علوم وتكلنولوجيا وفضاء
تحليل الحمض النووي يكشف عن جنس نباتات مختبئة بالعالم
مصر: ايهاب محمد زايد
تعمل بيانات التسلسل الجيني على تغيير الطريقة التي يفكر بها علماء النبات في مخططات التصنيف الخاصة بهم. نتج تغيير اسم نبات منزلي شائع مؤخرًا عن اكتشاف أنه ينتمي إلى جنس تم التغاضي عنه.
Thaumatophyllum bipinnatifidum في الحدائق النباتية الملكية ، كيو
هذه العينة الجميلة التي تنمو في الحدائق النباتية الملكية Kew هي Thaumatophyllum bipinnatifidum. حتى وقت سابق من هذا العام ، تم تصنيفها كجزء من جنس فيلوديندرون. جاء التغيير في تصنيف النبات مع فهم عميق لمدى اختلافه عن معظم أعضاء فيلوديندرون ، لا سيما على المستوى الجيني.
لقرون ، استخدم علماء الأحياء التصنيف لفرز الكائنات الحية إلى مجموعات بناءً على المظهر والسلوك والتصورات الأخرى للهوية. لقد قاموا بتعميد النباتات والحيوانات ذات الحدين المتجذر في اللاتينية واليونانية والتي غالبًا ما تشير إلى سماتها العيانية المميزة. إلى جانب فائدتها في تحديد الهوية ، تعكس هذه التصنيفات وخيارات الأسماء النظريات السائدة حول العلاقات بين أشكال الحياة ، وما هي الفروق ذات المغزى في تنظيم الطبيعة.
إنه لأمر مدهش أن الفئات التصنيفية للنباتات التي تم إنشاؤها منذ مئات السنين – غالبًا ما تعتمد فقط على عينات أعشاب مجففة ومتغيرة اللون ومسطحة والتي بالكاد تشبه نظيراتها الحية ، وأحيانًا تستند إلى ما لا يزيد عن الرسم – تم تأكيدها من خلال المعايير الجينية الحديثة على أنها في كثير من الأحيان كما فعلوا. ومع ذلك ، لا تزال هناك استثناءات مهمة ، حتى بالنسبة للنباتات المألوفة جدًا التي قد تراها كل يوم في منزلك ، وهي تشهد على التأثير القوي للبيولوجيا الجزيئية والتقنيات الأخرى في علم اللاهوت النظامي الحديث.
ضع في اعتبارك حالة عينة شائعة معينة من نبات استوائي كبير المظهر بأوراق مسننة قد تعرفها باسم شجرة لاسي فيلوديندرون ، أو مثل فيلوديندرون ذو الأوراق المنقسمة. ولكن يمكن أن تشير الأسماء الشائعة غالبًا إلى عشرات النباتات ، لذلك إذا كنت عالم نباتًا أو خبيرًا جادًا في النباتات ، فربما يكون اسمها العلمي Philodendron bipinnatifidum (أو مرادفه P. سيلوم) مناسبًا لك.
يشير الجزء الأخير من الاسم P. bipinnatifidum إلى أنواع النبات (المجموعة الأكثر تحديدًا التي يمكن وضعها فيها) ، ولكنه يصف أيضًا بعض خصائصها. الكلمة عبارة عن مزيج من مكرر ، بمعنى “مرتين” أو “ضعف” ؛ صيوان ، “ريشة” ؛ و findo ، وتعني “الانقسام” – يليق بمجموعة من النباتات ذات الأوراق المتماثلة ثنائية الأطراف ، والريشية ، والمنقسمة.
يشير Philodendron إلى الجنس: مجموعة أوسع تشمل العديد من الأنواع ، مشتقة من الفيلوس اليوناني ، “الحب” ، و déndron ، أو “الشجرة” ، ربما لأن العديد من هذه النباتات في الطبيعة تقضي معظم حياتها في تسلق الأشجار. ينتمي فيلوديندرون بدوره إلى عائلة تصنيفية أكبر تسمى Araceae ، والتي تشمل جميع النباتات التي تم تسميتها منذ العصور القديمة aroids: نباتات استوائية مورقة مع مجموعات من الزهور الصغيرة متعددة السلالات التي تنمو على هيكل شائك يسمى spadix ، مغلف بورقة معدلة يسمى spathe. حتى الشخص الذي لم يسبق له أن رأى P. bipinnatifidum ولكنه يعرف أهمية تصنيفها قد يختارها من مجموعة متنوعة من النباتات الأخرى لأن اسمها متجذر في مظهرها وعاداتها.
الإزهار Thaumatophyllum bipinnatifidum
ما يبدو للوهلة الأولى كزهرة على T. bipinnatifidum هو في الحقيقة إزهار: عدد كبير من الأزهار الصغيرة تنمو على هيكل شائك يسمى spadix ومغلف بشكل وقائي بورقة معدلة ، spathe.
الإزهار T. bipinnatifidum ، الرسم
تساعد التفاصيل المجهرية للتركيبات في الأزهار الفردية على Spadix علماء النبات على تمييز هذا النوع من النباتات عن تلك الموجودة في جنس Philodendron.
كاسيا ساكوراجي ، الجامعة الفيدرالية في ريو دي جانيرو.
ولكن ماذا يعني عندما يتغير اسم الشيء الذي اعتقدنا جميعًا أننا نعرفه ، مثل P. bipinnatifidum ، فجأة؟
في بعض الأحيان ، يكون تغيير الاسم غير مهم: لا تزال الوردة وردة. في حالة هذا الريش Philodendron ، ومع ذلك ، فقد تغير شيء مهم: عمق المعرفة حول النبات. فيلوديندرون بيبيناتيفيدوم شوت ex Endl. أطلق عليه عالم النبات النمساوي هاينريش فيلهلم شوت اسمه في أوائل القرن التاسع عشر ، وصادق عليه صديقه والمعاصر ستيفان لاديسلاوس إندليشر في عام 1837.
(الجزء الأخير من الاسم العلمي الكامل يكرمهم.) في ذلك الوقت ، كان على علماء النبات أن يفعلوا ذلك. تعتمد حصريًا على علم التشكل ، دراسة أشكال الكائنات الحية ، عند ملء الفئة الغامضة من جنسها. ومع ذلك ، فإن الجنس هو درجة مهزوزة بشكل محبط على السلم التصنيفي ، ولم يتم تعريفه بحدة على أنه الأنواع (التي تطرح تحدياتها الخاصة) ، ولكنها لا تزال أقل اتساعًا من الأسرة.
على الرغم من أن علماء الأحياء يختلفون أحيانًا حول كيفية تعريف الأنواع أو ما إذا كان تعريف موحد ينطبق على جميع الكائنات الحية ، فإن الأنواع موجودة في الطبيعة كمجموعات من الكائنات الحية الحقيقية. الجنس ، مثل الأنواع الأخرى ذات الرتبة الأعلى ، يحتاج إلى الاستدلال عليه من الأدلة المتاحة ، وبالتالي فهو أكثر تجريدية قليلاً ، وعرضة للمعلومات غير الكاملة والأحكام الذاتية.
اليوم ، ومع ذلك ، فإن البيولوجيا الجزيئية تساعد في وضع تعريفات الأجناس (جمع الجنس) على أرضية أكثر صلابة. بدأت التقنيات الرقمية أيضًا في تسهيل التعرف على العينات النادرة وتصنيفها بشكل موثوق في المناطق النائية. تقدم إعادة التخصيص الأخيرة لـ P. bipinnatifidum إلى جنس جديد لمحة مفيدة عن القوى التي عملت بهدوء على تحويل التصنيف والنظاميات.
تعود كلمة جنس ، التي تعني “نوع” أو “مخزون” ، إلى اللغة اللاتينية في القرن السادس عشر على الأقل. كان عالم النبات السويسري غاسبار بوهين من أوائل من استخدم هذا المصطلح. في نصه من عام 1620 ، Pinax theatri botanici (المعرض المصور للنباتات) ، الذي حدد فيه بوهين آلاف الأنواع النباتية ، ميز بوضوح بين الأجناس والأنواع.
لم يكن الأمر كذلك إلا بعد ما يقرب من قرن من الزمان ، ومع ذلك ، تم تعريف هذا الجنس علميًا للنباتات من قبل عالم النبات الفرنسي جوزيف بيتون دي تورنفورت. في كتابه عام 1694 Eléments de botanique ، ou Méthode pour Recnaître les Plantes ، قام بتجميع ما يقرب من 7000 نوع من النباتات في حوالي 700 جنس. على الرغم من أن تعريف Tournefort ، استنادًا إلى مورفولوجيا الزهور والفاكهة ، وجد لاحقًا أنه سطحي ، إلا أن الكتاب كان شائعًا واستمر علماء النبات في استخدام الأسماء التي حددها Tournefort.
كارل لينيوس ، الذي غالبًا ما يُرحب به باعتباره والد التصنيف الحديث ، قام بنشر كلمة جنس بشكل أكبر ، في منتصف الطريق خلال القرن الثامن عشر. احتفظ لينيوس بالعديد من الأسماء الأصلية لبوهين عند تطوير نظام التصنيف الخاص به ، ولا يزال بعضها قيد الاستخدام حتى اليوم. (يتم إحياء ذكرى بوهين بشكل ملائم مع اسمه بوهينيا ، وهو جنس من الأشجار المزهرة داخل عائلة الفاصوليا ، فاباسي).
لكن الكثير قد تغير منذ أيام علماء الطبيعة الأصليين. غيرت الأهمية المتزايدة لنظرية التطور في علم الأحياء الغرض من التصنيف. بدأ التصنيف ببساطة كطريقة لتسمية الكائنات الحية وفهرستها بالشكل ، وغالبًا ما يتمشى مع الفلسفات حول “سلسلة كبيرة من الوجود” ، التسلسل الهرمي الإلهي الذي يحتفظ بكل أشكال الحياة. ومع ذلك ، يريد علماء الأحياء اليوم أن تعكس علم اللاهوت النظامي والتصنيفات ما هو مفهوم عن التاريخ التطوري ، أو علم التطور ، والعلاقة بين المجموعات المختلفة.
عندما تنمو أنواع Thaumatophyllum ، فإنها تتساقط الأوراق وتخلق نوعًا من الجذع (أعلى) يسمح لها بالتنافس على ضوء الشمس دون تسلق الأشجار بنفس الطريقة التي يقوم بها الفيلوديندرون. التفاصيل الموجودة في “الجذع” وأوراق هذه الأنواع مهمة لتمييزها عن الأجناس الأخرى ، لكن العديد من الأنواع تشترك في أشكال أوراق متشابهة عبر الأجناس وتغير شكل أوراقها أثناء نضجها (حتى أن بعضها يصبح غير معروف مثل نفس النوع). وبالتالي فإن الإزهار مقياس أكثر موثوقية.
نشأت أيضًا تطورات مذهلة من قدرات علماء الأحياء الحديثة المحسّنة تقنيًا على اكتشاف السمات المجهرية والجزيئية للحياة التي كانت مجهولة من قبل. نظرًا لاكتشاف الحمض النووي واختراع تقنيات التصوير المتقدمة ، أصبح لفئة الجنس الآن دور أكثر وضوحا وتم التحقق من صحته بشكل موضوعي: فهي تسمح بتجميع الكائنات الحية ضمن شجرة عائلة مشتركة بناءً على نسبها التطورية بدلاً من مجرد المظهر الخارجي.
بسبب هذه الأفكار المستندة إلى الحمض النووي ، تم نقل Philodendron bipinnatifidum (مع عدد من الأنواع الأخرى ذات الصلة الوثيقة) إلى جنس جديد وأصبح Thaumatophyllum bipinnatifidum. تغير تصنيف جنسها من “عاشق الأشجار” إلى “ورقة معجزة”. قد يبدو هذا اختيارًا غريبًا ، نظرًا لأن النباتات في هذا الجنس تتساقط أوراقها أثناء نموها للأعلى ، مما يخلق جذعًا يشبه الشجرة. لكن تغيير الاسم يساعد في تمييز هذه المجموعة من النباتات عن العديد من أقربائها البعيدين الذين يتسلقون الأشجار للاقتراب من ضوء الشمس.
Thaumatophyllum bipinnatifidum في حدائق غلاسكو النباتية
تنمو عينة من Thaumatophyllum bipinnatifidum (أعلى وأسفل) بالقرب من المياه في حدائق غلاسكو النباتية في اسكتلندا. يستخدم العديد من الجذور القوية لإنشاء قاعدة حول السكة الحديدية والمنصة ، تمامًا كما يفعل أعضاء هذا الجنس في الطبيعة.
جذور Thaumatophyllum bipinnatifidum
فيلوديندرون يتسلق جدارًا في دفيئة
أعلاه ، تستخدم عدة أنواع من فيلوديندرون جذورها بشكل مختلف تمامًا ، لتسلق جدار في دفيئة فلوريدا.
ثوماتوفيلوم ليس اسمًا جديدًا على الإطلاق. لسنوات عديدة ، كان جنسًا غريبًا يتألف من نوع واحد – Thaumatophyllum spruceanum ، سمي على اسم ريتشارد سبروس ، عالم النبات الذي جمعه في منطقة الأمازون في عام 1851. حتى شجرة التنوب نفسه لم يكن واثقًا من أنه وصفه بشكل صحيح: في كتابه الصادر عام 1860 ، Prodromus Systematis Aroidearum ، يجلس وصفه للنبات تحت عنوان “Aroidea dubia” – “مشكوك فيه أنه aroid.”
عينة المعشبة الأصلية لريتشارد سبروس من Thaumatophyllum spruceanum
العينة الأصلية من Thaumatophyllum spruceanum التي جمعها Richard Spruce في منطقة الأمازون عام 1851 ، والتي كانت لعقود من الزمن العضو الوحيد في جنس Thaumatophyllum ، محفوظة في Royal Botanic Gardens Kew في لندن. لا يزال جمع عينات الأعشاب مثل هذه والمحافظة عليها ممارسة مهمة في علم النبات.
.
في عام 1979 ، أحرزت Graziela M. Barroso ، التي كانت عالمة نباتات بارزة في جامعة برازيليا وأبرز خبراء التصنيف البرازيليين ، وسيمون جوزيف مايو ، أمين مجموعات Araceae في المعشبة في Royal Botanic Gardens Kew ، تقدمًا عندما اكتشفوا أن العينة الأصلية لـ Spruce كانت متطابقة مع نوع آخر من أنواع الآرويد المتنازع عليها ، Philodendron goeldii. قاموا بنقل النبات إلى فيلوديندرون subgenus Meconostigma.
تركت إعادة التصنيف هذه ثوماتوفيلوم كمرادف لفيلوديندرون ، وكان عليها الانتظار عدة عقود أخرى لتصبح ذات صلة مرة أخرى. الأدوات اللازمة للتعمق أكثر في تحليل بيانات النشوء والتطور لن تكون موجودة حتى التسعينيات.
في الآونة الأخيرة ، ظهرت رؤى جديدة من مجموعة بحثية بقيادة كاسيا ساكوراجي في الجامعة الفيدرالية في ريو دي جانيرو. تعمل مجموعة ساكوراجوي على تعميق قاعدة المعرفة حول نباتات فيلوديندرون هذه ، بما في ذلك رؤى جديدة حول سماتها البيئية والجغرافية والصرفية.
في وقت مبكر من هذا العام ، أكدت أدلة الحمض النووي ما يمكن أن تلمح إليه السمات التي يمكن ملاحظتها للنباتات فقط: أظهرت التسلسلات الجينية المقابلة التي تم تحليلها ووضعها في cladograms (والتي هي في الأساس أشجار عائلية للمجموعات التصنيفية) أن الأنواع في Meconostigma تشكل فرعًا متميزًا يستدعي العلاج على أنه جنس جديد منفصل عن فيلوديندرون.
وفقًا لمايو ، هناك “مبرر قوي” للاعتراف بمجموعة من الأنواع على أنها تشكل جنسًا جديدًا عندما يمكن للتحليلات الجزيئية القوية إحصائيًا تحديد هذه الأنواع على أنها “أحادية النمط” ، أو لها سلف مشترك ، ولها خصائص شكلية مميزة. في هذه الحالة ، نظرًا لأن الأنواع المعروفة باسم P. spruceanum / goeldii كانت جزءًا من تلك المجموعة ، أعاد الباحثون إحياء اسم Thaumatophyllum ، لأنه كان جنسًا معترفًا به في الأدبيات الصالحة. احتفظت الأنواع الفردية بالكلمة الثانية من ذات الحدين من أجل البساطة.
بهذه الطريقة ، نقلت الاكتشافات الجزيئية لساكوراجي مجموعة كاملة من النباتات إلى جنس جديد. على الرغم من أن البيانات الجزيئية تستغرق وقتًا وجهدًا كبيرين لجمعها ، إلا أن العملية أصبحت الآن شائعة وضرورية في العمل المنهجي. أوضح مايو عبر البريد الإلكتروني أن “اقتراح ترتيبات جديدة للأنواع في الأجناس أو الجينات الفرعية فقط مع وجود دليل مورفولوجي لم يعد مناسبًا من قبل العديد من خبراء التصنيف”. “[M] البيانات الأولية وتحليلها توفر أقوى دليل.”
كان تصنيف Philodendron bipinnatifidum قيد المناقشة لأكثر من 100 عام. لقد أثبت الباحثون الآن أنه ينتمي إلى نفس الجنس مثل Thaumatophyllum الأصلي ، T. spruceanum. أصبح جنس Thaumatophyllum غير ضروري في عام 1972 ولكن تم إحيائه في مايو 2018 بفضل التقنيات الجديدة ودليل الحمض النووي.
كما أدى ظهور طرق التحليل الجزيئي إلى فتح إمكانية ما يسمى بـ “الترميز الشريطي” للحمض النووي: استخراج مقتطفات قصيرة ولكن نهائية من الحمض النووي للكائن لاستخدامها كمعرف لهذا النوع. لا يزال التشفير الشريطي تقنية جديدة ، لكنه واعد. يجب أن يوفر لعلماء التصنيف ليس فقط طريقة أخرى لتصنيف النباتات ، ولكن أيضًا طريقة لتحديد العينات بناءً على مقارنات مع الرموز الشريطية النموذجية الحالية. من الناحية المثالية ، ستلغي هذه الرموز الشريطية الحاجة إلى عينة نباتية حية أو مزهرة أو مثمرة لإجراء تقييم دقيق. باستخدام عينة من الأنسجة فقط ، يمكن تحليل الحمض النووي للعينة رقميًا ومقارنته بأي موارد موجودة على مستوى العالم.
على الرغم من أن التحليل الجزيئي التصنيفي قد تحول من غير موجود إلى إلزامي ، إلا أن التكنولوجيا لم تحل بعد محل الموهبة البشرية للتعرف على الأنماط. لا تزال الطرق التقليدية لتحديد وتصنيف الكائنات الحية جزءًا من العملية ، ولا تزال عينات الأعشاب تستخدم لأغراض الأرشفة والدراسة. يوجد لدى العديد من المؤسسات الآن برامج رقمنة تقوم بمسح عينات نباتية مادية وإضافة البيانات الوصفية المصاحبة إلى السجلات عبر الإنترنت ، مما يسهل على أي شخص في جميع أنحاء العالم العثور على هذه العينات. الرسوم التوضيحية لا تزال تخدم غرضًا. يمكن للرسام النباتي فصل وإبراز الأجزاء المهمة من النباتات التي قد يصعب رؤيتها في النسخة المسطحة من الحياة التي يمكن للكاميرا أو الماسح الضوئي عرضها.
لا يزال التصنيف يعتمد أيضًا على المهارات الحسية والتحليلية لعالم النبات. لا يزال يتعين تحديد النباتات على أساس سماتها المورفولوجية وأنماط نموها وسلوكياتها الأخرى ، فضلاً عن توزيعها البيئي والجغرافي. (من المحتمل ألا يكون النبات الغامض الموجود في بيرو من نفس النوع الذي ينتمي إليه أحد مواطني ماليزيا ، بغض النظر عن مدى تشابهها).
تُظهر هذه الخريطة أين تم العثور على Thaumatophyllum bipinnatifidum وجمعه علماء النبات. بشكل عام ، يمكن العثور على هذا الجنس والفيلوديندرون بشكل طبيعي فقط في أمريكا الجنوبية وغالبًا في السافانا الاستوائية الشاسعة والمتنوعة بيولوجيًا والتي تسمى Cerrado ، والتي تمتد عبر وسط البرازيل. الفرضية الحالية هي أن معظم أنواع Cerrado Thaumatophyllum تطورت وانفصلت عن أسلاف الفيلوديندرون الأطلسي من أواخر العصر الميوسيني إلى العصر البليوسيني ، منذ ما يقرب من ثلاثة إلى خمسة ملايين سنة.
يمتلك الكروات عقودًا من تحديد هوية الروبوت وجمعها والبحث عنها ، بعد أن ساهم بعينات لا حصر لها في المعشبات في جميع أنحاء العالم. “العيب الحقيقي لبصمات الحمض النووي ،” وفقًا لكروات ، “هو أنه بينما يعمل هذا على فصل الأصناف المختلفة ، فإنه منفصل تمامًا عن عملية التسمية. يمكن أن يخبرك أن لديك 20 نوعًا مميزًا وربما حتى أربعة أنواع ، لكنها لن تقدم اسمًا لأي منها “.
تسلسل الحمض النووي للعديد من أنواع ثوماتوفيلوم – T. adamantinum و bipinnatifidum و solimoesense و spruceanum – مقدمة من Cassia Sakuragui من الجامعة الفيدرالية في ريو دي جانيرو.
ثوماتوفيلوم أدامانتينوم
ثوماتوفيلوم بيبيناتيفيدوم
ثوماتوفيلوم سوليموسينس
هذه الأنواع الثلاثة من Thaumatophyllum – T. adamantinum و T. bipinnatifidum و T. solimoesense – متمايزة شكليًا لدرجة أنه حتى غير المحترفين يمكنهم التعرف عليها كأنواع مختلفة. ومع ذلك ، سيكون تمييز الحمض النووي الخاص بهم أكثر صعوبة في لمحة.
لكنه ليس بأي حال من الأحوال ضد التكنولوجيا. الكروات هو من دعاة التصوير الرقمي في هذا المجال ويهتم باستخدام صور العينات بالاقتران مع الذكاء الاصطناعي لإنشاء نظام يمكنه التعرف على النباتات تلقائيًا بنفس السهولة التي تستطيع بها خوارزميات الوسائط الاجتماعية التعرف على الوجوه البشرية.
كتب ستيفن باسكاوف ، أخصائي معالجة البيانات والمحاضر الرئيسي السابق في علم الأحياء بجامعة فاندربيلت ، بحثًا مع بروس كيرشوف ، الذي يدرس مورفولوجيا النبات في جامعة نورث كارولينا في جرينبورو ، يصف مجموعة من المعايير التي يمكن استخدامها في التقاط صور للنباتات الحية ليتم أرشفتها كعينات. مثل الكروات والمايو ، يعتقد باسكاوف أن التقنيات الحديثة ستعزز الممارسات النباتية الحالية. يمكن أن تكون البلدان والمتنزهات الوطنية صارمة للغاية بشأن جمع العينات الحية وأحيانًا تحظرها تمامًا ، ولكن يُسمح بالصور. يقول باسكاوف إنه إذا تمكن العلماء المواطنون من إضافة صور ومعلومات عالية الجودة إلى قاعدة بيانات (قاعدة مثل iNaturalist ، لكنها أكثر قوة وصرامة) ، فقد يساعد ذلك علماء النبات على توسيع المعرفة حول الأنواع على مستوى العالم.
ستستمر نظريات وممارسات علم اللاهوت النظامي والتصنيف في التحول استجابة للتقنيات التي تتحسن باستمرار والتي تسمح لنا باستكشاف الطبيعة بطرق لا يمكن التنبؤ بها وعلى مستويات أكبر من التكبير والتفاصيل الجزيئية. إنه ضمن عالم الاحتمال أن بعض الاكتشافات المستقبلية يمكن أن تغير حدين نبات “الشجرة اللاصقة” مرة أخرى. لكن في الوقت الحالي ، من قام منا بتحديث بطاقة الهوية الخاصة بنا. يمكن أن تضع العلامات إلى Thaumatophyllum bipinnatifidum بعيدًا طوابعنا و Sharpies.
تابعنا على
