Eco-evolutionary feedbacks generate bistability in population persistence under gradual environmental change

기후가 서서히 뜨거워지고, 계절이 변하며, 생명체가 살기에 완벽한 조건이 끊임없이 이동하는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 오늘날 많은 종이 직면한 현실입니다. 생태학 및 진화 생물학 분야의 연구자들은 하나의 고위험 질문에 몰두하고 있습니다. 과연 한 개체군이 이러한 변화를 따라잡을 수 있을 만큼 빠르게 진화할 수 있을 것인가, 아니면 단순히 시간이 부족하여 멸종할 것인가?

그 답을 이해하기 위해 우리는 세 가지 움직이는 부품을 살펴봐야 합니다. 첫째, 환경은 위치를 계속 바꾸는 움직이는 표적과 같습니다. 둘째, 개체군은 생존하려고 노력하는 생명체의 집단입니다. 셋째, 진화는 개체군이 그 움직이는 표적에 맞추기 위해 형질(예: 몸 크기나 내열성)을 변화시키는 과정입니다. 만약 개체군이 충분히 빠르게 변할 수 있다면, 그들은 살아남습니다. 만약 너무 뒤처지게 된다면, 그들은 멸종합니다. 오랫동안 과학자들은 환경 변화에 대한 단순한 '속도 제한'이 있다고 생각했습니다. 즉, 환경이 이 제한보다 빠르게 변하지 않는다면, 개체군이 따라잡을 충분한 시간만 있다면 안전할 것이라고 믿었습니다.

하지만 새로운 연구는 이야기가 훨씬 더 복잡하고 극적일 수 있음을 시사합니다. 이론적으로 생존을 허용할 만큼 환경이 천천히 변하고 있더라도, 개체군은 여전히 무너질 수 있다는 것입니다. 왜 그럴까요? 남은 개체의 수, 유전적 다양성, 그리고 얼마나 뒤처져 있는지 사이의 까다로운 피드백 루프 때문입니다. 연구진은 개체군의 운명이 단순히 변화의 속도에 달려 있는 것이 아니라, 그것이 어디서 시작되었는지에 달려 있다는 것을 발견했습니다. 유전적 다양성이 낮은 작은 집단은, 동일한 조건에서도 살아남을 수 있었던 더 크고 다양한 집단과 달리 멸종의 소용돌이로 빠져들 수 있습니다. 이것은 결승선만큼이나 출발선이 중요한 경주입니다.

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움직이는 결승선을 향한 경주

당신이 경주를 하고 있는데, 결승선이 가만히 있지 않은 상황을 상상해 보십시오. 결승선은 천천히 속도를 높이고 있는 러닝머신 위에 있습니다. 승리하려면 당신은 그 속도를 따라잡기 위해 점점 더 빨리 달려야 합니다. 이 논문에서 '러너(주자)'는 생물 개체군이며, '러닝머신'은 변화하는 환경입니다.

수년 동안 과학자들은 러닝머신이 너무 빠르게 빨라지지만 않는다면, 러너들이 결국 편안한 속도를 찾아 계속 달릴 수 있을 것이라고 믿었습니다. 그들은 러닝머신에 특정한 '임계 속도'가 있다고 생각했습니다. 러닝머신이 그 속도보다 느리게 움직인다면 모두가 안전할 것이고, 그보다 빠르면 모두가 파멸할 것이라고 말입니다.

그러나 이 연구의 저자인 쉬쾅이(Kuangyi Xu)와 션하오(Hao Shen)는 러너들의 다리와 에너지 수준을 더 자세히 들여다보기로 했습니다. 그들은 세 가지를 동시에 추적하기 위해 수학적 모델(컴퓨터 시뮬레이션)을 구축했습니다: 개체군의 크기, 유전적 다양성, 그리고 결승선으로부터 얼마나 뒤처져 있는지 말입니다.

그들은 놀라운 사실을 발견했습니다: 설령 러닝머신이 승리를 '허용'할 만큼 충분히 느리게 움직인다 하더라도, 러너들이 반드시 승리한다는 보장은 없다는 것입니다.

"멸종 소용돌이"의 함정

이 논문은 **이중 안정성(bistability)**이라는 현상을 밝혀냈습니다. 쉬운 말로 설명하자면, 이는 러너들이 어떻게 시작하느냐에 따라 동일한 경주에 두 가지 가능한 결과가 존재함을 의미합니다.

똑같이 느리게 움직이는 러닝머신 앞에 선 두 그룹의 러너를 상상해 보십시오.

• A 그룹은 거대한 인파와 다양한 달리기 스타일(높은 유전적 변이)을 가지고 시작합니다. 그들은 결승선에 가까이 있습니다. 그들은 속도를 조절하고 리듬을 찾아내어 살아남습니다.
• B 그룹은 아주 적은 인원과 매우 적은 달리기 스타일을 가지고 시작합니다. 그들 역시 결승선 뒤에 처져 있습니다.

여기 반전이 있습니다. 비록 러닝머신이 이론적으로 따라잡을 수 있을 만큼 느리게 움직이고 있음에도 불구하고, B 그룹은 여전히 패배할 수 있습니다. 왜일까요? 그들은 작고 적응하는 속도가 느리기 때문입니다. 따라잡으려 애쓰는 동안 그들은 더 멀리 뒤처집니다. 뒤처지는 것은 그들의 적합성을 떨어뜨리고, 이는 다시 개체 수의 감소를 초래합니다. 개체 수가 적어지면 유전적 다양성도 더욱 상실하게 됩니다(마치 재고 목록에서 다양한 종류의 운동화를 잃어버리는 것과 같습니다). 선택지가 줄어들면서 그들은 더 빠르게 적응할 수 없게 되고, 더 멀리 뒤처지며, 결국 사라질 때까지 크기가 줄어듭니다.

저자들은 이를 "멸종 소용돌이(extinction vortex)"라고 부릅니다. 작고 느린 것이 당신을 더 작고 느리게 만들어, 결국 아무것도 남지 않게 만드는 소용돌이입니다.

"일시적 급증"의 환상

이 발견 중 가장 흥미롭고 혼란스러운 부분은 단기적인 현상만을 보고는 항상 신뢰할 수 없다는 점입니다. 논문은 개체군이 실제로 멸종할 운명임에도 불구하고 회복되는 것처럼 보이거나, 혹은 살아남을 운명임에도 불구하고 죽어가는 것처럼 보일 수 있음을 보여줍니다.

롤러코스터를 생각해보십시오.

• 거짓된 희망: 작은 개체군이 일시적인 급증을 경험할 수 있습니다. 운 좋게 몇몇 개체가 살아남아 개체 수가 잠시 치솟을 수도 있습니다. 마치 승리하고 있는 것처럼 보입니다! 하지만 유전적 다양성이 너무 적게 시작했기 때문에, 이 급증은 일시적인 현상일 뿐입니다. 결국 그들은 동력을 잃고 유전적 다양성이 붕괴하며 추락하게 됩니다.
• 거짓된 경보: 반대로, 개체군이 숫자가 줄어들며 멸종할 것처럼 보일 수도 있습니다. 하지만 만약 그들이 충분한 유전적 다양성을 가지고 시작했다면, 그들은 다시 회복하여 적응하고 결국 러닝머신 위에서 자신만의 리듬을 찾을 수도 있습니다.

저자들의 시뮬레이션은 개체 수나 유전적 변이의 일시적인 증가가 생존을 보장하지 않는다는 것을 보여줍니다. 그 일시적인 증가가 생명의 신호인지, 아니면 마지막 숨 가쁨인지 알기 위해서는 반드시 개체군의 "시작 상태"를 알아야 합니다.

이것이 실생활에서 중요한 이유

이것은 단순히 화면 속의 수학이 아닙니다. 저자들은 기후 변화로부터 종의 생존을 예측할 때, 단순히 기후가 얼마나 빨리 변하는지만을 봐서는 안 된다고 제안합니다. 우리는 그 종의 현재 상태를 보아야 합니다.

만로 어떤 종이 이미 작아져 있거나, 유전적 다양성이 매우 적다면(예를 들어 고립되었거나 사냥을 당해서), 그 종은 환경이 천천히 변하고 있더라도 이미 "위험 지대"에 있을 수 있습니다. 그들은 마치 벼랑 끝에 서서 작은 밀침 하나에 떨어지기를 기다리는 상태일 수 있습니다. 반면에, 크고 다양한 개체군은 훨씬 더 빠른 변화의 속도도 감당할 수 있을 것입니다.

또한 이 연구는 환경이 두 번 변할 때 어떤 일이 일어나는지도 살펴보았습니다. 개체군이 잘 지내고 있다가, 환경이 조금 더 나빠진 후, 갑작스럽고 날카로운 충격이 가해지는 상황을 상상해 보십시오. 논문은 만약 개체군이 완만한 변화로 인해 이미 고군분투하고 있었다면, 그 충격 자체가 엄청나지 않더라도 그 충격이 개체군을 벼랑 끝으로 밀어버릴 수 있다고 제안합니다. 이는 이미 팽팽하게 당겨진 고무줄과 같습니다. 아주 작은 추가적인 힘만으로도 고무줄은 끊어집니다.

핵심 요약

쉬와 션의 연구가 주는 핵심 교훈은 생존이 단지 폭풍의 속도에 관한 것이 아니라, 배의 강도에 관한 것이라는 점입니다.

• 기존의 생각: 환경이 특정 속도보다 느리게 변한다면 개체군은 안전하다.
• 새로운 발견: 환경이 느리게 변하더라도, 개체군이 너무 작거나 유전적 다양성이 너무 적게 시작했다면 멸종할 수 있다.
• 주의점: 개체군을 잠시 관찰하는 것만으로는 그들이 멸종할 운명인지 판단할 수 없다. 개체 수의 일시적인 증가는 함정일 수 있고, 일시적인 감소는 회복의 과정일 수도 있다.

저자들은 멸종 위험을 진정으로 이해하기 위해서는 미래를 예측하기 전에 개체군의 "생태-진화적 상태(eco-evolutionary state)", 즉 크기, 유전적 건강, 그리고 얼마나 뒤처져 있는지를 알아야 한다고 강조합니다. 이는 변화하는 세상과의 경주에서, 결승선이 얼마나 빨리 움직이는가만큼이나 당신이 어디서 시작했는지가 중요하다는 것을 상 reminder 해줍니다.