منوعات

الأدوات الحسابية تعمل على إعادة بناء شجرة عائلة الطيور الجديدة والمحسنة

باستخدام أساليب الحوسبة المتطورة والبنية التحتية للحوسبة الفائقة في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، قام الباحثون ببناء أكبر شجرة عائلة الطيور وأكثرها تفصيلاً حتى الآن: مخطط معقد يغطي 93 مليون سنة من العلاقات التطورية بين 363 نوعًا من الطيور، تمثل 92٪ من جميع الطيور. العائلات. تكشف الشجرة المحدثة عن زيادات كبيرة في الحجم الفعلي للسكان ومعدلات الاستبدال وحجم الدماغ النسبي بين الطيور المبكرة بعد الانقراض الجماعي الذي قضى على الديناصورات قبل 66 مليون سنة. ومن خلال فحص أحد فروع هذه الشجرة عن كثب، اكتشف الباحثون أن طيور النحام والحمام مرتبطان بشكل أبعد مما أظهرته التحليلات السابقة على مستوى الجينوم.

قام فريق دولي من العلماء ببناء أكبر شجرة لعائلة الطيور وأكثرها تفصيلاً حتى الآن: مخطط معقد يرسم 93 مليون سنة من العلاقات التطورية بين 363 نوعًا من الطيور، تمثل 92% من جميع عائلات الطيور.

لقد أصبح هذا التقدم ممكنًا إلى حد كبير بفضل أساليب الحوسبة المتطورة التي طورها المهندسون في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، جنبًا إلى جنب مع موارد الحوسبة الفائقة المتطورة بالجامعة في مركز سان دييغو للكمبيوتر العملاق. وقد أتاحت هذه التقنيات للباحثين تحليل كميات كبيرة من البيانات الجينومية بدقة وسرعة كبيرتين، مما وضع الأساس لبناء شجرة عائلة الطيور الأكثر شمولاً على الإطلاق.

تم تفصيل التقدم في مقالتين متكاملتين تم نشرهما في الأول من أبريل طبيعة و ال وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS). شجرة العائلة المحدثة، ذكرت في طبيعةكشفت دراسة جديدة عن أنماط في التاريخ التطوري للطيور في أعقاب الانقراض الجماعي الكارثي الذي قضى على الديناصورات قبل 66 مليون سنة. لاحظ الباحثون زيادة كبيرة في الحجم الفعال للسكان، ومعدلات الإحلال وحجم الدماغ النسبي في الطيور المبكرة، مما سلط ضوءًا جديدًا على آليات التكيف التي أدت إلى تنوع الطيور في أعقاب هذا الحدث الحاسم. في المقالة التكميلية المنشورة في بناسألقى الباحثون نظرة فاحصة على فرع واحد من شجرة العائلة الجديدة، ووجدوا أن طيور النحام والحمائم ترتبط ببعضها البعض بشكل أبعد مما أظهرته التحليلات السابقة على مستوى الجينوم.

يعد هذا العمل جزءًا من مشروع Bird 10,000 Genomes (B10K)، وهو جهد متعدد المؤسسات تقوده جامعة كوبنهاغن، وجامعة تشجيانغ، وجامعة كاليفورنيا في سان دييغو، ويهدف إلى إنشاء مسودة تسلسل الجينوم لحوالي 10500 نوع من الطيور الموجودة.

وقال سيافاش ميراراب، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية جاكوبس للهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو، وهو مؤلف رئيسي مشارك للدراسة: “هدفنا هو إعادة بناء التاريخ التطوري الكامل لجميع الطيور”. طبيعة المقال، وكذلك المؤلف الأول والمراسل المشارك في بناس ورق.

إعادة بناء الماضي

وفي قلب هذه الدراسات توجد مجموعة من الخوارزميات المعروفة باسم ASTRAL، والتي طورها مختبر ميراراب لاستنتاج العلاقات التطورية مع قابلية التوسع والدقة والسرعة غير المسبوقة. ومن خلال تسخير قوة هذه الخوارزميات، قام الفريق بدمج البيانات الجينومية من أكثر من 60 ألف منطقة جينومية، مما يوفر أساسًا إحصائيًا متينًا لتحليلاتهم. ثم قام الباحثون بفحص التاريخ التطوري للأجزاء الفردية من الجينوم. ومن هناك، قاموا بتجميع فسيفساء من أشجار الجينات، والتي تم تجميعها بعد ذلك في شجرة أنواع كاملة. سمح هذا النهج الدقيق للباحثين ببناء شجرة عائلة طيور جديدة ومحسنة تحدد الأحداث المتفرعة المعقدة بدقة وتفصيل ملحوظين، حتى في مواجهة عدم اليقين التاريخي.

وقال ميراراب: “لقد وجدنا أن طريقتنا في إضافة عشرات الآلاف من الجينات إلى تحليلنا كانت ضرورية بالفعل لحل العلاقات التطورية بين أنواع الطيور”. “أنت حقًا بحاجة إلى كل هذه البيانات الجينومية لتتمكن بثقة عالية من استعادة ما حدث خلال هذه الفترة المحددة منذ 65 إلى 67 مليون سنة مضت.”

أصبحت قدرة الفريق على إجراء هذه التحليلات على مجموعات بيانات ضخمة ممكنة لأن مختبر ميراراب صمم أساليبه الحسابية لتعمل على أجهزة GPU القوية. لقد أجروا حساباتهم على حد الكمبيوتر العملاق في سان دييغو الكمبيوتر العملاق في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو.

وقال ميراراب: “كنا محظوظين بالحصول على مثل هذا الكمبيوتر العملاق المتطور”. “بدون حدلم نكن لنتمكن من إجراء تحليلاتنا وإعادة تشغيلها على مجموعات البيانات الكبيرة هذه في إطار زمني معقول.

قام الباحثون أيضًا بفحص تأثيرات طرق أخذ عينات الجينوم المختلفة على دقة الشجرة. لقد أظهروا أن استراتيجيتين – تسلسل العديد من الجينات من كل نوع، وكذلك تسلسل العديد من الأنواع – معًا مهمتان لإعادة بناء هذا التاريخ التطوري.

وقال جوزيفين ستيلر، أستاذ علم الأحياء في جامعة كوبنهاغن والمؤلف الرئيسي للدراسة: “نظرًا لأننا استخدمنا مزيجًا من كلتا الاستراتيجيتين، فقد تمكنا من اختبار النهج الذي كان له التأثير الأقوى على إعادة بناء النشوء والتطور”. طبيعة ورق. “لقد وجدنا أنه من المهم أخذ عينات من العديد من التسلسلات الجينية من كل كائن حي بدلاً من أخذ عينات من نطاق أوسع من الأنواع، على الرغم من أن الطريقة الأخيرة ساعدتنا على تأريخ تطور المجموعات المختلفة.”

تصحيح الماضي

وباستخدام أساليبهم الحسابية المتقدمة، تمكن الباحثون أيضًا من تسليط الضوء على شيء غير عادي اكتشفوه في إحدى دراساتهم السابقة: وهو أن قسمًا معينًا من الكروموسوم في جينوم الطائر ظل دون تغيير لملايين السنين، خاليًا من الأنماط المتوقعة. من إعادة التركيب الجيني.

أدى هذا الشذوذ في البداية إلى قيام الباحثين بتجميع طيور النحام والحمام بشكل خاطئ كأبناء عمومة تطوريين، لأنهم بدوا مرتبطين ارتباطًا وثيقًا بناءً على هذا القسم غير المتغير من الحمض النووي. وذلك لأن تحليلهم السابق كان يعتمد على جينومات 48 نوعًا من الطيور. ولكن من خلال تكرار تحليلهم باستخدام جينومات 363 نوعًا، ظهرت شجرة عائلة أكثر دقة، مما أدى إلى إبعاد الحمام عن طيور النحام. بالإضافة إلى ذلك، باستخدام ستة جينومات عالية الجودة مقدمة من مشروع الجينوم الفقاري (VGP) – بقيادة المؤلف المشارك إريك جارفيس، أستاذ علم الأحياء العصبي في جامعة روكفلر – تمكن ميراراب وزملاؤه من اكتشاف وشرح هذا النمط المثير للدهشة.

وقال إدوارد براون، أستاذ علم الأحياء بجامعة فلوريدا والمؤلف المشارك للدراسة: “الأمر المثير للدهشة هو أن هذه الفترة من إعادة التركيب المكبوتة يمكن أن تضلل التحليل”. بناس ورق. “ولأن ذلك قد يضلل التحليل، فقد كان من الممكن اكتشافه بالفعل بعد أكثر من 60 مليون سنة في المستقبل. هذا هو الأمر الرائع.”

الخطوات القادمة

يمتد تأثير هذا العمل إلى ما هو أبعد من دراسة التاريخ التطوري للطيور. أصبحت الأساليب الحسابية التي طورها مختبر ميراراب إحدى الأدوات القياسية لإعادة بناء الأشجار التطورية لمجموعة متنوعة من الحيوانات الأخرى.

وفي المستقبل، يواصل الفريق جهوده لبناء صورة شاملة لتطور الطيور. ويعمل علماء الأحياء على تسلسل جينومات أنواع الطيور الأخرى على أمل توسيع شجرة العائلة لتشمل الآلاف من أجناس الطيور. وفي الوقت نفسه، يعمل علماء الكمبيوتر بقيادة ميراراب على تحسين خوارزمياتهم لاستيعاب مجموعات بيانات أكبر لضمان إجراء التحليلات في الدراسات المستقبلية بسرعة ودقة عالية.

..

Source link

orcalimaa

المصدر الرئيسي للأخبار والمعلومات الصحية والطبية الموثوقة وفي الوقت المناسب . توفير معلومات صحية ذات مصداقية ومجتمع داعم وخدمات تعليمية من خلال مزج الخبرة الحائزة على جوائز في المحتوى والخدمات المجتمعية وتعليقات الخبراء والمراجعة الطبية .

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى