سوپرکامپیوترها و رازگشایی از ریشه‌ی بشریت

 مدل‌های ژنتیک فعلی پیشنهاد می‌کند که اروپایی‌ها امروزه با 3 گروه مختلف دارای DNA مشترک هستند: اول از همه، چشم‌آبی‌های سبزه‌رو و شکارچی که حدود 4 هزار سال پیش وارد اروپا شدند؛ گروه دوم افرادی با پوست روشن بودند که با چشمان قهوه‌ای و پیشه‌ی کشاورزی شناخته می‌شوند که از خاور نزدیک حدود 7 هزار سال پیش به اروپا مهاجرت کردند؛ و گروه رازآلود سوم که به تازگی برای به اشتراک گذاشتن ژن‌های خود وارد این قلمرو شده‌اند. در هر حال هیچ‌کس به یقین نمی‌داند این گروه سوم متعلق به چه قومیتی بوده‌اند.

آن‌ها برای دستیابی به این یافته‌ها، مدل بسیار پیچیده‌ای از زاد و ولد و واگرایی جمعیتی ایجاد کرده‌اند.

اما چگونه می‌توان داده‌ها را از یک استخوان 24 هزار ساله به یک سوپرکامپیوتر فوق‌العاده مدرن منتقل کرد؟ داده‌هایی که آنقدر حجم عظیمی دارند که دانلود آن‌ها بر روی چنین سیستم قدرتمندی به یک هفته زمان نیاز داشته است. قدم اول در این فرآیند، نیازمند ایجاد یک حفره درون استخوان است. سپس باید امیدوار بود که پودر بدست آمده به اندازه‌ی کافی حاوی DNA با ارزش برای فرآیند تحلیل باشد. DNA در آب و هوای گرم و مرطوب سریعا تجزیه و نابود خواهد شد بنابراین جای تعجب ندارد که تمام نمونه‌های باستانی مورد مطالعه از مناطقی نظیر سیبری، آلمان، لوکزامبورگ، سوئد و... بدست می‌آیند. در حقیقت محققان لازم است DNA استخراج شده را درون یک فریزر با دمای 80- درجه‌ی سلسیوس قرار دهند. 

ما نمونه‌های بسیار خوبی از لوکزامبورگ و غار Stuttgart در آلمان در اختیار داریم که هر یک درصد بالایی از DNA شخص را در خود حفظ کرده‌اند. ما استخوان‌ها را یک به یک مورد آزمایش قرار می‌دهیم تا سرانجام نمونه‌ای که حاوی مقدار زیادی DNA درونی باشد را بدست آوریم. زمانی که به چنین نمونه‌ای برخورد کنیم باید بدانیم که شانس بسیاری با ما همراه بوده.

در اختیار داشتن نمونه‌های متعدد و چندگانه موجب می‌شود نرم‌افزار مربوطه به شکل ساده‌تری DNA باستانی انسان را از DNAهای بسیار متفاوت قارچ‌ها و باکتری‌ها که درون آن نفوذ کرده‌اند تشخیص دهد. دستگاه‌های توالی‌یاب با توان بالا پس از اینکه توالی ژنوم نئاندرتال‌ها در سال 2010 کشف شد موجب تحول در تحلیل‌های ژنتیک شده‌اند.

توانایی اجرای این تحلیل بر روی حجم بسیار بسیار عظیمی از مولکول‌ها بصورت همزمان بدین معنی خواهد بود که حتی اگر تنها 1 درصد DNA انسانی درون نمونه وجود داشته باشد، به مقادیر بسیار زیادی از نمونه دست یافته‌ایم. بنابراین این 1 درصد در حقیقت قسمتی از یک رقم بسیار بزرگ است. این میزان در حدی است که بتوان بوسیله‌ی آن به ساختاردهی مجدد DNA پرداخت.

اما دستگاه‌های توالی یاب، بین 10 تا 30 بار از یک نوکلئوتید نمونه‌برداری می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که خطایی رخ نداده است. اشتباه در یک توالی ممکن است موجب بی‌اثر شدن نتیجه‌ی کوهی از داده‌ها باشد. حجم داده‌های حاصل از این توالی یابی به اندازه‌ای بالا بوده و نیاز به دقت داشته که محققان ترجیح داده‌اند به جای استفاده از بستر وب، هارد درایوهای 2 ترابایتی را  از طریق پست به مراکز مورد نیاز ارسال و دریافت کنند.

در این مرحله است که سوپرکامپوتر وارد عمل می‌شود. کار شریبر این بوده که داده‌های عظیم و ترتیب داده شده در فرمت‌های مختلف را درون نرم‌افزار تحلیل DNA موسوم به Beagle وارد کند. سپس شریبر ملزم به جستجو برای یافتن مدرکی مهم دال بر ارتباط میان انسان‌های باستانی و مدرن بوده است. ژنوم یک انسان از حدود 3 میلیارد جفت واحد سازنده تشکیل شده که در افراد مختلف میلیون‌ها بخش از این واحدها متفاوت از یکدیگر است. بخاطر اینکه داده‌های حاصل از ژنوم هر شخص لازم است با ژنوم اشخاص دیگر مورد مقایسه قرار گیرد، شریبر مجبور شد از یک الگوریتم خاص بهره ببرد که دانشمندان علوم رایانه تا حد امکان از آن دوری می‌کنند. در این الگوریتم، تعداد عملیات کامپیوتری با گذر زمان با افزایش روبرو خواهد شد و برای هر N نمونه، لازم است N به توان 2 عملیات صورت گیرد. این برنامه که به مدت چند روز در حال اجرا بود بیش از 100 گیگابایت حافظه‌ی رم به فعالیت خود اختصاص داده بود.

 در کنار این همه قدرت پردازشی و مدل‌سازی پیشرفته‌ی واگرایی جمعیت، باز هم برای دستیابی به نتایج مورد نیاز به مقداری شانس نیاز است. در هنگام کار بر روی نتایج، این محققان از یک مدل تجربی برای گروه سوم استفاده کردند که حاوی توالی‌های DNA بسیار شبیه به بومیان آمریکا بود. آن‌ها دریافتند که اگر گروهی نزدیک به بومیان آمریکا بعنوان یکی از اجداد اروپایی‌های امروزی در نظر گرفته شوند، همه چیز با تناسب بیشتری از نظر آماری پیش خواهد رفت.

تقریبا در بازه‌ی زمانی مشابهی، در نوامبر سال 2013 گروهی از محققان و دانشمندان کوپنهاگن مقاله‌ای در خصوص ژنوم این پسر جوان که 24 هزار سال قدمت دارد منتشر کردند که در آن به یافته‌ی خود مبنی بر اشتراک DNA با بومیان آمریکا پرداخته بودند. زمانی که DNA این پسر درون مدل قرار گرفت، تیم محققان به نتیجه‌ی بدست آمده مطمئن شده و حاصل کار خود را در نشریه‌ی Nature به چاپ رساندند.

اروپایی‌های امروزی حداقل بخشی از DNA خود را از اوراسیایی‌های شمالی باستان به ارث برده‌اند که خود آن‌ها نزدیکی بسیاری با اجداد بومیان آمریکا داشته‌اند که از سرزمین‌های یخ‌زده و از طریق مسیر یخی ایجاد شده حدود 15 هزار سال پیش به قاره آمریکا مهاجرت کرده بودند. اوراسیایی‌های شمال باستان تنها اجداد بومیان آمریکای امروزی محسوب نمی‌شوند اما بیش از 20 درصد DNA اروپایی‌ها را نیز به ارمغان آورده‌اند.

 مطالعات دیگری نیز در حال انجام است تا بصورت دقیق‌تر مشخص شود این گروه سوم که به «جمعیت ارواح» معروف شده‌اند چه زمانی و چگونه به سمت اروپا مهاجرت کردند. انتظار می‌رود پاسخ‌های احتمالی به این مساله نیز به کمک سوپرکامپیوترها رمزگشایی شده و تا سال آینده در دسترس قرار گیرد.

ترکیب قدرتمند استخراج هنرمندانه‌ی DNA، دستگاه‌های توالی یاب فوق‌پیشرفته، و نیروی پردازشی عظیم سوپرکامپیوترها در حال ایجاد گنجینه‌ی گسترده‌ای از داده‌ها در خصوص ریشه، اصل و نسب بشریت و گونه‌ی انسان است. این پیشرفت‌ها همچنین اکتشافات گسترده‌ای در خصوص تاریخ و گذشته‌ی ما فراهم می‌کند که زمانی کاملا امر محال بود.

طی هفته‌های گذشته، تیمی از مرکز ژئوژنتیک دانشگاه کوپنهاگن به ساختاردهی مجدد DNA یک پیرمرد 37 هزار ساله پرداختند که استخوان‌های وی از جنوب روسیه بدست آمده بود. این DNA در حقیقت قدیمی‌ترین ژنوم بدست آمده‌ی اروپایی تا به این زمان محسوب می‌شود. علاوه بر این، در ماه اکتبر تیمی از انستیتو Max Planck در آلمان موفق به توالی یابی DNA یک انسان اولیه‌ی 45 هزار ساله شدند که تا کنون قدیمی‌ترین ماده‌ی ژنتیک بدست آمده از نوع بشر به حساب می‌آید.

علم و تکنولوژی روز به روز درهای جدیدی از کشف و پیشرفت را به روی آدمی باز می‌کنند... در اغلب موارد این درها، به سوی آینده هستند اما اینطور که به نظر می‌رسد، دریچه‌های رو به گذشته نیز از نظر اهمیت چیزی کم از آینده نداشته و فناوری به بهترین شکل در حال ایفای نقش خود برای اعتلای دانش بشری است. به لطف دستیابی به شیوه‌های جدید و افزایش روزافزون توان پردازشی سیستم‌های کاپیوتری، سرعت دستاوردهای جدید نیز با شتاب بیشتری افزایش می‌یابد و برای رسیدن به پاسخ پرسش‌ها، زمان کوتاه‌تری نیاز خواهد بود.