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- 1972년 미국 연구원들, 파문을 일으킨 플랑크톤 연구 결과 발표
- 해양 동물의 풍부함과 크기가 무작위로 분포하지 않고 수학 법칙 따른다고 제안
- 쉘돈(Sheldon)의 크기 스펙트럼 이론; 유기체의 각 크기 등급은 전지구적 관점에서 거의 동일한 양의 바이오매스를 포함한다.

바다에서의 삶은 수학 법칙을 따른다
공식은 박테리아에서 고래에 이르기까지 모든 해양 생물의 빈도를 설명한다.

신비한 법칙:
과학자원들은 모든 바다 생물이 수학 공식을 따른다는 것을 처음으로 확인했다.
즉, 체질량이 10배 증가하면 빈도는 10억 배 감소한다. 결과적으로 모든 크기 등급이 작은 박테리아에서 거대한 대왕고래에 이르기까지 전 세계적으로 동일한 양의 바이오매스를 갖는 놀랍도록 균일한 분포가 나타난다. 이 연구는 또한 인간이 이미 이 균형을 측정할 수 있을 정도로 변화시켰음을 보여준다. 

▲ 한 등급에 몇 마리의 바다 생물이 있는지는 무작위가 아니라 수학 법칙을 따른다. © Placebo365 / Getty images

1972년 미국 연구원들은 파문을 일으킨 플랑크톤 연구 결과를 발표했다. 그들은 해양 동물의 풍부함과 크기가 결코 무작위로 분포하는 것이 아니라 수학 법칙을 따른다고 제안했기 때문이다. 쉘돈(Sheldon)의 크기 스펙트럼 이론에 따르면, 유기체의 각 크기 등급은 전지구적 관점에서 거의 동일한 양의 바이오매스를 포함한다.

이것은 체중이 10배 증가할 때마다 이 체중 등급의 유기체 수가 10억 배 감소하는 것과 관련이 있기 때문에 가능하다.

▲ 그림 1. 전 세계 해양 크기 스펙트럼.(A) 검은색 매핑된 점은 종속 영양 박테리아 및 동물성 플랑크톤 측정을 위한 n = 226,405개의 샘플 위치. 독립영양생물은 어획량 데이터에 의해 제약을 받는 글로벌 프로세스 모델의 표면 엽록소 및 어류의 위성 이미지에서 추정됐다. 해양 포유류는 종의 전 세계 인구 추정치에서 추정되며 이들의 바이오매스는 지도에 포함되지 않음. 각 그룹의 바이오매스(g/m2, 습중량)는 해양의 각 1° 영역에 있는 모든 그룹에 대해 합산된다(여기에는 상위 200m의 바이오매스만 표시됨). (B) 총 해양 바이오매스(습윤 중량)는 전지구적 크기 스펙트럼을 추정하기 위해 각 그룹에 대한 관련 크기 등급(g, 습윤 중량)에 걸쳐 분할된다. 이것은 해양의 외피와 대륙붕(상단 ~200m)에 걸쳐 크기 등급의 각 등급에 속한 개체의 총 수로 표시되며 지수는 -1.04(95% CI: -1.05 ~ -1.02)가 됩니다. 회색 신뢰 대역에는 각 크기 등급의 바이오매스 불확실성(그림 2A)과 각 그룹의 크기 분포의 불확실성(그림 2C, i)이 포함. 빈 색상은 선형 축에서 각 그룹의 상대적 비율을 표시[y축 또는 (A)의 바이오매스와 관련 없음]. 자세한 내용은 재료 및 방법에 있다. (출처: 관련논문 fig 1 The global ocean size spectrum from bacteria to whales)

박테리아에서 고래까지 해양 생물의 "센서스“

이러한 규칙성은 지역 수준에서 그리고 더 적은 수의 등급을 비교해 이미 여러 번 확인됐다. 라이프치히에 있는 막스 플랑크 수학 연구소(Max Planck Institute for Mathematics in Leipzig)의 이안 하톤(Ian Hatton)은 "거의 50년 동안의 경험적, 이론적 연구에도 불구하고 그 타당성은 전 세계적인 수준과 23가지 크기의 해양 생물 모두에 대해 확인된 적이 없다"고 설명했다.

연구원들은 최근 정확히 이 리뷰를 보완했다.
그들은 박테리아에서 가장 큰 고래에 이르기까지 모든 규모에 걸쳐 수중 유기체의 12가지 피부 그룹의 빈도 분포를 결정했다. 공간적 변동을 고려하기 위해 그들은 세계의 바다를 각각 1도씩 3만3000개의 격자점으로 나누었다. Hatton은 "이러한 대규모 측정을 적절하게 비교하는 것은 어려운 일이었다"고 말했다.

연구팀은 1850년경 산업화 이전 시대의 거의 손이 닿지 않은 바다에서 유기체의 분포를 기록할 수 있도록 역사적 데이터를 평가하고 모델을 사용하여 공간 분포를 재구성했다.

▲ 그림 2. 원시 해양 바이오매스 스펙트럼 생물량은 바다의 상층 200m(색깔)에 나타나며 해저까지 확장된다(해칭 색상은 외피 아래를 지배하는 그룹을 나타낸다. 박테리아는 <10-11g을 지배하고 중원양 어류는 크기 등급 10-3에서 103을 지배한다. NS). (A) 전 세계 해양 바이오매스는 상피 바이오매스에 대한 로그 95% CI로 로그 규모로 표시된다. Bin 색상은 각 그룹의 상대적 비율을 표시합니다(y축과 관련 없음). (B) (A)의 바이오매스 추정치는 전체 추세에서 박테리아와 고래의 차이를 강조하기 위해 선형 척도로 표시된다. (C) (i) 바이오매스[(A)에 표시됨] 및 각 그룹의 크기 분포(n = 10,000 시뮬레이션) 및 (ii) n에 대한 이전에 게시된 기울기 값의 불확실성을 포함하는 재표본된 데이터에 대한 바이오매스 스펙트럼 기울기의 주파수 히스토그램 = 325개의 측정된 바이오매스 스펙트럼(47개의 개별 연구에서, C, i에서 x축의 차이에 주목). (출처:Fig. The global ocean size spectrum from bacteria to whales)

 

모두를 위한 하나의 공식

결과:
깨끗한 바다에서 유기체는 실제로 쉘돈(Sheldon) 크기 스펙트럼의 수학 공식을 따른다.
23개의 크기 등급 각각에서 전 세계 바이오매스는 약 1기가톤이다. 체질량이 10배 증가할 때마다 이 부류의 개체 수는 10억 마리씩 감소한다. 연구원들은 이 분포의 극단에서 약간의 편차만 발견했다. 박테리아는 원래 있어야 하는 것보다 조금 더 많은 반면 큰 고래는 너무 드물다.

그럼에도 불구하고 결과는 해양 환경이 실제로 거의 50년 전에 가정된 이 법칙을 따르고 있음을 확인시켜주었다.

수석 저자인 몬트리올 McGill University의 Eric Galbraith는 "해양 생물이 크기 등급에 걸쳐 고르게 분포되어 있다는 것은 정말 놀라운 일이다"며 “우리는 왜 그런지 모른다. 작은 유기체가 큰 유기체보다 더 많은 바이오매스를 가질 수 없는 이유는 무엇일까? 또는 바이오매스 비율이 특히 높은 이상적인 크기가 없는 이유는 무엇일까? 이와 관련하여 결과는 우리가 생태계에 대해 얼마나 알고 있는지를 강조한다”고 말했다.

▲ 확인된 크기 등급 스펙트럼: 바다에 있는 유기체의 풍부함과 체질량 분포. © Ian Hatton

인간이 균형을 교란시켜

분석은 또한 한때 바다 전체에서 유효했던 규칙성이 이제는 측정할 수 있을 정도로 교란되었음을 보여주었다. 고래잡이와 낚시의 형태로 인간의 개입은 바다에서 크기 등급 간의 균형을 변경했다.

그 결과, Hatton과 그의 동료들이 발견한 것처럼, 가장 무거운 바다 생물의 상부 1/3이 상당히 얇아졌다. 이 편차는 무게가 10g 이상인 물고기에서 이미 분명하며 특히 고래에서 분명하다.

▲ 인간의 개입은 크기 범위 스펙트럼을 변경했다. © Ian Hatton

데이터에 따르면 대형 어류와 돌고래와 같은 해양 포유류의 바이오매스는 약 2기가톤 감소했다. 이는 쉘던 크기 스펙트럼의 값과 비교하여 60% 감소한 것에 해당한다. 더 큰 고래 종에서 바이오매스는 원래 비율에 비해 90%까지 감소했다.

"따라서 인간은 단순히 바다의 최상위 포식자가 되었을 뿐만 아니라 해양 생태계를 통한 전체 에너지 흐름을 완전히 바꿔 놓았다"고 Galbraith는 말했다.

삶의 기본 패턴이 바뀌었다.

따라서 이러한 결과는 해양 환경에 대한 인간의 막대한 영향이 해양 생물의 근본적인 패턴을 변화 시켰음을 보여준다. 공동 저자인 바르셀로나 자치 대학의 리안 하네간(Ryan Heneghan)은 "인간은 단순한 낚시보다 더 극적인 방식으로 바다에 영향을 미쳤다. 우리는 자연의 가장 큰 멱법칙 중 하나인 크기 스펙트럼을 분명히 깨뜨렸다"고 말했다.
(Science Advances, 2021; doi: 10.1126 / sciadv.abh3732)
출처: McGill University, Universitat Autònoma de Barcelona, ​​Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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