الگوی تجزیه و تحلیل فیلوژنتیک درختان می تواند نشان دهد ارتباط بین تکامل زیست

در زیست شناسی درختان فیلوژنتیک نشان دهنده تاریخچه تکاملی و تنوع گونه - از "شجره" از زندگی است. درختان فیلوژنتیک نه تنها توصیف تکامل از یک گروه از موجودات زنده اما همچنین می تواند ساخته شده از موجودات زنده در یک محیط خاص و یا اکوسیستم مانند انسان میکروبیوم. در این راه آنها می تواند به توضیح این اکوسیستم تکامل یافته و چه کاربردی آن قابلیت های ممکن است.

اکنون محققان به ارائه یک تحلیل جدید از الگوهای تولید شده توسط درختان فیلوژنتیک نشان می دهد که آنها منعکس کننده قبلا فرضیه ارتباط بین تکامل و محیط زیست. این مطالعه به رهبری Swanlund استاد فیزیک Nigel Goldenfeld که همچنین منجر Biocomplexity گروه در Carl R. Woese موسسه ژنومی زیست شناسی در دانشگاه ایلینویز در Urbana-Champaign. دیگر اعضای این تیم بودند دانشجوی کارشناسی ارشد چی Xue و سابق دانشجو در مقطع کارشناسی Zhiru لی در حال حاضر در دانشگاه استنفورد. یافته های خود را منتشر شد در مقاله ای در مجله مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم با عنوان "مقیاس ثابت توپولوژی و bursty شاخه تکاملی درختان از ظهور تو رفتگی در دیوار ساخت و ساز."

آشنا ترین درخت فیلوژنتیک تمام زندگی بر روی زمین با استفاده از ژن از ضروری سلولی ريبوزومی ماشین آلات برای نشان دادن گونه است. با مقایسه تفاوت های بین مولکولی دنباله همان ژن های مختلف در موجودات محققان می توانیم استنباط کنیم که موجودات زنده تبار بودند از دیگران است. این ایده منجر به نقشه برداری-از تاریخ تکاملی حیات بر روی زمین و کشف سومین حوزه ای از زندگی کارل R. Woese و همکاران در سال 1977.

واقعی درختان فیلوژنتیک پیچیده هستند انشعاب سازه های منعکس کننده الگوی زایی به عنوان جدید جهش از ظهور یک گونه است. این شاخه سازه های پیچیده هستند اما ممکن است برای توصیف آنها از نظر نحوه متعادل هستند و دیگر ویژگی های آماری منعکس توپولوژی درخت. ساده ترین خصوصیات این است که به دنبال در هر یک از شاخه گره در درخت: آیا تقسیم آن به دو شاخه دقیقا همان طول و یا شاخه های نابرابر در طول ؟ سابق است گفت: به طور متعادل در حالی که دومی نامتعادل.

با وجود پیچیدگی درختان وجود دارد مطابق الگوی ریاضی در ساختار توپولوژیکی در سراسر زمان تکاملی است که خود مشابه و یا فراکتال در طبیعت است. با استفاده از حداقل یک نمایندگی از تکامل محققان نشان داد که چگونه این ساختار فراکتال نشان دهنده ماندگار اثر متقابل بین محیط زیست و مراحل تکاملی. حداقل مدل از طبیعت انجام نمی شود بیش از حد واقع بینانه اما به جای آن ساخته شده است را به تصرف خود مهم ترین مواد تشکیل دهنده از یک فرایند در راه است که باعث می شود شبیه سازی و تجزیه و تحلیل ریاضی آسان است.

Goldenfeld کار اغلب با استفاده از مدل های حداقل به منظور توضیح کلی جنبه های پیچیده زیستی و پدیده های فیزیکی است که نسبت به جزئیات دقیق. جنبه های دیگر از پدیده های پیچیده را نمی توان توصیف کرد و در این راه اما الگوهای فیزیکی مانند خود شباهت در فضا شناخته شده بود describable با استفاده از حداقل رويکرد مدلسازی.

"بنابراین به نظر می رسید مناسب سعی کنید این روش برای توصیف خود شباهت در زمان بیش از حد" Goldenfeld گفت.

"ما مجموعه ای خاموش به مطالعه topological اموال درخت فیلوژنتیک و به پایان رسید تا با اضافی 'میوه توضیح" برای درخت شخصیت خاص,'" ژو گفت.

مطالعه حول یک مفهوم در سیر تکاملی زیست شناخته شده به عنوان طاقچه ساخت و ساز برای اولین بار پیشنهاد حدود 40 سال پیش. در تو رفتگی در دیوار ساخت و ساز موجودات زنده تغییر محیط زیست خود و در نتیجه ایجاد جدید زیست محیطی سوله در اکوسیستم و محیط زیست را تغییر. در این سوله های جدید تاثیر می گذارد به طور کلی سیر تکاملی موجودات زنده است که سهم محیط زیست است. نتیجه نهایی این است که تکامل و محیط زیست به همراه نزدیک به هم. این ایده که تکامل نیست رخ داده و صرفا استاتیک محیط زیست زمينه بحث برانگیز است, با وجود اینکه به طور مستقیم جذاب است. یافته های خود را اضافه موجود در بدن از کار با شناسایی اثرات دراز مدت از تو رفتگی در دیوار ساخت و ساز در راه است که می تواند تشخیص داده شده توسط مدرن ژنتیک و درخت فیلوژنتیک ساخت و ساز.

در گزارش محققان با شبیه سازی موجودات زنده و مربوط به آنها را در یک تو رفتگی در دیوار ارزش توضیح داده است که تعامل خود را با محیط زیست خود را. آن موجودات با یک تو رفتگی در دیوار بزرگ ارزش موجود تعداد زیادی از راه هایی برای انطباق با محیط خود و در نهایت منجر به بقای خود در حالی که کسانی که با تو رفتگی در دیوار مقادیر کمتر انعطاف پذیر است.

"در مدل ما ما مربوط به تو رفتگی در دیوار مثبت به زایی احتمال این معنا که یک ارگانیسم با یک تو رفتگی در دیوار بزرگ به احتمال زیاد می تواند تنوع موفقیت" ژو گفت. "در طول درخت فیلوژنتیک تکامل زمانی که دو دختر گره های ظهور از پدر و مادر خود را, آنها خود را دریافت سوله بخشی از وارث و بخشی از ساخت و ساز."

محققان نشان داد که گونه که اجرا از تو رفتگی در دیوار در فضا می تواند در دیگر شعبه یا speciate. ریاضی این بود که به عنوان نماینده به اصطلاح جذب شرط مرزی روی گره به نمایندگی از این گونه است.

"خواهر خود را گره به احتمال زیاد هنوز هم diversifies تا زمانی که تو رفتگی در دیوار است که هنوز هم مثبت است اما دو خواهر گره های دیگر متقارن و درخت می شود نامتعادل" Xue توضیح داد. "ما نشان داد که جذب مرزی بسیار مهم است برای تولید ساختار فراکتال از درخت و که تو رفتگی در دیوار ساخت و ساز تضمین می کند که برخی از گره ها را به مرز."

محققان با استفاده از یک مدل ساده از تو رفتگی در دیوار ساخت و ساز و قادر به میخواهم فراکتال پوسته پوسته شدن در درخت توپولوژی. محاسبات خود را با استفاده از روش های اتخاذ شده از یک به طور کامل زمینه های مختلف علوم پایه: فیزیک انتقال فاز. یک مثال از یک مرحله گذار است که مواد مانند آهن می شود مغناطیسی به عنوان دمای آن را کاهش داده است. مغناطیس ظهور به تدریج هنگامی که درجه حرارت کمتر از یک انتقادی ارزش.

Goldenfeld توضیح داد که چگونه این غیر معمول قیاس کار می کند: "بسیار نزدیک به این دمای بحرانی, یک آهنربا نیز فراکتال یا خود مشابه: آن است که ساختار تو در تو به مناطق مغناطیسی و غیر مغناطیسی دامنه. این تودرتو و یا خود ساختار مشابه در فضای یادآور تودرتو و یا خود مشابه ساختار bifurcating شاخه های درخت در زمان." با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری و ریاضیات از مرحله انتقال این تیم تحقیقاتی قادر به نشان می دهد که چگونه فراکتال پوسته پوسته شدن از درخت توپولوژی پدیدار می شود.

"مدل ما دارای تعداد کمی از قطعات و فرض ساده ریاضی شکل و در عین حال آن را تولید قدرت-قانون پوسته پوسته شدن با حق نماینده است که مشاهده شده است در واقعی بیولوژیکی اطلاعات" Xue توضیح داد. "آن را به سادگی شگفت انگیز برای دیدن چقدر حداقل یک مدل می تواند انجام دهد."

"ما قادر به تولید مثل نه تنها قدرت-قانون رفتار بلکه غیر بی اهمیت توان آن را بسیار نزدیک به واقعیت" لیو گفت. "به عبارت دیگر شبیه سازی شده درختان نه تنها به مقیاس ثابت بلکه واقع بینانه در راه است."

علاوه بر توصیف فراکتال توپولوژی از درختان فیلوژنتیک مدل نیز اختصاص الگوهای تکاملی clades قبلا مستند به رخ می دهد در جوامع میکروبی توسط ایلینوی استاد گیاه شناسی James O'Dwyer یک بوم شناس آموزش دیده در فیزیک نظری مانند Goldenfeld.

"آن را به خصوص لذت بخش قادر به دست آوردن برخی از بینش به جیمز' زودتر کشف با استفاده از یک مفهومی toolkit آمد که از فیزیک آماری," Goldenfeld اظهار نظر. "این کار نمونه ای از راه که در آن قدرتمند و نتایج غیر منتظره می تواند بوجود می آیند از ترانس انضباطی تحقیقات زحمت کش تجزیه و تحلیل داده ها و حداقل سازی."

حضور تو رفتگی در دیوار ساخت و ساز ایجاد می کند قابل رد پای در سیر تکاملی است که نمی تواند حذف شود حتی در سراسر مدت زمان طولانی فلس است. این ایده که تو رفتگی در دیوار ساخت و ساز -- است که بر اساس یک زمان بسیار کوتاه مقیاس -- ظهور به عنوان یک حافظه بلند مدت در درختان فیلوژنتیک ممکن است تعجب برخی از مردم است. در واقع لیو می افزاید که این "مقیاس دخالت" نیز یک مشخصه از مرحله انتقال که در آن فاصله بین اتم ها در یک مغناطیسی کریستال در مقیاس انگستروم می تواند تاثیر خواص مواد در مقیاس سانتی متر است.

"زمانی که من یاد گرفتم در مورد این ایده از مقیاس دخالت در نایجل فیزیک کلاس در فاز انتقال سه سال پیش انتظار نداشتم هر یک از موارد زیر است: پیوستن به گروه خود استفاده از این ایده و حل بیولوژیکی مشکل گفت:" لیو. "در حال حاضر من خوشحالم که من نمی چرت زدن در طول این سخنرانی."

###