גילוי סודות עופות: מדענים יוצרים עץ משפחה פורץ דרך של ציפורים בן 93 מיליון שנים

צוות חוקרים עולמי בנה את עץ משפחת הציפורים המקיף והנרחב ביותר עד כה, המפרט את הקשרים האבולוציוניים בין 363 ציפורים מִין מעל 93 מיליון שנים. תרשים זה מייצג 92% מכלל משפחות הציפורים.

ההתקדמות התאפשרה במידה רבה הודות לשיטות חישוב מתקדמות שפותחו על ידי מהנדסים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, בשילוב עם משאבי מחשוב-העל החדישים של האוניברסיטה במרכז מחשבי העל בסן דייגו. טכנולוגיות אלו אפשרו לחוקרים לנתח כמויות עצומות של נתונים גנומיים ברמות גבוהות דיוק ומהירות, הנחת היסוד לבניית עץ משפחת הציפורים המקיף ביותר שהורכב אי פעם.

המקדמה מפורטת בשני מאמרים משלימים שפורסמו ב-1 באפריל ב טֶבַע וה הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים (PNAS). עץ המשפחה המעודכן, דווח ב טֶבַעחשפו דפוסים בהיסטוריה האבולוציונית של ציפורים בעקבות אירוע ההכחדה ההמונית הקטלנית שחיסלה את הדינוזאורים לפני 66 מיליון שנה.

חוקרים הבחינו בעלייה חדה בגודל האוכלוסייה האפקטיבי, שיעורי ההחלפות וגודל המוח היחסי אצל ציפורים מוקדמות, ושופכים אור חדש על המנגנונים ההסתגלותיים שהניעו את גיוון העופות לאחר אירוע מרכזי זה. בעיתון הנלווה שפורסם ב PNASחוקרים בחנו מקרוב את אחד הענפים של אילן היוחסין החדש ומצאו כי פלמינגו ויונים קשורים יותר רחוק מכפי שהראו ניתוחים קודמים כלל הגנום.

העבודה היא חלק מפרויקט 10,000 גנומים של ציפור (B10K), מאמץ רב-מוסדי בראשות אוניברסיטת קופנהגן, אוניברסיטת ג'ג'יאנג ו-UC סן דייגו, שמטרתו ליצור טיוטת רצפי גנום עבור כ-10,500 מיני ציפורים קיימים.

"המטרה שלנו היא לשחזר את כל ההיסטוריה האבולוציונית של כל הציפורים", אמר סיאבש מיראראב, פרופסור להנדסת חשמל ומחשבים בבית הספר להנדסה באוניברסיטת סן דייגו ג'ייקובס, שהוא מחבר בכיר בנושא טֶבַע נייר, כמו גם מחבר ראשון ומתכתב בנושא PNAS עיתון.

לחבר את העבר

בלב מחקרים אלה טמונה חבילת אלגוריתמים הידועים בשם ASTRAL, אשר המעבדה של Mirarab פיתחה כדי להסיק קשרים אבולוציוניים עם מדרגיות, דיוק ומהירות חסרי תקדים. על ידי רתימת הכוח של האלגוריתמים הללו, הצוות שילב נתונים גנומיים מיותר מ-60,000 אזורים גנומיים, מה שסיפק בסיס סטטיסטי חזק לניתוחים שלהם.

לאחר מכן בחנו החוקרים את ההיסטוריה האבולוציונית של מקטעים בודדים על פני הגנום. משם, הם חברו יחד פסיפס של עצי גנים, אשר הורכבו לאחר מכן לעץ מינים מקיף. גישה מדוקדקת זו אפשרה לחוקרים לבנות אילן יוחסין חדש ומשופר המתאר אירועים מסועפים מורכבים בדיוק ופרטים מרשימים, גם במקרים של אי ודאות היסטורית.

"מצאנו שהשיטה שלנו להוסיף עשרות אלפי גנים לניתוח שלנו הייתה למעשה הכרחית כדי לפתור קשרים אבולוציוניים בין מיני ציפורים", אמר מיררב. "אתה באמת צריך את כל הנתונים הגנומיים האלה כדי לשחזר את מה שקרה בפרק זמן מסוים זה לפני 65-67 מיליון שנה בביטחון רב."

היכולת של הצוות לבצע ניתוחים אלה על מערכי נתונים מסיביים התאפשרה מכיוון שהמעבדה של Mirarab תכננה את שיטות החישוב שלהם כך שיפעלו על מכונות GPU חזקות. הם הריצו את החישובים שלהם על מֶרחָב מחשב על בסן דייגו מחשב על באוניברסיטת סן דייגו.

"היה לנו מזל שיש לנו גישה למחשב-על כל כך מתקדם", אמר מיראב. "לְלֹא מֶרחָבלא היינו יכולים להריץ ולהריץ מחדש את הניתוחים שלנו על מערכי נתונים גדולים כל כך בפרק זמן סביר."

החוקרים בדקו גם את ההשפעות של שיטות דגימת גנום שונות על דיוק העץ. הם הראו ששתי אסטרטגיות – רצף גנים רבים מכל מין, כמו גם רצף מינים רבים – המשולבים יחד חשובים לשחזור ההיסטוריה האבולוציונית הזו.

"מכיוון שהשתמשנו בתערובת של שתי האסטרטגיות, נוכל לבדוק לאיזו גישה יש השפעות חזקות יותר על שחזור פילוגנטי", אמר יוספין סטילר, פרופסור לביולוגיה באוניברסיטת קופנהגן והמחבר הראשי של הספר טֶבַע עיתון. "מצאנו שחשוב יותר לדגום רצפים גנטיים רבים מכל אורגניזם מאשר לדגום ממגוון רחב יותר של מינים, אם כי השיטה האחרונה עזרה לנו עד לתאריך שבו התפתחו קבוצות שונות."

תיקון העבר

בעזרת שיטות החישוב המתקדמות שלהם, החוקרים הצליחו לשפוך אור גם על משהו חריג שגילו באחד ממחקריהם הקודמים: קטע מסוים של כרומוזום אחד בגנום הציפור נותר ללא שינוי במשך מיליוני שנים, ריק של הדפוסים הצפויים של רקומבינציה גנטית.

אנומליה זו הובילה בתחילה את החוקרים לקבץ באופן שגוי את הפלמינגו והיונים כבני דודים אבולוציוניים, שכן הם נראו קשורים באופן הדוק בהתבסס על חלק זה ללא שינוי של DNA. הסיבה לכך היא שהניתוח הקודם שלהם התבסס על הגנום של 48 מיני ציפורים. אבל על ידי חזרה על הניתוח שלהם באמצעות הגנום של 363 מינים, נוצר עץ משפחה מדויק יותר שהרחיק את היונים מהפלמינגו. יתרה מכך, באמצעות שישה גנומים איכותיים שסופקו על ידי פרויקט הגנום של חולייתנים (VGP) – בראשותו של מחבר שותף אריך ג'רוויס, פרופסור לנוירוביולוגיה באוניברסיטת רוקפלר – Mirarab ועמיתיו הצליחו לזהות ולהסביר באופן משוער את הדפוס המפתיע הזה.

"מה שמפתיע הוא שהתקופה הזו של רקומבינציה מדוכאת עלולה להטעות את הניתוח", אמר אדוארד בראון, פרופסור לביולוגיה ב- אוניברסיטת פלורידה ומחבר שותף מתכתב של PNAS עיתון. "ומכיוון שזה יכול להטעות את הניתוח, זה היה למעשה ניתן לזיהוי יותר מ-60 מיליון שנים בעתיד. זה החלק המגניב."

הצעדים הבאים

ההשפעה של עבודה זו חורגת הרבה מעבר לחקר ההיסטוריה האבולוציונית של ציפורים. השיטות החישוביות שחלו במעבדה של מירארב הפכו לאחד הכלים הסטנדרטיים לשחזור עצים אבולוציוניים עבור מגוון בעלי חיים אחרים.

בהמשך הדרך, הצוות ממשיך במאמצים לבנות תמונה מלאה של התפתחות הציפורים. ביולוגים עובדים על רצף הגנום של מיני ציפורים נוספים בתקווה להרחיב את אילן היוחסין לכלול אלפי סוגים של ציפורים. בינתיים, מדעני חישוב בראשות Mirarab משכללים את האלגוריתמים שלהם כדי להכיל מערכי נתונים גדולים עוד יותר כדי להבטיח שניתוחים במחקרים עתידיים יתבצעו במהירות ובדיוק גבוהים.