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진화 생태학

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1. 개요

진화 생태학은 자연 선택과 같은 진화 과정을 통해 생물과 환경 간의 상호 작용을 연구하는 학문이다. 진화 생태학은 모델을 활용하고 경험적 데이터를 통해 검증하며, 다윈의 핀치새 연구, 종의 전문화 모델 등이 있다. 생태 유전학은 진화 생태학과 연결되어 자연 개체군에서 특성이 어떻게 진화하는지 연구한다. 찰스 다윈, 조지 에블린 허친슨, 로버트 맥아더, 에릭 피안카 등 많은 학자들이 이 분야에 기여했으며, 종-면적 관계 연구와 공생 관계 연구 등이 주요 연구 사례이다.

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진화 생태학
개요
불가사리
"Ernst Haeckel이 그린 불가사리 그림"
학문 분야생물학, 생태학
하위 분야행동 생태학
생태 유전학
군집 생태학
계통 발생학
진화 생리학
관련 학문진화 생물학
생태학
유전학
분류학
상세 내용
정의진화적 관점에서 생태학적 상호작용을 연구하는 학문
주요 연구 대상개체군, 군집, 생태계
목표생태적 상호작용이 진화에 미치는 영향 규명
진화가 생태적 상호작용에 미치는 영향 규명
연구 방법실험
관찰
모형
중요 개념적응
자연 선택
유전적 부동
유전자 흐름
종 분화
공진화
생태적 지위
자원 경쟁
포식
공생
응용 분야보전 생물학
해충 방제
질병 관리
농업
추가 정보
관련 저널Evolutionary Ecology
Ecology
The American Naturalist
Oecologia
관련 학회생태학회
진화생물학회

2. 진화 모델

진화 생태학에서는 모델을 활용하고 경험적 데이터를 증거로 삼는 것이 중요하다.[26] 초기 모델로는 데이비드 랙의 Lack 클러치 크기 모델과 다윈 핀치 연구, 리처드 레빈스의 종 전문화 모델, Law와 Diekmann의 상리공생 모델 등이 있다.

얽힌 자연 모델(Tangled nature model)은 진화 생태학의 경향을 예측하는 방법 중 하나이다. 이 모델은 개체군 내 돌연변이 발생 가능성과 멸종률 등을 분석한다. 2002년 임페리얼 칼리지 런던의 사이먼 레어드(Simon Laird), 다니엘 로슨(Daniel Lawson), 헨릭 젤토프트 옌센(Henrik Jeldtoft Jensen)이 개발했으며, 관찰을 바탕으로 단순하고 논리적인 생태 모델을 만드는 것을 목표로 한다.

2. 1. 초기 모델

진화 생태학의 많은 부분은 모델을 활용하고 경험적 데이터를 증거로 찾는다.[26] 예를 들어 데이비드 랙이 고안한 Lack 클러치 크기 모델과 갈라파고스 제도에서 다윈 핀치에 대한 연구를 들 수 있다. 다윈 핀치새에 대한 랙의 연구는 종분화에서 다양한 생태학적 요인의 역할을 분석하는 데 중요했다. 랙은 두 종이 같은 틈새를 차지할 수 없다는 G.F. 가우스의 주장에 기초하여 종의 차이가 적응적이며 자연 선택에 의해 생성되었다고 제안했다.[27]

리처드 레빈스는 1968년에 자신의 종의 전문화 모델을 소개했는데, 이 모델은 유기체 또는 종이 보유하고 있는 적합성 세트를 사용하여 이기종 환경 내에서 서식지 전문화가 어떻게 진화했는지 조사했다. 이 모델은 세분화된 공간 스케일과 거친 공간 스케일을 정의하여 특정 환경에서 공간 스케일의 개념을 개발했다.[28] 이 모델의 의미는 공간 규모가 특정 환경에서 종의 다양성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 환경 생태학자의 이해가 급격히 증가하는 것을 포함한다.[29]

또 다른 모델은 두 개체 모두에게 이익이 되는 두 유기체 간의 관계로 정의되는 상리공생에 관한 Law와 Diekmann의 1996 모델이다.[30] Law와 Diekmann은 교란이나 부족에 대한 반응으로 식물이나 동물 개체군의 변화가 돌연변이가 발생하는 것보다 더 빠른 속도로 발생한다고 가정하는 적응 역학(adaptive dynamics)이라는 프레임워크를 개발했다. 이는 커뮤니티 내의 관계를 다루는 다른 모델을 단순화하는 것을 목표로 한다.[31]

2. 2. 상리공생 모델

진화 생태학의 중요한 부분은 모델을 활용하고 경험적 데이터를 증거로 찾는 것이다.[26] 예를 들어, 데이비드 랙(David Lack)이 고안한 Lack 클러치 크기 모델과 갈라파고스 제도에서 다윈의 핀치에 대한 연구를 들 수 있다. 다윈의 핀치새에 대한 랙의 연구는 종분화에서 다양한 생태학적 요인의 역할을 분석하는 데 중요했다. 랙은 두 종이 같은 틈새를 차지할 수 없다는 G.F. 가우스(G.F. Gause)의 주장에 기초하여 종의 차이가 적응적이며 자연 선택에 의해 생성되었다고 제안했다.[27]

리처드 레빈스(Richard Levins)는 1968년에 자신의 종의 전문화 모델을 소개했는데, 이 모델은 유기체 또는 종이 보유하고 있는 적합성 세트를 사용하여 이기종 환경 내에서 서식지 전문화가 어떻게 진화했는지 조사했다. 이 모델은 세분화된 공간 스케일과 거친 공간 스케일을 정의하여 특정 환경에서 공간 스케일의 개념을 개발했다.[28] 이 모델의 의미는 공간 규모가 특정 환경에서 종의 다양성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 환경 생태학자의 이해가 급격히 증가하는 것을 포함한다.[29]

또 다른 모델은 두 개체 모두에게 이익이 되는 두 유기체 간의 관계로 정의되는 상리공생에 관한 로(Law)와 디크만(Diekmann)의 1996년 모델이다.[30] 로와 디크만은 교란이나 부족에 대한 반응으로 식물이나 동물 개체군의 변화가 돌연변이가 발생하는 것보다 더 빠른 속도로 발생한다고 가정하는 적응 역학(adaptive dynamics)이라는 프레임워크를 개발했다. 이는 커뮤니티 내의 관계를 다루는 다른 모델을 단순화하는 것을 목표로 한다.[31]

2. 3. 얽힌 자연 모델 (Tangled Nature Model)

얽힌 자연 모델(Tangled nature model)은 진화 생태학의 경향을 보여주고 예측하기 위한 다양한 방법을 제공한다. 이 모델은 개체군 내에서 돌연변이가 발생하기 쉬운 개인과 멸종률 같은 기타 요인을 분석한다.[7] 이 모델은 2002년 런던 임페리얼 칼리지의 사이먼 레어드(Simon Laird), 다니엘 로슨(Daniel Lawson), 헨릭 젤토프트 옌센(Henrik Jeldtoft Jensen)에 의해 개발되었다. 이 모델의 목적은 관찰을 기반으로 단순하고 논리적인 생태 모델을 만드는 것이다. 모델은 개체군의 형태와 적합성을 결정할 때 생태학적 영향을 설명할 수 있도록 설계되었다.

3. 생태 유전학

생태 유전학은 자연 개체군에서 특성이 어떻게 진화하는지 연구함으로써 진화 생태학과 연결된다.[32] 생태학자들은 환경과 시간이 유전자가 우세해지는 과정에 어떻게 영향을 미치는지 관심을 가진다. 유기체는 자연 서식지에서 생존하기 위해 지속적으로 적응해야 하며, 유전자는 어떤 유기체가 살아남고 어떤 유기체가 죽을 것인지를 결정한다. 같은 종에서 유래하더라도 서로 다른 유전적 변이가 발생하는 것을 다형성이라고 한다.[33] 유익한 유전자를 전달하는 유기체는 자신의 종의 틈새 시장에서 이점을 가지도록 계속 진화시킨다.

3. 1. 핵심 개념

진화 생태학은 자연 집단에서 형질이 어떻게 진화하는지를 연구함으로써 진화 생태학과 연결된다.[8] 생태학자들은 환경과 시간이 유전자가 우세해지는 과정에 어떻게 영향을 미치는지에 관심을 갖는다. 생물은 자연 서식지에서 생존하기 위해 지속적으로 적응해야 한다. 유전자는 어떤 생물이 살아남고 어떤 생물이 멸종할지를 결정한다. 같은 종에서 유래했음에도 불구하고 생물이 서로 다른 유전적 변이를 발달시키는 것을 다형성이라고 한다.[9] 유익한 유전자를 물려주는 생물은 자신의 생태적 지위 내에서 이점을 갖도록 종을 계속 진화시킨다.

4. 진화 생태학에 기여한 학자

줄리아 마가렛 캐머런의 찰스 다윈 초상화


찰스 다윈은 자연 선택과 개체군 역학 이론을 통해 종의 개체군이 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지 설명하며 진화 생태학의 기초를 다졌다.[10] 에른스트 마이어는 다윈의 가장 두드러진 기여로 진화 개념, 분기 진화 개념, 자연 선택을 통한 진화 메커니즘을 꼽았다.[11]

G. 이블린 허친슨은 시스템 생태학, 방사선 생태학, 조류학, 곤충학 등에 큰 영향을 미쳤으며, 스티븐 제이 굴드는 그를 "현대 생태학의 아버지"로 칭했다.[37][38] 허친슨은 생태학과 수학을 연결한 선구자 중 한 명이다.

로버트 맥아더는 섬 생물지리학 이론을 통해 진화 생태학에 기여했다.[42] 에릭 피앙카는 먹이 찾기 전략, 번식 전술, 경쟁 및 틈새 이론, 군집 구조, 종 다양성 등을 연구했다.[43] 마이클 로렌츠바이크는 화해 생태학을 창시했다.[45]

그 외에도 로널드 피셔, 데이비드 랙, 티에리 로데 등이 진화 생태학 발전에 공헌했다.

4. 1. 찰스 다윈 (Charles Darwin)

찰스 다윈(1809–1882)은 자연 선택 및 개체군 역학 이론을 통해 종의 개체군이 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지에 대해 설명하여 진화 생태학의 중심 원리의 기초를 만들었다.[34] Ernst Mayr 하버드 대학교 동물학 교수에 따르면 다윈이 진화 생물학과 생태학에 기여한 가장 두드러진 점은 분지 진화의 개념으로, 지구상의 모든 생물 종의 공통 조상이 하나의 독특한 기원임을 의미한다.[35] 또한 다윈은 진화가 점진적이어야 하며 큰 단절이나 불연속성이 없어야 한다고 덧붙였다. 마지막으로 그는 진화의 메커니즘이 자연 선택이라고 추론했다.[36]

4. 2. 조지 에블린 허친슨 (George Evelyn Hutchinson)

조지 이블린 허친슨(1903–1991)은 60년 이상 생태학 분야에 기여했으며, 시스템 생태학, 방사선 생태학, 호수학, 곤충학 분야에 상당한 영향을 미쳤다.[12] 스티븐 제이 굴드는 허친슨을 "현대 생태학의 아버지"라고 칭했으며,[12] 허친슨은 생태학과 수학을 연결한 최초의 과학자 중 한 명이었다. 허친슨에 따르면, 그는 "개체군의 수학적 모델, 다양한 연령의 개체 비율 변화, 출생률, 생태적 지위, 그리고 이 기술적인 개체군 생태학 입문서에서 개체군 상호 작용"을 구성했다.[13] 그는 또한 호수가 시스템 행동에 대한 통찰력을 제공하는 미시 우주로 연구될 수 있다고 믿었기 때문에 호수학에 대한 광범위한 관심을 가지고 있었다.[14] 허친슨은 또한 그의 저서 《생태학의 순환 인과 시스템》으로도 알려져 있는데, 여기에서 그는 "유기체 집단은 환경에 의해 작용할 수 있으며, 환경에 반응할 수 있다. 두 시스템 중 하나의 특성 집합이 첫 번째 시스템이 두 번째 시스템에 작용하는 방식이 바뀌는 방식으로 변경되면, 이는 두 번째 시스템의 특성 변화를 일으켜 첫 번째 시스템에 대한 두 번째 시스템의 작용 방식을 바꿀 수 있다."라고 주장한다.[15]

4. 3. 로버트 맥아더 (Robert MacArthur)

로버트 맥아더(Robert MacArthur, 1930-1972)는 섬 생물지리학 이론으로 진화 생태학 분야에서 가장 잘 알려져 있다. 이 이론은 어떤 새로운 종들이 섬을 식민지화하는지, 그리고 기존 종의 개체수가 멸종되는 속도가 어떠한지를 설명한다.[42] 그는 저서 ''섬 생물지리학의 이론''에서 공동 저자와 함께 "어떤 섬에서든 종의 수는 새로운 종이 섬에 정착하는 속도와 기존 종의 개체군이 멸종되는 속도 사이의 균형을 반영한다"고 제안했다.[16]

4. 4. 에릭 피앙카 (Eric Pianka)

에릭 피안카(1939–2022)는 텍사스 대학교의 교수로, 진화 생태학 분야에서 섭식 전략, 생식 전술, 경쟁 및 틈새 이론, 군집 구조와 조직, 종 다양성, 희소성 이해 등에 대한 연구를 수행했다.[17] 특히 피안카는 생태학적 현상 연구에 도마뱀을 활용하는 것으로 유명한데, 이는 도마뱀이 흔하게 발견되어 관찰과 포획이 용이하기 때문이라고 밝혔다.[17]

4. 5. 마이클 로젠츠바이크 (Michael Rosenzweig)

마이클 로렌츠바이크(Michael L. Rosenzweig, 1941년~현재)는 인간이 너무 많은 토지를 사용하여 생지화학 주기에 부정적인 영향을 미치기 때문에 지정된 자연 보호 구역이 지구의 생물 다양성을 보존하기에 충분하지 않다는 이론에서 시작된 화해 생태학을 만들고 대중화했다. 그는 종의 구성에 부정적인 영향을 미치는 다른 생태학적 영향도 미쳤다고 보았다.[45]

4. 6. 기타 주요 학자


  • 로널드 피셔(1890-1962)는 1930년 저서 자연 선택의 기본 정리를 통해 자연 선택 이론을 개체군 생물학에 엄격하게 적용하는 힘을 인정했다.[46]
  • 찰스 다윈의 추종자인 데이비드 랙(1910-1973)은 주로 조류와 진화에 중점을 둔 진화 생물학생태학 분야를 통합하기 위해 노력했다.
  • 티에리 로데(1956-현재)는 종의 개체군에서의 성적 갈등이 진화에 미치는 영향에 초점을 맞춘 프랑스 생태학자이다.[47][48]

5. 연구 사례

마이클 로젠츠바이크의 화해 생태학 아이디어는 알렉산더 폰 훔볼트가 처음 제안한 원칙에 따라 수행된 기존 연구를 기반으로 개발되었다. 다양성의 정상 상태 역학은 종의 다양성 감소를 측정하는 데 사용되며, 이러한 다양성 감소에 대응하여 로젠츠바이크의 화해 생태학이 탄생했다.[49]

진화 생태학에서는 유기체 간의 공생 관계를 사용하여 그러한 관계가 발전하는 진화적 힘을 결정하기 위해 연구되었다. 진딧물과 진딧물이 공생하는 공생 박테리아를 이용한 연구가 그 예시이다.

진화 생태학의 영향과 그 결과는 아프리카 시클리드 물고기의 색상 변이에서 볼 수 있다. 시클리드 물고기는 2,000종이 넘을 정도로 종이 매우 풍부하고 복잡한 사회적 상호 작용을 할 수 있다.[51]

5. 1. 종-면적 관계 (Species-Area Relationship, SPAR)

마이클 로젠츠바이크의 조화 생태학 아이디어는 알렉산더 폰 훔볼트가 처음 제안한 원칙, 즉 더 넓은 면적의 토지가 더 좁은 면적의 토지에 비해 종 다양성이 증가한다는 원칙에 따라 수행된 기존 연구를 기반으로 개발되었다.[49] 이 연구는 종-면적 관계(SPARs)와 표본 면적에서 주 간 SPARs에 이르기까지 SPARs가 존재하는 다양한 규모에 초점을 맞췄다. 다양성의 정상 상태 역학은 이러한 SPARs를 발생시켰으며, 이는 현재 지구에서 종의 다양성 감소를 측정하는 데 사용된다.[49]

5. 2. 공생 관계 연구

진화 생태학은 유기체 간의 공생 관계를 연구하여 그러한 관계가 발전하는 진화적 힘을 결정한다. 공생 관계에서 공생체는 지속 가능하고 진화론적으로 실행 가능한 상태를 유지하기 위해 숙주에게 어느 정도 이점을 제공해야 한다. 진딧물과 진딧물이 공생하는 공생 박테리아를 사용하여 연구가 수행되었다. 이 박테리아는 대대로 가장 자주 보존되어 높은 수준의 수직 전파를 나타낸다. 연구 결과에 따르면 이러한 공생 박테리아는 궁극적으로 숙주 진딧물에 기생충에 대한 저항성을 부여하여 진딧물의 적합성을 높이고 종 간의 공생 매개 공진화를 유도한다.[50][23]

5. 3. 시클리드 물고기의 색상 변화

아프리카 시클리드 물고기는 2,000종이 넘을 정도로 종이 매우 풍부하고 복잡한 사회적 상호 작용을 할 수 있다.[51] 다색성(개체군 내에서 다양한 색상 패턴)은 환경에 적응하고 유성 생식의 기회를 늘리기 위해 시클리드 어류 내에서 발생한다.[52]

참조

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