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

자연계에서 생명의 역사는 모든 생명체의 유전자에 기록되어 있지만, 그 역사를 읽는 것은 마치 일부 조각은 사라지고 다른 조각들은 서로 너무 비슷해 보이는, 부서진 꽃병을 재구성하려는 노력과도 같습니다. 종들이 어떻게 연관되어 있는지를 연구하는 과학자들에게, 클릭 딱정벌레(click beetles)로 알려진 곤충 집단은 오랫동안 특히 까다로운 수수께끼로 남아 있었습니다. 포식자로부터 도망치기 위해 몸을 튕겨 공중으로 뛰어오르는 능력으로 유명한 이 딱정벌레들은 엘라테리데(Elateridae)라고 불리는 과에 속합니다. 이 과 내에서 연구자들은 매우 빠르게, 그리고 매우 짧은 시간 간격으로 진화한 것으로 보이는 몇몇 주요 그룹, 즉 아과(subfamilies)들 사이의 관계를 정리하기 위해 수십 년을 보냈습니다. 진화가 이토록 빠르게 일어날 때, 과학자들에게 누가 누구와 관련되어 있는지를 알려주는 유전적 신호는 흐릿해지고 모순적이게 됩니다. 서로 다른 방법을 사용한 다양한 연구들은 상충하는 계통수들을 만들어냈고, 이로 인해 이 딱정벌레들의 분류는 혼란 상태에 빠졌습니다. 이들의 진화적 역사에 대한 명확한 지도가 없으면, 이 곤충들이 어떻게 다양해졌는지 이해하거나 진정한 생물학적 연결 관계를 반영하는 방식으로 이름을 붙이기가 어렵습니다.

체코 공화국의 팔라키 대학교(Palacký University) 연구진은 13종의 종을 대표하는 가장 논쟁적인 그룹들의 전체 게놈으로부터 수천 개의 유전적 마커를 분석함으로써, 전례 없는 깊이로 이 딱젤들의 유전 코드를 조사하여 이 구체적인 문제를 해결했습니다. 연구진은 작은 DNA 조각이나 물리적 특징에만 의존하는 대신, 진화적 이야기에서 실제로 명확한 부분들을 찾아내기 위해 전체 게놈의 수천 개 유전적 마커를 분석했습니다. 그들이 발견한 것은 확실성과 불확실성의 혼합이었습니다. 한편으로, 그들은 다섯 개의 뚜렷한 딱정벌레 그룹이 실제로 수백만 년 동안 존재해 온 별개의 계통임을 확인했습니다. 다른 한편으로는, 이 다섯 그룹이 서로서로 갈라진 정확한 순서가 고대의 급격한 진화로 인해 너무 깊게 뒤섞여 있어서 현재의 어떤 유전 데이터로도 이를 해결할 수 없다는 것을 발견했습니다. 연구진은 현재의 딱정벌레 분류 방식이 단순히 명확한 분지형 나무가 존재하지 않는 역사의 한 부분에 억지로 명확한 가지형 나무를 강요하고 있기 때문에 근본적으로 결함이 있다고 결론지었습니다.

이 연구는 덴드로메트리네(Dendrometrinae), 하이노디네(Hypnoidinae), 카디오포리네(Cardiophorinae), 네가스트리네(Negastriinae)라는 특정 클릭 딱정벌레 아과 클러스터에 집중했습니다. 수년 동안 과학자들은 이 그룹들이 모두 하나의 큰 과에 속하는지, 아니면 나누어져야 하는지를 두고 논쟁해 왔습니다. 오래된 유전 기술이나 물리적 특성을 사용한 이전 연구들은 서로 일치하지 않는 12개의 서로 다른 가능한 계통수를 만들어냈습니다. 어떤 연구는 한 그룹이 다른 그룹의 자매 그룹이라고 제안했고, 다른 연구는 그들을 완전히 다른 위치에 배치했습니다. 이러한 합의의 부재는 새로운 연구가 발표될 때마다 바뀌는, 이 딱정벌레들에 사용되는 과학적 명칭의 불안정성을 의미했습니다. 연구자들은 각 딱정벌레로부터 4,000개 이상의 뚜렷한 유전자를 분석하는 방대한 데이터셋을 사용하여 이러한 경쟁적인 아이디어들을 테스트하기로 했습니다. 그들은 두 가지 다른 통계적 접근 방식을 사용하여 계통수를 구축했습니다. 하나는 전체적인 유전적 신호를 통합하여 보는 방식이고, 다른 하나는 무작위적인 생물학적 사건으로 인해 개별 유전자가 고유한 역사를 가질 수 있다는 점을 고려하는 방식입니다.

결과는 알려진 것과 여전히 알 수 없는 것 사이의 명확한 패턴을 드러냈습니다. 연구진은 다섯 개의 특정 그룹이 견고하고 뚜렷한 계통임을 확인했습니다. 여기에는 오랫동안 별개의 과로 인식되어 온 카디오포리네와 네가스트리네, 그리고 덴드로메트리네라는 이름 아래 하나로 묶여 있었던 세 다른 그룹이 포함됩니다. 연구는 기존의 덴드로메트리네로 알려진 그룹이 실제로는 서로 관련이 없는 계통들의 혼합이라는 것을 보여주었습니다. 구체적으로, 연구진은 디미니(Dimini), 플라토세리니(Plastocerini), 옥시노테리니(Oxynopterini)라고 알려진 부족들이 기존에 생각했던 것처럼 핵심 덴드로메트리네 그룹과 밀접하게 관련되어 있지 않다는 것을 발견했습니다. 대신, 그들은 자신들만의 별도 분지를 형성합니다. 마찬가지로, 프로스테르티니(Prosternini) 부족 또한 다른 그룹들과 떨어져 있습니다. 모든 분석에서 일관되게 나타난 유일한 관계는 카디오포리네와 네가스트리네 사이의 강력한 파트너십이었으며, 이들은 항상 하나의 통합된 쌍으로 나타났습니다.

그러나 연구진이 이 다섯 개의 견고한 그룹이 서로 어떻게 연결되는지 파악하려고 했을 때, 데이터는 흐릿해졌습니다. 이 그룹들 사이의 분지점에 대한 유전적 신호가 너무 약하고 모순적이어서 컴퓨터 모델은 단 하나의 답을 결정할 수 없었습니다. 어떤 분석에서는 한 그룹이 다른 그룹의 가장 가까운 친척으로 나타났고, 다른 분석에서는 다른 그룹이 그 자리를 차지했습니다. 연구진은 이러한 혼란이 그들의 기술이나 방법의 실패가 아니라, 딱정벌레들의 역사가 가진 실제적인 특징이라고 판단했습니다. 이 그룹들이 매우 빠른 폭발적 진화를 겪으면서, 각 분기 사이에 고유한 유전적 변화가 축적될 시간이 거의 남지 않았던 것으로 보입니다. 불완전 계통 분류(incomplete lineage sorting)라고 알려진 이 현상은, 이 딱정벌레들의 유전적 역사가 깨끗한 분지형 나무가 아니라 조상의 선들이 서로 교차하는 엉킨 그물임을 의미합니다. 신호가 너무 노이즈가 심하기 때문에, 이 진화적 역사의 일부에 단 하나의 확정적인 계통수를 강요하는 것은 오해의 소지가 있습니다.

이러한 생물학적 현실을 고려하여, 저자들은 정확한 순서를 추측하려 하기보다 안정성과 정확성을 우선시하는 새로운 분류 체계를 제안합니다. 그들은 지원되지 않고 아마도 부자연스러운 그룹인 것으로 묘사되는 기존의 넓은 덴드로메트리네 정의를 폐기할 것을 권고합니다. 대신, 그들은 뚜렷한 계통들을 아과(subfamily)의 지위로 격상할 것을 제안합니다. 이는 옥시노테리네(Oxynopterinae)를 디미니, 플라토세리니, 옥시노테리니를 포함하는 별도의 아과로 인정하는 것을 의미합니다. 또한 프로스테르니네(Prosterninae)를 정식 아과 지위로 격상할 것을 제안합니다. 하이노디네(Hypnoidinae)는 덴드로메트리네의 자매 그룹인지, 혹은 카디오포리네와 네가스트리네 쌍의 자매 그룹인지에 대한 위치가 논쟁되어 왔으나 아과의 지위를 유지합니다. 핵심 덴드로메트리네는 셀라토소미니(Selatosomini), 덴드로메트리니(Dendrometrini), 플레오모니(Pleonomini)만을 포함하도록 재정의됩니다. 이 새로운 체계는 우리가 이 다섯 그룹이 서로 어떻게 연관되어 있는지 아직 말할 수는 없지만, 이들이 클릭 딱정벌레 가계의 다섯 개의 별개이자 주요한 분지라는 점은 확실하다는 것을 인정합니다.

연구진은 이러한 변화가 딱정벌레를 너무 많은 작은 그룹으로 나누려는 것이 아니라, 데이터가 실제로 뒷받는 내용을 반영하는 분류를 만들기 위한 것임을 강조합니다. 이 전체 클러스터는 약 4,000종의 기재된 종을 포함하고 있으며, 새로운 아과들은 약 100종의 작은 하이노디네부터 1,600종 이상의 큰 덴드로메트리네까지 다양합니다. 이 견고한 계통들에게 각각의 아과 지위를 부여함으로써, 분류는 새로운 데이터가 들어오더라도 안정적이고 변화에 강한 구조를 갖게 됩니다. 연구는 또한 크레피도메니니(Crepidomenini)라는 한 작은 그룹에 대해서는 필요한 유전 데이터가 부족하여 최종 결정을 내릴 수 없었음을 언급합니다. 이들은 더 많은 정보가 확보될 때까지 임시 보유 범주에 남겨집니다. 궁극적으로, 논문은 이 클릭 딱정벌레 가계의 구조가 현재의 이해도에서 가장 취약한 지점이며, 이는 노력의 부족 때문이 아니라 진화적 역사가 너무 빠르고 혼란스러워 명확한 유전적 흔적을 남기지 못했기 때문이라고 결론짓습니다. 제안된 해결책은 이 불확실성을 받아들이고, 명백히 실재하는 부분만을 이름 붙이는 분류 체계를 구축하는 것입니다.