Выстроено новое и улучшенное генеалогическое древо птиц с помощью вычислительных инструментов
Международная команда ученых построила самое крупное и детальное на сегодняшний день генеалогическое древо птиц. Эта сложная схема описывает 93 миллиона лет эволюционных взаимоотношений между 363 видами птиц, представляющими 92% всех птичьих семейств.
Прорыв стал возможен во многом благодаря передовым вычислительным методам, разработанным инженерами Калифорнийского университета в Сан-Диего, в сочетании с современными суперкомпьютерными ресурсами университета в Сан-Диэгском суперкомпьютерном центре. Эти технологии позволили исследователям с высокой точностью и скоростью проанализировать огромные объемы геномных данных, заложив основу для создания наиболее полного из когда-либо собранных древа птиц.
Достижение подробно описано в двух взаимодополняющих статьях, опубликованных 1 апреля в Nature и Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Обновленное древо, представленное в Nature, выявило закономерности в эволюционной истории птиц после катаклизмического массового вымирания, уничтожившего динозавров 66 миллионов лет назад.
Исследователи наблюдали резкий рост эффективного размера популяции, скорости замен и относительного размера мозга у ранних птиц, проливая новый свет на адаптивные механизмы, которые стимулировали диверсификацию птиц после этого ключевого события. В сопутствующей статье в PNAS ученые детально изучили одну из ветвей нового древа и обнаружили, что фламинго и голуби находятся в более отдаленном родстве, чем показывали предыдущие полногеномные анализы.
Работа является частью проекта Bird 10,000 Genomes (B10K) — многоинституционального усилия под руководством Копенгагенского университета, Чжэцзянского университета и UC San Diego, целью которого является создание черновых последовательностей геномов для около 10 500 ныне существующих видов птиц.
Собирая воедино прошлое
В основе этих исследований лежит набор алгоритмов под названием ASTRAL, разработанный лабораторией Мирараба для вывода эволюционных взаимоотношений с беспрецедентной масштабируемостью, точностью и скоростью. Используя мощность этих алгоритмов, команда интегрировала геномные данные из более чем 60 000 геномных регионов, обеспечив надежную статистическую основу для своих анализов.
Исследователи изучили эволюционную историю отдельных сегментов по всему геному. Затем они собрали мозаику из генетических деревьев, которые были скомпилированы в комплексное древо видов. Этот тщательный подход позволил построить новое и улучшенное древо птиц, которое с замечательной точностью и детализацией описывает сложные события ветвления, даже в случаях исторической неопределенности.
Способность команды проводить эти анализы на огромных наборах данных стала возможной благодаря тому, что лаборатория Мирараба разработала свои вычислительные методы для работы на мощных GPU-машинах. Расчеты проводились на суперкомпьютере "Expanse" в Сан-Диэгском суперкомпьютерном центре.
Исследователи также изучили влияние различных методов отбора геномных данных на точность древа. Они показали, что две стратегии — секвенирование множества генов от каждого вида, а также секвенирование множества видов — в сочетании важны для реконструкции этой эволюционной истории.
Исправляя прошлое
С помощью своих передовых вычислительных методов исследователи также смогли пролить свет на необычное открытие из одного из их предыдущих исследований: определенный участок одной хромосомы в геноме птиц оставался неизменным в течение миллионов лет, лишенным ожидаемых паттернов генетической рекомбинации.
Эта аномалия изначально привела к ошибочному объединению фламинго и голубей в качестве эволюционных кузенов, поскольку они казались тесно связанными на основе этого неизменного участка ДНК. Это произошло потому, что их предыдущий анализ был основан на геномах 48 видов птиц.
Однако, повторив анализ с использованием геномов 363 видов, появилось более точное древо, которое отодвинуло голубей дальше от фламинго. Более того, используя шесть высококачественных геномов, предоставленных проектом Vertebrate Genome Project (VGP), Мирараб и его коллеги смогли обнаружить и предположительно объяснить эту удивительную закономерность.
Следующие шаги
Влияние этой работы выходит далеко за рамки изучения эволюционной истории птиц. Вычислительные методы, созданные лабораторией Мирараба, стали одним из стандартных инструментов для реконструкции эволюционных деревьев для различных других животных.
В дальнейшем команда продолжает работу по созданию полной картины эволюции птиц. Биологи работают над секвенированием геномов дополнительных видов птиц в надежде расширить древо, включив в него тысячи родов птиц.
Тем временем, специалисты по вычислениям под руководством Мирараба совершенствуют свои алгоритмы для работы с еще большими наборами данных, чтобы обеспечить высокую скорость и точность анализов в будущих исследованиях.