علم الأحياء القديمة الجزيئي

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة

يشير علم الأحياء القديمة الجزيئي إلى استخلاص وتحليل الحمض النووي والبروتينات والكربوهيدرات والدهون ، بالإضافة إلى نواتج التحول اللاحق للترسب ، من بقايا الإنسان والحيوان والنبات القديمة. [ 1 ] [ 2 ] وقد أسفر مجال علم الأحياء القديمة الجزيئي عن رؤى مهمة حول الأحداث التطورية، وانتشار الأنواع ، واكتشاف وتوصيف الأنواع المنقرضة .

في العصور الجيولوجية الحديثة ، أتاحت التطورات في مجال علم الأحياء القديمة الجزيئي للعلماء إمكانية دراسة المسائل التطورية على المستوى الجيني بدلاً من الاعتماد على التباين الظاهري فقط. فمن خلال تطبيق تقنيات التحليل الجزيئي على الحمض النووي في بقايا الحيوانات الحديثة، يمكن تحديد مستوى القرابة بين أي كائنين تم استخلاص الحمض النووي منهما. [ 3 ] وباستخدام تقنيات التكنولوجيا الحيوية المختلفة، مثل عزل الحمض النووي وتضخيمه وتسلسله ، [ 4 ] تمكن العلماء من اكتساب وتوسيع فهمنا لتطور ونشأة عدد لا يحصى من الكائنات الحية التي انقرضت مؤخرًا. وفي فبراير 2021، أعلن العلماء، ولأول مرة، عن تسلسل الحمض النووي من بقايا حيوان ، وهو في هذه الحالة حيوان ماموث ، يزيد عمره عن مليون عام، وهو أقدم حمض نووي تم تسلسله حتى الآن. [ 5 ] [ 6 ]

في العصور الجيولوجية القديمة ، رُبطت الاختلافات التركيبية في البقايا الكربونية لمجموعة متنوعة من الحيوانات ، التي يتراوح عمرها من العصر النيوبروتيروزوي إلى العصر الحديث ، بالبصمات البيولوجية المشفرة في الجزيئات الحيوية الحديثة عبر سلسلة من تفاعلات التحجر التأكسدي. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] ويحتفظ التركيب الجزيئي الكبير للأحافير الكربونية، التي يعود بعضها إلى العصر التوني ، [ 11 ] ببصمات بيولوجية تعكس التمعدن الحيوي الأصلي ، وأنواع الأنسجة ، والتمثيل الغذائي ، وعلاقات القرابة ( التطور السلالي ). [ 9 ]

تاريخ

يُقال إن دراسة علم الأحياء القديمة الجزيئي بدأت باكتشاف أبيلسون لأحماض أمينية عمرها 360 مليون سنة محفوظة في أصداف أحفورية. [ 12 ] ومع ذلك، يُعتبر سفانتي بابو في كثير من الأحيان مؤسس مجال علم الأحياء القديمة الجزيئي. [ 13 ]

شهد مجال علم الأحياء القديمة الجزيئي العديد من التطورات الهامة منذ خمسينيات القرن الماضي، وهو مجالٌ ينمو باستمرار. فيما يلي جدول زمني يُظهر أبرز الإسهامات التي قُدّمت فيه.

الجدول الزمني

رسم بياني يوضح الأحداث المدرجة في قسم الجدول الزمني.
جدول زمني يوضح التواريخ المهمة في علم الحفريات الجزيئية. جميع هذه التواريخ مُدرجة ومُوثّقة بمصادرها في قسم التاريخ ضمن الجدول الزمني . [ 1 ] [ 12 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

منتصف خمسينيات القرن العشرين: اكتشف أبيلسون أحماضًا أمينية محفوظة في أصداف أحفورية يبلغ عمرها حوالي 360 مليون سنة. وقد أدى ذلك إلى ظهور فكرة مقارنة تسلسلات الأحماض الأمينية الأحفورية مع الكائنات الحية الموجودة لدراسة التطور الجزيئي. [ 12 ]

سبعينيات القرن العشرين: دُرست الببتيدات الأحفورية بتحليل الأحماض الأمينية . [ 14 ] بدأ استخدام الببتيدات الكاملة والأساليب المناعية . [ 15 ]

أواخر سبعينيات القرن العشرين: قام علماء النباتات القديمة (يمكن أيضًا تهجئتها كعلماء النباتات القديمة) بدراسة الجزيئات من النباتات الأحفورية المحفوظة جيدًا. [ 16 ]

1984: أول تسلسل ناجح للحمض النووي لنوع منقرض، وهو الكواجا ، وهو نوع يشبه الحمار الوحشي. [ 1 ]

1991: نشر مقال عن الاستخلاص الناجح للبروتينات من عظمة أحفورية لديناصور، وتحديداً السيزموصور . [ 17 ]

2005: العلماء يعيدون إحياء فيروس الإنفلونزا المنقرض لعام 1918. [ 18 ]

2006: بدأ تحليل ونشر أجزاء من تسلسل الحمض النووي النووي لإنسان نياندرتال . [ 23 ]

2007: قام العلماء بتخليق فيروس قهقري داخلي بشري منقرض بالكامل (HERV-K) من الصفر. [ 19 ]

2010: تم اكتشاف نوع جديد من أشباه البشر الأوائل، وهو إنسان دينيسوفان ، من خلال تحليل الجينوم الميتوكوندري والنووي المستخرج من عظام عُثر عليها في كهف في سيبيريا. أظهر التحليل أن عينة إنسان دينيسوفان عاشت قبل حوالي 41000 عام، وأنها تشترك في سلف مشترك مع كل من الإنسان الحديث وإنسان نياندرتال قبل حوالي مليون عام في أفريقيا. [ 20 ]

2013: تم بنجاح فك شفرة أول جينوم كامل لإنسان نياندرتال. يمكن الاطلاع على المزيد من المعلومات في مشروع جينوم نياندرتال . [ 21 ]

2013: تم تحديد تسلسل الحمض النووي للميتوكوندريا لعينة عمرها 400000 عام ووجد أنها سلف مشترك لإنسان نياندرتال وإنسان دينيسوفان، وهو الإنسان الهايدلبرجي . [ 22 ]

في عام ٢٠١٣، اقترحت ماري شفايتزر وزملاؤها أول آلية كيميائية تفسر إمكانية حفظ خلايا الفقاريات وأنسجتها الرخوة في السجل الأحفوري. تقترح هذه الآلية أن جذور الأكسجين الحرة، التي يُحتمل أن ينتجها الحديد النشط في تفاعلات الأكسدة والاختزال، تحفز تكوين روابط متقاطعة بين الجزيئات الحيوية. تشبه آلية تكوين هذه الروابط إلى حد ما عملية التثبيت النسيجي التي تحدث أثناء عمليات التثبيت النسيجي، كما هو الحال مع الفورمالديهايد. كما أشار الباحثون إلى أن مصدر الحديد هو الهيموجلوبين الموجود في الكائن الحي المتوفى. [ ٢٤ ]

2015: تم الإبلاغ عن سن متحجر عمره 110,000 عام يحتوي على حمض نووي من إنسان دينيسوفان . [ 25 ] [ 26 ]

في عام 2018، ربط علماء الأحياء القديمة الجزيئية بوليمرات ذات تركيب حلقي غير متجانس يحتوي على النيتروجين والأكسجين والكبريت (AGEs/ALEs، كما ورد في المنشور المذكور، Wiemann et al. 2018) في البقايا الأحفورية الكربونية ، ميكانيكيًا، بالجزيئات الحيوية التركيبية في الأنسجة الأصلية. من خلال التشابك التأكسدي، وهي عملية مشابهة لتفاعل ميلارد ، تتكثف بقايا الأحماض الأمينية المحبة للنواة مع أنواع الكربونيل التفاعلية المشتقة من الدهون والسكريات . [ 8 ] تشمل عمليات تحجر الجزيئات الحيوية، التي تم تحديدها عبر مطيافية رامان للأنسجة الحديثة والأحفورية، والنمذجة التجريبية، وتقييم البيانات الإحصائية، كلاً من الغلكزة المتقدمة والأكسدة الدهنية المتقدمة . [ 8 ]

2019: أكد مختبر مستقل لعلماء الحفريات الجزيئية تحول الجزيئات الحيوية من خلال عملية الغلكزة المتقدمة والأكسدة الدهنية أثناء عملية التحجر. [ 10 ] استخدم الباحثون مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه السنكروتروني .

في عام 2020، حدد ويمَن وزملاؤه بصمات بيولوجية تعكس التمعدن الحيوي الأصلي ، وأنواع الأنسجة ، والتمثيل الغذائي ، والتقارب في العلاقات ( التطور السلالي ) في التباينات التركيبية المحفوظة لمجموعة متنوعة من أحافير الحيوانات الكربونية . [ 9 ] يُعد هذا أول تحليل واسع النطاق لأحافير يتراوح عمرها من العصر النيوبروتيروزوي إلى العصر الحديث ، وأول سجل منشور للإشارات البيولوجية الموجودة في المواد العضوية المعقدة. [ 9 ] اعتمد الباحثون على تحليلات إحصائية لمجموعة بيانات طيفية رامانية كبيرة وفريدة من نوعها .

2021: اكتشف علماء الجيوكيمياء إشارات لأنواع الأنسجة في تركيب الأحافير الكربونية التي يعود تاريخها إلى العصر التوني ، [ 11 ] وطبقوا هذه الإشارات لتحديد الكائنات الحية الدقيقة الملتصقة بها . استخدم الباحثون مطيافية رامان .

2022: تم تكرار بيانات مطيافية رامان التي تكشف عن أنماط في تحجر الجزيئات الحيوية الهيكلية باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه ومجموعة متنوعة من أجهزة رامان المختلفة، والمرشحات، ومصادر الإثارة. [ 27 ]

2023: نُشر أول وصف كيميائي مُفصّل لكيفية تحجّر الخلايا والأنسجة البيولوجية الأصلية. ومن المهم أن الدراسة تُظهر أن فرضية جذور الأكسجين الحرة (التي اقترحتها ماري شفايتزر وزملاؤها في عام 2013) تتطابق في كثير من الحالات مع فرضية تكوين AGE/ALE (التي اقترحتها ياسمين ويمَن وزملاؤها في عام 2018). تُشكّل هذه الفرضيات مجتمعة، إلى جانب النضج الحراري والتفحم ، إطارًا عامًا لتحجّر الخلايا والأنسجة البيولوجية. [ 7 ]

الكواجا

أُجري أول تسلسل ناجح للحمض النووي لنوع منقرض عام 1984، وذلك من عينة متحفية عمرها 150 عامًا لحيوان الكواجا، وهو نوع يشبه الحمار الوحشي. [ 1 ] تم تسلسل الحمض النووي للميتوكوندريا (المعروف أيضًا باسم mtDNA) من عضلات الكواجا المجففة ، ووُجد أنه يختلف عن الحمض النووي للميتوكوندريا لحمار وحشي جبلي باثنتي عشرة قاعدة. وخلصت الدراسة إلى أن هذين النوعين ينحدران من سلف مشترك عاش قبل 3-4 ملايين سنة، وهو ما يتوافق مع الأدلة الأحفورية المعروفة لهذا النوع. [ 28 ]

دينيسوفان

تم اكتشاف إنسان دينيسوفان الأوراسي ، وهو نوع من أشباه البشر يرتبط بالإنسان النياندرتالي والإنسان الحديث ، كنتيجة مباشرة لتسلسل الحمض النووي لعينة عمرها 41000 عام تم استخراجها عام 2008. أظهر تحليل الحمض النووي للميتوكوندريا من عظمة إصبع مستخرجة أن العينة تختلف وراثيًا عن كل من الإنسان والنياندرتال. لاحقًا، تبين أن سنين وعظمة إصبع قدم تعود لأفراد مختلفين من نفس المجموعة السكانية. تشير التحليلات إلى أن كلاً من النياندرتال والدينيسوفان كانا موجودين بالفعل في جميع أنحاء أوراسيا عندما وصل الإنسان الحديث. [ 21 ] في نوفمبر 2015، أفاد العلماء بالعثور على سن متحجرة تحتوي على حمض نووي من إنسان دينيسوفان، وقدروا عمرها بـ 110000 عام. [ 25 ] [ 26 ]

تحليل الحمض النووي للميتوكوندريا

صورة لعملية استخلاص الحمض النووي لإنسان نياندرتال
استخلاص الحمض النووي لإنسان نياندرتال. في غرفة معقمة، اتخذ باحثون في معهد ماكس بلانك للأنثروبولوجيا التطورية في لايبزيغ، ألمانيا، احتياطاتٍ مشددة لتجنب تلوث عينات الحمض النووي لإنسان نياندرتال - المستخلصة من عظام كهذه - بحمض نووي من أي مصدر آخر، بما في ذلك البشر المعاصرين. ويُعدّ باحثو المعهد الوطني لأبحاث الجينوم البشري (NHGRI) جزءًا من الفريق الدولي الذي قام بتسلسل جينوم إنسان نياندرتال، Homo neanderthalensis.

يختلف الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA) الموجود في عظمة إصبع إنسان دينيسوفان عن نظيره لدى الإنسان الحديث بمقدار 385 قاعدة ( نيوكليوتيد ) من أصل حوالي 16500 قاعدة، بينما يبلغ الاختلاف بين الإنسان الحديث وإنسان نياندرتال حوالي 202 قاعدة. في المقابل، يبلغ الاختلاف بين الشمبانزي والإنسان الحديث حوالي 1462 زوجًا من قواعد الحمض النووي للميتوكوندريا. [ 20 ] يشير هذا إلى تباعد زمني يعود إلى حوالي مليون سنة. أظهر الحمض النووي للميتوكوندريا الموجود في أحد الأسنان تشابهًا كبيرًا مع نظيره في عظمة الإصبع، مما يدل على انتمائهما إلى نفس المجموعة. [ 29 ] من سن ثانٍ، تم استخلاص تسلسل الحمض النووي للميتوكوندريا الذي أظهر عددًا كبيرًا بشكل غير متوقع من الاختلافات الجينية مقارنةً بما وُجد في السن الآخر والإصبع، مما يشير إلى درجة عالية من تنوع الحمض النووي للميتوكوندريا. أظهر هذان الفردان من نفس الكهف تنوعًا أكبر مما لوحظ بين عينات إنسان نياندرتال من جميع أنحاء أوراسيا، وكانا مختلفين تمامًا مثل الإنسان الحديث من قارات مختلفة. [ 30 ]

تحليل الجينوم النووي

تم عزل وتسلسل الحمض النووي النووي من عظمة إصبع دينيسوفا. أظهرت هذه العينة درجة استثنائية من حفظ الحمض النووي ومستوى منخفضًا من التلوث. تمكن الباحثون من تحقيق تسلسل جينومي شبه كامل، مما أتاح مقارنة تفصيلية مع إنسان نياندرتال والإنسان الحديث. من هذا التحليل، استنتجوا أنه على الرغم من التباين الظاهر في تسلسل الميتوكوندريا، فإن سكان دينيسوفا، إلى جانب إنسان نياندرتال، يشتركون في فرع مشترك من السلالة المؤدية إلى الإنسان الأفريقي الحديث. يُقدر متوسط ​​زمن التباعد بين تسلسلات دينيسوفا ونياندرتال بـ 640,000 سنة مضت، والزمن بين كليهما وتسلسلات الإنسان الأفريقي الحديث بـ 804,000 سنة مضت. يقترح الباحثون أن تباين الحمض النووي للميتوكوندريا في دينيسوفا ناتج إما عن استمرار سلالة تم استبعادها من الفروع الأخرى للبشرية من خلال الانحراف الوراثي ، أو عن تداخل جيني من سلالة بشرية أقدم. [ 29 ]

الإنسان الهايدلبرجي

صورة لجمجمة الدينيسوفان التي تم العثور عليها في سيما دي لوس هويسوس
" تعتبر جمجمة الإنسان الهايدلبرغي رقم 5 واحدة من أهم الاكتشافات في سيما دي لوس هويسوس، أتابويركا (إسبانيا). وقد ظهر الفك السفلي لهذه الجمجمة، سليماً تقريباً، بعد سنوات من اكتشافها، بالقرب من نفس الموقع."

اكتُشف إنسان هايدلبرغ لأول مرة عام 1907 بالقرب من هايدلبرغ، ألمانيا، ثم عُثر عليه لاحقًا في أماكن أخرى في أوروبا وأفريقيا وآسيا. [ 31 ] [ 32 ] إلا أنه لم يُعثر على عينة تحتوي على حمض نووي قابل للاستخلاص إلا في عام 2013، وذلك في عظم فخذ عمره حوالي 400,000 عام عُثر عليه في كهف سيما دي لوس هويسوس في إسبانيا. وقد وُجد أن عظم الفخذ يحتوي على كلٍ من الحمض النووي للميتوكوندريا والحمض النووي النووي. وقد سمحت التحسينات في تقنيات استخلاص الحمض النووي وإعداد المكتبات بعزل الحمض النووي للميتوكوندريا وتسلسله بنجاح، إلا أن الحمض النووي النووي كان متحللًا للغاية في العينة المرصودة، كما كان ملوثًا بحمض نووي من دب كهف قديم ( Ursus deningeri ) كان موجودًا في الكهف. [ 33 ] وكشف تحليل الحمض النووي للميتوكوندريا عن صلة مفاجئة بين العينة وإنسان دينيسوفان، وقد أثارت هذه النتيجة العديد من التساؤلات. طُرحت عدة سيناريوهات في ورقة بحثية نُشرت في يناير 2014 بعنوان "تسلسل جينوم الميتوكوندريا لأحد أشباه البشر من سيما دي لوس هويسوس"، مُوضحةً غياب التوافق في الأوساط العلمية حول كيفية ارتباط إنسان هايدلبرغ بمجموعات أشباه البشر الأخرى المعروفة. أحد السيناريوهات المُحتملة التي اقترحها الباحثون هو أن إنسان هايدلبرغ كان سلفًا لكل من إنسان دينيسوفان وإنسان نياندرتال. [ 33 ] تشير التسلسلات الكاملة للجينومات النووية لكل من إنسان دينيسوفان وإنسان نياندرتال إلى وجود سلف مشترك قبل حوالي 700,000 عام، ويُشير أحد أبرز الباحثين في هذا المجال، سفانتي بابو، إلى أن هذه المجموعة الجديدة من أشباه البشر ربما تكون ذلك السلف المبكر. [ 22 ]

التطبيقات

اكتشاف وتوصيف الأنواع الجديدة

ساهمت تقنيات علم الحفريات الجزيئية المطبقة على الأحافير في اكتشاف وتوصيف العديد من الأنواع الجديدة، بما في ذلك إنسان دينيسوفان وإنسان هايدلبرغ . وقد مكّننا ذلك من فهم أفضل للمسار الذي سلكه البشر أثناء استيطانهم للأرض، والأنواع التي كانت موجودة خلال هذه الهجرة .

إعادة إحياء الأنواع المنقرضة

رسم ملون لفنان لوعل جبال البرانس
تم إعادة الوعل البيريني مؤقتًا من الانقراض في عام 2003.

أصبح من الممكن الآن إحياء الأنواع المنقرضة باستخدام تقنيات علم الأحياء القديمة الجزيئي. وقد تحقق ذلك لأول مرة عن طريق الاستنساخ في عام 2003 مع الوعل البيريني ، وهو نوع من الماعز البري انقرض في عام 2000. حُقنت نوى خلايا الوعل البيريني في بويضات ماعز مُفرغة من حمضها النووي، ثم زُرعت في أرحام ماعز بديلة. [ 34 ] لم يعش النسل سوى سبع دقائق بعد الولادة، بسبب عيوب في رئتيه. وقد لوحظت عيوب رئوية مماثلة لدى حيوانات مستنسخة أخرى. [ 35 ]

هناك العديد من الأنواع التي انقرضت نتيجة مباشرة للنشاط البشري. من الأمثلة على ذلك طائر الدودو ، وطائر الأوك الكبير ، ونمر تسمانيا ، ودلفين نهر الصين ، والحمام الزاجل . يمكن إحياء الأنواع المنقرضة باستخدام تقنية استبدال الأليلات [ 36 ] لنوع وثيق الصلة بها لا يزال موجودًا. فباستبدال بضعة جينات فقط داخل الكائن الحي، بدلًا من بناء جينوم النوع المنقرض من الصفر، يُمكن إعادة إحياء العديد من الأنواع بهذه الطريقة، حتى إنسان نياندرتال.

تُعدّ الجوانب الأخلاقية لإعادة توطين الأنواع المنقرضة مثيرةً للجدل. إذ يرى منتقدو هذه الفكرة أنها ستُحوّل الأموال والموارد المحدودة عن حماية التنوع البيولوجي العالمي الذي يُعاني من مشاكله الراهنة. [ 37 ] ونظرًا لأن معدلات الانقراض الحالية تُقدّر بنحو 100 إلى 1000 ضعف معدل الانقراض الطبيعي، [ 38 ] يُخشى أن يُقلّل برنامج إعادة التوطين من المخاوف العامة بشأن أزمة الانقراض الجماعي الحالية، إذا ما اعتُقد بإمكانية إعادة هذه الأنواع إلى الحياة ببساطة. وكما تساءل محررو مقالٍ في مجلة ساينتفك أمريكان حول إعادة التوطين: هل نُعيد الماموث الصوفي فقط لنترك الأفيال تنقرض في هذه الأثناء؟ [ 37 ] إنّ العامل الرئيسي وراء انقراض معظم الأنواع في هذا العصر (بعد 10000 قبل الميلاد) هو فقدان الموائل، ولن تُعيد إعادة الأنواع المنقرضة مؤقتًا البيئة التي كانت تعيش فيها. [ 39 ]

يتحدث مؤيدو إعادة إحياء الأنواع المنقرضة، مثل جورج تشيرش ، عن فوائد محتملة عديدة. فإعادة إدخال نوع رئيسي منقرض، كالماموث الصوفي ، قد يُسهم في إعادة التوازن إلى النظم البيئية التي كانت تعتمد عليه. وقد تُحقق بعض الأنواع المنقرضة فوائد واسعة النطاق للبيئات التي كانت تسكنها، في حال عودتها. فعلى سبيل المثال، قد يتمكن الماموث الصوفي من إبطاء ذوبان التندرا الروسية والقطبية الشمالية بعدة طرق، منها التهام الأعشاب الميتة لنمو أعشاب جديدة وتجذّرها، وتفتيت الثلج دوريًا، مما يُعرّض الأرض تحته للهواء القطبي. ويمكن أيضًا استخدام هذه التقنيات لإعادة التنوع الجيني في الأنواع المهددة بالانقراض، أو حتى إدخال جينات وسمات جديدة تُمكّن الحيوانات من المنافسة بشكل أفضل في بيئة متغيرة. [ 40 ]

البحث والتكنولوجيا

عند العثور على عينة جديدة محتملة، يقوم العلماء عادةً بتحليل حالة حفظ الخلايا والأنسجة باستخدام تقنيات علم الأنسجة ، واختبار ظروف بقاء الحمض النووي. ثم يحاولون عزل عينة من الحمض النووي باستخدام التقنية الموضحة أدناه، ويجرون تضخيمًا للحمض النووي بتقنية تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) لزيادة كمية الحمض النووي المتاحة للاختبار. بعد ذلك، يتم تسلسل الحمض النووي المُضخّم. ويُحرص على التحقق من تطابق التسلسل مع السمات الوراثية للكائن الحي. [ 1 ] عند نفوق الكائن الحي، يمكن استخدام تقنية تُسمى تحديد عمر الأحماض الأمينية لتحديد عمره. تفحص هذه التقنية درجة التماثل الضوئي لحمض الأسبارتيك والليوسين والألانين داخل النسيج. مع مرور الوقت، تزداد نسبة D/L (حيث D وL هما صورتان متطابقتان) من 0 إلى 1. [ 41 ] في العينات التي تكون فيها نسبة D/L لحمض الأسبارتيك أكبر من 0.08، لا يمكن استرجاع تسلسلات الحمض النووي القديمة (حتى عام 1996). [ 42 ]

الحمض النووي للميتوكوندريا مقابل الحمض النووي النووي

رسم بياني يوضح التباين في وراثة الحمض النووي للميتوكوندريا والحمض النووي النووي
على عكس الحمض النووي النووي (يسار)، فإن الحمض النووي للميتوكوندريا يرث فقط من السلالة الأمومية (يمين).

يختلف الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA) عن الحمض النووي النووي. وهو موجود في عضيات تُسمى الميتوكوندريا في كل خلية . على عكس الحمض النووي النووي ، الذي يُورث من كلا الوالدين ويُعاد ترتيبه في كل جيل، تنتقل نسخة طبق الأصل من الحمض النووي للميتوكوندريا من الأم إلى أبنائها وبناتها. من فوائد تحليل الحمض النووي للميتوكوندريا انخفاض معدل طفراته مقارنةً بالحمض النووي النووي، مما يُسهّل تتبع السلالات على مدى عشرات آلاف السنين. بمعرفة معدل الطفرات الأساسية للحمض النووي للميتوكوندريا [ 43 ] (يُعرف هذا المعدل في البشر أيضًا باسم الساعة الجزيئية للميتوكوندريا البشرية )، يُمكن تحديد المدة الزمنية التي انفصلت فيها أي سلالتين. ميزة أخرى للحمض النووي للميتوكوندريا هي وجود آلاف النسخ منه في كل خلية، بينما لا يوجد سوى نسختين من الحمض النووي النووي في كل خلية [ 44 ] . جميع حقيقيات النوى ، وهي مجموعة تشمل جميع النباتات والحيوانات والفطريات، تمتلك الحمض النووي للميتوكوندريا. [ 45 ] من عيوب الحمض النووي للميتوكوندريا أنه لا يُمثل إلا السلالة الأمومية. فعلى سبيل المثال، يرث الطفل ثُمن حمضه النووي من كل جد من أجداده الثمانية، ولكنه يرث نسخة طبق الأصل من الحمض النووي للميتوكوندريا لجدته الكبرى من جهة الأم. وهذا يُشبه أن يرث الطفل اسم عائلة جده الأكبر من جهة الأب فقط، وليس مزيجًا من أسماء العائلات الثمانية جميعها.

عزل

هناك العديد من الأمور التي يجب مراعاتها عند عزل مادة ما. أولًا، بناءً على نوع المادة وموقعها، توجد بروتوكولات يجب اتباعها لتجنب التلوث وتدهور العينة. [ 4 ] ثانيًا، عادةً ما تتم معالجة المواد في منطقة عمل معزولة فعليًا وتحت ظروف محددة (مثل درجة حرارة ورطوبة محددتين، إلخ...) وذلك أيضًا لتجنب التلوث وفقدان العينة. [ 4 ]

بعد الحصول على المادة، تختلف طرق عزلها وتنقيها تبعًا لنوعها. يُعد استخلاص الحمض النووي من الأحافير من أكثر الطرق شيوعًا، وهناك خطوات متعددة يمكن اتباعها للحصول على العينة المطلوبة. [ 4 ] يمكن استخلاص الحمض النووي من الأحافير المحفوظة في الكهرمان من عينات صغيرة وخلطها بمواد مختلفة، ثم طردها مركزيًا ، وحضنها، ثم طردها مركزيًا مرة أخرى. [ 46 ] من جهة أخرى، يمكن استخلاص الحمض النووي من الحشرات عن طريق طحن العينة، وخلطها بمحلول منظم، ثم تنقيتها باستخدام أعمدة من الألياف الزجاجية. [ 47 ] في النهاية، وبغض النظر عن طريقة عزل العينة من هذه الأحافير، يجب أن يكون الحمض النووي المستخلص قابلًا للتضخيم . [ 4 ] [ 46 ] [ 47 ]

التضخيم

رسم بياني يوضح عملية تضاعف تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR).
تفاعل البوليميراز المتسلسل

استفاد مجال علم الأحياء القديمة الجزيئي بشكل كبير من اختراع تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) ، الذي يسمح بإنتاج مليارات النسخ من قطعة DNA من نسخة واحدة محفوظة فقط. وكان أحد أكبر التحديات حتى ذلك الحين هو الندرة الشديدة للحمض النووي المستخلص بسبب تدهوره بمرور الوقت. [ 1 ]

التسلسل

يُجرى تسلسل الحمض النووي لتحديد ترتيب النيوكليوتيدات والجينات. [ 48 ] توجد العديد من المواد المختلفة التي يمكن استخلاص الحمض النووي منها. في الحيوانات، يمكن استخدام كروموسوم الميتوكوندريا للدراسة الجزيئية. ويمكن دراسة البلاستيدات الخضراء في النباتات كمصدر أساسي لبيانات التسلسل. [ 48 ]

شجرة تطور الثدييات
شجرة تطور الثدييات

في النهاية، تُستخدم التسلسلات المُولَّدة لبناء أشجار التطور . [ 48 ] تشمل طرق مطابقة مجموعات البيانات: الاحتمالية القصوى ، والتطور الأدنى (المعروف أيضًا باسم ربط الجوار ) الذي يبحث عن الشجرة ذات أقصر طول إجمالي، وطريقة البخل الأقصى التي تجد الشجرة التي تتطلب أقل عدد من تغييرات حالة الصفات. [ 48 ] يمكن أيضًا تقييم مجموعات الأنواع المُحدَّدة داخل الشجرة لاحقًا بواسطة اختبارات إحصائية، مثل طريقة التمهيد ، لمعرفة ما إذا كانت ذات دلالة إحصائية بالفعل. [ 48 ]

القيود والتحديات

يصعب توفير الظروف البيئية المثالية لحفظ الحمض النووي في حالة جفاف الكائن الحي وانكشافه، فضلاً عن صعوبة الحفاظ على حالته حتى وقت التحليل. يتحلل الحمض النووي النووي عادةً بسرعة بعد الموت بفعل عمليات التحلل المائي الداخلية ، [ 42 ] والأشعة فوق البنفسجية، [ 1 ] وغيرها من عوامل الإجهاد البيئية.

كما وُجد أن التفاعلات مع نواتج التحلل العضوي للتربة المحيطة تُساعد في الحفاظ على المواد الجزيئية الحيوية. [ 49 ] ومع ذلك، فقد خلقت هذه التفاعلات تحديًا إضافيًا يتمثل في القدرة على فصل المكونات المختلفة لإجراء التحليل المناسب عليها. [ 50 ] كما وُجد أن بعض هذه التحللات تتداخل مع عمل بعض الإنزيمات المستخدمة أثناء تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR). [ 49 ]

أخيرًا، يُعدّ التلوث أثناء تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) أحد أكبر التحديات في استخلاص الحمض النووي القديم، وخاصةً الحمض النووي البشري القديم. إذ يمكن أن تُلوّث كميات ضئيلة من الحمض النووي البشري الكواشف المستخدمة في استخلاص الحمض النووي القديم وتفاعل البوليميراز المتسلسل. ويمكن التغلب على هذه المشاكل من خلال توخي الحذر الشديد في التعامل مع جميع المحاليل، بالإضافة إلى الأدوات الزجاجية وغيرها من الأدوات المستخدمة في العملية. كما يُفضّل أن يقوم شخص واحد فقط بإجراء عمليات الاستخلاص، لتقليل أنواع الحمض النووي المختلفة الموجودة. [ 42 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 7 ماروتا، إي.، ورولو ، ف. (يناير 2002). " علم الأحياء القديمة الجزيئي" . علوم الحياة الخلوية والجزيئية . 59 (1): 97-111 . doi : 10.1007/s00018-002-8408-8 . PMC 11337491. PMID 11846037. S2CID 6377604 .   
  2. ↑ شفايتزر، م. هـ. (أبريل 2004). "علم الأحياء القديمة الجزيئي: بعض التطورات والمشاكل الحالية" . حوليات علم الأحياء القديمة . 90 (2): 81-102 . رمز Bibcode : 2004AnPal..90...81H . doi : 10.1016/j.annpal.2004.02.001 . تاريخ الاسترجاع: 22 أبريل 2014 .
  3. ↑ شابيرو ب، هوفريتر م (يناير 2014). "منظور علم الجينوم القديم حول التطور ووظيفة الجينات: رؤى جديدة من الحمض النووي القديم". مجلة ساينس . 343 (6169) 1236573. رمز Bibcode : 2014Sci...34336573S . doi : 10.1126/science.1236573 . PMID 24458647. S2CID 1015148 .  
  4. 1 2 3 4 5 واغونر ب (2001). "علم الأحياء القديمة الجزيئي". موسوعة علوم الحياة (ملف PDF) . مجموعة نيتشر للنشر. الصفحات 1-5 . 
  5. ↑ هانت ك (17 فبراير 2021). "تسلسل الحمض النووي لأقدم حيوان ماموث عاش قبل أكثر من مليون عام" . أخبار سي إن إن . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 فبراير 2021 .
  6. ↑ كالاواي إي (فبراير 2021). "جينومات الماموث التي يبلغ عمرها مليون عام تحطم الرقم القياسي لأقدم حمض نووي قديم" . مجلة نيتشر . 590 (7847): 537-538 . Bibcode : 2021Natur.590..537C . doi : 10.1038/d41586-021-00436-x . PMID 33597786 . 
  7. 1 2 أندرسون، ل. (مايو 2023). "إطار كيميائي لحفظ خلايا الفقاريات الأحفورية والأنسجة الرخوة" . مراجعات علوم الأرض . 240 104367. Bibcode : 2023ESRv..24004367A . doi : 10.1016/j.earscirev.2023.104367 . S2CID 257326012 . 
  8. 1 2 3 ويمَن ج، فابري م، يانغ ت ر، شتاين ك، ساندر ب م، نوريل م أ، بريغز د إ (نوفمبر 2018). "التحجر يحوّل بروتينات الأنسجة الصلبة للفقاريات إلى بوليمرات غير متجانسة حلقية نيتروجينية" . نيتشر كوميونيكيشنز . 9 (1): 4741. Bibcode : 2018NatCo...9.4741W . doi : 10.1038/s41467-018-07013-3 . PMC 6226439. PMID 30413693 .  
  9. 1 2 3 4 ويمَن ج، كروفورد ج م، بريغز د إي (يوليو 2020). "الإشارات التطورية والفسيولوجية في الجزيئات الحيوية الأحفورية للحيوانات متعددة الخلايا" . ساينس أدفانسز . 6 (28) eaba6883. Bibcode : 2020SciA....6.6883W . doi : 10.1126/sciadv.aba6883 . PMC 7439315. PMID 32832604 .  
  10. 1 2 Boatman EM, Goodwin MB, Holman HN, Fakra S, Zheng W, Gronsky R, Schweitzer MH (أكتوبر 2019). "آليات حفظ الأنسجة الرخوة والبروتين في الديناصور ريكس" . التقارير العلمية . 9 (1): 15678. بيب كود : 2019NatSR...915678B . دوى : 10.1038/s41598-019-51680-1 . بمك 6821828 . بميد 31666554 .  
  11. تانغ كيو ، بانغ كيه، لي جي، تشين إل، يوان إكس، شياو إس (سبتمبر 2021). "كائنات دقيقة متطفلة عمرها مليار عام تسلط الضوء على التفاعلات البيئية التكافلية في التطور المبكر للكائنات حقيقية النواة" . أبحاث غوندوانا . 97 : 22-33 . Bibcode : 2021GondR..97...22T . doi : 10.1016/j.gr.2021.05.008 . ISSN 1342-937X . 
  12. 1 2 3 أبيلسون، بي إتش (1954). "المكونات العضوية للأحافير". حولية معهد كارنيجي في واشنطن . 53 : 97-101 .
  13. ↑ هريها س. "بيان صحفي لجائزة غروبر لعلم الوراثة لعام 2013" . مؤسسة غروبر.
  14. 1 2 de Jong EW, Westbroek P, Westbroek JW, Bruning JW (نوفمبر 1974). "الحفاظ على الخواص المستضدية للجزيئات الكبيرة التي تزيد عن 70 مير". طبيعة . 252 (5478): 63– 64. بيب كود : 1974Natur.252...63D . دوى : 10.1038/252063a0 . بميد 4139661 . S2CID 4286786 .  
  15. 12Westbroek P, van der Meide PH, van der Wey-Kloppers JS, van der Sluis RJ, de Leeuw JW, de Jong EW (1979). "Fossil macromolecules from cephalopod shells: Characterization, immunological response and diagenesis". Paleobiology. 5 (2): 151–167. Bibcode:1979Pbio....5..151W. doi:10.1017/S0094837300006448. S2CID 88664754.
  16. 12Nitecki MH (1982). Biochemical Aspects of Evolutionary Biology. Chicago: University of Chicago Press. pp. 29–91.
  17. 12Gurley LR, Valdez JG, Spall WD, Smith BF, Gillette DD (February 1991). "Proteins in the fossil bone of the dinosaur, Seismosaurus". Journal of Protein Chemistry. 10 (1): 75–90. doi:10.1007/BF01024658. PMID 2054066. S2CID 9046093.
  18. 12Kaiser J (October 2005). "Virology. Resurrected influenza virus yields secrets of deadly 1918 pandemic". Science. 310 (5745): 28–29. doi:10.1126/science.310.5745.28. PMID 16210501. S2CID 26252589.
  19. 12Rockefeller University (1 March 2007). "Ancient Retrovirus Is Resurrected". Science Daily. Retrieved 9 April 2014.
  20. 123Krause J, Fu Q, Good JM, Viola B, Shunkov MV, Derevianko AP, Pääbo S (April 2010). "The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia". Nature. 464 (7290): 894–897. Bibcode:2010Natur.464..894K. doi:10.1038/nature08976. PMC 10152974. PMID 20336068.
  21. 1 2 3 بروفر ك، راسيمو ف، باترسون ن، جاي ف، سانكارارامان س، سوير س، وآخرون . (يناير 2014). "التسلسل الجينومي الكامل لإنسان نياندرتال من جبال ألتاي" . مجلة نيتشر . 505 (7481): 43-49 . Bibcode : 2014Natur.505...43P . doi : 10.1038/ nature12886 . PMC 4031459. PMID 24352235 .   
  22. 1 2 3 كالاواي إي (ديسمبر 2013). "حمض نووي بشري يُحيّر الخبراء" . مجلة نيتشر . 504 (7478): 16-17 . Bibcode : 2013Natur.504...16C . doi : 10.1038/504016a . PMID 24305130 . 
  23. 1 2 دالتون ر (مايو 2006). "الحمض النووي لإنسان نياندرتال يُفسح المجال لاستكشاف الجينوم" . مجلة نيتشر . 441 (7091): 260-261 . Bibcode : 2006Natur.441..260D . doi : 10.1038/441260b . PMID 16710377 . 
  24. ↑ شفايتزر إم إتش، تشنغ دبليو، كليلاند تي بي، غودوين إم بي، بوتمن إي، ثيل إي، ماركوس إم إيه، فكرا إس سي (يناير 2014). "دور كيمياء الحديد والأكسجين في الحفاظ على الأنسجة الرخوة والخلايا والجزيئات من العصور الجيولوجية القديمة" . وقائع الجمعية الملكية ب: العلوم البيولوجية . 281 (1775) 20132741. doi : 10.1098/rspb.2013.2741 . PMC 3866414. PMID 24285202 .  
  25. 1 2 زيمر سي (16 نوفمبر 2015). "في سنّ، الحمض النووي لبعض الأقارب القدامى جدًا، الدنيسوفان" . نيويورك تايمز . تم الاسترجاع في 16 نوفمبر 2015 .
  26. 1 2 سوير إس، رينو جي، فيولا بي، هوبلين جيه جيه، جانساج إم تي، شونكوف إم في، وآخرون . (ديسمبر 2015). "تسلسلات الحمض النووي النووي والميتوكوندري من فردين من شعب دينيسوفان" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 112 (51): 15696-15700 . Bibcode : 2015PNAS..11215696S . doi : 10.1073 / pnas.1519905112 . PMC 4697428. PMID 26630009 .   
  27. ↑ ويمَن ج، بريغز دي إي (يناير 2022). "مطيافية رامان أداة فعّالة في علم الأحياء القديمة الجزيئي: رد تحليلي على أليون وآخرون (https://doi.org/10.1002/bies.202000295)" . BioEssays . 44 ( 2) e2100070. doi : 10.1002/bies.202100070 . PMID 34993976. S2CID 245824320 .  
  28. ↑ هيغوتشي ر، باومان ب، فرايبرغر م، رايدر أو أ، ويلسون أ س (15 نوفمبر 1984). "تسلسلات الحمض النووي من الكواجا، وهو حيوان منقرض من فصيلة الخيول". مجلة نيتشر . 312 (5991): 282-284 . Bibcode : 1984Natur.312..282H . doi : 10.1038/312282a0 . PMID 6504142. S2CID 4313241 .  
  29. 1 2 رايش د، غرين ر.إي، كيرشر م، كراوس ج، باترسون ن، دوراند إي.واي، وآخرون . (ديسمبر 2010). " التاريخ الجيني لمجموعة من أشباه البشر القدماء من كهف دينيسوفا في سيبيريا" . مجلة نيتشر . 468 (7327): 1053-1060 . Bibcode : 2010Natur.468.1053R . doi : 10.1038/nature09710 . PMC 4306417. PMID 21179161 .   
  30. ↑ بينيسي إي (مايو 2013). "التطور البشري. المزيد من الجينومات من كهف دينيسوفا تُظهر اختلاط مجموعات بشرية مبكرة". مجلة ساينس . 340 (6134): 799. Bibcode : 2013Sci...340..799P . doi : 10.1126/science.340.6134.799 . PMID 23687020 . 
  31. ↑ مونيه أ، مارشال ف، كونديمي س (مارس 2009). "هل يُعدّ الإنسان الهايدلبرغي نوعًا متميزًا؟ رؤى جديدة حول فك ماور السفلي". مجلة التطور البشري . 56 (3): 219-246 . Bibcode : 2009JHumE..56..219M . doi : 10.1016/j.jhevol.2008.12.006 . PMID 19249816 . 
  32. ↑ كارتميل م، سميث ف.هـ (2009). السلالة البشرية . جون وايلي وأولاده . ISBN 978-0-471-21491-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 21-04-2013 .
  33. 1 2 ماير إم، فو كيو، أكسيمو بيتري إيه، غلوك آي، نيكل بي، أرسواغا جي إل، وآخرون . (يناير 2014). “تسلسل جينوم الميتوكوندريا لأشباه البشر من سيما دي لوس هويسوس” (PDF) . طبيعة . 505 (7483): 403– 406. بيب كود : 2014Natur.505..403M . دوى : 10.1038 / طبيعة 12788 . بميد 24305051 . S2CID 4456221 . مؤرشفة من الأصلي (PDF) في 12 فبراير 2014.   
  34. ↑ زيمر، سي. "إعادة الأنواع المنقرضة إلى الحياة" . ناشيونال جيوغرافيك. مؤرشف من الأصل في 12 ديسمبر 2016. تم الاطلاع عليه في 26 مارس 2014 .
  35. ↑ غراي ر (31 يناير 2009). "إحياء الوعل المنقرض عن طريق الاستنساخ" . صحيفة التلغراف . مؤرشف من الأصل في 2 أغسطس 2009. تم الاطلاع عليه في 9 أبريل 2014 .
  36. ↑ تشيرش، ج. "الهندسة الجينومية الآلية المتعددة (MAGE): آلة تُسرّع التطور تُحدث ثورة في تصميم الجينوم" . معهد وايس. مؤرشف من الأصل في 12 أكتوبر 2016. تم الاطلاع عليه في 26 مارس 2014 .
  37. ١ ٢ المحررون (١٤ مايو ٢٠١٣). "لماذا تفشل الجهود المبذولة لإعادة الأنواع المنقرضة من الموت؟" . مجلة ساينتفك أمريكان . تم الاطلاع عليه في ٩ أبريل ٢٠١٤ .{{cite news}}له |last=اسم عام ( مساعدة )
  38. ↑ بيم إس إل، راسل جي جي، جيتلمان جي إل، بروكس تي إم (يوليو 1995). "مستقبل التنوع البيولوجي". مجلة ساينس . 269 (5222): 347-350 . Bibcode : 1995Sci...269..347P . doi : 10.1126/science.269.5222.347 . PMID 17841251. S2CID 35154695 .  
  39. ↑ هوجان م. "أسباب الانقراض" . موسوعة الأرض . تم الاطلاع عليه في 9 أبريل 2014 .
  40. ↑ تشيرش جي (20 أغسطس 2013). "إعادة إحياء الأنواع المنقرضة فكرة جيدة" . مجلة ساينتفك أمريكان . تم الاطلاع عليه في 9 أبريل 2014 .
  41. ↑ "المنهج: المبادئ" . مختبر تحديد عمر الأحماض الأمينية . جامعة شمال أريزونا. مؤرشف من الأصل في 14 مارس 2012. تم الاطلاع عليه في 26 مارس 2014 .
  42. بوينار ، هـ . ن.، هوس، م.، بادا، ج. ل.، بابو، س. (مايو 1996) . "تحويل الأحماض الأمينية إلى متصاوغات ضوئية وحفظ الحمض النووي القديم". مجلة ساينس . 272 ​​(5263): 864-866 . Bibcode : 1996Sci...272..864P . doi : 10.1126/science.272.5263.864 . hdl : 2060/19980202342 . PMID 8629020. S2CID 20626782 .  
  43. ↑ هين بي إم، جينو سي آر، فيلدمان إم دبليو، ماونتن جيه إل (يناير 2009). "توصيف التغير الزمني لتقديرات معدل طفرة الحمض النووي للميتوكوندريا البشرية" . علم الأحياء الجزيئي والتطور . 26 (1): 217-230 . doi : 10.1093/molbev/msn244 . PMID 18984905 . 
  44. ↑ "الحمض النووي للميتوكوندريا" . تدريب محللي الحمض النووي . برنامج العلوم في خدمة العدالة التابع للمجلس الوطني لعلوم وتكنولوجيا الأغذية. مؤرشف من الأصل في 1 فبراير 2014. تم الاطلاع عليه في 23 أبريل 2014 .
  45. ↑ لانغ، ب. ف.، غراي، م. و.، برغر، ج. (1999). "تطور جينوم الميتوكوندريا وأصل حقيقيات النوى". المراجعة السنوية لعلم الوراثة . 33 : 351-397 . doi : 10.1146/annurev.genet.33.1.351 . PMID 10690412 . 
  46. 1 2 كانو آر جيه، بوينار إتش إن (سبتمبر 1993). "عزل سريع للحمض النووي من عينات أحفورية ومتحفية مناسبة لتفاعل البوليميراز المتسلسل". تقنيات حيوية . 15 (3): 432-434 ، 436. PMID 8217155 . 
  47. 1 2 تاغليافيا إم، ماسا بي، ألبانيز آي، لا فارينا إم (29 مارس 2011). “استخراج الحمض النووي من عينات متحف Orthoptera” (PDF) . رسائل تحليلية . 44 (6): 1058-1062 . دوى : 10.1080/00032719.2010.506939 . اتش دي ال : 10447/57711 . S2CID 95380144 . 
  48. 1 2 3 4 5 هودجز إس بي، شفايتزر إم إتش. علم الحفريات الجزيئي (ملف PDF) . موسوعة علم الحفريات. الصفحات 752-754 . 
  49. 1 2 توروس ن (يونيو 1994). "الكيمياء الحيوية للحمض النووي القديم في العظام". إكسبيرينتيا . 50 ( 6): 530-535 . doi : 10.1007/bf01921721 . PMID 7517371. S2CID 27896535 .  
  50. ↑ توروس ن، ستاثوبلوس ل (1993). " [ 9 ] البروتينات القديمة في العظام الأحفورية". البروتينات القديمة في العظام الأحفورية . طرق في علم الإنزيمات. المجلد 224. الصفحات 121-129 . doi : 10.1016/0076-6879(93)24010-r . ISBN   978-0-12-182125-8PMID 8264383​​