Математические модели в естественнонаучном образовании. Том II

Математические модели в естественнонаучном образовании. Том II

Начало XXI века ознаменовано выходом в свет прекрасной книги Mathematical Models in Biology An Introduction / Elizabeth S. Allman, University of Southern Maine, John A. Rhodes, Bates College, Maine, содержащей обзор достижений века предшествующего, которая легла в основу данного издания, поэтому если уже знакомы с ней, то мне вас практически нечем удивить. В противном случае – добро пожаловать в чудесный мир тесного переплетения идей биологии, криптографии, абстрактной общей алгебры, конкретной дискретной математики и вероятностной математической статистики, на пользу бурно развивающейся ныне биоматематики. Хотите узнать в чём практический смысл вычисления собственных значений и собственных векторов матриц? Как определяется доля населения, которая должна быть успешно вакцинирована для обеспечения коллективного иммунитета? Как из структуры ДНК можно почерпнуть принципы СУВ? И много-многое другое? Тогда эта книга именно для вас.

Жанр: Современная проза
Цикл: Не является частью цикла
Год публикации: 2022

Читать онлайн Математические модели в естественнонаучном образовании. Том II


Глава 5. Построение филогенетических деревьев

Смоделировав эволюцию ДНК в предыдущей главе, теперь готовы использовать эти модели для важных выводов из реальных данных ДНК. Увидим, как модель молекулярной эволюции вместе с некоторыми новыми математическими методами может быть использована для восстановления хронологии событий эволюционной истории. Давайте рассмотрим хорошо изученный, но все же удивительный вопрос: кем приходятся люди современным обезьянам? Более точно, какие из горилл, шимпанзе, орангутанов и гиббонов являются нашими ближайшими эволюционными родственниками, или все эти обезьяны более тесно связаны друг с другом, чем с нами?



Рисунок 5.1. Две возможные филогении гоминоидов.

Ранние эволюционисты рассматривали шимпанзе и горилл как наших ближайших родственников. Считалось, что люди и эти африканские обезьяны образуют одну эволюционную группу, которая отделилась от других линий обезьян в более отдаленном прошлом. Чуть позже господствующим стало мнение, что все современные человекообразные обезьяны более тесно связаны друг с другом, чем с людьми. Две возможные схемы, представляющие более подробные версии этих конкурирующих взглядов на эволюцию гоминоидов, показаны на рисунке 5.1.

Вопросы для самопроверки:

– Поскольку шимпанзе и горилла являются африканцами, в то время как орангутанг и гиббон являются азиатами, что, если вообще что-либо, каждое из этих деревьев укажет о вероятном месте появления первых людей?

Как выбрать, какое из этих или многих других возможных эволюционных деревьев является лучшим описанием происхождения гоминоидов? Один из подходов заключается в том, что сначала выбирают конкретный ген, общий для всех человекообразных обезьян и людей, но последовательность ДНК которого показывает вариации от вида к виду. Если предположить, что этот ген является общим и сходным для всех гоминоидов, поскольку он произошел от общего предка (то есть последовательности ортологичны, другими словами, к их разделению привел процесс видообразования), то вариации последовательностей среди видов должны содержать информацию об их эволюционной истории.

Например, 898-элементные пары последовательностей митохондриальной ДНК HindIII из этих гоминоидов и семи других приматов были зарегистрированы в работе Хаясака с соавторами 1988 года, он в свою очередь опирался на работу коллективов под руководством Андерсона 1981 года и Брауна 1982 года. Эти последовательности согласуются на 67-97% участков, в зависимости от того, какие из них сравниваются. Чтобы увидеть эти последовательности, загрузите базу данных primatedata в MATLAB, а затем посмотрите имена переменных, в которых они хранятся.

Хотелось бы вывести филогенетическое дерево, подобное одному из представленных на рисунке 5.1, показывающее, как все обезьяны эволюционировали от общего предка. Но какие данные указывают на «лучшее» дерево или даже «хорошее» дерево, чтобы объективно описать эволюционное происхождение?

Конечно, ученые уже рисовали деревья, показывающие подозрительные эволюционные отношения между видами задолго до появления методов секвенирования ДНК. Морфологическое сходство между видами является одним из источников подсказок относительно того, какие деревья адекватно описывают происхождение видов. Идентификация общих предков по окаменелостям – это другой подход. Теперь данные последовательности предоставляют новый источник информации об эволюционной истории, но использование их для вывода филогенетических деревьев требует разработки новых математических инструментов.

5.1. Филогенетические деревья

Прежде чем начнем разрабатывать методы построения филогенетических деревьев, понадобится некоторая терминология. Поскольку последовательности, которые, возможно, захотим связать, могут происходить от разных видов, как в примере с гоминоидами, или вместо этого от разных подвидов, популяций или даже отдельных особей, будем называть каждый источник последовательности ДНК таксоном (множественное число таксоны). Эквивалентный общеупотребительный термин – операционная таксономическая единица, обычно обозначаемая аббревиатурой ОТЕ (в иностранной литературе можно встретить обозначение OTU).


Вам будет интересно
Тематика посвященного основам статистической обработки педагогической информации учебного пособия оказалась на редкость востребованной и актуальной, что послужило стимулом к написанию продолжения. Учебное пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки «Математическое образование» интересы которых лежат в области статистической обработки социальной и педагогической информации. Из отличительных особенностей R хорош тем, что бесплатен и установлен на серверах Google Clo...
Читать онлайн
Учебное пособие содержит текстовые сведения, иллюстрации и задания по основам статистической обработки педагогической информации в R, вольный пересказ содержимого сайта r4ds.had.co.nz, многие годы аккумулирующего труды исследователей всего мира, с занимательными дополнениями и историческими справками в попытке адаптации материала под профессиональные нужды современных онлайн-учителей. Последняя глава посвящена изучению возможностей R, позволяющих открыть собственную онлайн-школу....
Читать онлайн
Лучший подарок на совершеннолетие для старшего сына Повелителя Хаоса – доступ в сеть миров, управляемых системой.Я пришёл в Первый Дар, чтобы развлечься, но попал в самый центр мясорубки, без возможности вернуться домой (спасибо отцу). Теперь за мной охотятся все твари хаоса.Только они не знают, с кем связались.Добро пожаловать в мир, где ты можешь возрождаться сотни раз, если твой разум готов перенести невыносимую боль....
Читать онлайн
Этим девушкам палец в рот не клади, ибо никогда не знаешь, что они отчебучат в ответ на то или иное действие. Но если бы не было таких девиц, мир бы не был таким ярким, эмоциональным и насыщенным! Спасибо Вам, яркие девушки мира сего!!!...
Читать онлайн
В сборник вошли юмористические рассказы американца Брета Гарта и канадца Стивена Ликока – остроумные пародии на «Приключения Шерлока Холмса» и другие популярные произведения литературы конца XIX – начала XX века. Рассказы адаптированы (без упрощения текста оригинала) по методу Ильи Франка. Уникальность метода заключается в том, что запоминание слов и выражений происходит за счет их повторяемости, без заучивания и необходимости использовать словарь.Пособие способствует эффективному освоению языка...
Читать онлайн
Если вы решили освоить искусство гравирования – художественной обработки металла, эта книга для вас. Свойства металлов, способы подготовки материала, необходимые инструменты и приспособления, основные приемы и техники гравирования, методы отделки готовых изделий, образцы графики – издание будет полезно не только начинающим, но и опытным мастерам....
Читать онлайн