Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Щеголев С. Ю. Разработка и визуализация больших массивов данных в таксономических и эволюционных исследованиях живой природы // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2016. Т. 16, вып. 3. С. 145-167. DOI: 10.18500/1817-3020-2016-16-3-145-167

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 297)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Биофизика и медицинская физика
УДК: 
575.8 + 524.8
DOI: 
10.18500/1817-3020-2016-16-3-145-167

Разработка и визуализация больших массивов данных в таксономических и эволюционных исследованиях живой природы

Авторы: 
Щеголев Сергей Юрьевич, Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов, ФИЦ «Саратовский научный центр РАН» (ИБФРМ РАН)
Аннотация: 

Представлены результаты работ, отражающих достижения последних лет в таксономических исследованиях организмов, и связанные с ними современные представления о биологической эволюции и происхождении жизни. Обсуждаются вклады древовидной и сетевой составляющей в топологию филогенетических конструкций с учетом преобладающей роли горизонтального переноса генов в эволюционном развитии и существовании прокариот. Излагаются подходы к практическому использованию последовательностей ДНК генов 16S рРНК в разнообразных биомедицинских (в том числе метагеномных) разработках с традиционными и нетрадиционными (большими) объемами молекулярно-генетических данных. Демонстрируются новейшие результаты молекулярно-таксономических исследований земной биоты и методы их получения. Отмечается значение современных разработок в области физики элементарных частиц и космологии для разрешения парадоксов, связанных с исчезающе малой вероятностью реализации ряда принципиальных процессов предбиологической и биологической эволюции.

Ключевые слова: 
биологическая и предбиологическая эволюция
таксономия
филогенетическое древо
горизонтальный перенос генов
16S рРНК
метагеномика
большие данные
бесконечная хаотическая инфляция
Мультивселенная.
Список источников: 
  1. Lesk A. M. Introduction to bioinformatics. Fourth edition. Oxford : Oxford University Press, 2014. 400 p. 
  2. Огурцов А. Н. Основы биоинформатики : учеб. пособие. Харьков : НТУ «ХПИ», 2013. 400 с. 
  3. Bio-Linux Overview. URL: http://environmentalomics.org/bio-linux (дата обращения: 15.04.2016). 
  4. Unipro UGENE. URL: http://ugene.net/ru (дата обращения: 15.04.2016). 
  5. Институт биоинформатики. URL: http://bioinformaticsinstitute.ru (дата обращения: 15.04.2016).
  6. Human Genome Project Information Archive 1990‒2003. URL: http://web.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/project/info.shtml (дата обращения: 15.04.2016). 
  7. Кунин Е. В. Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции. М. : Центрполиграф, 2014. 527 с. 
  8. Linde A. A brief history of the multiverse. arXiv:1512. 01203v1 [hep-th] 3 Dec 2015. URL: http://arxiv.org/abs/1512.01203 (дата обращения: 15.04.2016). 
  9. Виленкин А. Мир многих миров : Физики в поисках параллельных вселенных. М. : АСТ ; Астрель ; CORPUS, 2010. 303 с. 
  10. Сасскинд Л. Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной. СПб. : Питер, 2015. 448 с. 
  11. Costello M. J., May R. M., Stork N. E. Can we name Earth’s species before they go extinct? // Science. 2013. Vol. 339. P. 413–416. 
  12. Woese C. R., Kandler O., Wheelis M. L. Towards a natural system of organisms : Proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya // PNAS. 1990. Vol. 87. P. 4576–4579. 
  13. File : Biological classification L Pengo.svg. URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Biological_classification_L_Peng... (дата обращения: 15.04.2016). 
  14. Mora C., Tittensor D. P., Adl S., Simpson A. G. B., Worm B. How many species are there on Earth and in the Ocean? // PLoS Biology. 2011. Vol. 9, № 8. e1001127. 
  15. Global biodiversity. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Global_biodiversity (дата обращения: 15.04.2016). 
  16. NIST Big Data Program. URL: http://bigdatawg.nist.gov/home.php (дата обращения: 15.04.2016). 
  17. Zhulin I. B. Databases for microbiologists // J. Bacteriol. 2015. Vol. 197. P. 2458–2467. 
  18. Ruan Y., Ekanayake S., Rho M., Tang H., Bae S.-H., Qiu J., Fox G. DACIDR : deterministic annealed clustering with interpolative dimension reduction using a large collection of 16S rRNA sequences // BCB’12. Proceedings of the ACM Conference on Bioinformatics, Computational Biology and Biomedicine. New York : ACM, 2012. P. 329–336.
  19. Page from Darwin’s notebooks around July 1837 showing his first sketch of an evolutionary tree. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Tree_of_life_(biology)#/media/File:Darwin_Tree_1837.png (дата обращения: 15.04.2016). 
  20. Fraser-Liggett C. M. Insights on biology and evolution from microbial genome sequencing // Genome Res. 2005. Vol. 15, № 12. P. 1603–1610. 
  21. Woese C. R. Bacterial evolution // Microbiol. Rev. 1987. Vol. 51. P. 221–271. 
  22. Woese C. R. On the evolution of cells // PNAS. 2002. Vol. 99, № 13. P. 8742–8747. 
  23. Doolittle W. F. Phylogenetic classification and the universal tree // Science. 1999. Vol. 284, № 5423. P. 2124–2129. 
  24. Coenye T., Gevers D., Van de Peer Y., Vandamme P., Swings J. Towards a prokaryotic genomic taxonomy // FEMS Microbiol. Rev. 2005. Vol. 29. P. 147–167. 
  25. Puigbo P., Wolf Y.I., Koonin E. V. Search for a ‘Tree of Life’ in the thicket of the phylogenetic forest // J. Biol. 2009. Vol. 8, № 59. P. 1–17. 
  26. Дэйвисон М. Многомерное шкалирование: методы наглядного представления данных. М. : Финансы и статистика, 1988. 254 с. 161 
  27. Айвазян С. А., Бухштабер В. М., Енюков И. С., Мешалкин Л. Д. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. М. : Финансы и статистика, 1989. 607 с. 
  28. Borg I., Groenen P. Modern multidimensional scaling : theory and applications. 2nd ed. New York : SpringerVerlag, 2005. P. 207–212. 
  29. Doolittle W. F. Uprooting the tree of life // Sci. Amer. 2000. Vol. 282, № 2. P. 90‒95. 
  30. Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. М. : Мир, 1983. 352 с. 
  31. Марков А. В., Куликов А. М. Происхождение эвкариот: выводы из анализа белковых гомологий в трех надцарствах живой природы // Палеонтол. журн. 2005. № 4. С. 3. 
  32. Rivera M. C., Lake J. A. The ring of life provides evidence for a genome fusion origin of eukaryotes // Nature. 2004. Vol. 431, № 9. P. 152–155. 
  33. Кэрролл Ш. Приспособиться и выжить! ДНК как летопись эволюции. М. : АСТ ; CORPUS, 2015. 384 с.
  34. Щеголев С. Ю., Бурыгин Г. Л., Попова И. А., Матора Л. Ю. Актуальные проблемы молекулярно-генетической идентификации прокариот // Перспективы развития химических и биологических технологий в 21-м веке : материалы всерос. науч. конф. с междунар. участием (Саранск, Россия, 23‒25 сент. 2015 г.). Саранск : Референт, 2015. С. 132–137.
  35. Tkachenko O. V., Evseeva N. V., Boikova N. V., Matora L. Yu., Burygin G. L., Lobachev Y. V., Shchyogolev S. Yu. Improved potato microclonal reproduction with the plant growth-promoting rhizobacteria Azospirillum // Agron. Sustain. Dev. 2015. Vol. 35. P. 1167–1174. 
  36. Taxonomic Group. URL: http://www.ezbiocloud.net/eztaxon/taxonomic_group (дата обращения: 15.04.2016). 
  37. Oren A., Garrity G. M. Then and now: a systematic review of the systematics of prokaryotes in the last 80 years // Antonie van Leeuwenhoek. 2014. Vol. 106. P. 43–56. 
  38. Trujillo M. E., Willems A., Abril A., Planchuelo A.-M., Rivas R., Ludeña D., Mateos P. F., Martínez-Molina E., Velázquez E. Nodulation of Lupinus albus by Strains of Ochrobactrum lupini sp. nov. // Appl. Environ. Microbiol. 2005. Vol. 71, № 3. P. 1318–1327. 
  39. Biteen J. S., Blainey P. C., Cardon Z. G., Chun M., Church G. M., Dorrestein P. C., Fraser S. E., Gilbert J. A., Jansson J. K., Knight R., Miller J. F., Ozcan A., Prather K. A., Quake S. R., Ruby E. G., Silver P. A., Taha S., van den Engh G., Weiss P. S., Wong G. C. L., Wright A. T., Young T. D. Tools for the microbiome : nano and beyond // ACS Nano. 2016. Vol. 10, № 1. P. 6–37. 
  40. Chakravorty S., Helb D., Burday M., Connell N., Alland D. A detailed analysis of 16S ribosomal RNA gene segments for the diagnosis of pathogenic bacteria // J. Microbiol. Met. 2007. Vol. 69, № 2. P. 330–339. 
  41. Chun J., Rainey F. A. Integrating genomics into the taxonomy and systematics of the Bacteria and Archaea // Intern. J. Syst. Evol. Microbiol. 2014. Vol. 64. P. 316–324. 
  42. You are welcome to download the following graphic image of the Tree of Life for non-commercial, educational purposes. URL: http://www.zo.utexas.edu/faculty/antisense/downloadfilestol.html (дата обращения: 15.04.2016). 
  43. Three dimensional overview of Bacterial and Archaeal diversity. URL: http://www.ezbiocloud.net/ezgenome/status (дата обращения: 15.04.2016). 
  44. Million Sequence Clustering. URL: http://salsahpc.indiana.edu/millionseq/mina/16SrRNA_index.html (дата обращения: 15.04.2016). 
  45. Chen W., Zhang C. K., Cheng Y., Zhang S., Zhao H. A comparison of methods for clustering 16S rRNA sequences into OTUs // PLOS ONE. 2013. Vol. 8, № 8. e70837. 
  46. Binning 16S rRNA sequences (metagenomic analysis). URL: http://omictools.com/binning-16s-datasets-category (дата обращения: 15.04.2016). 
  47. The Human Microbiome Project Consortium. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome // Nature. 2012. Vol. 486, № 7402. P. 207–214. 
  48. The Human Microbiome Project Consortium. A framework for human microbiome research // Nature. 2012. Vol. 486, № 7402. P. 215–221. 
  49. The Human Microbiome. URL: http://hmpdacc.org/overview/about.php (дата обращения: 15.04.2016). 
  50. The Human Microbiome Project. Research Articles. URL: http://collections.plos.org/hmp (дата обращения: 15.04.2016). 
  51. Hug L. A., Baker B. J., Anantharaman K., Brown C. T., Probst A. J., Castelle C. J., Butterfield C. N., Hernsdorf A. W., Amano Y., Ise K., Suzuki Y., Dudek N., Relman D. A., Finstad K. M., Amundson R., Thomas B. C., Banfield J. F. A new view of the tree of life // Nat. Microbiol. 2016. Article number: 16048. P. 1–6. URL: http://www.nature.com/articles/nmicrobiol201648 (дата обращения: 15.04.2016). 
  52. CIPRES. Cyber infrastructure for Phylogenetic Research. URL: http://www.phylo.org/sub_sections/portal (дата обращения: 15.04.2016). 
  53. Щеголев С. Ю. Современные взгляды на эволюцию : о роли горизонтального переноса генов // Изв. вузов Прикладная нелинейная динамика. 2013. Т. 21, № 4. С. 43–76. URL: http://ibppm.ru/konferencii/page/2 (дата обращения: 15.04.2016).
  54. Gilbert W. Origin of life: The RNA world // Nature. 1986. Vol. 319, № 6055. P. 618. 
  55. Спирин А.С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни // Вестн. РАН. 2001. Т. 71, № 4. С. 320–328.
  56. Бактериальная палеонтология / под ред. А. Ю. Розанова. М. : ПИН РАН, 2002. 188 с. 
  57. Sharov A.A. Genetic gradualism and the extraterrestrial origin of life // J. Cosmol. 2010. Vol. 5. P. 833–842. 
  58. Стенджер В. Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса. СПб. : Питер, 2016. 432 с. 
  59. Розанов А.Ю. Когда появилась жизнь на Земле? // Вестн. РАН. 2010. Т. 80, № 5–6. С. 533–541. 
  60. Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь. 2-е изд., доп. СПб. : Наука. С.-Петерб. отд-ние, 2001. 568 с. 
  61. Sharov A. A. Genome increase as a clock for the origin and evolution of life // Biol. Dir. 2006. Vol. 1, № 17. P. 1–10. 
  62. Koonin E. V. The cosmological model of eternal inflation and the transition from chance to biological evolution in the history of life // Biol. Dir. 2007. Vol. 2, № 15. P. 1–21. 
  63. Климонтович Ю. Л. Введение в физику открытых систем // Сорос. обр. журн. 1996. № 8. С. 109–116. 
  64. Johnson A. P., Cleaves H. J., Dworkin J. P., Glavin D. P., Lazcano A., Bada J. L. The Miller volcanic spark discharge experiment // Science. 2008. Vol. 322, № 5900. P. 404. 
  65. Parker D. S. N., Kaiser R. I., Kostko O., Troy T. P., Ahmed M., Mebel A. M., Tielens A. G. G. M. Gas phase synthesis of (iso)quinoline and its role in the formation of nucleobases in the interstellar medium // Astrophys. J. 2015. Vol. 803, № 2. P. 53–62. 
  66. Линде А. Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. М. : Наука, 1990. 280 с. 
  67. Carter B. Large number coincidences and the anthropic principle in cosmology // Confrontation of cosmological theories with observational data : IAU Symposium 63. Dordrecht : Reidel, 1974. P. 291–298. (Картер Б. Совпадение больших чисел и антропологический принцип в космологии // Космология. Теории и наблюдения. М. : Мир, 1978. С. 369–380). 
  68. Weinberg S. Anthropic bound on the cosmological constant // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 59, № 22. P. 2607–2610. 
  69. Больцман Л. Лекции по теории газов. М. : Гостехиздат, 1953. 555 с. 
  70. Linde A. D. Chaotic inflation // Phys. Lett. 1983. Vol. B 129, № 3–4. P. 177–181. 
  71. Linde A. Inflationary cosmology after Planck 2013. arXiv:1402.0526v2 [hep-th] 9 Mar 2014. URL: http://arxiv.org/abs/1402.0526 (дата обращения: 15.04.2016). 
  72. Старобинский А. А. Спектр реликтового гравитационного излучения и начальное состояние вселенной // Письма в ЖЭТФ. 1979. Т. 30, № 11. С. 719–723. 
  73. Guth A. H. Inflationary universe : A possible solution to the horizon and fiatness problems // Phys. Rev. 1981. Vol. D 23, № 2. P 347–356. 
  74. Linde A. D. A new inflationary universe scenario : a possible solution of the horizon, flatness, homogeneity, isotropy and primordial monopole problems // Phys. Lett. 1982. Vol. B 108, № 2. P. 389–393. 
  75. 2014 LAUREATES. URL: http://www.kavliprize.org (дата обращения: 15.04.2016). 
  76. Linde A., Linde D., Mezhlumian A. From the big bang theory to the theory of a stationary universe // Phys. Rev. 1994. Vol. D 49, № 4. P. 1783–1826. 
  77. Timeline of the Universe. URL: http://map.gsfc.nasa.gov/media/060915/index.html (дата обращения: 15.04.2016). 
  78. Муханов В. Ф., Чибисов Г. В. Квантовые флуктуации и «несингулярная» вселенная // Письма в ЖЭТФ. 1981. Т. 33, № 10. С. 549–553. 
  79. Муханов В. Ф. Гравитационная неустойчивость во вселенной, заполненной скалярным полем // Письма в ЖЭТФ. 1985. Т. 41, № 9. С. 402–405.
  80. Vilenkin A., Ford L. H. Gravitational effects upon cosmological phase transitions // Phys. Rev. 1982. Vol. D 26, № 6. P. 1231–1241. 
  81. Linde A. D. Scalar field fluctuations in the expanding universe and the new inflationary universe scenario // Phys. Lett. 1982. Vol. B116, № 5. P. 335–339.
  82. LIGO. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. URL: https://www.ligo.caltech.edu/detection (дата обращения: 15.04.2016). 
  83. Krauss L. М. A beacon from the Big Bang // Sci. Amer. 2014. Vol. 311, № 4. P. 58–67. (Краусс Л. Маяк Большого взрыва // В мире науки. 2014. № 12. С. 22–32). 
  84. Albrecht A., Steinhardt P. J. Cosmology for grand unified theories with radiatively induced symmetry breaking // Phys. Rev. Lett. 1982. Vol. 48, № 17. P. 1220–1223. 
  85. Guth A. H. Inflation and the new era of high-precision cosmology // MIT Phys. Ann. 2002. P. 28‒39. URL: http://web.mit.edu/physics/news/physicsatmit/physicsatmit_02_cosmology.pdf (дата обращения: 15.04. 2016). 
  86. Krauss L. М., Turner M. S. The cosmological constant is back // Gen. Relativ. Gravitation. 1995. Vol. 27, № 11. P. 1137–1144. 
  87. Riess A. G., Filippenko A. V., Challis P, Clocchiatti A., Diercks A., Garnavich P. M., Gilliland R, Hogan C. J., Jha S., Kirshner R. P., Leibundgut B., Phillips M. M., Reiss D., Schmidt B. P., Schommer R. A., Smith R. C., Spyromilio J., Stubbs C., Suntzeff N. B., Tonry J. Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant // Astron. J. 1998. Vol. 116, № 3. P. 1009–1038. 
  88. Грин Б. Ткань космоса : Пространство, время и текстура реальности. М. : УРСС ; ЛЕНАНД, 2015. 608 с. 
  89. What is the Universe made of? URL: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_matter.html (дата обращения: 15.04.2016). 
  90. Сурдин В. Г., Засов А. В. Галактики : классификация, структура, население // Галактики / ред.-сост. В. Г. Сурдин. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2013. С. 208–310. 
  91. Сурдин В. Г. Вселенная от А до Я. М. : Эксмо, 2013. 480 с. 
  92. Linde A. Particle physics and inflationary cosmology // Phys. Today. 1987. Vol. 40, № 9. P. 61–68. 
  93. Planck Collaboration. Planck 2013 results. XXII. Constraints on inflation. arXiv:1303.5082v3 [astro-ph. CO] 3 Feb 2015. http://arxiv.org/abs/1303.5082 (дата обращения: 15.04.2016).
Краткое содержание:
скачать
(загрузок: 207)
  • 1703 просмотра