Historical demography of the dung beetle Canthon cyanellus LeConte, 1859: A neotropical species complex

지구를 대륙들이 서로 멀어지고 산들이 느린 화면의 화산처럼 솟아오르는 거대한, 움직이는 퍼즐 판이라고 상상해 보세요. 이제 그 퍼즐 판 위에서 살아가는 생명체들, 예를 들어 곤충들이 변화하는 풍경을 따라잡으려 애쓰는 모습을 상상해 보세요. 이것이 바로 인류학적 인구 통계학(historical demography)의 세계입니다. 이 학문은 인구의 시간을 되돌리는 타임머신 역할을 하는 과학의 한 분야입니다. 암석 속의 화석을 보는 대신, 과학자들은 생명체 내부의 아주 작은 코드인 DNA를 통해 그들의 가족사를 읽어냅니다. DNA를 생물학적 일기라고 생각해 보세요. 수백만 년에 걸쳐 이 일기들에는 작은 오타와 변화들이 쌓여갑니다. 서로 다른 집단의 일기들을 비교함으로써, 과학자들은 언제 가족들이 갈라졌는지, 언제 규모가 거대해졌는지, 그리고 언제 작은 주머니 속에 갇히게 되었는지를 알아낼 수 있습니다. 우리가 이것에 관심을 갖는 이유는 이것이 지구의 놀라운 생물 다양성이 어떻게 구축되었는지, 그리고 기후가 요동칠 때 동물들이 어떻게 살아남는지 이해하는 데 도움을 주기 때문입니다.

이제 아주 구체적이고, 아주 바쁜 작은 주인공에게 줌인을 해보겠습니다. 바로 쇠똥구리입니다. 구체적으로는 Canthon cyanellus라는 종입니다. 이들은 네오트로픽스(Neotropics)의 청소부로서, 새끼들을 먹이기 위해 배설물 공을 굴립니다. 하지만 여기 반전이 있습니다. 이들은 겉보기에는 하나의 커다란 가족처럼 보이지만, 실제로는 같은 이름 아래 숨어 있는 여러 개의 서로 다른 가족일 수도 있다는 것입니다. 이 논문은 연구자들이 유전적 단서를 사용하여 이 쇠똥구리들이 실제로 누구인지, 어디에서 왔는지, 그리고 지구의 역사가 그들의 삶을 어떻게 형성했는지에 대한 미스터리를 해결하는 탐정 소설과 같습니다.

과학자들은 멕시코와 콜롬비아 전역에서, 더운 저지대부터 서늘한 산기슭까지 모아 쇠똥구리들을 수집했습니다. 그들은 각 쇠똥구리의 다리에서 아주 작은 조각을 채취하여 세 가지 서로 다른 유전적 일기의 장을 읽었습니다. 두 장은 미토콘드리아(쇠똥구리의 에너지 공장으로, 변화가 빨라 최근의 가족 계보를 추적하기에 좋습니다)에서, 나머지 한 장은 핵(주요 제어 센터로, 변화가 더 느립니다)에서 가져왔습니다. 그들은 서로 다른 지역의 쇠똥구리들이 실제로 친척 관계인지, 아니면 너무 오랫동안 떨어져 있어서 서로 다른 종이 되어가고 있는지를 확인하고 싶었습니다.

조사는 분리와 확장의 매혹적인 이야기를 드러냈습니다. 유전 데이터는 멕시코의 쇠똥구리와 콜롬비아의 쇠똥구리가 약 281만 년 전이라는 아주 오래전에 갈라졌음을 보여주었습니다. 이 시기는 우연이 아닙니다. 이는 북미와 남미를 연결했던 좁은 땅줄기인 파나마 지협의 형성과 완벽하게 일치합니다. 마치 쇠똥구리의 조상들이 남미에 살고 있었는데, 지협이 형성되었을 때 일부는 멕시코로 북쪽으로 올라타는 데 성공했고, 다른 이들은 뒤에 남겨진 것과 같습니다.

분리된 후, 쇠똥구리들은 새로운 도전에 직면했습니다: 콜롬비아의 안데스 산맥이 솟아오른 것입니다. 데이터는 이 거대한 산맥이 콜롬비아 쇠똥구리들을 산맥 북쪽에 사는 그룹과 남쪽에 사는 그룹이라는 두 개의 뚜렷한 집단으로 나누는 거대한 벽 역할을 했다는 것을 시사합니다. 멕시코에서의 이야기는 훨씬 더 복복잡합니다. 연구자들은 멕시코의 쇠똥구리들이 단 하나의 집단이 아니라, 적어도 일곱 개의 서로 다른 가계(clades)로 나뉘어 있다는 것을 발견했습니다. 이 계통들은 지구가 빙하기와 온난기가 반복되는 격렬한 변화를 겪었던 플라이스토세(Pleistocene) 동안 형성된 것으로 보입니다.

여기서 줄거리가 더욱 흥미진진해집니다. 쇠똥구리들은 가만히 앉아 있지 않았습니다; 그들은 기후에 반응하여 이동하고 성장했습니다. 연구는 이 쇠똥구리 개체군들이 온난한 "간빙기"(빙하가 물러나는 시기) 동안 폭발적으로 증가했음을 시사합니다. 그것은 마치 건기가 끝나고 갑작스러운 폭우가 강을 채우는 것과 같습니다. 쇠똥구리들에게는 더 많은 공간과 먹이가 생겼고, 그래서 그들의 숫자가 불어났습니다. 그러나 더 추운 시기에는 개체군이 줄어들거나 고립되었습니다. 유전적 "일기"는 이러한 확장이 지구 역사의 특정 온난기와 맞물려 서로 다른 시기에 일어났음을 보여주는데, 예를 들어 20만 년 전이나 8만 년 전과 같은 시기입니다.

가장 흥미로운 발견 중 하나는 쇠똥구리의 외형에 관한 것입니다. 이 쇠똥구리들은 다양한 "의상"을 입는 것으로 유명합니다. 어떤 것은 빛나는 푸른색이고, 어떤 것은 주황색 점이 있으며, 어떤 것은 어두운 삼각형 패턴을 가지고 있습니다. 오랫동안 과학자들은 이러한 색상 차이가 단일 종 내의 변이에 불과하다고 생각했습니다. 하지만 이 연구는 유전적 차이가 매우 깊어서, 이 화려한 집단 중 일부가 실제로 은폐종(cryptic species), 즉 외형은 비슷하지만 유전적으로는 뚜렷이 구분되는 서로 다른 종일 수 있음을 시사합니다. 예를 들어 콜롬비아의 쇠똥구리들은 유전적 분리가 매우 강력하여, 연구자들은 이들이 단지 비슷하게 생겼을 뿐인 두 개 이상의 서로 다른 종을 나타낼 수 있다고 의심합니다.

또한 이 논문은 쇠똥구리들이 풍경을 가로질러 어떻게 이동했는지도 살펴보았습니다. 그들은 "거리 격리(isolation by distance)"라는 패턴을 발견했는데, 이는 이는 마치 메시지가 멀리 갈수록 왜곡되는 전화기 게임과 같습니다. 두 쇠똥구리 집단 사이의 거리가 멀어질수록 그들의 유전적 일기는 더 달라집니다. 이는 이 쇠똥구리들이 날 수 있음에도 불구하고 아주 먼 거리를 쉽게 이동하지는 못한다는 것을 시사합니다. 그들은 집 근처에 머무는 경향이 있으며, 이것이 산맥과 바다가 그들을 나누는 데 얼마나 효과적이었는지를 설명해 줍니다.

그렇다면 최종 판결은 무엇일까요? 이 연구는 Canthon cyanellus가 단순히 하나의 단순한 종이 아니라, 관련은 있지만 뚜렷하게 구분되는 계통들이 얽혀 있는 "종 복합체(species complex)"임을 시사합니다. 멕시코와 콜롬비아 사이의 분리는 파나마 지협의 형성에 따른 약 281만 년 전의 일입니다. 이후 안데스 산맥이 콜롬비아 개체군을 조각냈고, 지난 수백만 년 동안의 변화무쌍한 빙하기는 멕시코 개체군을 적어도 일곱 개의 계통으로 나누었습니다. 쇠똥구리들의 화려한 옷이 단순한 패션쇼처럼 보일 수도 있지만, 유전적 증거는 그 색상들이 완전히 다른 진화적 경로의 경계를 표시하고 있을 수 있음을 보여줍니다. 연구자들은 이 작은 쇠똥구리들의 역사가 지구의 지질과 기후가 어떻게 생명의 궁극적인 설계자로서 작용하여, 산맥 하나와 따뜻한 시기 하나를 만들 때마다 새로운 종을 깎아 만들어내는지를 보여주는 완벽한 사례라고 결론짓습니다.