우리가 몇 주 동안 같이 공부한 생물학 부분에서는
동물과 식물들의 생리학,
세포들이 어떻게 모여서 조직과 장기들을 만들고
기관계를 만드는지 배웠습니다
또 세포가 어떻게 우리를 이 고기와
채소 덩어리로 만들어 주는지도 배웠고요
생물 자체를 이해하기 위해서는
각 단계에서 어떤 일이
일어나는지 아는 것이 중요합니다
생태계를 공부할 때도 마찬가지입니다
다른 점은 단계를 나눌 때
한 생물 내에서 나누는 대신
다른 생물들의 생태계까지 고려한다는 것입니다
얼마나 확대해서 보느냐에 따라
우리는 우리 지구의 많은 것을 이해할 수 있습니다
예를 들어, 우리는 한 종안에 있는 그룹이
같은 지역에 모여사는 것에 대해 연구 할 수 있습니다
그 것을 개체군 생태학이라고 합니다
또한 군집 생태학이라는 것도 있는데
군집 생태학은 다른 종류의 생물들이
한 곳에 모여사는 것을 연구하고
서로 어떤 영향을 주는지 알아보는 것 입니다
우리가 가장 넓게 보는 분야는
생태계생태학이라고 합니다
생태계 생태학은 모든 생물과 무생물이
어똫게 생태계 전체와 교류하는지
연구하는 학문을 말합니다
먼저 개체군 생태학에 대해 알아봅시다
개체군 생태학은 같은 종 안의 그룹이
어떻게 서로와 교류하나를 연구하는 학문입니다
왜 이런 무리들이
시간과 장소에 따라 달라지는가를 알아내기 위해서죠
여러분을 의문을 가질 수 있겠죠
'이게 어떻게, 누구에게 쓸모가 있을까?'
사실 모든 사람들에게 항상 엄청난 쓸모가 있습니다
예를 들어 2012년 여름에 택사스, 달라스를 덮쳤던
웨스트 나일 바이러스의 사태를 봅시다
달라스 자치주에서는
12명이 바이러스로 인해 죽고
거의 300명의 사람이 감염됐습니다
하지만 2011년에는 택사스 주 전체에서
겨우 27명만이 웨스트 나일 바이러스에 감염됐고
2명만이 바이러스 때문에 사망했습니다
이건 좀 심각한 것 같지 않나요?
뭐가 문제일까요?
알고보니 개체군 생태계와 관련된 문제였습니다
웨스트 나일은 모기에 의해 퍼지는데
2012년에 달라스의 모기 개체수는
쿨 에이드 맨처럼 벽을 뚫고
웨스트 나일 바이러스를 미친듯이 퍼트렸습니다
하지만 왜 그 전에 일어나지 않고
하필이면 2102년에 일어났을까요?
그리고 왜 뉴 저지가 아니라
텍사스에서 일어났을까요?
해답은 개체군 생태학에 있습니다
(빠르고 흥겨운 음악)
그러므로 갑작스러운 전염병 확산의
미스테리를 해결하기 전에
우리는 개체군 생태학을
기본적으로 이해하고 있어야 합니다
일단 개체수란 그저 주기적으로 교류하며 사는
같은 종의 생물들을 의미합니다
동물들이 얼마나 자주 교류하나는
지리적 거리와 큰 상관이 있습니다
여러분도 아마 멀리 사는 사람들보다
가까이 사는 사람들과
얼굴을 마주하는 일이 더 많을 것입니다
결과적으로여러분과 가까이 사는 사람들이
여러분과 식량, 이성친구, 공간을 위해 겨루는
상대일 것입니다
왜 지역과 시간에 따라 개체가 다른지
이해하기 위해서
개체군 생태학자는 '개체'에 관해 잘알아야 합니다
그건, 운명이거든요
이 경우에는 달라스 지역에서 서로 접촉할 수 있는
모기들이 얼마나 있냐가 관건입니다
개체들의 밀집성은 여러가지 요인으로 인해 변하는데
거의 다 직관적입니다
밀집성은 갑자기 태어났거나 이주한,
새로운 개체들이 나타면서 높아집니다
반대로는 갑작스러운 죽음이나
개체들의 이동 때문에 낮아집니다
간단하지만, 개체군 생태계학자로서
여러분은 이 지역의 생물들의
지리적 배치에 관해서도 알아야 합니다
이것은 생물들의 분포입니다
예를 들어, 모든 모기들이 다 모여 살고 있나?
아니면 무작위로 떨어져 있나?
규칙적으로 분포하고 있나?
이 질문들에 대한 답은 과학자들에게
개체들의 특징 파악을 위한 근거를 제공합니다
웨스트 나일 발병과 같이
개체수가 시간이 지남에 따라 어떻게 변했나와
연관있는 수수깨끼를 풀기 위해서는
개체군 생태학의
핵심적인 개념에 대해 알아야 합니다
바로 개체수 증가에 관해서 말입니다
게체수 증가에 영향을 끼치는 요인은
여러가지가 있는데
생물의 종류에 따라 큰 차이가 날 수 있습니다
생산력을 예로 들어 봅시다
한 마리가 살면서 얼마나 많은
자손을 낳을 수 있는지가
개체수의 크기에 큰 변화를 일으킵니다
예를 들어 검은 코뿔소 개체수는
사냥으로 영원히 복원될 수 없을 지도 모르는데
모기들의 개체수는 어떻게 그렇게 빨리
증가할 수 있을까요?
먼저 모기들은 2주의 짧은 인생 동안
2000마리의 새끼를 낳을 수 있습니다.
하지만 코뿔소들은 40년동안
5마리밖에 낳지 못합니다
하지만, 개체수가 최대 잠재성까지
자라는 일은 거의 없고
영원히 증가만 할 수도 없습니다
개체수가 얼마나 빨리 증가하느냐와
얼마까지 내려가거나 올라가느냐를 이해하려면
개체수 증가를 방해하는 요소에는
무엇이 있는지 확인해야 합니다
이 요소들은 이름에 걸맞게
제한 요소들이라고 부릅니다
만약 여러분이 2011년의 달라스 모기라고 하면
바이러스 발병 일년전
그 때는 생장률이 2012 정도가 아니었기에
어떤 것이 여러분의 번식 속도를
늦추고 있었던 것입니다
당신의 번식속도를 늦추는 것이
뭔지 알아내기 위해서는
당신은 일단 모기가 번식과 인생을
성공적으로 살기 위해 필요한 것이 무엇인가로
범위를 좁혀야 합니다
일단 먹을 것을 찾아야 합니다
모기들, 즉 여러분들은 많은 종류의 것들을 먹습니다
하지만 번식을 하기 위해서
여러분이 암컷이라고 가정하면
피가 필요합니다
여러분은 어떤 동물을 지목해서
그 동물의 피를 빨아먹어야 합니다
아마 달라스에는 여러분이 피를 빨아먹을 수 있는
동물들이 넘쳐날 것입니다
저도 달라스의 생물인 아주 좋은 친구들이 있습니다
여러분은 그 친구들의 피를 빨 수도 있습니다
다음은 온도입니다
여러분 같은 모기들은 외온성이기 때문에
여러분이 활동을 하기 위해서는 따듯해야 합니다
예를 들면 텍사스는 꽤 따뜻하고
특히 2011, 2012년의 겨울은 특히 따뜻했습니다
사실 2012년의 여름은 특별히 더웠습니다
그래서 모기들이 활동하기에는 더없이 좋았죠
그래서 달라스 모기들의 번식 제한요소 중
하나가 제거된 것입니다
다음은 번식상대입니다
여러분이 암컷 모기라면
여러분은 마음에 드는 수컷 모기를 찾아야합니다
달라스는 꽤 큰 도시이기 때문에
될 수 있으면 직징과 차가 있는 수컷 모기로 말이죠
모기들의 번식 방법 덕분에
이건 그렇게 어렵지 않습니다
수컷들은 매 번식 시기마다 해가 지면
마치 모기 구름처럼 모여있고
암컷이 해야 하는 것은 그저
가까이 있는 수컷 구름을 찾아서
날아들어가는 것입니다
누워서 떡먹기죠
마지막으로 공간에 대해 얘기해봅시다
그리고...아하!
또 중요한 증거가 있습니다
모기들은 잔잔한 물에 알을 낳아야 합니다
모기 애벌레가 진짜 싫어하는 게 하나 있다면
그건 자기가 살고 있는 물을
폭우가 쓸고 가는 것입니다
하지만 달라스는 2012년에
심각한 가뭄을 겪고 있었기에
웨스트 나일에 감염된 모기 유충들의
유치원 역할을 하는
잔잔하고 더러운 물 웅덩이들이 많았습니다
이 증거자료들을 보면
우리는 2011년에 모기 번식 제한 요소들 중에
최소 두개는 제거되었다는 것을 알 수 있습니다
공간과 온도의 문제 말이죠
충분히 뜨거웠고, 벌레들이 알을 낳을 수 있는
벌레들이 알을 낳을 수 있는 장소도 많아
벌레들이 미쳐 날 뛸만 했습니다
개체군 생태학자들은 이런 제한 요소들을
두 가지 부류로 나눕니다
밀도 의존과 밀도 독립으로 나눕니다
학자들이 이렇게 분류하는 이유는
게체군의 성장 속도가
얼마나 많은 생물들이 있는가에 의해 결정되는지
아니면 어떤 다른 요인이 있는지
알아야 하기 때문입니다
이 제한 요소들을 신경써야 하는 이유는
이 요소들이 모기 서식지의
적재량에 영향을 주기 때문입니다
서식지의 적재량이란
서식지가 가지고 있는 자원의 양으로
한 서식지가 지탱할 수 있는 개체수를 말합니다
그래서 밀도 의존적인 제한 요소들을
서식하는 개체수에 영향을 주는 요소라고 할 수 있습니다
개체군 크기가 일으키는 환경 장애 때문이죠
예를 들어 모두를 충족시킬 수 있을만한
먹이, 물, 공간이 부족할 수 있습니다
아니면 개체수가 너무 많아서
주변에 있는 포식자 개체군이
기하급수적으로 증가하여
개체수를 유지시키는데 도움을 줄 수 있습니다
질병 같은 것들도 밀도 의존적인
제한 요소라고 할 수 있습니다
많은 개체들이 가까이에 밀집해서 사는 것은
전염병을 미친 듯이 퍼트릴 수 있죠
저는 달라스 모기들이 조만간
빨아먹을 척추동물들이
모자라질거라고 생각하진 않지만
만약 모기 개체군이 폭발적으로 증가함에 따라
텍사스의 공식적인 대표 비행 포유류인
주위의 멕시코꼬리박쥐의 개체군도
폭발적으로 증가했다고 가정하면
그 박쥐들은 모기를 먹기 때문에
그게 밀도 의존적인 제한 요소가 되겠죠
더 많은 모기는 더 많은 박쥐를 만들고
그러면 모기 수가 적어지는 겁니다
꽤 간단하죠
밀도 의존적인 제한 요소들이 작용하기 시작해
개체군의 성장을 제한하기 시작한다면
그 서식지의 수용량을 가득 채웠다는 겁니다
다른 제한 요소들 즉 밀도 독립 제한 요소들은
개체군에 얼만큼의 생물들이 있느냐와
얼마나 밀집되어 있냐는 아무 상관없습니다
많은 경우에 이 제한요소들은
재앙으로 표현됩니다
화산 폭발, 폭풍우, 체르노빌 등 말입니다
개체군이 유지되는데 중요한 요소들이
그냥 살기 힘들 정도로 바뀌는 것입니다
이 변화들은 그다지 극적일 필요는 없습니다
다시 모기 얘기로 돌아가자면
2013년에 큰 태풍이 있었습니다
거의 매일 홍수가 나다시피 했습니다
홍수는 잔잔한 물에 살고 있던
모기알 덩어리들을 어지럽혔습니다
그래서 그 해에 태어난 모기들은 상대적으로 적겠죠
비슷한 식으로 갑자기 온도가 낮아졌다면,
그래서 여름에 엄청나게 추웠다면
모기들의 성장속도는 현저히 떨어질 것입니다
사실 개체수에 관한 크고 작은 상황들은
몇 만개가 있을 수 있습니다
수용력이 꽉 차거나
외부적인 요인 때문에 무너지거나 말이죠
이런 요인들이 무엇인지 알아내는 것이
개체군 생태학자들의 직업입니다
여기서 수학을 쓰는 겁니다
우리의 친구 수학은 외부적 요인이 없는 한
모든 것의 개체군은
지수기적으로 생장할 것이라고 합니다
지수기적인 생장은 개체군이 개체군의 크기에
비례해서 커지는 것을 의미합니다
지금 2012년 초에는
달라스에 1000마리의 모기밖에 없지만
한달 후에 3000 마리의 모기가 생겼다고 해봅시다
이제 번식할 수 있는 모기의 수가
세 배가 된 상태에서는
개체군은 1000마리의 모기가 있었을 때보다
세 배는 빠른 속도로 성장합니다
그러면 이제 9000 마리의 모기가 있겠고
이쯤되면 개체군이 3000마리가 있었을 때보다
3배는 빠르게 성장할 것입니다
계속 이런 식으로 무한정하게 커질 것입니다
이 시나리오에서는 모기들이 모두 이런 식이죠
수용량 따위는 집어치워!
우리를 막을 수 없어!
하지만 실제로 일어나지는 않습니다
단기적으로는 일어날 수 있지만 말이죠
예를 들어 인간은 산업 혁명 이후부터
지수성장곡선을 타고 있습니다
하지만 언젠가는 개체군을
다시 줄일 무언가가 나타납니다
그게 식량 부족이나 전염병과 같은
밀도 의존적인 요소일 수도 있고
아예 대륙 하나를 파괴하는 운석같은
밀도 독립적인 요소일 수도 있습니다
어찌됐든 이 지수성장곡선은
영원히 지속될 수는 없습니다
이 요소들이 작용하기 시작하면
개체군은 군수적으로만 성장합니다
즉 개체군은 서식지의 수용량까지만으로
제한되어 있습니다.
그 정도면 별 거 아니죠
이 그래프가 위쪽에서 평평해지는 것이 보이십니까?
이 평지를 만드는 요인은 거의 항상
밀도의존적인 제한 요소입니다
모기들을 계속 더하고 있으면
결국 개체군의 성장속도는
공간이나 먹이 부족으로 줄어듭니다
모기 숫자가 유지될 때
그 특정한 모기 개체군 서식지의
수용량이 다 된 것이라고 볼 수 있습니다
이제 이 아이디어들을 모두 적용시킬 수 있습니다
우리가 알고 싶은 모든 것의
개체군 생장 속도를 계산할 수 있는
간단한 식을 사용하면 말이죠
이게 지루한 수학이기는 하지만
그래도 중요하니 정신차리세요!
달라스 시티가 당신에게 달렸어요!
이제 2주 동안의 달라스 모기 개체군의
생장속도를 계산해봅시다
우리가 생장속도, R을
계산하기 위해서 해야 하는 것은
그저 태어난 횟수를 알아보는 것입니다
태어난 횟수 빼기 죽은 횟수를 하면 됩니다
다음으로 그 숫자를 처음 개체군 크기로 나누세요
그걸 N이라고 합시다
예를 들어 처음 개체군의 숫자가
100마리라고 하면
이 모기들은 각자 보통
2주 정도의 수명을 갖고 있습니다
2주 이후에는 200마리가 죽을 것입니다
그 중 반은 암컷이기 때문에 50마리입니다
암컷들은 인생에서 2000마리 정도의
새끼를 낳을 수 있기 때문에
50마리에 2000을 곱해야합니다
으악!
50마리의 엄마 모기들 곱하기
한 엄마당 2000마리의 아기 모기...
계산하면 10만 마리의 아기 모기들이 나옵니다
우리가 이 식에 숫자들을 모두 대입해보면
모두 가정한 것이지만
우리는 달라스 문제의 심각성에 대해
감을 잡을 수 있을 것입니다
눈 깜박할 사이 2주만에 개체군은
10만 마리의 아기 모기들을 낳았고
겨우 100마리만이 죽었습니다
이 개체군 생장 정도를 계산해보면
무려 9만 9999마리입니다
이 말은 2주가 시작할 때 있는
한 마리의 모기마다
2주가 끝날 때 쯤이면
9999마리가 있다는 것입니다
결국 99,800 퍼센트 증가한 거죠
토르의 망치의 이름으로 맙소사!
물론 이건 가정한 시나리오지만
이걸 통해 여러분은
모든 요인들이 긍정적으로 작용할 때
개체군이 얼마나 미친듯이 커질 수 있는지
알 수 있습니다
하지만 여러분은 최근 몇 천년간
인간의 인구 증가 그래프를 보기 전까지는
아무 것도 본 게 아닙니다