نهج جديد لبناء شجرة الحياة

عندما عالم التشكل البريطاني جورج جاكسون ميوارت [سانت جورج جاكسون ميفارت] نشر في عام 1865 إحدى أولى الأشجار التطورية ؛ وكان يفتقر إلى المواد الداعمة. قام ببناء شجرة - خريطة متفرعة لأنواع مختلفة من الرئيسيات - باستخدام تحليل مفصل لأشواك الحيوانات. أظهرت الشجرة الثانية ، القائمة على مقارنة أطراف الحيوانات ، روابط عائلية أخرى بين الرئيسيات ، تسلط الضوء على مشكلة علم الأحياء التطوري الموجودة حتى يومنا هذا.

بعد 150 عامًا تقريبًا ، حصل العلماء على جبال من البيانات لبناء ما يسمى أشجار التطور الوراثي ، وهي نسخة حديثة من الهيكل الذي أنشأته Mivart. التقدم في تكنولوجيا فك تشفير الحمض النووي والمعلوماتية الحيوية إنها تسمح لك بمقارنة تسلسل مئات الجينات ، وأحيانًا جينومات كاملة ، في أنواع مختلفة ، وإنشاء شجرة حياة بمزيد من التفاصيل أكثر من أي وقت مضى.


تصف شجرة الحياة التاريخية من عام 1866 ممالك النباتات والحيوانات والكائنات أحادية الخلية ،

ولكن على الرغم من وفرة البيانات التي ساعدت في حل بعض الصراعات التي نشأت على أجزاء مختلفة من الشجرة التطورية ، إلا أنها جلبت أيضًا صعوبات جديدة. نسخة اليوم من شجرة الحياة تشبه صفحة ويكيبيديا المثيرة للجدل أكثر من كتاب منشور - هناك مناقشات مستمرة حول بعض الفروع. تمامًا مثل العمود الفقري والأطراف التي أدت إلى ظهور خرائط متضاربة لتطور الرئيسيات ، يعرف العلماء الآن أن الجينات المختلفة في نفس الجسم يمكن أن تروي قصصًا مختلفة.

وفقا لدراسة جديدة ، تستند جزئيا إلى دراسة الخميرة ، فإن الصورة المثيرة للجدل التي رسمتها الجينات الفردية أكثر تناقضا مما كان متوقعا. يقول مايكل دونوهيو ، عالِم الأحياء التطوري في جامعة ييل ، والذي لا يرتبط بالدراسة: "يُزعم أن كل جين من جينات 1070 متورط في نوع من الصراع" . يقول: "نحاول معرفة العلاقات الوراثية للسلالات لـ 1.8 مليون نوع ، ولا يمكننا فرز عشرين نوعًا من الخميرة بأنفسنا".

لحل المفارقة ، طور الباحثون خوارزمية تستند إلى نظرية المعلومات لقياس مستوى الثقة في صحة الأجزاء الفردية من الشجرة. يأملون أن يساعد النهج الجديد في توضيح فترات التطور التي تمتلك كل من البيانات الأكثر إثارة للاهتمام والمفيدة والأكثر تعارضًا - على سبيل المثال ، الانفجار الكمبري - التنويع السريع للحياة الحيوانية الذي حدث قبل 540 مليون سنة.

يقول أنطونيس روكاس ، عالم الأحياء في جامعة فاندربيلت ، الذي قاد الدراسة الجديدة: "من الناحية التاريخية ، فإن الحلقات الأكثر إثارة للاهتمام تتعلق بالمناطق التي جذبت الانتباه وتسببت في الجدل" مثل أصل الحيوانات والفقاريات والنباتات المزهرة .

استنادًا إلى نتائج الخوارزمية الجديدة ، يمكن للعلماء تحديد الجينات الأكثر إفادة فقط لبناء الأشجار الوراثية. مثل هذا النهج يمكن أن يجعل العملية أكثر دقة وكفاءة. "أعتقد أنها سوف تساعد تسريع إعادة بناء شجرة الحياة" - قال خضر الحلو [ خضر الحلو ]، عالم الأحياء في معهد فرجينيا للتكنولوجيا.

طوب الحياة

يتم إنشاء أساس الأشجار الوراثية من خلال تجميع الأنواع وفقًا لدرجة القرابة. إذا قارنا الحمض النووي للبشر والشمبانزي والأسماك ، يصبح من الواضح أن البشر والشمبانزي أقرب لبعضهم من الأسماك.

ذات مرة ، استخدم الباحثون جينًا واحدًا أو أكثر لمقارنة الكائنات الحية. ولكن في العقد الماضي ، حدث انفجار في البيانات الجينية ، مما أدى بسرعة إلى ملء القواعد اللازمة لإنشاء هذه الأشجار. ملأ التحليل العديد من البقع البيضاء المنتشرة عبر الشجرة ، ولكن لا تزال هناك خلافات خطيرة.

على سبيل المثال ، لا يزال من غير الواضح من هو الأقرب عينيًا إلى القواقع - ذات الصدفتين أو المجارفيقول Rokas. من غير المعروف بالضبط كيف أن بعض الفروع المبكرة للحيوانات من شجرة ، مثل قناديل البحر والإسفنج ، مترابطة. يمكن للعلماء إظهار أمثلة على الأشجار المتضاربة التي تظهر في المجلات العلمية نفسها مع اختلاف الأسابيع ، أو حتى في نفس العدد .

"ومن هنا السؤال: لماذا يصعب علينا الاتفاق؟" - يقول Rokas.



درس روكاس وطالب الدراسات العليا ليونيداس ساليشوس هذه المسألة من خلال تقييم الجينات بشكل فردي ، باستخدام أكثر الجينات المفيدة - التي تحمل معظم المعلومات المتعلقة بالتاريخ التطوري - لبناء نسختهم من الشجرة.

بدأوا بـ 23 نوعًا من الخميرة واختيروا 1070 جينًا. بادئ ذي بدء ، قاموا بإنشاء شجرة تطور جيني بطريقة قياسية ، سلسلة. للقيام بذلك ، يتم جمع جميع التسلسلات من الأنواع الفردية معًا في ميجاجين واحد ، ثم تتم مقارنة تسلسلات الأنواع الفردية مع هذا التسلسل الطويل ، على أساسه يتم إنشاء شجرة تشرح الاختلافات على أفضل وجه.

الشجرة الناتجة دقيقة من حيث التحليل الإحصائي القياسي. ولكن بما أن طرقًا مماثلة تؤدي إلى أشجار تعج بالخلاف ، قرر روكاس وساليتشوس الخوض في الموضوع. قاموا ببناء مجموعات من أشجار السلالات الجينية لفردات الخميرة الفردية ، وقاموا بتطبيق خوارزمية تم تطويرها باستخدام نظرية المعلومات للبحث عن مناطق أعظم المراسلات بين الأشجار المختلفة. النتيجة ، التي نشرت في مجلة Nature في مايو ، كانت غير متوقعة. يبدو أن كل جين تمت دراسته يحكي قصة تطورية مختلفة قليلاً.

يقول هيلو: "اصطدمت جميع الأشجار تقريبًا للجينات الفردية بشجرة على أساس تسلسل البيانات". "هذا صادم."

وخلصوا إلى أنه إذا كانت عدة جينات تدعم بنية معينة ، فيجب أن تكون دقيقة. ولكن إذا كانت مجموعات مختلفة من الجينات تدعم بشكل متساوٍ بنيتين مختلفتين ، فإن احتمال تطابقها الدقيق مع الواقع ينخفض. استخدم Rokas و Salichos طريقة تسمى bootstrap الإحصائية لتحديد أكثر الجينات إفادة .

في الواقع ، "إذا كنت تأخذ الجينات فقط مع الدعم النشط ، فسوف تحصل على الشجرة المناسبة" ، كما يقول دونوغ.

تزامنت الشجرة المنقحة مع شجرة مبنية على مصدر بديل للمعلومات التطورية - تغييرات واسعة النطاق في شرائح الحمض النووي المنقولة من جيل إلى جيل - والتي بررت أبحاثهم.

لم تقتصر الاكتشافات على الخميرة. بتطبيق نفس التحليل على أشكال الحياة الأكبر والأكثر تعقيدًا ، بما في ذلك البيانات الجينية للفقاريات والحيوانات ، وجدوا تعارضات خطيرة بين الجينات الفردية.

يحتاج بعض الباحثين إلى التعود على فكرة استبعاد البيانات بشكل انتقائي من التحليل. يقول جيفري تاونسند ، عالِم الأحياء التطوري في جامعة ييل ، والذي لا يرتبط بالبحث: "لسنوات عديدة ، كانت المشكلة الرئيسية للأشخاص الذين يحاولون فهم علاقات الكائنات الحية هي مشكلة جمع بيانات كافية" . "تم إخبار المجتمع دائمًا بالحاجة إلى مجموعة بيانات ، لذلك ليس من المستغرب أن يتعاملوا مع المهمة بهذه الطريقة."

على الرغم من أن علماء الأحياء التطوريين كافحوا مع هذه المشاكل لسنوات ، فقد أصبحت الدراسة الجديدة أكبر محاولة حتى الآن لدراسة مستوى تضارب الجينات الفردية. يقول دوناج ، الذي يريد استخدام الطريقة الجديدة في عمله: "سيكون لدى الناس رد فعلان: هناك صراعات أكثر مما كنت أعتقد ، ونحن بحاجة إلى معرفة كيفية تحليلها بشكل أفضل". ومع ذلك ، يشير أيضًا إلى الصعوبات في تأكيد دقة النهج الجديد. على الرغم من أن الشجرة المنقحة تتزامن مع ما بني على المعلومات الجينية البديلة ، قد تكشف الأخيرة عن تناقضاتها الخاصة. يقول: "لست متأكدًا من أننا نعرف ما هي العلاقة حقًا". "وإذا لم نكن متأكدين من الوضع الحقيقي للأشياء ، فإننا لا نعرف ما إذا كانت لدينا الشجرة الصحيحة."

تغيير الصورة

يحتاج الباحثون إلى تطبيق التقنية الجديدة على نطاق أوسع لمعرفة كيف يمكن تغيير مفهوم التطور. ومع ذلك ، فقد أظهر Rokas و Salichos بالفعل أنه من الصعب جدًا إعادة بناء الفروع القصيرة للشجرة ، أو أجزاء "كثيف" منها ، مما يمثل فترات من الانتواع السريع - خاصة تلك الموجودة بالقرب من قاعدة الشجرة وعميقة في التاريخ التطوري.

قال روكاس: "توقعت الأبحاث النظرية هذا السلوك ، لكن دراستنا لأول مرة تظهر تأكيدًا باستخدام بيانات تجريبية".

يجادل روكاس بأن الاكتشافات الجديدة ستغير الطريقة التي يفسر بها الباحثون الأجزاء المؤطرة بشكل غير واضح للشجرة. "يفترض علماء الأحياء التطوريون عادةً أنه إذا لم يكن لدى الشجرة التفاصيل الضرورية ، فهذا خطأ. وبالتالي ، إذا جمعنا المزيد من البيانات وقمنا بتكوين خوارزميات أفضل ، فسوف نصل إلى الشجرة المناسبة. لكن وجود أجزاء متضاربة من الشجرة لا تزال قائمة ، على الرغم من تدفق البيانات وتطبيق نوع جديد من التحليل ، قد يشير إلى وجود أجزاء كثيف. "أعتقد في بعض الحالات أن الخوارزمية ستكون قادرة على حل هذا الصراع ، وفي حالات أخرى من الممكن تحديد مناطق الصراع التي من غير المرجح أن نتمكن من حلها".

يمكن أن تعطي دراسة هذه الأجزاء الشجرية من الشجرة نظرة جديدة على مراحل التطور المثيرة للاهتمام بشكل خاص ، على سبيل المثال ، الانفجار الكمبري ، عندما مرت الحياة من هيمنة الكائنات البسيطة إلى مجموعة متنوعة من الأنواع الحيوانية.

يتفق علماء آخرون على أن الاكتشافات يمكن أن تؤثر على كيفية تعامل المتخصصين مع الأفكار المتضاربة حول التطور. قال تاونسند "أعتقد أن هذا نذير لتحول في النموذج". "إذا استخدمنا أساليب مناسبة ، فسوف تتاح لنا الفرصة لمعرفة المزيد عن القضايا التي ابتليت بنا لفترة طويلة."

تاونسند ، الذي طور طريقته الخاصة في اختيار أكثر الجينات إعلامية بناءً على سرعة تطورهايلاحظ أن ليس كل أعضاء المجتمع العلمي متفقين على الحاجة إلى مناهج جديدة. وقال: "آمل أن يساعد هذا العمل في تسليط الضوء على هذه القضية".

إن اختيار المقدار الصحيح من الجينات لبناء نماذج أولية من أشجار السلالات ليس السؤال الوحيد الذي يصيب علماء الأحياء التطوريين. كما أنهم بحاجة إلى الاتفاق على عدد الأنواع التي يجب تضمينها في المعالجة - فكلما زاد عدد الأنواع في الشجرة ، زاد التحليل صعوبة. قد تختلف النتائج أيضًا بسبب الاختلافات في جودة البيانات التي تم جمعها للأنواع المختلفة. "إذا كنا بحاجة إلى الحصول على تاريخ تطوري حقيقي لكيفية ارتباط كل شيء ببعضها البعض ، فما هو الأفضل لذلك - لجمع المزيد من الجينات أو المزيد من الأنواع؟ - يقول Donogue. "أعتقد أن كليهما."

يمكن للنُهج الجديدة التي تسمح للباحثين بالحصول على نتائج دقيقة باستخدام عدد أقل من الجينات أن توسع الشجرة التطورية. إن القدرة على تحديد أكثر الجينات إفادة فقط يمكن أن تجعل العملية أكثر كفاءة ، وتسمح للعلماء بإنشاء أشجار دقيقة باستخدام بيانات وموارد أقل. يقول خيلو: "إذا تمكنا من اختيار عدة جينات والحصول على نفس الشجرة الجيدة كما هو الحال مع الجينوم بأكمله ، فيمكننا بناء شجرة حياة أكثر تفصيلًا - على مستوى الأجناس ، أو حتى على مستوى الأنواع - بدلاً من الاكتفاء الهيكل العظمي لأهم الفروع ".

Source: https://habr.com/ru/post/ar401343/