중립 종이 주는 생존 전략 탄생과 소멸 과정에서의 순환 경쟁 유지

초록

본 연구는 자연적인 출생·사망 과정을 포함한 공간적 가위바위보(RPS) 모델에 중립 종을 도입하여, 중립 종이 양성·음성 고차 상호작용(HOI)을 통해 종 다양성에 미치는 영향을 탐구한다. 시뮬레이션 결과, 중립 종이 양성으로 간섭하면 공간을 장악해 다른 두 종의 비율을 낮추고, 해로운 간섭은 경쟁 종의 밀도를 높인다. 특히 이동성이 높은 경우에도 중립 종의 존재가 생물다양성을 유지시킨다.

상세 분석

이 논문은 기존 RPS(가위‑바위‑보) 순환 경쟁 모델에 두 가지 중요한 현실적 요소를 동시에 도입한 점이 혁신적이다. 첫째, 개체의 자연적인 탄생(birth)과 사망(death) 과정을 확률적 반응식으로 구현함으로써, 무한히 유지되는 고정 인구 가정에서 벗어나 실제 생태계의 인구 변동을 반영한다. 둘째, ‘중립 종(neutral species)’이라는 비참여 종을 고차 상호작용(HOI)의 매개체로 설정하고, 이 종이 다른 두 종에 대해 양성(positive) 혹은 음성(negative) 간섭을 할 수 있게 한다. 고차 상호작용은 전통적인 2‑body 반응을 넘어 3‑body 혹은 그 이상의 상호작용을 의미하며, 실제 생태계에서 한 종이 다른 두 종 사이의 경쟁 강도를 조절하는 역할을 수행한다는 가설에 기반한다.

모델은 2‑D 격자에서 각 격자점이 세 가지 경쟁 종(A, B, C)과 중립 종(N) 중 하나를 차지하도록 설정한다. 기본 RPS 규칙은 A가 B를, B가 C를, C가 A를 이긴다. 여기에 다음과 같은 추가 반응을 포함한다. (1) 출생: 빈칸이 인접한 종에 의해 채워지는 확률 b, (2) 사망: 개체가 빈칸으로 전환되는 확률 d, (3) 이동: 인접 격자와 교환되는 확률 m, (4) HOI: N이 인접한 A‑B, B‑C, C‑A 쌍에 대해 양성(α>0) 혹은 음성(α<0) 효과를 부여한다. 양성 HOI는 N이 해당 쌍의 경쟁을 억제해 N 자체가 번식할 공간을 확보하도록 하고, 음성 HOI는 반대로 경쟁 종의 번식률을 증가시킨다.

시뮬레이션은 파라미터 공간(b, d, m, α)을 광범위하게 탐색했으며, 특히 이동성 m이 클 때 전통적인 RPS에서는 종 다양성이 급격히 소멸되는 ‘패턴 붕괴’ 현상이 나타난다. 그러나 중립 종이 양성 HOI(α>0)를 가질 경우, N이 공간을 빠르게 점령해 경쟁 종들의 군집 형성을 방해하고, 결과적으로 전체 시스템이 ‘동시 공존’ 상태에 머문다. 반대로 α<0인 경우, N은 경쟁 종들의 성장률을 촉진시켜 전체 인구 밀도가 상승하지만, 여전히 세 종이 주기적인 공간 패턴을 유지한다.

핵심 통찰은 다음과 같다. (i) 중립 종은 단순히 ‘패시브’ 존재가 아니라, 고차 상호작용을 매개함으로써 경쟁 구도를 재구성한다. (ii) 양성 HOI는 중립 종이 ‘생태적 엔지니어’ 역할을 수행해, 높은 이동성에서도 종 다양성을 보존한다. (iii) 음성 HOI는 경쟁 종의 번식률을 높여 전체 인구 규모를 확대하지만, 다양성 자체는 크게 변하지 않는다. (iv) 출생·사망 비율(b/d)과 이동성(m)의 조합에 따라 시스템은 ‘공존 영역’, ‘우세 종 영역’, ‘멸종 영역’으로 구분되는 복합적인 위상도를 나타낸다. 이러한 결과는 기존 RPS 연구가 간과해 온 ‘자연적 인구 동태’를 포함했을 때, 중립 종이 생물다양성 유지에 미치는 결정적 역할을 실증적으로 보여준다.