Environment-dependent diversity-stability relationship in microbial communities

수십 년 동안 생태학자들은 단순하지만 끈질긴 질문에 대해 논쟁해 왔습니다. 즉, 생물의 종류가 많아지는 것이 자연 공동체를 더 강하게 만드는가, 아니면 더 취약하게 만드는가 하는 점입니다. 한쪽에서는 다양성이 안전망 역할을 한다는 아이디어를 제시합니다. 즉, 많은 종이 존재하면 한 종의 상실이나 흔들림을 다른 종들이 흡수하여 전체 시스템을 안정적으로 유지할 수 있다는 것입니다. 반면에 수학적 이론들은 종 사이의 연결 고리가 많아져 공동체가 더 복잡해질수록, 시스템이 더 쉽게 흔들려 무너질 수 있는 엉킨 그물망이 된다고 제안합니다. 현실 세계의 관찰 결과들은 양측 모두에 대한 답을 제시해 왔으며, 이로 인해 과학자들은 언제 더 많은 다양성이 도움이 되고 언제 해가 되는지에 대한 명확한 규칙을 찾지 못했습니다. 빠져 있던 조각은 환경 자체가 게임의 규칙을 바꿀 수 있으며, 조건에 따라 안정적인 공동체를 혼란스러운 공동체로, 혹은 그 반대로 바꿀 수 있다는 점을 이해하는 것이었습니다.

선전만 실험실(Shenzhen Bay Laboratory)의 한 연구자는 서로 다른 온도와 희석률 하에서 박테리아 공동체가 어떻게 행동하는지 관찰함으로써 이 아이디어를 테스트하고자 했습니다. 그들은 야생의 숲이나 바다를 관찰한 것이 아니라, 실험실 환경에서 정교하게 구성된 박테리아 집단을 관찰했습니다. 영양분이 풍부한 액체에서 이 공동체들을 배양하고 매일 희석하는 방식(본질적으로 아주 작은 샘플을 채취하고 신선한 먹이를 추가하는 방식)을 통해, 그들은 인구수가 성장하고, 급락하고, 회복하는 과정을 여러 세대에 걸쳐 지켜볼 수 있었습니다. 그들은 이 공동체들을 섭씨 10도의 낮은 온도부터 50도의 뜨거운 온도까지 넓은 범위의 온도에서 테스트했으며, 또한 매일 배양액을 얼마나 많이 희석할지도 변화시켰습니다. 그들의 목표는 종의 수가 존재하는 정도와 인구수의 변동 폭 사이의 관계가 환경에 따라 변하는지 확인하는 것이었습니다.

그들이 발견한 것은 다양성과 안정성 사이의 관계가 고정되어 있지 않으며, 전적으로 조건에 달려 있다는 것이었습니다. 섭씨 20도에서 30도 사이의 중간 온도 범위에서는 공동체가 특정한 방식으로 행동했습니다. 여기서 많은 다양한 종이 함께 살아가며 동시에 요동쳤습니다. 인구수가 오르내릴 때, 다양한 유형의 박테리아들이 함께 움직였습니다. 이 시나리오에서는 공동체의 다양성이 높을수록 더 불안정해졌습니다. 연구자는 이 조건에서 가장 풍부한 종이 시간이 흐름에 따라 변하며, 서로 다른 박테리아들이 번갈아 가며 주도권을 잡는 것을 관찰했습니다. 이는 많은 종 사이의 복잡한 상호작용이 불안정성을 유발하며, 즉 다양성이 많을수록 더 많은 움직임을 만들어내는 양(+)의 연결 고리를 형성한다는 것을 시사합니다.

그러나 온도가 극단적으로 변하자 이야기는 완전히 달라졌습니다. 40도에서는 환경이 매우 가혹해져서 오직 몇몇 강인한 종들만이 살아남을 수 있었습니다. 이러한 공동체에서 불안정성은 복잡한 상호작용의 그물망에서 오는 것이 아니었습니다. 대신, 단 하나 또는 소수의 우점종이 스스로 폭발적으로 증가했다가 붕괴하는 과정에 의해 주도되었습니다. 이러한 단일 종의 급락은 박테리아가 너무 빠르게 성장하여 자신들의 환경, 구체적으로는 액체의 산도(pH)를 변화시켜 결국 스스로를 죽게 만들었기 때문에 발생했습니다. 이 고온 환경에서는 종이 더 많다고 해서 공동체가 더 불안정해지는 것도 아니었고, 종이 적다고 해서 더 안정해지는 것도 아니었습니다. 다양성과 불안정성 사이의 연결 고리는 단순히 사라졌습니다. 변동은 종의 수가 아니라, 환경의 물리적 한계와 단일 지배적 종의 행동에 의해 발생했습니다.

연구자는 또한 온도를 일정하게 유지한 채 희석량을 변경했을 때 어떤 일이 일어나는지도 테스트했습니다. 그들은 이 또한 공동체를 한 유형의 행동에서 다른 유형으로 전환시킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 희석을 약하게 하여 다음 날까지 더 많은 박테리아가 생존할 수 있게 했을 때는, 공동체가 집단적 변동과 우점종의 변동을 모두 보이는 경향이 있었으며, 특히 이러한 조건에서 우점종의 변동이 더 빈번했습니다. 희석을 강하게 하여 매일 대부분의 개체군을 씻어냈을 때는, 공동체의 전체적인 변동 폭이 작아졌습니다. 이는 환경이 어떤 규칙을 적용할지를 결정하는 스위치 역할을 한다는 것을 확인시켜 주었습니다.

왜 이런 현상이 일어나는지 이해하기 위해, 연구자는 개별 박테리아가 자신의 노폐물에 어떻게 반응하는지 면밀히 조사했습니다. 그들은 박테리아가 성장함에 따라 환경의 pH를 변화시켜 너무 산성이 되거나 너무 알칼리성이 된다는 사실을 발견했습니다. 높은 온도에서는 이러한 변화가 더 빠르게 일어났고 더 치명적이었습니다. 인구수는 단 하루 만에 거대하게 성장할 수 있었지만, 환경이 독성이 되어 결국 급격한 몰락을 맞이했습니다. 이러한 급격한 성장과 환경적 자살의 순환이 인구수의 격렬한 요동을 만들어냈습니다. 중간 온도에서는 많은 종이 이러한 변화를 견디며 공존할 수 있어 집단적 변동을 일으켰습니다. 더 가혹한 온도에서는 오직 가장 강인한 종들만이 살아남았으며, 그들 자신의 성장이 곧 불안정성의 원인이 되었습니다.

연구자는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 메커니즘이 결과를 설명하기에 충분하다는 것을 확인했습니다. 박테리아가 먹이를 두고 경쟁하며 공유하는 서식지의 pH를 변화시키는 모델을 구축함으로써, 연구자는 안정적인 공동체, 집단적 변동, 그리고 단일 종의 급락을 모두 재현할 수 있었습니다. 모델은 성장이 빠르고 환경이 빠르게 변할 때, 시스템이 자연스럽게 두 가지 패턴 중 하나로 빠져든다는 것을 보여주었습니다. 즉, 많은 종이 함께 요동치며 다양성과 불안정성 사이의 연결 고리를 만들거나, 혹은 단일 종이 독점하다가 홀로 붕로하며 그 연결 고리를 끊어버리는 것입니다.

이 연구는 다양성이 자연을 안정시키는지 혹은 불안정하게 만드는지에 대한 오랜 논쟁이 맥락을 놓치고 있을 수 있음을 시사합니다. 답은 단 하나의 보편적인 규칙이 아닙니다. 대신, 존재하는 종의 수와 공동체의 안정성 사이의 관계는 환경에 달려 있습니다. 어떤 조건에서는 많은 종이 서로 상호작용하고 반응하기 때문에 다양성이 불안정성을 유발합니다. 다른 조건에서는 환경 자체가 불안정성을 유발하며, 이때 다양성은 아무런 역할을 하지 못합니다. 연구자는 온도나 희석률을 바꿈으로써 이 두 세계 사이의 스위치를 전환할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 공동체가 안정적인지 불안정한지를 이해하려면, 단순히 얼마나 많은 종이 있는지를 보는 것이 아니라, 그 종들이 성장하고 죽는 방식을 결정짓는 구체적인 환경 조건을 보아야 함을 의미합니다. 게임의 규칙은 날씨에 따라 변하며, 생명의 안정성은 현재 어떤 규칙이 적용되고 있는지에 달려 있습니다.