Evolutionary stability of frequency-dependent secondary defense in a soft-bodied insect with and without signals
본 연구는 진화 모델링을 사용하여, 연체 곤충의 눈에 띄지 않는 이차 방어 기제는 비용이 많이 들더라도 높은 포식 압력 하의 혼합 집단 내에서 지속될 수 있는 반면, 경고 신호의 존재는 이러한 공존 평형을 불안정하게 만들어 고도로 방어된 표현형에 의한 무방어 먹이의 치환을 촉진하고 잠재적으로 경고색(aposematism)의 진화를 용이하게 한다는 것을 입증한다.
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야생에서 생존은 종종 단순한 도박으로 결정된다. 결코 들키지 않을 만큼 완벽하게 숨느냐, 아니면 포식자가 당신을 혼자 두도록 배울 만큼 대담하게 눈에 띄느냐의 문제다. 생물학자들은 첫 번째 전략을 동물이 배경 속에 보이지 않게 만드는 일종의 위장 형태인 은폐(crypsis)라고 부른다. 두 번째는 동물이 밝은 경고색을 입어 "나는 독이 있으니 먹지 마라"라고 알리는 경고색(aposematism)이다. 이 두 극단 사이에는 2차 방어 기제와 관련된 복잡한 중간 지대가 존재한다. 이것들은 포식자의 공격 자체를 막지는 못하지만, 일단 공격이 발생했을 때 그 공격을 불쾌하거나 위험하게 만드는 형질들로, 예를 들어 쓴맛이나 고통스러운 침 같은 것들이다. 애벌레나 진딧물 같은 연체 조직을 가진 많은 곤충들에게 이 구분은 생사의 문제다. 이들의 몸은 매우 취약하기 때문에, 포식자의 한 입은 곤충이 얼마나 독성이 있든 상관없이 치명적일 수 있다. 이 방어 기제는 포식자가 그 만남에서 살아남아, 교훈을 얻고, 향후 유사한 먹이를 피하기로 결정했을 때만 효과가 있다. 이는 까다로운 진화적 수수께끼를 만들어낸다. 독이 있는 곤식이 무해한 것과 똑같이 생겼다면 어떻게 독성을 진화시킬 수 있으며, 포식자가 차이를 구별할 수 없다면 왜 독이 있는 곤충이 독성을 갖기 위한 비용을 지불하려 하겠는가?
두 명의 연구자는 컴퓨터 시뮬레이션을 구축하여 이러한 보이지 않는 방어 기제가 시간이 흐름에 따라 어떻게 진화하는지 관찰함으로써 이 수수께로를 풀고자 했다. 그들은 배고픈 새에게 위험을 알리는 밝은 경고색은 없지만 화학적 방어를 지닌 연체 조직 곤충들에 초점을 맞추었다. 모델 내에서 그들은 화학적 방어를 가진 곤충과 그렇지 않은 곤충이 섞인 가상 집단을 만들고, 다양한 조건 하에서 이 집단들이 어떻게 살아남는지 관찰했다. 핵심 변수는 포식자가 두 유형 사이의 차이를 구별할 수 있는지 여부였다. 한 시나리오에서 포식자들은 먹이의 화학적 성분을 알지 못해 균일한 집단의 곤충들로만 보았다. 다른 시나리오에서는 포식자들이 방어 기제를 가진 개체를 완벽하게 식별할 수 있었는데, 이는 먹이가 미세한 신호를 발달시켰거나 포식자가 매우 예리했기 때문일 수 있다. 연구자들은 또한 포식자가 배고파서 자주 공격하는 환경과 먹이가 풍부하여 공격이 드문 환경을 시뮬레이션하며 위협의 강도를 변화시켰다.
시뮬레이션 결과, 결과는 곤충이 직면한 위험의 정도와 이웃들과 구별될 수 있는지 여부에 크게 좌우되었다. 잡아먹힐 위협이 낮을 때는 방어 기제가 없는 곤충들이 항상 승리했다. 이러한 평온한 환경에서는 화학적 방어를 생산하는 데 드는 에너지가 위험을 감수할 만큼 가치가 없었으며, 그 비용으로부터 자유로운 방어 기제가 없는 곤충들이 더 성공적으로 번식했다. 그러나 포식자의 압박이 증가함에 따라 균형이 이동했다. 포식자가 공격적이고 공격이 빈번할 때, 방어 기제를 가진 곤충들이 번성하기 시작했다. 가장 놀라운 발견은 포식자가 방어 기제를 가진 곤충과 그렇지 않은 곤충을 구별할 수 없을 때 나타났다. 이 경우, 두 유형은 흔히 안정적인 혼합 상태로 공존했다. 방어 기제를 가진 곤충이 없는 쪽을 완전히 몰아내지도 않았고, 없는 쪽이 방어하는 쪽을 멸종시키지도 않았다. 대신, 초기 방어 곤충의 수가 충분히 높고 독성의 수준이 너무 극단적이지 않다면, 두 유형은 공존하는 균형 상태에 안착했다.
이러한 공존은 섬세한 상태이다. 연구자들은 곤 if 곤충의 개체수가 적을 때, 방어 유형이 침투하여 자리를 잡기가 훨씬 쉽다는 것을 발견했는데, 이는 몇몇 독이 있는 개체들이 전체 집단에서 차지하는 비율이 더 커지기 때문이다. 더 큰 집단에서는 포식 압력이 강하지 않는 한 방어 기제가 없는 곤들은 지배적일 가능성이 높았다. 포식자가 방어하는 먹이와 그렇지 않은 먹이를 구별할 수 있을 때, 규칙은 완전히 바뀌었다. 이러한 시나리오에서 혼합된 집단은 불안정했다. 방어 기제를 가진 곤충들은 일단 발판을 마련하면, 특히 포식의 위협이 높을 때, 집단 전체를 휩쓸고 지나가며 방어 기제가 없는 종을 완전히 대체하는 경향을 보였다. 이는 위험을 알리는 신호 능력이 혼합된 상태보다는 단일하고 균일한 전략을 향해 집단을 밀어붙이는 강력한 진화적 힘임을 시사한다.
연구는 또한 집단의 초기 조건이 미래에 어떤 영향을 미치는지 탐구했다. 연구자들은 독성이 있고 보이지 않는 방어가 무해한 곤충 집단 내에서 자리 잡기 위해서는, 독이 있는 개체들이 상당한 존재감을 가지고 시작해야 한다는 것을 발견했다. 만약 그들이 너무 희귀하다면, 포식자에게 교훈을 주기 전에 잡아먹힐 가능성이 높으며 그 형질은 사라질 것이다. 이 발견은 경고색(aposematism)을 향한 첫 단계가 어떻게 일어날 수 있는지를 설명하는 데 도움이 된다. 이는 집단이 즉시 밝은 경고색을 진화시킬 필요는 없다는 것을 시사한다. 대신, 곤충 집단은 먼저 포식자에게 보이지 않는 화학적 방어를 발달시킬 수 있다. 만약 이 집단이 충분히 크고 포식자가 충분히 배고프다면, 그 방어 기제는 신호 없이도 지속될 수 있으며, 독이 있는 개체와 그렇지 않은 개체의 안정적인 혼합 상태를 만들 수 있다. 시간이 흐르면서 이 안정적인 혼합은 신호와 방어가 함께 작동하는 상태로 집단이 이동함에 따라 경고색의 진화를 위한 토대를 제공할 수 있다.
궁극적으로, 이 시뮬레이션들은 복잡한 곤충 방어의 세계가 어떻게 시작되었는지에 대한 타당한 경로를 제시한다. 연구는 화려한 색채가 경고 신호와 연관되어 있음에도 불구하고, 화학적 방어가 특정 조건 하에서 진화하고 지속될 수 있음을 보여준다. 이 연구는 방어의 진화가 단순히 독소의 강도나 포식자의 허기뿐만 아니라, 개체수의 규모와 집단이 방어 인력을 유지할 수 있는 능력에 관한 것이라는 점을 강조한다. 이러한 역학을 이해함으로써, 과학자들은 세상에 존재하는 연체 조직 생물들의 생존 전략을 형성하는 미묘하고도 종종 보이지 않는 전투들을 더 잘 이해할 수 있다. 모델들은 무해하고 보이지 않는 곤충에서 밝은 색을 띤 독성 곤충으로 가는 여정이 점진적인 과정이며, 포식자의 주의라는 그림자 속에서 번성하는 단순하고 조용한 화학적 방어로부터 시작될 수 있음을 시사한다.
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