معلومة

1.4.6.10: الأشجار التطورية - علم الأحياء

1.4.6.10: الأشجار التطورية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

  • ناقش مكونات وهدف شجرة النشوء والتطور

من الناحية العلمية ، يسمى التاريخ التطوري والعلاقة بين كائن أو مجموعة من الكائنات الحية علم تطور السلالات. يصف علم التطور العلاقات بين الكائن الحي ، مثل الكائنات الحية التي يُعتقد أنها تطورت منها ، والأنواع الأكثر ارتباطًا بها ، وما إلى ذلك. توفر العلاقات التطورية معلومات عن الأصل المشترك ولكن ليس بالضرورة عن كيفية تشابه الكائنات الحية أو اختلافها.

يستخدم العلماء أداة تسمى شجرة النشوء والتطور لإظهار المسارات التطورية والصلات بين الكائنات الحية. أ شجرة النشوء والتطور هو رسم تخطيطي يستخدم ليعكس العلاقات التطورية بين الكائنات الحية أو مجموعات الكائنات الحية. يعتبر العلماء أن أشجار النشوء والتطور هي فرضية للماضي التطوري حيث لا يمكن للمرء أن يعود لتأكيد العلاقات المقترحة. بعبارة أخرى ، يمكن بناء "شجرة الحياة" لتوضيح متى تطورت الكائنات الحية المختلفة ولإظهار العلاقات بين الكائنات الحية المختلفة (الشكل 1).

على عكس مخطط التصنيف التصنيفي ، يمكن قراءة شجرة النشوء والتطور كخريطة للتاريخ التطوري. العديد من أشجار النشوء والتطور لها سلالة واحدة في القاعدة تمثل سلفًا مشتركًا. يطلق العلماء على هذه الأشجار متجذرة، مما يعني أن هناك سلالة واحدة من الأسلاف (تُسحب عادةً من الأسفل أو اليسار) ترتبط بها جميع الكائنات الحية الممثلة في الرسم التخطيطي. لاحظ في شجرة النشوء والتطور الجذور أن المجالات الثلاثة - البكتيريا ، والعتائق ، وحقيقيات النوى - تتباعد من نقطة واحدة وتتفرع. يوضح الفرع الصغير الذي تشغله النباتات والحيوانات (بما في ذلك البشر) في هذا الرسم البياني مدى حداثة هذه المجموعات وضئيلها مقارنة بالكائنات الحية الأخرى. لا تُظهر الأشجار التي لم يتم استئصالها سلفًا مشتركًا ولكنها تظهر العلاقات بين الأنواع.

في الشجرة المتجذرة ، يشير التفرع إلى العلاقات التطورية (الشكل 2). النقطة التي يحدث فيها الانقسام ، تسمى أ نقطة تفرع، يمثل المكان الذي تطور فيه سلالة واحدة إلى سلالة جديدة مميزة. يُطلق على السلالة التي نشأت مبكرًا من الجذر وتبقى غير متفرعة الأصناف القاعدية. عندما ينبع سلالتان من نفس نقطة التفرع ، يتم استدعاؤهما الأصناف الشقيقة. يسمى الفرع الذي يحتوي على أكثر من سلالتين أ الشد ويعمل على توضيح الأماكن التي لم يحدد العلماء فيها جميع العلاقات بشكل نهائي. من المهم أن نلاحظ أنه على الرغم من أن الأصناف الشقيقة و polytomy يشتركان في سلف ، فإن هذا لا يعني أن مجموعات الكائنات الحية تنفصل أو تطورت عن بعضها البعض. قد تكون الكائنات الحية في تصنيفين قد انقسمت عند نقطة فرع معينة ، ولكن لم ينتج عن أي نوع آخر.

يمكن أن تكون الرسوم البيانية أعلاه بمثابة طريق لفهم التاريخ التطوري. يمكن تتبع المسار من أصل الحياة إلى أي نوع فردي من خلال التنقل عبر الفروع التطورية بين النقطتين. أيضًا ، من خلال البدء بنوع واحد والتتبع مرة أخرى باتجاه "جذع" الشجرة ، يمكن للمرء أن يكتشف أسلاف الأنواع ، بالإضافة إلى المكان الذي تشترك فيه السلالات في الأصل المشترك. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الشجرة لدراسة مجموعات كاملة من الكائنات الحية.

هناك نقطة أخرى يجب ذكرها في بنية شجرة النشوء والتطور وهي أن الدوران في نقاط الفروع لا يغير المعلومات. على سبيل المثال ، إذا تم تدوير نقطة فرع وتغيير ترتيب التصنيف ، فإن هذا لن يغير المعلومات لأن تطور كل تصنيف من نقطة الفرع كان مستقلاً عن الآخر.

تساهم العديد من التخصصات في دراسة علم الأحياء في فهم كيفية تطور الحياة في الماضي والحاضر بمرور الوقت ؛ تساهم هذه الأنظمة معًا في بناء "شجرة الحياة" وتحديثها وصيانتها. يتم استخدام المعلومات لتنظيم وتصنيف الكائنات الحية على أساس العلاقات التطورية في مجال علمي يسمى علم اللاهوت النظامي. يمكن جمع البيانات من الحفريات ، من دراسة بنية أجزاء الجسم أو الجزيئات المستخدمة من قبل الكائن الحي ، ومن خلال تحليل الحمض النووي. من خلال الجمع بين البيانات من العديد من المصادر ، يمكن للعلماء تجميع نسالة الكائن الحي ؛ نظرًا لأن أشجار النشوء والتطور هي فرضيات ، فإنها ستستمر في التغيير مع اكتشاف أنواع جديدة من الحياة وتعلم معلومات جديدة.

حدود الأشجار النشوء والتطور

قد يكون من السهل افتراض أن الكائنات الحية الأكثر ارتباطًا تبدو أكثر تشابهًا ، وعلى الرغم من أن هذا هو الحال غالبًا ، إلا أنه ليس صحيحًا دائمًا. إذا تطورت سلالتان متصلتان ارتباطًا وثيقًا في ظل بيئة متنوعة بشكل كبير أو بعد تطور تكيف جديد رئيسي ، فمن الممكن أن تظهر المجموعتان أكثر اختلافًا عن المجموعات الأخرى غير المرتبطة ارتباطًا وثيقًا. على سبيل المثال ، توضح شجرة النشوء والتطور في الشكل 3 أن كلا من السحالي والأرانب بها بيض يحيط بالجنين ، في حين أن الضفادع لا تمتلك ؛ ومع ذلك تبدو السحالي والضفادع أكثر تشابهًا من السحالي والأرانب.

جانب آخر لأشجار النشوء والتطور هو أنه ، ما لم يُذكر خلاف ذلك ، فإن الفروع لا تمثل طول الوقت ، بل الترتيب التطوري فقط. بعبارة أخرى ، لا يعني طول الفرع عادةً مرور المزيد من الوقت ، كما لا يعني مرور الوقت القصير وقتًا أقل - ما لم يتم تحديده في الرسم التخطيطي. على سبيل المثال ، في الشكل 3 ، لا تشير الشجرة إلى مقدار الوقت المنقضي بين تطور البيض الذي يحيط بالجنين والشعر. ما تظهره الشجرة هو الترتيب الذي حدثت به الأشياء. مرة أخرى باستخدام الشكل 3 ، توضح الشجرة أن أقدم سمة هي العمود الفقري ، متبوعًا بالفكين المفصليين ، وهكذا دواليك. تذكر أن أي شجرة نسالة هي جزء من الكل الأكبر ، ومثل الشجرة الحقيقية ، لا تنمو في اتجاه واحد فقط بعد أن يتطور فرع جديد. لذلك ، بالنسبة للكائنات الحية في الشكل 3 ، لمجرد أن العمود الفقري قد تطور لا يعني أن تطور اللافقاريات قد توقف ، فهذا يعني فقط أن فرعًا جديدًا قد تشكل. أيضًا ، قد تظهر المجموعات التي لا ترتبط ارتباطًا وثيقًا ، ولكنها تتطور في ظل ظروف مماثلة ، أكثر تشابهًا من الناحية الظاهرية مع بعضها البعض مقارنة بأحد الأقارب القريبين.

توجه إلى هذا الموقع لمشاهدة التمارين التفاعلية التي تسمح لك باستكشاف العلاقات التطورية بين الأنواع.


OrthoFinder: الاستدلال تقويم النشوء والتطور لعلم الجينوم المقارن

هنا ، نقدم تقدمًا كبيرًا في طريقة OrthoFinder. يعمل هذا على توسيع نطاق الاستدلال التقويمي عالي الدقة الخاص بـ OrthoFinder لتوفير الاستدلال الوراثي لأخصائيي تقويم العظام ، وأشجار الجينات المتجذرة ، وأحداث تكرار الجينات ، وشجرة الأنواع المتجذرة ، وإحصاءات الجينوميات المقارنة. يتم قياس كل ناتج بناءً على مجموعات بيانات حقيقية أو محاكاة مناسبة ، وحيث توجد طرق قابلة للمقارنة ، فإن OrthoFinder يعادل هذه الأساليب أو يتفوق عليها. علاوة على ذلك ، فإن OrthoFinder هو أدق طريقة استدلال لتقويم العظام في اختبار قياس أداء Quest for Orthologs. أخيرًا ، يتم إجراء تحليل النشوء والتطور الشامل الخاص بـ OrthoFinder مع سرعة وقابلية توسع معادلة لأسرع الطرق الاستدلالية القائمة على النتائج. يتوفر OrthoFinder على https://github.com/davidemms/OrthoFinder.


1.4.6.10: أشجار النشوء والتطور - علم الأحياء

مجموعة واسعة من الوظائف لتحليل النشوء والتطور. تتركز الوظيفة في علم الأحياء المقارن للتطور الوراثي ، ولكنها تتضمن أيضًا طرقًا عديدة للتخيل ، والتلاعب ، والقراءة أو الكتابة ، وحتى استنتاج الأشجار والبيانات المتعلقة بالتطور. من بين الوظائف في علم الأحياء المقارن النشوء والتطور ، هناك العديد من الوظائف لإعادة بناء حالة الأسلاف ، وتركيب النماذج ، ومحاكاة الأنساب والبيانات ، والتحليل متعدد المتغيرات. هناك مجموعة واسعة من طرق رسم الأنماط وبيانات المقارنة والتي تشمل ، على سبيل المثال لا الحصر ، طرق رسم خرائط تطور السمات على الأشجار ، وإسقاط الأشجار في مساحة النمط الظاهري أو خريطة جغرافية ، ولتصوير الانتواع المترابط بين الأشجار. أخيرًا ، هناك عدد من الوظائف للقراءة والكتابة والتحليل والاستنتاج والمحاكاة والتلاعب بأشجار النشوء والتطور والبيانات المقارنة التي لا تغطيها الحزم الأخرى. على سبيل المثال ، هناك وظائف للربط العشوائي أو غير العشوائي للأنواع أو الفروع إلى نسالة ، لتقدير سلالات عليا أو إجماع من مجموعة ، لمحاكاة الأشجار وبيانات النشوء والتطور ضمن مجموعة من النماذج ، ولعدد كبير من التلاعبات الأخرى والتحليلات التي قد يجدها علماء الأحياء النشوء والتطور مفيدة في أبحاثهم.


طول الفرع والوقت

جانب آخر لأشجار النشوء والتطور هو أنه ، ما لم يُذكر خلاف ذلك ، فإن الفروع لا تأخذ في الحسبان طول الوقت الذي حدث خلاله التطور. بدلا من ذلك ، فإنها تعكس الاختلاف التطوري وترتيب الاختلاف بين الأنساب. بعبارة أخرى ، لا يعني الفرع الطويل عادةً مرور المزيد من الوقت ولا يعني الفرع القصير مرور وقت أقل ، ما لم تكن البيانات مرتبطة تحديدًا بالوقت بنموذج تطوري. قد لا تشير شجرة النشوء والتطور إلى مقدار الوقت الذي مر بين تطور البيض الذي يحيط بالجنين والشعر. ما تظهره الشجرة هو الترتيب الذي حدثت به الأشياء. على سبيل المثال ، توضح الشجرة الموجودة في الرسم البياني أعلاه أن أقدم سمة هي العمود الفقري ، متبوعًا بفكوك مفصلية ، وهكذا دواليك. تذكر أن أي شجرة سلالة هي فرضية تطورية تمثل جزءًا من الكل الأكبر. لا تتطور الفروع الفردية بالضرورة بنفس المعدل أو بنفس الطريقة. لذلك ، ببساطة لأن العمود الفقري تطور لا يعني أن تطور اللافقاريات قد توقف. هذا يعني فقط أن سلالتين تباعدتا. أيضًا ، قد تبدو المجموعات التي لا ترتبط ارتباطًا وثيقًا ، ولكنها تتطور في ظل ظروف مماثلة ، أكثر تشابهًا مع بعضها البعض مقارنة بأحد الأقارب القريبين.


يتطور اللحاء ، أو اللحاء الداخلي ، من الطبقة الخارجية للكامبيوم وهو مسار الغذاء إلى الجذور. يتم نقل السكريات من الأوراق نحو الجذور في اللحاء. عندما تكون الشجرة صحية وتنمو والسكريات وفيرة ، يمكن تحويل الأطعمة المخزنة على شكل نشا مرة أخرى إلى سكريات ونقلها إلى حيث تحتاجها الشجرة.

يعيش Xylem "sapwood" ويقع داخل منطقة cambial. يقوم الجزء الخارجي من نسيج الخشب بتوصيل النشا وتخزينه في Symplast بالإضافة إلى توصيل الماء والمواد المذابة في الماء إلى الأوراق. الجزء الداخلي من نسيج الخشب هو خشب غير موصل يخزن النشا ويسمى أحيانًا خشب القلب. الهياكل الرئيسية لنقل المياه في نسيج الخشب هي الأوعية الموجودة في كاسيات البذور (الأخشاب الصلبة) والقصبات الهوائية في عاريات البذور (الصنوبريات).


الحصول على Outgroup

يوجلينا فيريديس سوف تستخدم كمجموعة خارجية في شجرتنا التطورية. سنستخدم GenBank لتحديد تسلسل E. viridis.

بدءًا من GenBank Home ، سنحدد خيار تصفية بحث Nucleotide على يسار مربع البحث.

نوع U21010.1 في مربع البحث وانقر فوق بحث.

انسخ التسلسل والصقه في ملف Notepad جديد. تذكر حذف كل شيء قبل التسلسل الجيني واستبداله بامتداد & GT موجه متبوعًا باسم الكائن الحي.

احفظ الملف كملف euglenaviridis.fasta.


تظهر أشجار النشوء والتطور من خلال أحداث متعاقبة من الانتواع (المتفرعة) ، حيث يؤدي نوع واحد إلى ظهور نوعين.

& ldquo العلاقة الوراثية & rdquo تشير إلى الأوقات النسبية في الماضي التي تشترك فيها الأنواع في أسلاف مشتركة. يرتبط نوعان (B & amp C) ببعضهما البعض ارتباطًا وثيقًا أكثر من ارتباط أي منهما بنوع ثالث (A) إذا ، وفقط ، إذا كانا يتشاركان في سلف مشترك أحدث مع بعضهما البعض (في الوقت 2) أكثر من ارتباطهما بهما. النوع الثالث (وقت 1).

يوضح النموذج أدناه أن التماسيح والطيور (البومة) ترتبط ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض أكثر من ارتباط أي منهما بالثدييات (الغوريلا). لماذا ا؟ لأن العلماء استنتجوا أن التماسيح والطيور تشترك في سلف مشترك أحدث! لاحظ أنه بغض النظر عن كيفية قيامك بتدوير فروع هذه الشجرة ، فإن نفس العلاقات تبقى:

المعلومات المتعلقة بالعلاقات ليست في المكان الذي تجلس فيه الأنواع بالنسبة لبعضها البعض عند أطراف الفروع ، فنحن لا نقرأ الأشجار عبر الجزء العلوي من اليسار إلى اليمين. بدلاً من ذلك ، نقرأ الأشجار من أسفل إلى أسفل ، ونتحرك إلى الوراء في الوقت المناسب ، أو إلى الأعلى من الأسفل ، ونتحرك للأمام في الوقت المناسب.

بدءًا من الطائر ، على سبيل المثال ، يمكننا العودة بالزمن إلى الوراء والسؤال عما إذا كان فرع الطائر يتصل أولاً بفرع التمساح أم بفرع الثدييات. بدءًا من الأسفل ، يمكننا أن نسأل عن الحدث المتفرّع الذي حدث أولاً ، والذي حدث لاحقًا. شجرة الحياة بأكملها مصنوعة من أشجار صغيرة مثل هذه.

تبدو بعض العلاقات واضحة: البقرة والأغنام أكثر ارتباطًا من أي منهما بعباد الشمس. البعض الآخر ليس واضحًا جدًا. هل الفطر أقرب للإنسان أم إلى زنبق الماء؟ والمثير للدهشة أن الفطر أقرب إلينا منه إلى النباتات.

الكائنات الحية التي تبدو مختلفة جدًا يمكن أن تكون مرتبطة ارتباطًا وثيقًا ، في حين أن الكائنات الحية المتشابهة جدًا قد تكون مترابطة بشكل بعيد جدًا. تذكر أن العلاقة & ldquophylogenetic & rdquo لا تشير إلى أوجه التشابه والاختلاف بين الكائنات الحية ، بل تشير إلى الأوقات النسبية التي كانت تشترك فيها أسلافًا مشتركة في الماضي.


1.4.6.10: أشجار النشوء والتطور - علم الأحياء

ما هو علم النشوء والتطور ، كما تسأل؟ إنها الطريقة التي يعيد بها علماء الأحياء بناء نمط الأحداث التي أدت إلى توزيع الحياة وتنوعها.

هناك تنوع مذهل في الحياة ، سواء الحية أو المنقرضة. لكي يتواصل علماء الأحياء مع بعضهم البعض حول هذه الكائنات العديدة ، يجب أيضًا أن يكون هناك تصنيف لهذه الكائنات إلى مجموعات. من الناحية المثالية ، يجب أن يكون التصنيف ذا مغزى ، وليس تعسفيًا & # 151 ، يجب أن يعتمد على التاريخ التطوري للحياة ، بحيث يتنبأ بخصائص الكائنات الحية المكتشفة حديثًا أو غير المعروفة.

التصنيف ، مع ذلك ، هو جانب واحد فقط من مجال أكبر بكثير من علم النشوء والتطور. علم اللاهوت النظامي هو محاولة لفهم العلاقات التطورية للكائنات الحية ، في محاولة لتفسير الطريقة التي تنوعت بها الحياة وتغيرت بمرور الوقت. في حين أن التصنيف هو في الأساس إنشاء أسماء للمجموعات ، فإن علم اللاهوت النظامي يتجاوز ذلك لتوضيح نظريات جديدة لآليات التطور.

علم اللاهوت النظامي ، إذن ، هو دراسة نمط العلاقات بين الأصناف ، وهو لا يقل عن فهم تاريخ كل أشكال الحياة. لكن التاريخ ليس شيئًا يمكننا رؤيته. لقد حدث مرة واحدة ولم يترك سوى أدلة على الأحداث الفعلية. يستخدم علماء الأحياء بشكل عام والنظم النظامي على وجه الخصوص هذه القرائن لبناء فرضيات أو نماذج للتاريخ. نأمل أن نقنعكم أنه فقط من خلال فرضية التاريخ يمكننا أن نناقش التطور حقًا.

لكن ، قبل أن نبدأ هذه الرحلة ، اسمع هذا التحذير في الكلمات الأبدية للأب يعقوب (من Hesse's Magister Ludi):

ابدأ رحلتك باختيار أحد الموضوعات أدناه.
"المقدمة" هي الصفحة الأولى في هذه الوحدة.


علم الأحياء 171


هذه النحلة و إشنسا الزهرة ((الشكل)) لا يمكن أن تبدو أكثر اختلافًا ، لكنها مرتبطة ببعضها البعض ، مثلها مثل جميع الكائنات الحية على الأرض. باتباع مسارات التشابه والتغييرات - المرئية والجينية - يسعى العلماء إلى رسم خريطة للماضي التطوري لكيفية تطور الحياة من كائنات وحيدة الخلية إلى مجموعة هائلة من الكائنات التي نبتت وزحفت وعومت وسبحت وطارت ومضت هذا الكوكب.

أهداف التعلم

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • ناقش الحاجة إلى نظام تصنيف شامل
  • ضع قائمة بالمستويات المختلفة لنظام التصنيف التصنيفي
  • وصف كيفية ارتباط علم اللاهوت النظامي والتصنيف بالتطور العرقي
  • ناقش شجرة النشوء والتطور ومكوناتها وغرضها

من الناحية العلمية ، فإن علم التطور هو التاريخ التطوري والعلاقة بين كائن حي أو مجموعة من الكائنات الحية. يصف التطور العرقي العلاقات التنظيمية ، مثل الكائنات الحية التي قد تكون قد تطورت منها ، أو الأنواع الأكثر ارتباطًا بها. توفر العلاقات التطورية معلومات عن الأصل المشترك ولكن ليس بالضرورة عن كيفية تشابه الكائنات الحية أو اختلافها.

أشجار النشوء والتطور

يستخدم العلماء أداة تسمى شجرة النشوء والتطور لإظهار المسارات التطورية والصلات بين الكائنات الحية. شجرة النشوء والتطور هي مخطط يستخدم ليعكس العلاقات التطورية بين الكائنات الحية أو مجموعات الكائنات الحية. يعتبر العلماء أن أشجار النشوء والتطور هي فرضية للماضي التطوري حيث لا يمكن للمرء أن يعود لتأكيد العلاقات المقترحة. بعبارة أخرى ، يمكننا بناء "شجرة الحياة" لتوضيح متى تطورت الكائنات الحية المختلفة ولإظهار العلاقات بين الكائنات الحية المختلفة ((الشكل)).

على عكس مخطط التصنيف التصنيفي ، يمكننا قراءة شجرة النشوء والتطور مثل خريطة التاريخ التطوري. العديد من أشجار النشوء والتطور لها سلالة واحدة في القاعدة تمثل سلفًا مشتركًا. يطلق العلماء على هذه الأشجار جذورًا ، مما يعني أن هناك سلالة واحدة من الأسلاف (تُسحب عادةً من الأسفل أو اليسار) ترتبط بها جميع الكائنات الحية الممثلة في الرسم التخطيطي. لاحظ في شجرة النشوء والتطور الجذور أن المجالات الثلاثة - البكتيريا ، والعتائق ، وحقيقيات النوى - تتباعد من نقطة واحدة وتتفرع. يوضح الفرع الصغير الذي تشغله النباتات والحيوانات (بما في ذلك البشر) في هذا الرسم البياني مدى حداثة هذه المجموعات وضئيلها مقارنة بالكائنات الحية الأخرى. لا تُظهر الأشجار غير المقطوعة سلفًا مشتركًا ولكنها تظهر العلاقات بين الأنواع.


في الشجرة المتجذرة ، يشير التفرع إلى العلاقات التطورية ((الشكل)). تمثل النقطة التي يحدث فيها الانقسام ، نقطة التفرع ، المكان الذي تطور فيه سلالة واحدة إلى سلالة جديدة مميزة. نحن نطلق على السلالة التي نشأت مبكرًا من الجذر الذي لم يتم منحها حق الامتياز تصنيفًا أساسيًا. نسمي سلالتين ينبعان من نفس الأصناف الشقيقة لنقطة التفرع. الفرع الذي يحتوي على أكثر من سلالتين هو تعدد الأنساب ويعمل على توضيح الأماكن التي لم يحدد العلماء فيها جميع العلاقات بشكل نهائي. لاحظ أنه على الرغم من أن الأصناف الشقيقة و polytomy تشترك في سلف ، فإن هذا لا يعني أن مجموعات الكائنات الحية تنفصل أو تطورت عن بعضها البعض. قد تكون الكائنات الحية في تصنيفين قد انقسمت عند نقطة فرع معينة ، لكن لم ينتج عن أي من الأصناف الأخرى.


يمكن أن تكون الرسوم البيانية أعلاه بمثابة طريق لفهم التاريخ التطوري. يمكننا تتبع المسار من أصل الحياة إلى أي نوع فردي من خلال التنقل عبر الفروع التطورية بين النقطتين. أيضًا ، من خلال البدء بنوع واحد والتتبع مرة أخرى نحو & # 8220 trunk & # 8221 من الشجرة ، يمكن للمرء اكتشاف الأنواع & # 8217 أسلاف ، وكذلك حيث تشترك الأنساب في سلف مشترك. بالإضافة إلى ذلك ، يمكننا استخدام الشجرة لدراسة مجموعات كاملة من الكائنات الحية.

هناك نقطة أخرى يجب ذكرها في بنية شجرة النشوء والتطور وهي أن الدوران في نقاط الفروع لا يغير المعلومات. على سبيل المثال ، إذا تم تدوير نقطة فرع وتغيير ترتيب الأصناف ، فإن هذا لن يغير المعلومات لأن كل أصناف تطور من نقطة الفرع كان مستقلاً عن الآخر.

تساهم العديد من التخصصات في دراسة علم الأحياء في فهم كيفية تطور الحياة في الماضي والحاضر بمرور الوقت تساهم هذه التخصصات معًا في بناء "شجرة الحياة" وتحديثها والحفاظ عليها. علم اللاهوت النظامي هو المجال الذي يستخدمه العلماء لتنظيم وتصنيف الكائنات الحية على أساس العلاقات التطورية. قد يستخدم الباحثون بيانات من الحفريات ، من دراسة هياكل أجزاء الجسم ، أو الجزيئات التي يستخدمها الكائن الحي ، وتحليل الحمض النووي. من خلال الجمع بين البيانات من العديد من المصادر ، يمكن للعلماء بناء كائن حي & # 8217s نسالة لأن أشجار النشوء والتطور هي فرضيات ، سوف تستمر في التغيير حيث يكتشف الباحثون أنواعًا جديدة من الحياة ويتعلمون معلومات جديدة.

حدود الأشجار النشوء والتطور

قد يكون من السهل افتراض أن الكائنات الحية الأكثر ارتباطًا تبدو أكثر تشابهًا ، وعلى الرغم من أن هذا هو الحال غالبًا ، إلا أنه ليس صحيحًا دائمًا. إذا تطورت سلالتان متصلتان ارتباطًا وثيقًا في ظل بيئة متنوعة بشكل كبير ، فمن الممكن أن تظهر المجموعتان أكثر اختلافًا عن المجموعات الأخرى غير المرتبطة ارتباطًا وثيقًا. على سبيل المثال ، تُظهر شجرة النشوء والتطور في (الشكل) أن كلا من السحالي والأرانب بها بيض يحيط بالجنين بينما الضفادع لا تحتوي على ذلك. ومع ذلك ، تبدو السحالي والضفادع أكثر تشابهًا من السحالي والأرانب.


جانب آخر لأشجار النشوء والتطور هو أنه ، ما لم يُذكر خلاف ذلك ، فإن الفروع لا تمثل طول الوقت ، بل الترتيب التطوري فقط. بمعنى آخر ، لا يعني طول الفرع & # 8217 عادةً مرور المزيد من الوقت ، ولا يعني الفرع القصير مرور وقت أقل - ما لم يتم تحديد ذلك في الرسم التخطيطي. على سبيل المثال ، في (الشكل) ، لا تشير الشجرة إلى مقدار الوقت المنقضي بين تطور البيض الذي يحيط بالجنين والشعر. ما تظهره الشجرة هو الترتيب الذي حدثت به الأشياء. مرة أخرى باستخدام (الشكل) ، تُظهر الشجرة أن أقدم سمة هي العمود الفقري ، متبوعًا بالفكين المفصليين ، وهكذا دواليك. تذكر أن أي شجرة نسالة هي جزء من الكل الأكبر ، ومثل الشجرة الحقيقية ، لا تنمو في اتجاه واحد فقط بعد أن يتطور فرع جديد. وهكذا ، بالنسبة للكائنات الحية في (الشكل) ، لمجرد أن العمود الفقري قد تطور لا يعني أن تطور اللافقاريات قد توقف. هذا يعني فقط أنه تم تشكيل فرع جديد. أيضًا ، قد تظهر المجموعات التي لا ترتبط ارتباطًا وثيقًا ، ولكنها تتطور في ظل ظروف مماثلة ، أكثر تشابهًا من الناحية الظاهرية مع بعضها البعض مقارنة بأحد الأقارب القريبين.

توجه إلى هذا الموقع لمشاهدة التمارين التفاعلية التي تسمح لك باستكشاف العلاقات التطورية بين الأنواع.

مستويات التصنيف

التصنيف (الذي يعني حرفيًا "قانون الترتيب") هو علم تصنيف الكائنات الحية لبناء أنظمة تصنيف مشتركة دوليًا مع وضع كل كائن حي في مجموعات أكثر شمولاً بشكل متزايد. فكر في متجر بقالة ومنظمة # 8217s. مساحة واحدة كبيرة مقسمة إلى أقسام ، مثل المنتجات والألبان واللحوم. ثم ينقسم كل قسم إلى ممرات ، ثم ينقسم كل قسم إلى فئات وعلامات تجارية ، ثم في النهاية منتج واحد. نحن نطلق على هذه المنظمة من الفئات الأكبر إلى الأصغر والأكثر تحديدًا نظامًا هرميًا.

يستخدم نظام التصنيف التصنيفي (المعروف أيضًا باسم نظام Linnaean نسبة إلى مخترعه ، كارل لينيوس ، عالم النبات السويدي ، عالم الحيوان ، والطبيب) نموذجًا هرميًا. بالانتقال من نقطة الأصل ، تصبح المجموعات أكثر تحديدًا ، حتى ينتهي فرع واحد كنوع واحد. على سبيل المثال ، بعد البداية المشتركة لكل أشكال الحياة ، يقسم العلماء الكائنات الحية إلى ثلاث فئات كبيرة تسمى المجالات: البكتيريا ، والعتائق ، وحقيقيات النوى. داخل كل مجال توجد فئة ثانية تسمى مملكة. بعد الممالك ، الفئات اللاحقة لزيادة الخصوصية هي: الشعبة ، والطبقة ، والترتيب ، والعائلة ، والجنس ، والأنواع ((الشكل)).


تنبع مملكة Animalia من مجال Eukarya. يوضح (الشكل) أعلاه تصنيف الكلب الشائع. لذلك ، فإن الاسم الكامل للكائن الحي من الناحية الفنية له ثمانية مصطلحات. للكلب: Eukarya ، Animalia ، Chordata ، Mammalia ، Carnivora ، Canidae ، كانيس ، و الذئبة. لاحظ أن كل اسم تتم كتابته بأحرف كبيرة باستثناء الأنواع ، وأن أسماء الأنواع والأنواع مكتوبة بخط مائل. يشير العلماء عمومًا إلى الكائن الحي فقط من خلال جنسه وأنواعه ، وهو الاسم العلمي المكون من كلمتين ، أو التسمية ذات الحدين. لذلك فإن الاسم العلمي للكلب هو الذئب الرمادي. الاسم في كل مستوى هو أيضًا تصنيف. بمعنى آخر ، الكلاب في ترتيب آكلات اللحوم. Carnivora هو اسم التصنيف على مستوى الترتيب Canidae هو التصنيف على مستوى الأسرة ، وهكذا دواليك. الكائنات الحية أيضًا لها اسم شائع يستخدمه الناس عادةً ، في هذه الحالة ، كلب. لاحظ أن الكلب هو أيضًا نوع فرعي:مألوف" في كانيس الذئبة المألوفة. السلالات هي أعضاء من نفس النوع القادر على التزاوج وتكاثر ذرية قابلة للحياة ، لكنها سلالات منفصلة بسبب العزلة الجغرافية أو السلوكية أو عوامل أخرى.

يوضح (الشكل) كيف تتحرك المستويات نحو الخصوصية مع الكائنات الحية الأخرى. لاحظ كيف يشترك الكلب في مجال مع أكبر تنوع من الكائنات الحية ، بما في ذلك النباتات والفراشات. في كل مستوى فرعي ، تصبح الكائنات الحية أكثر تشابهًا لأنها أكثر ارتباطًا. تاريخيًا ، صنف العلماء الكائنات الحية باستخدام الخصائص ، ولكن مع تطور تقنية الحمض النووي ، حددوا سلالات أكثر دقة.


في أي مستويات تكون القطط والكلاب جزءًا من نفس المجموعة؟

قم بزيارة هذا الموقع لتصنيف ثلاثة كائنات - الدب والأوركيد وخيار البحر - من مملكة إلى نوع. لبدء اللعبة ، ضمن تصنيف الحياة ، انقر فوق صورة الدب أو زر التشغيل التفاعلي.

وجدت التحليلات الجينية الحديثة والتطورات الأخرى أن بعض التصنيفات السابقة للتطور لا تتوافق مع الماضي التطوري ، لذلك يجب على الباحثين إجراء تغييرات وتحديثات عند حدوث اكتشافات جديدة. تذكر أن أشجار النشوء والتطور هي فرضيات ويتم تعديلها كلما توفرت البيانات. بالإضافة إلى ذلك ، فقد ركز التصنيف تاريخيًا على تجميع الكائنات الحية أساسًا من خلال الخصائص المشتركة ولا يوضح بالضرورة كيفية ارتباط المجموعات المختلفة ببعضها البعض من منظور تطوري. على سبيل المثال ، على الرغم من حقيقة أن فرس النهر يشبه الخنزير أكثر من الحوت ، فقد يكون فرس النهر هو أقرب أقرباء الحوت.

ملخص القسم

يكتسب العلماء باستمرار معلومات جديدة تساعد في فهم التاريخ التطوري للحياة على الأرض. مرت كل مجموعة من الكائنات الحية برحلتها التطورية الخاصة ، أو من خلال نسقتها. يشترك كل كائن حي في الارتباط مع الآخرين ، وبناءً على الأدلة المورفولوجية والجينية ، يحاول العلماء رسم خريطة المسارات التطورية لجميع أشكال الحياة على الأرض. تاريخيا ، نظم العلماء الكائنات الحية في نظام تصنيف تصنيفي. ومع ذلك ، يقوم العديد من العلماء اليوم ببناء أشجار نسج لتوضيح العلاقات التطورية.

اتصالات فنية

(شكل) في أي مستويات تعتبر القطط والكلاب جزءًا من نفس المجموعة؟

(الشكل) القطط والكلاب جزء من نفس المجموعة على خمسة مستويات: كلاهما في مجال Eukarya ، مملكة Animalia ، شعبة Chordata ، فئة Mammalia ورتبة Carnivora.

راجع الأسئلة

ما الذي يستخدم لتحديد نسالة؟

ماذا ينجز العلماء في مجال علم اللاهوت النظامي؟

  1. اكتشف مواقع الحفريات الجديدة
  2. تنظيم وتصنيف الكائنات الحية
  3. اسم الأنواع الجديدة
  4. التواصل بين علماء الأحياء الميدانية

ما هي العبارة الصحيحة حول نظام التصنيف التصنيفي؟

  1. هناك مجالات أكثر من الممالك.
  2. الممالك هي الفئة الأولى في التصنيف.
  3. الفئات هي تقسيمات الطلبات.
  4. الأنواع الفرعية هي أكثر فئات التصنيف تحديدًا.

على شجرة النشوء والتطور ، ما المصطلح الذي يشير إلى السلالات التي تباعدت من نفس المكان؟

إستجابة مجانية

كيف ترتبط شجرة النشوء والتطور بمرور الوقت؟

تُظهر شجرة النشوء والتطور الترتيب الذي حدثت به الأحداث التطورية وبأي ترتيب تطورت بعض الخصائص والكائنات مقارنة بالآخرين. لا علاقة لها بالوقت.

قد لا تكون بعض الكائنات الحية التي تبدو وثيقة الصلة بشجرة النشوء والتطور في الواقع مرتبطة ارتباطًا وثيقًا. لماذا هذا؟

في معظم الحالات ، الكائنات الحية التي تبدو مرتبطة ارتباطًا وثيقًا هي في الواقع ، هناك حالات تطورت فيها الكائنات الحية من خلال التقارب ويبدو أنها مرتبطة ارتباطًا وثيقًا ولكنها ليست كذلك.

ضع قائمة بالمستويات المختلفة لنظام التصنيف التصنيفي.

المجال ، المملكة ، الشعبة ، الطبقة ، النظام ، الأسرة ، الجنس ، الأنواع

قائمة المصطلحات


أساليب

لقد طورنا نموذجنا لحجم الفاشيات المرصودة بالكامل ن المضيفين. تتكون البيانات من أوقات أخذ العينات س وتسلسل الحمض النووي جي، مما يعني ذلك لكل مضيف أنا نحن نعرف وقت أخذ العينات أو التشخيص سأنا والتسلسل جيأنا المرتبطة بوقت أخذ العينات. يتم إعطاء المضيفات بدون تسلسل متاح تسلسل مع نيوكليوتيدات غير إعلامية (فقط "n").

نوضح الطريقة بمجموعات البيانات الخمس التالية من المنشورات السابقة (جميعها في بيانات S1):

  1. مرض الدرن (السل الفطري، MTB). تم تحليل مجموعة البيانات هذه بواسطة Didelot et al [7]. وهي تتألف من 33 مليون طن متري في مجموعة من متعاطي المخدرات (حجم السكان التقريبي 400) ، مع عينات تم جمعها في إطار زمني 2.5 سنة. احتوت التسلسلات الطويلة 4.4 ميجا بايت في الثانية على 20 SNPs. يختبر تحليل مجموعة البيانات هذه أداء هذه الطريقة في حالة اندلاع حالات قليلة نسبيًا في عدد كبير من السكان.
  2. مقاومة للميثيسيلين المكورات العنقودية الذهبية (MRSA). هذه هي مجموعة البيانات من Nubel et al [25] ، مع 36 حالة MRSA في وحدة العناية المركزة لحديثي الولادة تم أخذ عينات منها خلال فترة زمنية مدتها 7 أشهر. كانت تواريخ أخذ العينات متاحة لجميع الحالات ، ولكن التسلسل لـ 28 حالة فقط ، وكشف عن 26 SNPs في الجينوم الأساسي غير المتكرر البالغ 2.7 ميجا بايت في الثانية. يقوم تحليل مجموعة البيانات هذه باختبار أداء هذه الطريقة في حالة تفشي المرض في مجموعة صغيرة من السكان ، بما في ذلك الحالات بدون تسلسل.
  3. مرض الحمى القلاعية (FMD2001). هذه هي مجموعة البيانات من كوتام وآخرون [26] التي تم تحليلها أيضًا من قبل عدة أشخاص آخرين [9 ، 11] ، مع 15 مكانًا مصابًا خلال فترة زمنية مدتها شهرين. كانت التسلسلات متاحة لجميع الحالات ، مع 85 SNPs بين 8196 نيوكليوتيدات. تحليل مجموعة البيانات هذه والاختبارات التالية لأداء هذه الطريقة في تفشي صغير تم أخذ عينات منه بالكامل في عدد كبير من السكان ويسمح بمقارنة شجرة الإرسال المقدرة بالنتائج السابقة.
  4. مرض الحمى القلاعية (FMD2007). هذه هي مجموعة البيانات من كوتام وآخرون [27] ، تم تحليلها أيضًا بواسطة موريلي [9] ، مع 11 مكانًا مصابًا خلال فترة زمنية مدتها شهرين. كانت التسلسلات متاحة لجميع الحالات ، مع 27 SNPs بين 8176 نيوكليوتيدات
  5. أنفلونزا الطيور H7N7 (H7N7). تم تحليل مجموعة البيانات هذه من قبل العديد من المؤلفين [12 ، 28-30] ، وتتكون من 241 مزرعة دواجن في فترة زمنية تبلغ حوالي 2.5 شهرًا. كانت متواليات جينات HA و NA و PB2 متاحة في GISAID لـ 228 مزرعة ، مع تواريخ أخذ العينات المرتبطة بها. كان العدد الإجمالي للنيوكليوتيدات 257 في 5541 نيوكليوتيد. بالنسبة للمزارع الـ 13 التي لم يتم أخذ عينات منها ، استخدمنا تاريخ الفرز مطروحًا منه يومين ليوم المراقبة (كان متوسط ​​فترة أخذ العينات إلى الإعدام 2.4 يومًا في 228 مزرعة تم أخذ عينات منها). قمنا بتحليل البيانات الخاصة بالجينات الثلاثة بشكل منفصل ودمجها (متسلسلة). للإبلاغ عن التوزيع المسبق للفاصل الزمني من الإصابة إلى أخذ العينات ، استخدمنا أوقات الإصابة المقدرة من Boender et al [38]. يقوم تحليل مجموعة البيانات هذه باختبار أداء هذه الطريقة في حالة انتشار واسع النطاق ، بما في ذلك الحالات بدون تسلسل.

النموذج والاحتمالية

يصف النموذج انتشار مسببات الأمراض المعدية في مجموعة سكانية من خلال انتقال الاتصال ، وديناميات العامل الممرض داخل المضيف المصاب ، والطفرة في الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي لهذا العامل الممرض. علاوة على ذلك ، فإنه يصف كيفية ملاحظة هذه الديناميات من خلال أخذ عينات من مسببات الأمراض في العوائل المصابة. نستنتج شجرة الإرسال والمعلمات التي تصف العمليات ذات الصلة من خلال تحليل بايزي ، باستخدام ماركوف سلسلة مونت كارلو (MCMC) للحصول على عينات من التوزيعات الخلفية لمعلمات النموذج وأشجار الإرسال (النواقل وأوقات العدوى لجميع الحالات). نقدم أولاً النماذج ووظائف الاحتمال ، ثم نشرح كيف نقوم بتحديث أشجار ومعلمات الإرسال في سلسلة MCMC.

يتم إعطاء التوزيع اللاحق بواسطة (1) Eq (1) هو احتمال أوقات الإصابة غير المرصودة أنا، المعدية م، شجرة النشوء والتطور ص، ومعلمات النموذج θ، بالنظر إلى البيانات (أوقات أخذ العينات وتسلسلها). يمكن تقسيم الاحتمال اللاحق إلى مصطلحات احتمالية منفصلة تمثل العمليات الأربع ، مرات الاحتمال السابق للمعلمات (انظر طرق S1): (2)

نقدم الآن النماذج الأربعة ، والاحتمالات المرتبطة بها ، والتوزيعات السابقة للمعلمات المرتبطة.

الانتقال.

نفترض أن التفشي بدأ بحالة واحدة. أنتجت كل حالة حالات ثانوية على فترات توليد عشوائية بعد الإصابة الخاصة بهم (توزيع جاما مع الشكل أجي و يعني مجي). نحن نعتبر أن جميع هياكل شجرة الإرسال غير المحددة التوقيت متساوية في الاحتمال ، لذا فإن احتمال شجرة الإرسال يعتمد فقط على توقيتها. تم وصف الفاشية من قبل النواقل أنا و م مع أوقات الإصابة أناأنا والناقلات مأنا لجميع الحالات المرقمة أنا. معدل العدوى في حالة المؤشر هو 0. الاحتمال هو نتاج كثافات الاحتمال () لجميع أوقات الجيل في الفاشية: (3)

أخذ العينات.

نفترض أنه يتم ملاحظة جميع الحالات وأخذ عينات منها مرة واحدة بشكل عشوائي بعد إصابتها ، وفقًا لتوزيع جاما بالشكل. أس و يعني مس. يعتبر النقل وأخذ العينات مستقلين ، لذلك يمكن أن يحدث الانتقال بعد أخذ العينات ، ويمكن أخذ عينات من الحالة قبل الإصابة بالعدوى. الاحتمال هو نتاج كثافات الاحتمال لجميع فترات أخذ العينات في حالة التفشي: [4)

ديناميات داخل المضيف.

تتمثل الوظيفة الرئيسية للنموذج داخل المضيف في السماح بعملية اندماج عشوائية داخل المضيف. كل مضيف أنا يؤوي شجرة صغيرة خاصة به صأنا، مع النصائح التي تمثل أحداث الإرسال وأخذ العينات ، والجذر هو وقت الإصابة ، قبل العقدة الملتئمة الأولى. وبالتالي ، يُفترض أن تكون العينات سلالات نسيلية. في أبسط أشكالها ، تتكون الشجرة الصغيرة للتطور من فرع واحد من وقت الإصابة إلى وقت أخذ العينات. الاحتمال هو نتاج جميع الاحتمالات لكل مضيف: (5) وفيه ص هي المعلمة التي تصف الديناميكيات داخل المضيف (انظر أدناه). تعتمد احتمالية كل شجرة صغيرة على جميع أوقات العدوى والناقلات ، لأن هذه تحدد أوقات الانتقال مع المضيف أنا كمعدي.

بالعودة بالزمن إلى الوراء ، يحدث الاندماج بين أي زوج من السلالات داخل مضيف بمعدل 1 /ث(τ,ص)، أين ث(τ,ص) = ص يشير إلى الزيادة الخطية في حجم مجموعة مسببات الأمراض داخل المضيف في الوقت (المستقبلي) τ منذ إصابة المضيف. مع هذه الوظيفة الخاصة ، تميل العقد الملتصقة إلى أن تكون قريبة من أحداث الإرسال إذا ص صغيرة ، في حين أنها تميل إلى أن تكون بعد فترة وجيزة من الإصابة بالعدوى إذا ص هو كبير. تؤدي هذه الوظيفة أيضًا بشكل طبيعي إلى سلالة واحدة فقط في وقت الإصابة (عنق الزجاجة الكامل للانتقال) ، حيث يذهب معدل الاندماج إلى ما لا نهاية بالقرب من وقت الإصابة.

في شجرة النشوء والتطور الكاملة ص، ثلاثة أنواع من العقد x مميزة (الشكل 1 أ): العقد x = 1…ن هي عقد أخذ العينات للمضيفين المطابقين أنا = 1…ن، أي أطراف الشجرة التي تم عندها أخذ العينات مكان العقد x = ن+1…2ن-1 هي العقد الملتصقة x = 2ن…3ن-1 هي نقاط الإرسال ، أي النقاط في الشجرة التي ينتقل فيها السلالة من مضيف إلى آخر. بواسطة حx نحدد المضيف في أي عقدة x يتواجد لعقد الإرسال فهو يحدد المضيف الأساسي (المعدي). الشجرة الصغيرة صأنا هي مجموعة العقد داخل المضيف أنا، و τx هو وقت العقدة x منذ إصابة المضيف حx، وبالتالي τأنا هو وقت أخذ العينات. يترك إلأنا(τ) تشير إلى عدد السلالات في المضيف أنا في الوقت τ منذ الإصابة: (6) فيها ش(τ) هي وظيفة خطوة heaviside ، أي ش(τ) = 0 إذا τ & lt 0 و ش(τ) = 1 إذا τ ≥ 0. بمعنى آخر ، إلأنا(0) = 1 حسب التعريف بسبب عنق الزجاجة الكامل للإرسال ، ثم يزداد بمقدار 1 عند كل عقدة اندماج وينخفض ​​بمقدار 1 في كل حدث إرسال وعند أخذ العينات. يمكن بعد ذلك كتابة احتمال كل شجرة صغيرة كـ (7) مع. المصطلح الأول هو احتمال عدم وجود أحداث متحدرة خلال الفترات التي يوجد فيها سلالتان أو أكثر ، أما المصطلح الثاني فهو ناتج معدلات الاندماج عند العقد المتحد.

طفره.

نستخدم معدل طفرة واحدة ثابتة ميكرومتر لجميع المواقع ، مع حدوث طفرة تؤدي إلى أي من النيوكليوتيدات الأربعة باحتمالية متساوية (جوكس كانتور). تعني هذه المعلمة أن المعدل الفعال لتغيير النيوكليوتيدات هو 0.75ميكرومتر. بالنظر إلى شجرة النشوء والتطور ، ينتج عن هذا الاحتمال: (8) هنا ، نقوم بالضرب في جميع عقد الاندماج وعقد الإرسال xالتي تحدث في الوقت المناسب رx ولها عقدة أصل الخامسx Ιموت يشير إلى حدوث طفرة في الفرع الموجود بين x و νx، و N يشير إلى ما إذا كان الفرع ينتهي بطرف مع نوكليوتيد غير إعلامي ("n" في التسلسل). يتم حساب الاحتمالية باستخدام خوارزمية Felsenstein للتقليم [47].

التوزيعات السابقة.

نحن هنا نصف اختيارنا العام للتوزيعات السابقة ، وليس المعلمات المعينة في تحليلاتنا (القسم تقييم الطريقة). اخترنا قيم ثابتة لـ أجي و أس، معلمات الشكل لفترات التوليد وأخذ العينات. لوسائلهم مجي و مس، استخدمنا التوزيعات السابقة بالوسائل ميكرومترجي و ميكرومترس والانحرافات المعيارية σجي و σس، والتي تُترجم إلى مقدمات جاما الموزعة لمعلمات الأسعار بجي = أجي/مجي و بس = أس/مس، موزعة كـ Γ (أ0,جي,ب0,جي) و Γ (أ0,س,ب0,س) (انظر طرق S1). عن المنحدر ص من نموذج النمو داخل المضيف ، اخترنا توزيع جاما مسبقًا بالشكل والمعدل أص و بص. اخترنا تسجيل (ميكرومتر) للحصول على توزيع مسبق موحد (غير لائق) ، يعادل Pr (ميكرومتر) ∝ 1/ميكرومتر.

طريقة الاستدلال

نستخدم إحصائيات بايز لاستنتاج أشجار الإرسال وتقدير معلمات النموذج من البيانات ، وطرق MCMC للحصول على عينات من التوزيع اللاحق. يتم تنفيذ الإجراء كحزمة في R (فيبريك) ، والذي يمكن تنزيله من GitHub (www.github.com/donkeyshot/phybreak) ومتوفر على CRAN (cran.r-project.org/web/packages/phybreak/index.html). تحتوي الحزمة أيضًا على وظائف لمحاكاة البيانات ، ولتلخيص إخراج MCMC.

تكمن الحداثة الرئيسية لطريقتنا في خطوات الاقتراح لأشجار النشوء والتطور ، المستخدمة لتوليد سلسلة MCMC. إنه يستخدم منظور الشجرة الهرمي ، حيث يتم وصف شجرة النشوء والتطور على أنها مجموعة من الأشجار الصغيرة للتطور (واحدة لكل مضيف) ، متصلة من خلال شجرة الإرسال. تتم معظم المقترحات عن طريق أخذ مضيف واحد ، وتغيير موقعه في شجرة الإرسال ، ومحاكاة الأشجار الصغيرة للتطور الوراثي في ​​المضيفين المشاركين في هذا التغيير. في النوع الثاني من الاقتراح ، يتم تغيير شجرة النقل مع الحفاظ على سلامة شجرة النشوء والتطور. هناك نوع ثالث من الاقتراح يحاكي فقط طوبولوجيا الشجرة الصغيرة داخل المضيف ، مع الحفاظ على شجرة الإرسال وأوقات الاندماج سليمة.

يتطلب بدء سلسلة MCMC القيم الأولية لمعلمات النموذج الستة (أجي, مجي, أس, مس, ص، و ميكرومتر). تتم تهيئة شجرة الإرسال عن طريق إنشاء وقت إصابة لكل مضيف (يوم أخذ العينات مطروحًا منه الفاصل الزمني العشوائي لأخذ العينات). أول مضيف مصاب هو حالة الفهرس ، وبالنسبة للمضيفين الباقين ، يتم اختيار العدوى بشكل عشوائي ، ويتم وزنها حسب كثافة توزيع وقت التوليد. أخيرًا ، تتم محاكاة الأشجار الصغيرة للتطور في كل مضيف وفقًا لنموذج التوحيد ودمجها مع بعضها البعض لإنشاء شجرة كاملة للتطور.

تبدأ كل دورة تكرار MCMC بتحديثات الإرسال وأشجار النشوء والتطور ، متبوعة بتحديثات معلمات النموذج. للبدء بالأخير ، المعلمات مس و مجي يتم أخذ عينات مباشرة من التوزيع اللاحق لها نظرًا لأوقات العدوى الحالية وشجرة الانتقال (تحديث جيبس). يتم ذلك عن طريق أخذ عينات من معلمات المعدل بس و بجي، والتي تم إعطاؤها توزيعات مترافقة سابقة (انظر أعلاه). إذا كان مجموع ن فترات أخذ العينات في الشجرة ، أ0,س و ب0,س هي شكل ومعدل التوزيع السابق لـ بس، ثم يتم رسم قيمة لاحقة جديدة كـ (9) منها مس يحسب على أنه أس/بس. القيم الخلفية ل مجي مستمدة من توزيع مماثل ، مع مجموع ن- 1 جيل فترات. المعلمات ص و ميكرومتر يتم تحديثها من خلال مقترحات أخذ العينات Metropolis-Hastings ص و μ ' يتم إنشاؤها من التوزيعات اللوغاريتمية الطبيعية LN(ص,σص) و LN(ميكرومتر,σميكرومتر) ، أي مع القيم الحالية كمتوسط. يتم حساب الانحرافات المعيارية بناءً على التباين المتوقع للتوزيعات المستهدفة ، بالنظر إلى حجم التفشي لـ σص، وعدد SNPs لـ σميكرومتر (انظر طرق S1).

تحديث شجرة النشوء والتطور.

شجرة النشوء والتطور ، الموصوفة بالمتغيرات غير المرصودة ض = <أنا,م,ص> ، من خلال اقتراح شجرة جديدة بكثافة الاقتراح ح(ض'|ض,س,θ) ، والقبول باحتمالية Metropolis-Hastings (باستخدام المعادل (1)) α, (10)

لكل دورة تكرار MCMC ، ن تتم المقترحات مع كل مضيف كمضيف محوري مرة واحدة ، بترتيب عشوائي. يبدأ كل اقتراح بأخذ مضيف محوري أنا، رسم فاصل زمني لأخذ العينات من توزيع جاما مع معلمة الشكل والمتوسط مس، وحساب اقتراح أولي لوقت الإصابة أناأنا' = سأناتي. تم اختياره ليكون له تباين أعلى قليلاً في الاقتراح مقارنة بالاحتمالية ، لتحسين الاختلاط. بناءً على هذا الاقتراح الأولي ، يتم تغيير طوبولوجيا شجرة الإرسال (انظر أدناه) ، وفي معظم الحالات يتم تغيير شجرة النشوء والتطور أيضًا (احتمال 80٪). ومع ذلك ، فقد سمحنا أيضًا بخطوات الاقتراح دون تغيير شجرة النشوء والتطور (احتمال 20٪) ، وهذا يحسن إلى حد كبير خلط سلسلة MCMC إذا كان هناك العديد من تعدد الأشكال ، والتي تعمل بشكل أو بآخر على إصلاح طوبولوجيا شجرة النشوء والتطور. لم يتم تحسين التوزيع بنسبة 80٪ إلى 20٪ لكلا النوعين من الاقتراح ولكن تم اختياره بحيث يكون خلط شجرة النشوء والتطور أقل كفاءة بشكل محدود فقط من دون النوع الثاني من الاقتراح (الحفاظ على شجرة النشوء والتطور ثابتة). من الممكن تضمين نوع ثالث من المقترحات ، حيث تكون فقط طوبولوجيا الشجرة الصغيرة لتطور النشوء والتطور للمضيف البؤري أنا يتم محاكاته لتحسين خلط شجرة النشوء والتطور إذا كان هناك العديد من SNPs. في الإعداد الافتراضي في ملف فيبريك حزمة ، 80٪ من المقترحات من النوع الأول و 20٪ من النوع الثاني ، لكن المستخدم حر في تغيير هذه النسب. استخدمنا هذه الإعدادات في جميع تحليلاتنا ، ونتوقع لـ ساعة سريعة simulations, where we used a 75%–20%–5% distribution.

Proposals for changes in transmission and phylogenetic trees.

Here we describe how changes in the transmission and phylogenetic trees are proposed for six different situations, based on the preliminary proposal for the infection time أناأنا’ and on whether the index case is involved. Fig 5 shows the proposed changes. More detail on the proposal distribution and calculation of acceptance probability is given in the S1 Methods.


شاهد الفيديو: شجرة المورينجا بالعراق محافظة الديوانية (كانون الثاني 2023).