The structure of the Cardiophorinae-Dendrometrinae clade (Coleoptera: Elateridae) is the weakest point of the current click-beetle phylogenetics and classification

自然界において、生命の歴史はあらゆる生物の遺伝子の中に刻まれていますが、その歴史を読み解くことは、一部の破片が失われ、他の破片が疑わしいほど似通っている、粉々に砕けた花瓶を再構築しようとする試みに似ています。種がいかに互いに親戚関係にあるかを研究する科学者にとって、クリックビートル（ゴミムシダマシの一種）として知られる昆虫のグループは、長らく特に厄介なパズルとなってきました。捕食者から逃れるために体を弾ませて空中に跳ね上がる能力で有名なこれらの甲虫は、エラテリダエ（ゴミムシダマシ科）と呼ばれる科に属しています。この科の中で、研究者たちは、非常に短期間に、かつ極めて急速に進化してきたと思われるいくつかの主要なグループ、すなわち亜科の間の関係を整理しようと数十年にわたり取り組んできました。進化がこれほど急速に起こると、通常であれば誰が誰と親戚であるかを科学者に教えてくれる遺伝子のシグナルが、ぼやけて矛盾したものになってしまうのです。異なる手法を用いたさまざまな研究が、相反する系統樹を提示しており、これらの甲虫の分類を混乱状態に陥れてきました。進化の歴史に関する明確な地図がなければ、これらの昆虫がいかに多様化したのかを理解したり、真の生物学的つながりを反映した形で命名したりすることは困難です。

チェコのパラーキー大学の研究チームは、これらの甲虫の遺伝暗号をかつてない深さで分析することにより、この特定の問題に取り組みました。DNAの小さな断片や身体的特徴だけに頼るのではなく、彼らは最も論争となっているグループを代表する13種の全ゲノムから、数千もの遺伝マーカーを解析しました。彼らの目的は、相反するデータのノイズを切り分け、実際に明確な進化の物語となっている部分を見つけ出すことでした。彼らが発見したのは、確信と不確実性の混在でした。一方で、彼らは5つの明確に異なる甲虫のグループが、実際に数百万年間にわたって存在してきた別個の系統であることを確認しました。他方で、これら5つのグループが互いにどの順番で分岐したのかは、古代の急速な進化によってあまりにも深くかき乱されており、現在のところ、いかなる量の遺伝データを用いても解決できないことを発見しました。研究者たちは、現在のこれらの甲虫の分類方法は、根本的に欠陥があると考えています。なぜなら、それは単にそのような構造が存在しない部分に対して、明確な分岐を持つ樹状構造を無理に当てはめようとしているからです。

この研究は、デンドロメトリナエ（Dendrometrinae）、ヒプノイディナエ（Hypnoidinae）、カルディオフォルナエ（Cardophorinae）、およびネガスティナエ（Negastriinae）という特定のクリックビートルの亜科のクラスターに焦点を当てました。長年、科学者たちは、これらのグループがすべて一つの大きな科の一部なのか、それとも分割されるべきなのかについて議論してきました。古い遺伝学的手法や身体的特徴を用いた従来の研究では、12通りもの異なる可能性のある系統樹が示されてきましたが、それらが一致することはありませんでした。ある研究では、あるグループが別のグループの姉妹群であると示唆し、別の研究では、それらを全く異なる場所に配置していました。この合意の欠如により、新しい研究が発表されるたびに、これらの甲虫に使用される学名は不安定に変化していました。研究者たちは、膨大な遺伝情報データセットを用いて、各甲虫から4,000以上の異なる遺伝子を解析することで、これらの競合するアイデアを検証することにしました。彼らは、全体としての結合された遺伝的シグナルを見る手法と、ランダムな生物学的イベントによって個々の遺伝子が独自の歴史を持ち得ることを考慮する手法という、2つの異なる統計的アプローチを用いて系統樹を作成しました。

結果は、既知であるものと未知のままであるものとの明確なパターンを明らかにしました。研究者たちは、5つの特定のグループが強固で明確な系統であることを確認しました。これには、長らく別個の科として認識されてきたカルディオフォルナエとネガスティエ、そしてデンドロメトリナエという名称の下にまとめられていた他の3つのグループが含まれます。研究は、かつてデンドロメトリナエとして知られていたグループが、実際には無関係な系統の混合物であることを示しました。具体的には、ディミニ、プラセセルニ、およびオキシノプテリニとして知られる族は、以前考えられていたような核となるデンドロメトリナエのグループとは密接に関連していないことが判明しました。代わりに、それらは独自の枝を形成しています。同様に、プロステルニニの族も他とは一線を画しています。すべての解析を通じて一貫して現れた唯一の関係は、カルディオフォルナエとネガスティエの間の強いパートナーシップであり、これらは常に単一の結束したペアとして現れました。

しかし、研究者たちがこれら5つの強固なグループが互いにどのように適合するかを調べようとすると、データはぼやけてしまいました。これらのグループ間の分岐点における遺伝的シグナルは非常に弱く矛盾していたため、コンピュータモデルは単一の答えを決定することができませんでした。ある解析では、あるグループが他のグループに最も近い親戚として現れ、別の解析では、別のグループがその位置を占めました。研究者たちは、この混乱は彼らの技術や手法の失敗ではなく、甲虫の歴史における真の特性であると判断しました。これらのグループは非常に急速なバーストの中で進化したため、各分岐の間にユニークな遺伝的変化が蓄積するための時間がほとんど残されていなかったようです。「不完全な系統選別（incomplete lineage sorting）」として知られるこの現象は、これらの甲虫の遺伝的歴史が、きれいな分岐樹ではなく、祖先の線が互いに交差する絡み合ったウェブであることを意味しています。シグナルがこれほどノイズだらけであるため、この進化の歴史に対して単一の決定的な系統樹を強制することは、誤解を招くことになります。

この生物学的現実を鑑みて、著者らは、正確な分岐の順序を推測することよりも、安定性と正確さを優先する新しい分類体系を提案しています。彼らは、支持されておらず、おそらく不自然なグルーピングであると説明される、古い広範なデンドロメトリナエの定義を放棄することを推奨しています。代わりに、彼らは明確な系統を亜科の階級へと昇格させることを提案しています。これは、ディミニ、プラセセルニ、およびオキシノプテリニを含む独立した系統としてオキシノプテリナエを認めることを意味します。また、プロステルニナエを完全な亜科の階級に引き上げることも提案しています。ヒプノイディナエは、デンドロメトリナエの姉妹群であるか、あるいはカルディオフォルナエとネガスティエのペアの姉妹群であるかという議論があったため、その地位を維持しています。核となるデンドロメトリナエは、セレトソミニ、デンドロメトリニ、およびプレオミニの族のみを含むように再定義されました。この新しいシステムは、これら5つのグループが互いにどのように関係しているかはまだ言えないものの、これらがクリックビートル科の樹における5つの別個の主要な枝であることは確実であるということを認めています。

研究者たちは、この変更は甲虫をあまりにも多くの小さなグループに分割することではなく、データが実際に支持しているものを反映した分類を作成することであると強調しています。このクラスター全体には約4,000種が記載されており、新しい亜科は、約100種を持つ小さなヒプノイディナエから、1,600種を超える大きなデンドロメトリナエまで多岐にわたります。これらの強固な系統にそれぞれ独自の亜科の地位を与えることで、分類は安定し、新しいデータが入ってきたとしても将来の変化に対して耐性を持つようになります。また、本研究は、クレピドメニニという一つの小さなグループについては、必要な遺伝データが不足しているため、最終的な決定を下せなかったことを記しています。これらは、さらなる情報が入手できるまで、一時的な保留カテゴリーに残されています。最終的に、論文は、この部分のクリックビートルの系統樹の構造が、努力が不足しているからではなく、進化の歴史そのものがあまりにも急速で混沌としていたために、明確な遺伝的痕跡を残さなかったために、現在の理解における最も脆弱な点であると結論付けています。提案されている解決策は、この不確実性を受け入れ、紛れもなく存在する樹の部分のみを命名する分類を構築することです。