شجرة تطور السلالات (phylogenetic tree)

شجرة تطور السلالات (phylogenetic tree)

| مقدمه

تعتبر الارض مستقراً لأكثر من مليون نوع مختلف من الكائنات ما بين أحادي الخليه ومتعدد الخلايا ترتبط تلك الكائنات معاً بروابط جينيه مشتركه ولطالما كان حل تلك الروابط الجينيه ومعرفة صلة القرابه بين كل الانواع واحدةً من تحديات علم الاحياء علي مر العصور

  • ماذا عن تطور السلالات ؟

هو دراسة العلاقات التطورية بين الكائنات البيولوجية في كثير من الأحيان ,الأنواع,أو الأفراد أو الجينات. حيث يدرس علماء الوراثة عادة أحد الأنواع التالية من الأسئلة :ما هي العلاقات التطورية .. أو التاريخية بين الأنواع الخاصة ب/الأفراد/الجينات ذات الأهمية ؟

هل يمكنني وصف عمليات تطور السلالات بشكل أفضل مع نموذج رياضي (وهو نموذج مجرد يستعمل اللغة الرياضية لوصف سلوك نظام ما) ؟

يمكننا اعادة بناء شجرة النسل من خلال النظر في النيوكليوتيدات أو تسلسل البروتين والجمع بين ذلك مع فهمنا لتطورالتسلسل ,والذي يوصف باستخدام نموذج تطوري ,وهذا يمكننا من استنتاج الأحداث التطورية التي حدثت في الماضي , ويوفر أيضا المزيد من المعلومات حول العمليات التطورية للنسب التي تعمل علي تسلسل . وبالتالي ,قد نصقل فهمنا لكيفية عمل التطور ,وتطوير نمادج رياضية أفضل .

عناصر تطور السلالات (النسب)

| لماذا تستخدم البيانات الجزيئية ؟

اليوم تقريبا كل علاقات تطورية  للسلالات استنتجت من بيانات تسلسل جزيئية ,وذلك بسبب :

  • الحمض النووي هو المادة الموروثة.
  • يمكننا الآن بسهولة وبسرعة ,تسلسل المواد الجينية بشكل غير مكلف وموثوق بيها .
  • التسلسلات محددة للغاية وغالبا ما تكون غنية بالمعلومات .

وفي حالات نادرة ,حيث لا يمكن الحصول علي مادة جينية (مثلا في حالة بعض العينات الحفرية القديمة),يمكن استخدام القياسات المورفولوجية لأستنتاج العلاقات التطورية للسلالات ,ومع ذلك ,فان هذا النهج أقل موثوقية من استخدام البيانات الجزيئية لأننا نعلم أنه في بعض الأحيان يمكن أن تنشأ نفس السمة المورفولوجية من سلالات تطورية مستقلة متعددة (أي ان حدوث سمة مماثلة).

| لماذا دراسة تطور السلالات مهم؟

لأنه يثري فهمنا لكيفية تطور الجينات والجينوم والأنواع (والتسلسل الجزيئي بشكل أعم). من خلال علم تحديد السلالات ونحن نتعلم ليس فقط التسلسلات جاءت لتكون علي النحو الذي هي عليه اليوم,ولكن أيضا المبادئ العامة التي تمكننا من التنبؤ كيف أنها سوف تتغير في المستقبل. وهذا ليس فقط ذا اهمية أساسية ,بل هو أيضا مفيد للغاية للعديد من التطبيقات .

ملخص لبعض تطبيقات تطور السلالات

| تطبيقات تطور السلالات
  • التصنيف

توفر لنا الخلايا الجينية المستندة الي بيانات التسلسل أوصاف أكثر دقة لأنماط الترابط مما كان متاحا قبل ظهور التسلسل الجزيئي ,تطور السلالات الآن يبلغ تصنيف Linnaean للأنواع الجديدة .

  • الطب الشرعي

يستخدم تحديد النسب في تقييم أدلة الحمض النووي التي تقدم في قضايا المحاكم للابلاغ عن الحالات مثل:الحالات التي يكون فيها شخص ما قد ارتكب جريمة ,أوعندما يكون الطعام ملوثا ,أو عندما يكون والد الطفل غير معروف .

  • تحديد أصل مسببات الأمراض

يمكن استخدام تقنيات التسلسل الجزيئي والنهج الجينية لمعرفة المزيد عن تفشي الممرضات الجدد .

ويشمل ذلك معرفة الأنواع التي يرتبط بها الممرض بالمصدر المحتمل ,ويمكن أن يؤدي ذلك الي توصيات جديدة لسياسة الصحة العامة.

  • الحفظ

يمكن أن تساعد دراسة تطور السلالات في توجيه سياسة الحفظ عندما يضطر علماء الأحياء الي اتخاذ قرارات صعبة حول الأنواع التي يحاولون منعها من الأنقراض .

المعلوماتية الحيوية والحوسبة: تم استخدام العديد من الخوارزميات التي تم تطويرها لدراسة تطور السلالات لتطوير برامج في مجالات أخري.

قريبا…؟ مع ظهور أحدث و أسرع تقنيات التسلسل فمن الممكن الآن لإتخاد الة تسلسل الي الحقل وتسلسل الأنواع ذات الاهتمام في الموقع . هناك حاجة الي علم تطور السلالات لإضافة معني بيولوجي الي البيانات .

| ما هو نسالة؟

واحدة من اقدم شجرات النشوء رسمت بواسطت داروين, هذا  الرسم الشهير هو واحد من المخططات الاولي من سلسلة من الملاحظات التي استخدمها لتطوير هذه الفكره و النساله  المعروفه أيضا باسم شجرة الانسال ، وهي شرح لكيفية تطور التتابعات ، وعلاقتهم النسبية (النسب)، وبالتالي كيف جاءت لتكون على ما هي عليه اليوم.

المثال التالي مثال مألوف لدي الجميع وهو شجرة العائلة ولربما تعرف كيفية تفسير القرابة في هذه الشجرة تنطبق ايضا قواعد التفسير علي اشجار النشوء والتطور بشكل عام ,

مثال علي شجرة العائلة

 هذا الشكل يظهر شجرة العائلة لتوضيح شجرة النشوء والتطور بشكل بسيط.في هذا الشكل يمكن ان تري انك مرتبط ب اخيك اكثر من ارتباطك ب ابن عمك الاول واذا تتبعت الشجرة ستري ان السلف المشترك الاخير(MRCA) مع اخوك هو والدتك ومع ابن عمك هي جدتك من والدتك.

  • هل الشجرة دائماً حقيقية .. ؟

حالة شجرة العائلة هي مثال نادر حيث نعرف عادة جزءًا من الشجرة البيولوجية الحقيقية ؛لدينا شرح كامل للعلاقات النسبية بين افراد العائلة وذلك لاننا نعرف الاتي:

  • جميع الأجداد والأحفاد الذين يعيشون أو كانوا يعيشون مؤخراً ؛
  • هويات الوالدين البيولوجية لكل طفل.

للاسف انه عندما نقدر الانساب من التتابعات الموجودة في اليوم الحالي التي لا ترتبط ارتباطا وثيقا بالماضي , نادراً ما نعرف الشجرة الحقيقية. هذا لأننا لا نعرف التتابعات التي حدثت في الأسلاف ، وبالتالي ما هي التغييرات الجينية التي حدثت لجعل التتابعات كما هي اليوم. هذا هو السبب في أننا نحتاج إلى طرق لإعادة بناء النشوء والتطور لاستنتاج الشجرة الحقيقية.

| الشكل العام للشجره 

حالة شجرة العائلة هي مثال نادر حيث نعرف عادة جزءًا من الشجرة البيولوجية الحقيقية ؛لدينا شرح كامل للعلاقات النسبية بين افراد العائلة وذلك لاننا نعرف الاتي:

  • جميع الأجداد والأحفاد الذين يعيشون أو كانوا يعيشون مؤخراً ؛
  • هويات الوالدين البيولوجية لكل طفل.

للاسف انه عندما نقدر الانساب من التتابعات الموجودة في اليوم الحالي التي لا ترتبط ارتباطا وثيقا بالماضي , نادراً ما نعرف الشجرة الحقيقية. هذا لأننا لا نعرف التتابعات التي حدثت في الأسلاف ، وبالتالي ما هي التغييرات الجينية التي حدثت لجعل التتابعات كما هي اليوم. هذا هو السبب في أننا نحتاج إلى طرق لإعادة بناء النشوء والتطور لاستنتاج الشجرة الحقيقية.

هيئة السللات(النسالة)

قبل مناقشة كيفية بناء السسلات يجب ان نتعلم قرائتها وتفسيرها , وسنتعرف علي اهم مظاهر السللات وسنركز علي:

(1) طوبولوجيا (دراسة العلاقات المكانية)       (2) الفروع      (3) العقد      (4) الجذور

  • طوبولوجيا

هو التركيب المتفرع من الشجرة, إنه ذو أهمية بيولوجية خاصة لأنه يشير إلى أنماط الارتباط بين الأصناف ، مما يعني أن الأشجار التي لها نفس التركيب(الطوبولوجي) والجذر لها نفس التفسير البيولوجي.

الشكل يوضح مثال لاشجار لها نفس الطوبولوجي(المصندوق العلوي) واشكال لها طوبولوجي مختلف(الصندوق السفلي) ويُوضح في الصندوق العلوي الذي يحتوي علي اشجار لها نفس الطوبولوجي  ان A  و B  مرتبطين ببعضهم اكثر من ارتباطهم ب c  والذي مستنبط من المقارنة بين الثلاث شجرات والتي تظهران A  وB  مرتبطين , بينما الصندوق السفلي يظهر ان هم ليسوا مرتبطين بشل كلي

  • الفروع

تُظهر الفروع مسار نقل المعلومات الوراثية من جيل إلى آخر. تشير أطوال الفروع إلى التغير الوراثي ، أي كلما طال الفرع ، زاد التغير الوراثي (أو التباعد). عادةً ما نقيس مدى التغير الوراثي من خلال تقدير متوسط عدد بدائل النيوكليوتيد أو البروتين لكل موقع.

يوضح الشكل طول الفروع والتي يتم رسمها عادةً الي مقياس وتوضح عدد البدائل لكل موقع.حيث يتم عرض أطوال الفروع أحيانًا على النسالة (يسار) ، ولكن من الشائع جدًا رؤية أطوال الفروع ممثلة بشريط مقياس (يمين). لذلك يمكن أن يكون من المفيد إبقاء المسطرة قريبة من متناول اليد لتفسير الأنساب التي تراها

الان كيف يمكننا تقدير التغير الجيني ؟

في مجمل الامور يعتمد تقدير التغير علي المقارنة… مقارنة الجديد بالاصل … وهذا هو الحال ايضا في مقارنة التغيرات الجينية. إن تقدير مدى التغير الجيني ليس مهمة بسيطه حيث تتمثل الطريقة البسيطة في محاذاة أزواج من التسلسلات وحساب عدد الاختلافات والقسمة على طول التسلسل

يوضح الشكل المحاذاه لتتابع بسيط وتتطبيقا للمبدا المذكور اعلاه(وحساب عدد الاختلافات والقسمة على طول التسلسل) فان الاختلاف بين التتابعين 1/10=1. استبدال لكل موقع. ومع ذلك يفترض هذا المبدا اننا لاحظنا كل استبدال حصل ولم نحتسب الاستبدال المذدوج (حدوث المزيد من البدائل في موقع معين أكثر مما يمكننا ملاحظته نظرًا لبيانات التسلسل الجزيئي لدينا) التي حدثت في هذه المواقع وافترضنا ايضا ان كل استبدال له احتمالية متساوية للحدوث وهذا غير منطقي. لتغلب على هذه القضايا ، من الشائع الآن استخدام نموذج تطوري لاستنتاج التغيير الوراثي الذي حدث.

  • العقد

عقد هي النقاط في نهايات الفروع التي تمثل تتابعلت أو تتابعات افتراضية في نقاط مختلفة في التاريخ التطوري.و انواع العقد الثلاثة مُوضحة بالشكل القادم

1- العقدة الطرفية (tips)

توجد التتابعات التي عايناها واستخدمناها في بناء السلالة خاص بنا على فروع طرفية واحدة ، تُعرف الاطراف أو العقد الخارجية.

2- العقد الداخلية (Internal nodes)

توجد العقد الداخلية في النقاط التي يلتقي فيها أكثر من فرع ويمثل تتابعات الأجداد (المستنبطة عادةً). على سبيل المثال ، في الشكل، العقدة الداخلية المشار إليها بواسطة سهم أزرق هي سلف مشترك افتراضي من السلاسل A و B.

3- الجذور (root)

الجذر هو عقدة داخلية مهمة للغاية تمثل السلف المشترك الأكثر حداثة لجميع التتابعات في التطوّر.

  • الجذور

هو الجد المشترك الأخير لجميع الأصناف الموجودة في الشجرة. و بالتالي أقدم جزء من الشجرة ويخبرنا اتجاه التطور ، مع تدفق المعلومات الوراثية التي تنتقل من الجذر ، نحو الاطراف مع كل جيل متتالي. معظم طرق إعادة بناء النشوء والتطور لا تقدر موقع الجذر ، جزئياً لأن هذا يزيد من عدد الأشجار الممكنة ، وبالتالي يزداد الوقت الذي يستغرقه حساب الشجرة.

يظهر الشكل  مثال على شجرة غير متجذرة(شمال) تم تجذيرها (يمين)فيما بعد. ان كنت تواجه مشكلة في فهم التجذير فتخيل الشكل الموجود اقصي الشمال سلسلة و مركزها النقطة الخضراء مع وجود ليونة حركة عند الزوايا او التفرعات وقمت برفع السلسلة ستكون النقطة الخضراء هي الجذر الذي يتفرع منه كل الفروع الشجرة كما في اقصي اليمين

تجذير الشجرة يؤثر على معناها

اتخاذ قرار بشأن وضع الجذر المناسب أمر بالغ الأهمية للتفسير النشوئي لأن الجذر يخبرنا عن اتجاه التطور ويؤثر بالتالي على البيانات التي نتخذها حول أنماط العلاقة. على سبيل المثال ، في الشجرة الغير مجذرة أعلاه (في اليسار) ، لا يمكننا أن نقول ان  “A وثيقة الصلة بـ B أكثر من C” لأن هذا لن يكون صحيحًا إذا حدث الجذر في أي مكان على الفروع التي تتصل أ و ب.

اين نحدد موقع الجذر ؟

هناك طريقتان رئيسيتان يمكننا استخدامها لتجذير شجرة:

1- تجذير المجموعة الخارجية(Outgroup rooting): تمثل الطريقة المفضلة عمومًا في تضمين تسلسل واحد أو أكثر في تحليلنا الذي نعرف انه اكثر بعداً (عن التتابع الذي نهتم به) اكثر من التتابعات الاخري ، يشار عادةً إلى هذا التسلسل باسم “المجموعات الخارجية”. تقدير الجذر هو ببساطة النقطة التي تنضم بها المجموعة الخارجية إلى بقية الشجرة التي تهمنا. أفضل المجموعات الخارجية الممكنة هي تلك المتاحة والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالتسلسلات التي تهمنا. إذا كانت المجموعات الخارجية مرتبطة بشكل كبير جدًا ، فقد تكون غير موثوقة حيث قد يكون من الصعب محاذاتها بشكل موثوق أو أصبحت مشبعة بالبدائل.

2- تجذير منتصف النقطة(Midpoint rooting): تتطلب هذه الطريقة منك افتراض أن جميع تسلسلاتك تتطور بنفس المعدل ( يجب عليك القيام بذلك بحذر لأن هذا الافتراض لا ينطبق على العديد من مجموعات البيانات البيولوجية). في هذه الحالة ، يتم وضع الجذر عند نقطة المنتصف بين الفرعين الأطول. إذا كان لديك أصناف(فصائل) لم يتم أخذ عينات منها في نفس النقطة الزمنية ، فسيلزم إجراء تعديل بسيط لهذه الطريقة لمراعاة الوقت المنقضي بين العينات.

  • الثقة

*عدم اليقين في علم الوراثة

استنتاج السلالات هو عملية غير مؤكدة بطبيعتها لأننا عادة لا نملك معلومات أكثر لإرشادنا من تسلسل من تصنيفنا الحالي. بعض التسلسلات هي أكثر إفادة من غيرها ، وبالتالي توفر لنا تقديرات أفضل للعلاقات الفصائل.

إن تقدير ثقتنا بالأشجار هو بحد ذاته مشكلة صعبة. في مجالات أخرى من المعلوماتية الحيوية ، يمكننا دراسة مقاييس مثل الحساسية والنوعية ، والتي تقيّم النتائج المقدرة أو المستنبطة لطريقة ما مقابل أمثلة إيجابية وسلبية حقيقية معروفة تجريبياً. ومع ذلك ، فإن هذا غير ممكن في حالة علم الوراثة التطورية لأننا لا نملك أمثلة على تسلسلات الأجداد والتسلسل “المعروفة”.

*مقاربات لتقدير الثقة

هناك العديد من الأساليب التي يتم استخدامها بشكل شائع لتقدير ثقتنا في تركيب الأشجار المستنبطة ، بما في ذلك نُهُج الإقلاع (bootstraps) ، ونُهُج الاحتمالات (likelihood) ، والنهج بايزي (Bayesian approaches). سنستكشف الجوانب الأساسية لتفسيرها باستخدام المثال الأكثر استخدامًا على نطاق واسع وهو نُهُج الإقلاع (bootstraps)

كيفية قراءة تقديرات الثقة على شجرة

تشير تقديرات الثقة على شجرة إلى الفروع الداخلية التي تظهر عليها. ويرد مثال في الشك.

الشكل يوضح منظورين للثقة علي شجرة نسب,عادةً ما سترى قيم bootstrap (أو تقدير ثقة آخر) تظهر على شجرة النسب. على سبيل المثال في الرسم البياني أعلاه (يسار الشكل) ، يتم عرض قيم bootstrap من 100 تكرار. في بعض الأحيان تُستخدم العلامات النجمية (*) بدلاً من ذلك للإشارة إلى الفروع التي يوجد بها دعم أكثر من 80٪ (أو 90٪) (يمين الشكل). في هذا المثال ، لا يتم تمثيل قيمة bootstrap البالغة 63 من 100 (63٪) بعلامة نجمية لأنها تدعم أقل من 80٪.

تفسير تقديرات الثقة على شجرة

لا يزال تفسير المعنى الدقيق لقيم الثقة في علم الأنساب مجالًا للنقاش ، لكن الخبراء يتفقون عمومًا على أنه يمكننا قبول الفروع التي تدعم أكثر من 80٪ من قيمة bootstrap أو 90٪ ، بشرط أن يكون ذلك نموذجًا تطوريًا مناسبًا كان يستخدم لتقدير التطورية.و باتباع النهج أعلاه يمكّننا من الإدلاء بالبيانات التالية حول الشكل:

  1. “هناك دعم ثابت (100٪ bootstrap) بأن الأصناف C و D ترتبط ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض أكثر مما ترتبط بـ B” ؛
  2. “من هذه البيانات ، من غير الواضح أن B و C و D هم أقرباء بعضهم البعض”.

ربط المسافة ، معدل والوقت

معدل التطور والوقت مربكين!! , لقد ذكرنا ان أطوال الفروع تخبرنا بالتغيير الوراثي الذي حدث. يتم حساب التغير الجيني بمزيج من معدل الاستبدال والوقت الذي انقضى ، كما هو موضح في المعادلة أدناه:

   المعدل التطوري   × زمن الاختلاف   =   التغير الوراثي

رسم توضيحي 1سلالة افتراضية الجذور لتوضيح فرع قصير نسبيا (D).

هذا يعني أنه بدون أي معلومات مسبقة أخرى حول الشجرة ، فإننا لا نعرف ما إذا كان الفرع D المبين في الشكل يمثل سلالة أو عينه مجمدة منتهية الصلاحية تم أخذ عينات منها منذ زمن طويل ؛ مع معدل التطور البطيء نسبيا ؛ أو بعض مزيج من الاثنين معا.هذا يجعل من المهم للغاية بالنسبة لك التفكير في المعلومات التي تعرفها عن العينة عند عمل الشجرة التطوريه

في هذا الشكل التوضيحي يوضح تمثيلات بديلة لنفس الهيكل. الخطوط الحمراء تشير إلى نفس الفرع في كل تمثيل. يمكن تدوير الأشجار على الصفحة ولا تزال تصف الشجرة نفسها. ملحوظة: لا يتم رسم الأشجار بنفس المقياس. حيث التنسيقات القطرية والمستطيلة هي الأكثر استخدامًا للنشر.غالبًا ما يتم استخدام التنسيق المنحني في ورقات المراجعة لتمثيل ملخصات السلالات.

تفسير أنماط العلاقة

المفتاح لتفسير أنماط العلاقة في سياق تطوري هو تتبع العودة إلى النقطة في الشجرة حيث تشارك الأصناف أجدادهم المشتركة الأخيرة (MRCA). يمكنك ممارسة هذا من خلال إيجاد فصيلتين  في شجرة وتتبعهم على طول فروع الشجرة لتحديد العقدة التي يجتمعون بها – وهذا هو MRCA بهم.

الشكل يوضح بعض سلالات الفقاريات مع عقد الاجداد الموضحة بالالوان و هناك بعض الامثال مبنية علي الشكل

مثال 1: يرتبط البشر (الأحمر) بشكل ارتباطاً وثيق بالفئران (اللون الأزرق الفاتح) أكثر من ارتباطهم بالسحالي (الأخضر).” وذلك لأن البشر يتشاركون في الجد مع السلف الاخير (السلف = بقعة أرجوانية) مقارنةً بالسحالي (السلف = بقعة زرقاء داكنة).

مثال 2: “ترتبط الضفادع (الأرجوانية) ارتباطًا وثيقًا بالسحالي (الأخضر) اكثر من السمك (الوردي)”. وذلك لأن الضفادع تشترك في جد مشترك مع السحالي (سلف = بقعة برتقالية) مقارنةً بالأسماك (سلف = بقعة سوداء). “

مثال 3: “يرتبط السمك (الوردي) بالتساوي مع الفئران (الأزرق الفاتح) كما هو الحال بالنسبة للضفادع (الأرجواني).” هذا أقل حدسًا ، ولكن إذا عادت إلى MRCA ، فسترى السبب: تشترك الفئران والضفادع مع نفس الجد المشترك (البقعة السوداء) مع الأسماك ، لذلك لا يرتبط أي من النوعين أكثر ارتباطًا بالأسماك.

الي هنا يكون انتهت هذه المقدمه , نتحدث بمزيد من التفاصيل في المقالات القادمه مع ذكر امثله عمليه وكيفية بناء شجرة التطور ..

Share this post

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.


Justin Pugh Authentic Jersey