یک تیم بین‌المللی از دانشمندان بزرگ‌ترین و دقیق‌ترین شجره خانوادگی پرندگان را تا به امروز ساخته‌اند – نمودار پیچیده‌ای که 93 میلیون سال روابط تکاملی بین 363 گونه پرنده را نشان می‌دهد که نشان دهنده 92 درصد از کل خانواده‌های پرندگان است.
این پیشرفت تا حد زیادی با روش‌های محاسباتی پیشرفته توسعه‌یافته توسط مهندسان UC San Diego همراه با پیشرفته‌ترین منابع ابر محاسباتی دانشگاه در مرکز ابررایانه‌های سن دیگو امکان‌پذیر شد. این فناوری‌ها به محققان این امکان را می‌دهد تا مقادیر وسیعی از داده‌های ژنومی را با دقت و سرعت بالا تجزیه و تحلیل کنند و زمینه را برای ساختن جامع‌ترین شجره خانوادگی پرندگانی که تا کنون جمع‌آوری شده است، فراهم کنند.
این پیشبرد به تفصیل در دو سند تکمیلی که در 1 آوریل منتشر شد، توضیح داده شده است طبیعت و در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS). شجره نامه به روز شده، گزارش شده در طبیعت، الگوهایی را در تاریخ تکامل پرندگان از زمان انقراض جمعی فاجعه بار که دایناسورها را در 66 میلیون سال پیش از بین برد، آشکار کرد. محققان افزایش شدیدی در اندازه موثر جمعیت، نرخ جایگزینی و اندازه نسبی مغز در پرندگان اولیه مشاهده کردند که مکانیسم‌های تطبیقی را که منجر به تنوع پرندگان پس از این رویداد محوری شد، روشن کردند. در مقاله همراه منتشر شده در PNASمحققان یکی از شاخه های شجره خانواده جدید را از نزدیک بررسی کردند و دریافتند که فلامینگوها و کبوترها نسبت به آنالیزهای قبلی ژنومی که نشان داده بود نسبت دورتری نسبت به هم دارند.
کار بخشی از پروژه 10000 ژنوم پرنده (B10K).تلاش چند نهادی به رهبری دانشگاه کپنهاگ، دانشگاه ژجیانگ و دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو که هدف آن تولید پیش نویس توالی ژنوم برای حدود 10500 گونه پرنده موجود است.
سیاوش میرعرب، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشکده مهندسی UC San Diego Jacobs که یکی از نویسندگان ارشد این مقاله است، گفت: “هدف ما بازسازی کل تاریخ تکامل همه پرندگان است.” طبیعت گزارش و همچنین اولین و نویسنده مشترک PNAS کاغذ.
جمع آوری گذشته
در قلب این مطالعات مجموعه‌ای از الگوریتم‌ها به نام ASTRAL نهفته است که آزمایشگاه Mirarab برای ایجاد روابط تکاملی با مقیاس‌پذیری، دقت و سرعت بی‌سابقه توسعه داده است. این تیم با استفاده از قدرت این الگوریتم‌ها، داده‌های ژنومی بیش از 60000 منطقه ژنومی را ادغام کرد و یک پایه آماری قوی برای تجزیه و تحلیل‌های آنها فراهم کرد. سپس محققان تاریخچه تکاملی بخش‌های منفرد در ژنوم را بررسی کردند. از آنجا، آنها موزاییکی از درختان ژنی را جمع آوری کردند، که سپس به یک درخت گونه کامل تبدیل شدند. این رویکرد دقیق به محققان این امکان را داد تا یک شجره خانوادگی جدید و بهبود یافته بسازند که رویدادهای شاخه‌بندی پیچیده را با دقت و جزئیات قابل‌توجهی، حتی در موارد عدم قطعیت تاریخی، ترسیم می‌کند.
میرعرب گفت: “ما دریافتیم که روش ما برای افزودن ده ها هزار ژن به تجزیه و تحلیل ما در واقع برای حل و فصل روابط تکاملی بین گونه های پرندگان ضروری است.” “شما واقعاً به همه آن داده های ژنومی نیاز دارید تا آنچه را که در آن دوره زمانی خاص 65 تا 67 میلیون سال پیش اتفاق افتاده با اطمینان بالا بازسازی کنید.”
توانایی این تیم برای انجام این تجزیه و تحلیل ها بر روی مجموعه داده های عظیم امکان پذیر شد زیرا آزمایشگاه Mirarab روش های محاسباتی خود را برای اجرا بر روی ماشین های GPU قدرتمند طراحی کرد. آنها محاسبات خود را انجام دادند فضا ابر رایانه در سن دیگو سوپر رایانه در UC سن دیگو.
میرعرب گفت: ما خوش شانس بودیم که به چنین ابرکامپیوتری پیشرفته دسترسی داشتیم. “بدون فضاما نمی‌توانیم تحلیل‌های خود را روی چنین مجموعه‌های داده بزرگی در مدت زمان معقول اجرا و تکرار کنیم.»
محققان همچنین تأثیر روش‌های مختلف نمونه‌برداری ژنومی را بر دقت درخت بررسی کردند. آنها نشان دادند که دو استراتژی – توالی یابی ژن های زیادی از هر گونه و همچنین توالی یابی بسیاری از گونه ها – در کنار هم برای بازسازی این تاریخ تکاملی مهم هستند.
جوزفین استیلر، استاد زیست شناسی در دانشگاه کپنهاگ و نویسنده اصلی این مقاله می گوید: «از آنجایی که ما از ترکیبی از هر دو استراتژی استفاده کردیم، می توانیم آزمایش کنیم که کدام رویکرد تأثیر قوی تری بر بازسازی فیلوژنتیک دارد. طبیعت کاغذ. ما دریافتیم که نمونه برداری از بسیاری از توالی های ژنتیکی از هر موجود زنده مهم تر از نمونه برداری از طیف وسیع تری از گونه ها است، اگرچه روش دوم به ما کمک کرد تا بفهمیم چه زمانی گروه های مختلف تکامل یافته اند.”
اصلاح گذشته
محققان با استفاده از روش‌های محاسباتی پیشرفته خود توانستند چیزی غیرعادی را که در یکی از مطالعات قبلی خود کشف کرده بودند روشن کنند: بخش خاصی از یک کروموزوم در ژنوم پرنده برای میلیون‌ها سال بدون تغییر باقی مانده بود و از الگوهای مورد انتظار خالی بود. نوترکیبی ژنتیکی
این ناهنجاری در ابتدا باعث شد که محققان به اشتباه فلامینگوها و کبوترها را به عنوان پسرعموهای تکاملی در کنار هم قرار دهند، زیرا به نظر می رسید که آنها بر اساس این قطعه تغییر نیافته DNA ارتباط نزدیکی دارند. به این دلیل که تجزیه و تحلیل قبلی آنها بر اساس ژنوم 48 گونه پرنده بود. اما با تکرار تجزیه و تحلیل آنها با استفاده از ژنوم 363 گونه، درخت خانوادگی دقیق تری پدید آمد که کبوترها را از فلامینگوها دور می کرد. علاوه بر این، با استفاده از شش ژنوم با کیفیت بالا ارائه شده توسط پروژه ژنوم مهره‌داران (VGP) – به سرپرستی اریش جارویس، استاد عصب‌بیولوژی در دانشگاه راکفلر، میراراب و همکارانش توانستند این الگوی شگفت‌انگیز را شناسایی و توضیح دهند.
ادوارد براون، استاد زیست شناسی در دانشگاه فلوریدا و یکی از نویسندگان این مقاله می گوید: «تعجب آور است که این دوره از نوترکیبی سرکوب شده می تواند تجزیه و تحلیل را مخدوش کند. PNAS کاغذ. و از آنجایی که می‌تواند تحلیل‌ها را گمراه کند، در واقع می‌توان بیش از 60 میلیون سال آینده پیدا کرد. این بخش جالب است.»
مراحل بعدی
تأثیر این کار بسیار فراتر از مطالعه تاریخ تکامل پرندگان است. روش‌های محاسباتی که توسط آزمایشگاه Mirarab پیشگام شده‌اند به یکی از ابزارهای استاندارد برای بازسازی درختان تکاملی برای حیوانات مختلف تبدیل شده‌اند.
با حرکت رو به جلو، تیم به تلاش های خود برای ایجاد تصویری کامل از تکامل پرندگان ادامه می دهد. زیست شناسان در حال کار بر روی توالی ژنوم گونه های پرندگان دیگر هستند به این امید که شجره نامه را به هزاران جنس پرنده بسط دهند. در همین حال، دانشمندان محاسباتی به رهبری Mirarab در حال اصلاح الگوریتم‌های خود برای مدیریت مجموعه داده‌های بزرگتر هستند تا اطمینان حاصل کنند که تجزیه و تحلیل‌ها در مطالعات آینده با سرعت و دقت بالا انجام می‌شوند.
طبیعت مقاله: “پیچیدگی تکامل پرندگان توسط ژنوم های سطح خانواده آشکار شد.”
PNAS مقاله: “ناحیه ای از نوترکیبی سرکوب شده، فیلوژنومیک نئواویان را گمراه می کند.”
متصل
مطالب موجود در این بیانیه مطبوعاتی از سازمان تحقیقاتی اصلی آمده است. محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود. من بیشتر می خواهم؟ برای ایمیل روزانه ما ثبت نام کنید.
