Видов насекомых на Земле может быть в три раза больше: как математика помогла раскрыть реальный масштаб биосферы

Один из важных вопросов биологии заключается в определении точного количества видов, населяющих нашу планету. Если разнообразие позвоночных животных — птиц, млекопитающих, амфибий, изучено относительно подробно, то в оценке численности беспозвоночных до сих пор существуют огромные пробелы. За последние 250 лет систематических наблюдений ученые описали около одного миллиона видов насекомых. Однако исследователи сходятся во мнении, что эта цифра представляет собой лишь малую часть их реального разнообразия.

В работе, опубликованной в научном журнале PNAS, международная группа экологов и генетиков представила новые расчеты глобального разнообразия класса насекомых. На основе многолетних исследований в Центральной Америке, применения технологий высокопроизводительного секвенирования ДНК и теории вероятностей авторы пришли к выводу, что реальное число видов насекомых на Земле составляет от 14 до 20 миллионов. Это значение значительно превышает устоявшийся в научной среде консенсус в 6 миллионов видов.

Содержание

• Почему классические методы инвентаризации зашли в тупик
• Проблема недоучета редких видов в экологии
• Эксперимент в Коста-Рике: масштаб и методология
• Технология ДНК-штрихкодирования вместо визуальной классификации
• Математическая модель скрытого разнообразия
• Калибровка модели на осах-паразитоидах
• Экстраполяция данных на глобальный масштаб
• Почему полученная оценка остается консервативной
• Значение исследования для современной науки

Почему классические методы инвентаризации зашли в тупик

Классический подход к описанию новых видов основан на морфологическом анализе. Энтомолог должен вручную собрать насекомых, зафиксировать их, изучить под микроскопом анатомическое строение, сравнить полученные данные с уже описанными видами и составить подробное научное описание. Этот процесс требует высокой квалификации, занимает недели или месяцы для каждого отдельного таксона и физически ограничивает скорость работы ученых. Учитывая дефицит специалистов по редким группам насекомых, традиционная систематика не способна справиться с инвентаризацией биоты в глобальном масштабе.

В 1982 году американский исследователь Терри Эрвин предпринял попытку обойти это ограничение. Он использовал метод обработки крон деревьев инсектицидным аэрозолем в тропическом лесу Панамы. Собрав упавших жесткокрылых (жуков) с девятнадцати деревьев одного вида (Luehea seismannii), Эрвин экстраполировал данные на глобальный уровень. Он предположил, что большинство видов насекомых строго привязаны к определенным видам растений, и оценил общее разнообразие членистоногих планеты в 30 миллионов видов.

Работа Эрвина вызвала большую дискуссию. Коллеги справедливо указали на то, что уровень пищевой специализации тропических насекомых был сильно завышен, а выборка из девятнадцати деревьев одного вида не репрезентативна для всей планеты. В результате последующих исследований научное сообщество сошлось на компромиссной оценке в 6 миллионов видов насекомых. Однако и эта цифра оставалась гипотетической, поскольку базировалась на неполных данных и несовершенных методах учета редких видов.

Проблема недоучета редких видов в экологии

Любое полевое экологическое исследование ограничено пространством и временем. Какую бы эффективную ловушку ни использовали ученые, они всегда фиксируют лишь часть видов, обитающих на исследуемой территории. В выборку закономерно попадают наиболее многочисленные и активные насекомые. Виды с низкой плотностью популяций, короткой фазой взрослой жизни или обитающие в труднодоступных ярусах леса остаются неучтенными.

В экологии это явление называют систематическим недоучетом. Для решения этой проблемы биологи используют методы статистической экстраполяции. Они позволяют рассчитать, сколько видов присутствуют в экосистеме, но не попали в поле зрения исследователей. В основе таких расчетов лежит математический анализ распределения частоты встреч отдельных видов в выборке.

Эксперимент в Коста-Рике: масштаб и методология

Чтобы получить максимально надежные данные для последующего масштабирования, авторы исследования провели масштабный эксперимент в коста-риканском заповеднике Гуанакасте (?rea de Conservaci?n Guanacaste, ACG). Этот регион площадью около 120 тысяч гектаров уникален тем, что объединяет три принципиально разные тропические экосистемы: сухой тихоокеанский лес, умеренно влажный туманный горный лес и низменный дождевой лес Карибского бассейна.

На территории заповедника ученые установили 15 стационарных ловушек Малеза. Ловушка Малеза представляет собой сетчатую палатку, которая преграждает путь летящим насекомым. Пытаясь преодолеть препятствие, насекомые поднимаются вверх по сетке и попадают в коллекторный сосуд с фиксирующим спиртовым раствором. Сбор материала продолжался непрерывно на протяжении нескольких лет, что в сумме дало 69 так называемых «ловушко-лет» (один год работы одной ловушки равен одному ловушко-году).

За время эксперимента исследователи собрали огромный объем биологического материала — 1 633 855 экземпляров насекомых. Разобрать такой массив данных вручную классическими методами было невозможно, поэтому ученые применили технологию молекулярно-генетического анализа.

Технология ДНК-штрихкодирования вместо визуальной классификации

ДНК-штрихкодирование — это метод быстрой идентификации организмов на основе анализа короткого стандартизованного участка их генома. Для животных таким эталонным маркером служит участок митохондриального гена субъединицы I цитохромоксидазы (COI) длиной около 658 пар нуклеотидов.

Этот ген обладает важным свойством: его последовательность практически идентична у особей одного вида, но значительно различается между представителями разных видов. Алгоритм работы метода выглядит следующим образом:

1. Из каждого собранного насекомого экстрагируют ДНК.
2. С помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) копируют целевой участок гена COI.
3. Проводят секвенирование — считывают последовательность нуклеотидов.
4. Специализированные алгоритмы сравнивают полученные последовательности и группируют их в БИНы (BINs, Barcode Index Numbers) — молекулярные операционные таксономические единицы.

Многочисленные независимые исследования подтвердили, что БИНы совпадают с реальными морфологическими видами насекомых в среднем в 90% случаев. Это позволяет автоматизировать процесс инвентаризации, исключая субъективный фактор при визуальном определении видов.

Применив этот метод ко всем 1,6 миллиона собранных в Коста-Рике образцов, ученые выделили 53 945 генетически уникальных видов (БИНов).

Математическая модель скрытого разнообразия

Даже полуторамиллионная выборка не позволила зафиксировать все виды насекомых, обитающих в заповеднике. Чтобы определить реальное число видов, авторы применили непараметрический статистический метод оценки видового богатства Chao1 (формула Чао), реализованный в программном пакете CARE-1.

Этот метод основан на вероятностном анализе частоты обнаружения видов. Ключевыми параметрами для расчетов служат:

• Синглтоны — виды, обнаруженные в выборке ровно один раз.
• Даблтоны — виды, зафиксированные ровно два раза.

Логика метода проста: если в собранном материале присутствует большое количество видов, представленных единственным экземпляром, это означает, что исследуемая популяция содержит еще множество неоткрытых компонентов. Если же доля синглтонов стремится к нулю, а большинство видов встречаются многократно, значит, выборка близка к исчерпывающей, и скрытое разнообразие минимально. Метод Chao1 позволяет рассчитать нижний статистический предел реального видового богатства на основе этого соотношения.

Математические принципы этого анализа восходят к методу оценки частоты редких событий Тьюринга-Гуда, разработанному в середине XX века. Статистическая модель вычисляет вероятностное распределение видов, которые физически присутствуют на исследуемой территории, но имеют крайне низкую плотность популяции, из-за чего вероятность их попадания в ловушку стремится к нулю.

Калибровка модели на осах-паразитоидах

Для проверки и калибровки статистической модели авторы выбрали конкретное семейство насекомых — паразитических ос-наездников из подсемейства Microgastrinae (микрогастрины). Эти осы ведут специализированный образ жизни: самки откладывают яйца в гусениц определенных видов бабочек, регулируя численность фитофагов в экосистеме. Микрогастрины характеризуются высоким видовым разнообразием и считаются сложной группой для классического учета.

Исследователи сопоставили данные трех независимых источников в заповеднике:

1. Основные ловушки Малеза (15 точек): принесли 3781 экземпляр микрогастрин, относящихся к 388 видам (БИНам).
2. Периферийные ловушки Малеза (15 дополнительных точек): дали 6515 экземпляров, распределенных по 576 видам.
3. Программа разведения гусениц: в течение 40 лет паратаксономисты заповедника собрали более полумиллиона гусениц бабочек. Из них в лабораторных условиях было выведено 11 373 экземпляра паразитических ос, относящихся к 889 видам.

Суммарно все три метода позволили зафиксировать 1414 видов микрогастрин. Однако пересечение между выборками оказалось неожиданно низким. Лишь 69 видов (менее 5%) были зафиксированы всеми тремя методами одновременно. Почти 75% видов встретились только в каком-то одном источнике данных. Например, сотни видов ос, полученных при выведении из гусениц, ни разу не попали в ловушки Малеза, работавшие в тех же локациях.

 ??????????????????????????????????????????????????????????? ?              РЕЗУЛЬТАТЫ СБОРА МИКРОГАСТРИН              ? ??????????????????????????????????????????????????????????? ? Обнаружено физически          ? 1414 видов              ? ??????????????????????????????????????????????????????????? ? Доля уникальных видов (один   ? 29% (403 вида)          ? ? экземпляр за все время)       ?                         ? ??????????????????????????????????????????????????????????? ? Расчет реального богатства    ? не менее 2394 видов     ? ? (по методу Chao1)             ?                         ? ??????????????????????????????????????????????????????????? ? Доля видов, зафиксированных   ? 16,2% (388 из 2394)     ? ? основными ловушками           ?                         ? ??????????????????????????????????????????????????????????? 

Применив метод Chao1 к объединенным данным, ученые установили, что реальное число видов микрогастрин в заповеднике составляет не менее 2394. Это означает, что стандартная сеть из 15 основных ловушек Малеза смогла зафиксировать лишь 16,2% от реального разнообразия этой группы насекомых на исследуемой территории. Отношение обнаруженных видов к расчетному реальному количеству позволило определить точный коэффициент недоучета (UR=0,162).

Экстраполяция данных на глобальный масштаб

Получив точный коэффициент недоучета для одной гиперразнообразной группы, авторы перенесли его на все остальные отряды насекомых, собранных в основные ловушки. Если принять допущение, что уровень недоучета для всех насекомых сходен с показателями микрогастрин, то реальное число видов насекомых в заповеднике Гуанакасте составляет не 53 945 (сколько было поймано физически), а как минимум 332 846 видов.

Для масштабирования этого локального показателя до уровня всей планеты исследователи использовали метод пропорционального сопоставления с хорошо изученными референтными группами организмов. Наиболее надежным индикатором оказались сосудистые растения, а именно деревья.

Связь между разнообразием растений и насекомых фундаментальна: растения создают физическую структуру экосистемы, служат непосредственным источником пищи для фитофагов и средой обитания для хищников и паразитов. Число видов деревьев на планете и в конкретных заповедниках известно с высокой точностью.

• В коста-риканском заповеднике ACG произрастает от 1200 до 1500 видов деревьев (по оценке Национального гербария Коста-Рики).
• На Земле в целом насчитывается 73 274 вида деревьев (согласно базе данных GlobalTreeSearch).

Используя эти пропорции, авторы рассчитали глобальное число видов насекомых. Для обеспечения надежности результатов они провели вычисления в нескольких вариантах, варьируя границы оценок разнообразия деревьев и используя альтернативные референтные группы (млекопитающих, амфибий и ночных бабочек-сатурний).

В результате этих расчетов ученые определили диапазон глобального разнообразия насекомых. Нижняя консервативная граница составила от 14,2 до 20,3 миллиона видов. Среднее значение по всем моделям экстраполяции зафиксировано на уровне 17,3 миллиона видов, что почти в три раза превышает общепринятую ранее оценку в 6 миллионов.

Почему полученная оценка остается консервативной

Авторы работы подчеркивают, что полученный диапазон в 14-20 миллионов видов представляет собой нижний предел реального разнообразия. Существует несколько факторов, указывающих на то, что фактическое число видов может быть еще выше:

1. Игнорирование вертикальной структуры леса. Ловушки Малеза в рамках данного исследования устанавливались исключительно на уровне земли (высота до 2 метров). При этом значительная часть тропических насекомых обитает в верхнем ярусе леса — кронах деревьев. Исследования вертикального распределения беспозвоночных в дождевых лесах Амазонии и Центральной Америки показывают, что от 38% до 51% видов двукрылых (мух и комаров) и муравьев никогда не спускаются в нижний ярус леса и не фиксируются наземными ловушками.
2. Ограниченность типов ландшафта. В заповеднике ACG преобладают различные типы лесов. Однако на Земле существуют обширные территории, занятые безлесными экосистемами — степями, саваннами, тундрами, а также пресноводными объектами. Эти биотопы обладают уникальной энтомофауной, которая практически не представлена в лесных экосистемах Коста-Рики. Если бы расчеты учитывали насекомых этих ландшафтов, итоговая глобальная цифра увеличилась бы еще сильнее.
3. Широтный градиент паразитических видов. Устоявшееся правило биологии гласит, что видовое разнообразие закономерно снижается при движении от экватора к полюсам. Однако для паразитических перепончатокрылых (ос-наездников) этот градиент выглядит иначе. Исследования ДНК-штрихкодов насекомых в Канаде и Калифорнии показали аномально высокое разнообразие наездников на единицу площади по сравнению с тропиками. Отношение числа видов насекомых к видам деревьев в Канаде составляет 402:1, а в Калифорнии — 271:1, тогда как для тропического заповедника ACG это отношение равно примерно 277:1. Это означает, что экстраполяция тропических данных на регионы умеренного и холодного климата скорее занижает, чем завышает глобальные оценки.

Значение исследования для современной науки

Насекомые выполняют важнейшие функции в наземных экосистемах: они обеспечивают опыление большинства цветковых растений, участвуют в деструкции и утилизации органического вещества, формируют структуру почв и служат незаменимой кормовой базой для сотен тысяч видов птиц, земноводных и млекопитающих.

Отсутствие точных данных о количестве видов затрудняет оценку стабильности экосистем в условиях глобальных климатических изменений и разрушения естественных сред обитания. Разница между 6 и 20 миллионами видов означает, что подавляющее большинство компонентов земной биосферы до сих пор остаются неизвестными науке. Использование комбинированных методов молекулярно-генетического анализа и непараметрической статистики предоставляет исследователям инструмент для оперативного мониторинга состояния окружающей среды и разработки более точных математических моделей функционирования экосистем.

Источник: PNAS