, assez rapide pour offrir un spectacle aux parieurs sur l'hippodrome, mais pas de match pour les chats.

Mais pourquoi cela devrait-il être ? Les guépards et les lévriers ont à peu près la même taille et ont des formes de corps similaires. Dans une nouvelle étude du Journal de biologie expérimentale, des biologistes de l'Université de Londres ont effectué une série de mesures de guépards d'un zoo en Angleterre et d'un centre de guépards en Afrique du Sud et de lévriers qui s'étaient retirés de leur carrière de course en Angleterre pour comprendre pourquoi les chats sont plus rapides. Les animaux ont été filmés avec des caméras à grande vitesse alors qu'ils couraient le long d'une piste de 100 mètres à la poursuite d'un leurre mécanique. Certains d'entre eux ont également été entraînés à traverser une plate-forme de force.

Les chats et les chiens présentaient plusieurs différences dans leur façon de courir à une vitesse donnée, les guépards utilisaient des foulées plus longues et moins nombreuses que les lévriers. Les chats ont également supporté leur poids différemment, en mettant plus sur leurs membres postérieurs, ce qui peut améliorer leur adhérence et permettre une meilleure accélération et de meilleures manœuvres tout en laissant leurs membres antérieurs libres de capturer leurs proies.

Mais les scientifiques ne peuvent pas dire avec certitude qu'ils ont découvert pourquoi les guépards sont plus rapides parce que ces guépards ne l'étaient pas. Ils ont culminé à 39,8 mph, n'atteignant jamais près de 65 mph et ne courant même pas plus vite que les lévriers de l'étude. “Ils vivent dans un zoo depuis plusieurs générations et n'ont jamais eu à courir pour attraper de la nourriture. Ils n'ont probablement jamais appris à courir en particulier », déclare Alan Wilson, l'un des scientifiques du projet. Les lévriers, quant à eux, étaient entraînés pour les courses, encouragés à se développer pour courir à la vitesse la plus rapide possible.

Io9 a qualifié cette expérience d'échec, car les guépards captifs étaient si lents. Mais je dirais le contraire, les chercheurs ont identifié de nombreuses différences entre les deux animaux qui pourraient expliquer le bord du guépard, ce qui était le but de l'étude. Cela dit, ce serait bien s'ils pouvaient essayer cela avec des guépards sauvages, ce que Wilson dit qu'ils vont essayer. Bien que je soupçonne que se disputer l'un de ces chats rapides offrira de nouveaux défis aux chercheurs.


Recherches HMM de profil accélérées

Les modèles de Markov cachés de profil (HMM de profil) et les méthodes d'inférence probabiliste ont apporté d'importantes contributions à la théorie de la recherche d'homologie dans les bases de données de séquences. Cependant, l'utilisation pratique des méthodes HMM de profil a été entravée par les dépenses de calcul des implémentations logicielles existantes. Ici, je décris une heuristique d'accélération pour les HMM de profil, l'algorithme de "viterbi à segments multiples" (MSV). L'algorithme MSV calcule une somme optimale de plusieurs segments d'alignement local non écartés à l'aide d'une approche vectorielle-parallèle à rayures précédemment décrite pour un alignement Smith/Waterman rapide. Les scores MSV suivent la même distribution statistique que les scores d'alignement locaux optimaux, permettant une évaluation rapide de la signification d'un score MSV et facilitant ainsi son utilisation comme filtre heuristique. Je décris également une accélération de 20 fois des algorithmes HMM Forward/Backward de profil standard à l'aide d'une méthode que j'appelle "remise à l'échelle creuse". Ces méthodes sont assemblées dans un pipeline dans lequel les hits MSV à haut score sont transmis pour réanalyse avec l'algorithme HMM Forward/Backward complet. Ce pipeline accéléré est implémenté dans le progiciel HMMER3 disponible gratuitement. Les tests de performances montrent que l'utilisation du filtre heuristique MSV sacrifie une sensibilité négligeable par rapport aux recherches HMM de profil non accélérées. HMMER3 est sensiblement plus sensible et 100 à 1000 fois plus rapide que HMMER2. HMMER3 est maintenant à peu près aussi rapide que BLAST pour les recherches de protéines.

Déclaration de conflit d'intérêts

L'auteur a déclaré qu'il n'existe pas d'intérêts concurrents.

Les figures

A : Architecture de profil HMM utilisée par HMMER3 , , .…

A : Architecture de profil HMM utilisée par HMMER3 , , . Les régions alignées de manière homologue à la requête sont représentées par un modèle de noyau linéaire composé de positions consensuelles (dans cet exemple, ), chacun consistant en une correspondance, une suppression et un état d'insertion (représentés par des cases marquées M, des cercles marqués D et des losanges marqués I), reliés par des probabilités de transition d'état (flèches). Les états de correspondance portent des probabilités d'émission spécifiques à la position pour marquer les résidus à chaque position de consensus. Les états d'insertion émettent des résidus avec des probabilités d'émission identiques à une distribution de fond. Des états flanquants supplémentaires (marqués N, C et J) émettent zéro ou plusieurs résidus de la distribution de fond, modélisant les régions non homologues précédant, suivant ou joignant les régions homologues alignées sur le modèle de base. Les états de début (S), de début (B), de fin (E) et de fin (T) n'émettent pas. B : Le profil MSV est formé en traitant implicitement toutes les probabilités de transition match-match comme 1,0. This corresponds to the virtual removal of the delete and insert states. The rest of the profile parameterization stays the same. This model generates sequences containing one or more ungapped local alignment segments. Note that both models appear to be improperly normalized for example, each match state in the MSV model has probability 1.0 local exit transition (orange arrows) in addition to the probability 1.0 match-match transition. This is because of a trick used to establish a uniform local fragment length distribution, in which these profiles are collapsed representations of a much larger (and properly normalized) “implicit probability model”, as explained in . C: An example of what an alignment of a larger MSV profile (of length ) to a target sequence (of length ) might look like, as a path through a dynamic programming (DP) matrix. Here, the model identifies two high-scoring ungapped alignment segments (black dots, indicating residues aligned to profile match states), and assigns all other residues to N, J, and C states in the model (orange dots unfilled indicates a “mute” nonemitting state or state transition). Note that the ungapped diagonals are not enforced to be consistent with a single gapped alignment.

Figure 2. Illustration of striped indexing for…

Figure 2. Illustration of striped indexing for SIMD vector calculations.

The top row (magenta outline)…

The top row (magenta outline) shows one row of the dynamic programming lattice for a model of length . Assuming an example of vectors containing cells each, the 14 cells are contained in vectors numbered . (Two unused cells, marked x, are set to a sentinel value.) In the dynamic programming recursion, when we calculate each new cell in a new row , we access the value in cell in the previous row . With striped indexing, vector contains exactly the four cells needed to calculate the four cells in a new vector on a new row of the dynamic programming matrix (turquoise outline). For example, when we calculate cells in vector , we access the previous row's vector which contains the cells we need in the order we need them, (dashed lines and box). If instead we indexed cells into vectors in the obvious way, in linear order ( in vector and so on), there is no such correspondence of avec quatre 's, and each calculation of a new vector would require expensive meddling with the order of cells in the previous row's vectors. With striped indexing, only one shift operation is needed per row, outside the innermost loop: the last vector on each finished row is rightshifted (mpv, in grey with red cell indices) and used to initialize the next row calculation.

Figure 3. MSV scores follow a predictable…

Figure 3. MSV scores follow a predictable distribution.

A: example MSV score distributions for a…

A: example MSV score distributions for a typical Pfam model, CNP1, on random i.i.d. sequences of varying lengths from 25 to 25,600, with the shortest, typical, and longest lengths highlighted as red, black, and blue lines, respectively. The predicted distribution, following the procedure of including an edge correction on the slope , is shown in orange (though largely obscured by the data lines right on top of it). B: Histogram of maximum likelihood values obtained from score distributions of 11,912 Pfam models, showing that most are tolerably close to the conjectured , albeit with more dispersion for default entropy-weighted models (black line) than high relative entropy models without entropy-weighting (gray line). C: The observed fraction of nonhomologous sequences that pass the filter at a P-value of 0.02 should be 0.02. Histograms of the actual filter fraction for 11,912 different Pfam 24 models are shown, for a range of random sequence lengths from 25 to 25,600, for both default models (black lines) and high relative entropy models with no entropy weighting (gray lines).

Figure 4. The HMMER3 acceleration pipeline.

Figure 4. The HMMER3 acceleration pipeline.

Representative calculation speeds are shown in red, in units…

Figure 5. Speed benchmarks.

Figure 5. Speed benchmarks.

Each point represents a speed measurement for one search with one…

Each point represents a speed measurement for one search with one query against target sequences ( for the slow HMMER2 and SAM programs, for FASTA and SSEARCH), on a single CPU core (see Methods for more details). Both axes are logarithmic, for speed in millions of dynamic programming cells per second (Mc/s) on the y-axis and query length in residues on the x-axis. Panel A shows “typical best performance” speed measurements for several different programs including HMMER3, for 76 queries of varying consensus lengths, chosen from Pfam 24, for searches of randomized (shuffled) target sequences. Panel B shows a wider range of more realistic speed measurements for all 11,912 profiles in Pfam 24, on searches of real target protein sequences from UniProt TrEMBL.


Voir la vidéo: Faune - La vitesse dun guépard (Mai 2022).