Ученые переписали систему классификации термитов
Термиты имеют плохую репутацию. Большинство считает их вредителями, чему способствует их недавняя реклассификация в семейство тараканов.
Однако виды, вызывающие серьезные проблемы для человека, составляют лишь 3.5% от всех видов термитов. Термиты — ключевые инженеры экосистем, поддерживающие инфраструктуру различных сред. Подобно дождевым червям, они циркулируют питательные вещества, разлагая растительный материал, и играют важную роль биотурбаторов. Подобно вспашке поля, термиты аэрируют почву, обнажают подземные питательные вещества и позволяют воде проникать в более глубокие слои — все это жизненно важно для растений.
Термиты также — образцовые строители; их насыпи остаются прохладными под палящим солнцем, что вдохновляет на создание энергонезависимых систем кондиционирования в "умной" архитектуре.
Исследование термитов, как и многие экосистемы, нуждается в прочном фундаменте. Новая система классификации термитов создана усилиями 46 исследователей со всего мира.
Их работа, основанная на консенсусе экспертов и обширном анализе данных, опубликована в Nature Communications.
"Мы разрешили неоднозначность предыдущей системы, создав модульную и очень надежную классификацию семейства термитов", — говорит ведущий автор доктор Саймон Хеллеманс из подразделения эволюционной геномики OIST.
"С этим новым 'словарем' у нас есть прочная платформа для изучения диверсификации термитов и их роли в экосистемах, а также для учета будущих открытий".
Семейство, воссоединенное через различение
Таксономия — научная классификация групп организмов — это старая дисциплина, лежащая в основе всей биологии: "Если вы хотите наблюдать что-либо в природе, вам нужно определить единицы наблюдения", — отмечает доктор Хеллеманс.
Классификация может быть произвольной, но это необходимая категоризация, позволяющая исследователям ограничивать область изучения и четко общаться.
До появления современного секвенирования ДНК различия обычно основывались на морфологическом анализе, когда организмы классифицируют по физическим характеристикам и поведению. Однако субъективность такого анализа привела к запутанному генеалогическому древу термитов. Некоторые термиты диверсифицируются очень быстро, но всего было выделено десять семейств, которым приходилось вмещать множество морфологически различных животных с неясными эволюционными связями.
Для описания отношений между сгруппированными видами используются три термина: монофилия, полифилия и парафилия. Монофилетическая группа видов имеет общего предка; полифилетические группы часто имеют общие характеристики, но не общего предка; парафилия описывает группы, включающие общего предка, а также некоторых, но не всех его потомков.
Проблема термитов (монофилетической группы в отряде тараканов) в том, что традиционная классификация характеризовалась большой долей парафилии и полифилии из-за путаницы в эволюционных отношениях.
"Благодаря обширному анализу данных и новым морфологическим исследованиям нам удалось полностью устранить парафилию и полифилию в семейном древе термитов, разделив более крупные подсемейства", — объясняет доктор Хеллеманс. — "Мы создали систему, которая может эффективно учитывать открытие новых линий, сохраняя исторические названия семейств и подсемейств. Это ключ к обеспечению стабильной номенклатуры термитов".
Каждое семейство и подсемейство в новом древе жизни термитов является монофилетическим, что проясняет эволюционные отношения между видами и значительно упрощает включение вновь обнаруженных или переклассифицированных видов.
Новое древо также подчеркивает разнообразие термитов, что позволяет добиться большей точности в исследованиях и борьбе с вредителями. Например, разрушительный вид-вредитель Coptotermes gestroi изначально был классифицирован в семействе Rhinotermitidae вместе с не-вредителем Dolichorhinotermes longilabius из-за морфологического сходства.
Однако ранние филогенетические исследования предположили, что эти два вида могут быть не близкородственными. Это подтвердилось более продвинутыми филогенетическими и морфологическими исследованиями, которые переклассифицировали C. gestroi в семейство Heterotermitidae.
Создание фундамента вместе
Переписать "словарь жизни" — непростая задача. Прежде всего, требуется консенсус — словарь бесполезен, если нет согласия по определениям.
Работа по обновлению древа жизни термитов началась во время симпозиума в OIST в 2022 году, организованного профессором Томом Бургиньоном. Подразделение предложило основу для пересмотра древа жизни, включающую как морфологические исследования, так и анализ данных с помощью суперкомпьютера OIST.
Филогенетические пересмотры систем классификации часто основаны на модели данных, расчет которой на суперкомпьютере может занимать недели. Каждое внесенное изменение требует нового запуска вычислений.
"Наша классификация основана на конвергенции 51 модели, расчет каждой из которых занимал около двух недель", — рассказывает доктор Хеллеманс. — "Это было возможно только благодаря Deigo, который позволил нам запускать анализы параллельно".
Deigo — название основного суперкомпьютерного кластера OIST, названного в честь префектурного цветка Окинавы.
"Филогенетика не может существовать сама по себе", — говорит доктор Хеллеманс.
Исследователи использовали вычислительные модели генетических маркеров для определения эволюционных связей между семействами, но модели не учитывают привычки термитов или их роль в среде обитания. Эти знания предоставили эксперты, посвятившие свою жизнь изучению этих видов.
"Даже если было сложно координировать совместный проект такого масштаба, новая система классификации термитов больше, чем сумма ее частей. Теперь у нас есть гораздо более прочная основа для изучения этих важных инженеров экосистем", — заключает доктор Хеллеманс.