백상아리의 DNA에는 과학이 아직 설명하지 못한 미스터리가 있습니다.

백상아리 DNA에 대한 전 세계 연구는 오랫동안 유지되어 온 이동 이론을 뒤집고, 번식 습관이나 알려진 진화적 요인으로는 설명할 수 없는 유전적 수수께끼를 드러냈습니다. 출처: Shutterstock

핵심 포인트

• 백상아리는 핵 DNA와 미토콘드리아 DNA 사이에 극명한 차이를 보입니다. 지금까지 과학자들은 이러한 차이를 설명하기 위해 백상아리의 이동 패턴을 지적해 왔습니다.
• 과학자들은 새로운 연구에서 전 세계 백상아리 개체군 간의 유전적 차이를 분석하여 이 이론을 검증했습니다. 그 결과, 백상아리는 1만 년 전 마지막 빙하기 말 인도-태평양의 단일 개체군으로 제한되어 있었다가 이후 현재의 전 세계 분포 지역으로 확장되었음을 발견했습니다.
• 이러한 결과는 이주 이론의 타당성을 부인하지만, 대안적인 설명은 여전히 찾기 어렵습니다.

백상아리(Carcharodon carcharias)는 마지막 빙하기 동안 거의 바닥에서 위로 올라오는 생활을 했습니다. 당시 해수면은 오늘날보다 훨씬 낮았고, 상어들은 좁은 공간에서 살아남아야 했습니다. 가장 최근의 한파는 약 1만 년 전에 끝났고, 그 이후로 지구는 점차 따뜻해졌습니다. 기온이 상승함에 따라 빙하가 녹고 해수면이 상승했는데, 이는 백상아리에게는 좋은 소식이었습니다.

미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표된 한 연구 결과에 따르면, 백상아리는 인도-태평양 남부 어딘가에서 하나의 잘 섞인 개체군으로 전락했습니다. 백상아리는 약 7,000년 전부터 유전적으로 분화되기 시작했는데, 이는 이 시기에 두 개 이상의 고립된 개체군으로 분리되었음을 시사합니다.

새로운 정보이지만 특별히 놀랍지는 않습니다. 백상아리는 먹이 사슬의 정점에 위치하여 활동 공간이 부족하여 개체 수가 제한되는 특성상, 최상의 시기에도 개체 수가 많지 않습니다. 오늘날 백상아리는 유전적으로 뚜렷한 세 종류의 개체군이 있습니다. 하나는 남반구의 호주와 남아프리카 공화국, 다른 하나는 북대서양, 그리고 다른 하나는 북태평양에 분포합니다. 백상아리는 널리 분포하고 있지만 개체 수는 여전히 적습니다.

플로리다 자연사 박물관의 플로리다 상어 연구 프로그램 책임자이자 연구 공동 저자인 개빈 네일러는 "전 세계적으로 약 2만 마리가 있을 것으로 추정됩니다."라고 말했습니다. "어떤 도시에 살고 있든 전 세계 백상아리보다 초파리가 더 많습니다."

개체 수가 적은 생물들은 어려운 시기에 멸종 위기에 처할 수 있습니다. 극지방에서 뻗어 나온 1마일 높이의 빙하가 엄청난 양의 물을 가두어 2만 5천 년 전까지 해수면이 약 40미터(131피트)나 급강하하여 서식지를 잃고 백상아리는 바다의 우리에 갇혀 살게 되었습니다.

하지만 백상아리가 다시 살아나는 과정에서 어떤 일이 일어났습니다. 이 사건은 20여 년 전 처음 발견되었을 때만큼이나 지금도 여전히 미스터리로 남아 있습니다. 이 연구의 주된 동기는 명확한 설명을 제시하는 것이었지만, 역대 최대 규모의 백상아리 유전 데이터 세트 중 하나를 사용했음에도 불구하고 계획대로 진행되지는 않았습니다.

네일러는 "과학적 관점에서 솔직하게 말하면 우리는 전혀 모른다는 것입니다."라고 말했습니다.

암컷 백상아리는 먹이를 찾기 위해 수년간 떠돌아다니지만 번식을 위해 다시 집으로 온다

과학자들이 처음으로 이상한 징후를 감지한 것은 2001년, 한 연구팀이 "...백상아리에 대한 정보는 얻기 어려웠는데, 그 이유는 이 물고기가 희귀하고 크기가 너무 크기 때문이었다"는 문장으로 시작하는 논문을 발표했을 때였습니다.

해당 연구의 저자들은 호주, 뉴질랜드, 남아프리카공화국에서 수십 마리의 상어에게서 채취한 유전자 샘플을 비교했습니다. 그 결과, 세포핵에서 생성되고 저장되는 DNA는 개체 간에 거의 동일했지만, 남아프리카공화국 상어의 미토콘드리아 DNA는 호주와 뉴질랜드 상어의 미토콘드리아 DNA와 뚜렷하게 달랐습니다.

겉보기에 당연한 설명은 백상아리들이 서로 뭉쳐다니는 경향이 있고 이웃 무리로 침입하는 경우는 드물다는 것이었습니다. 시간이 지남에 따라 각 무리에는 고유한 유전적 돌연변이가 축적되었을 것이고, 이것이 충분히 오래 지속된다면 새로운 종이 형성될 것입니다.

이는 미토콘드리아 DNA에서 관찰된 차이를 설명할 수는 있지만, 세 개체군 모두에서 핵 DNA가 사실상 동일한 이유는 설명하지 못합니다. 이를 설명하기 위해, 저자들은 수컷 상어는 일 년 내내 먼 거리를 이동했지만, 암컷은 전혀 멀리 이동하지 않았거나, 이동하더라도 번식기에 같은 장소로 돌아오는 경우가 가장 많았는데, 이를 필로파트리(philopatry)라고 하는 일종의 이동 패턴이라고 제안했습니다.

이 아이디어는 식물과 동물에서 핵 DNA와 미토콘드리아 DNA가 동일한 비율로 유전되지 않는다는 사실에 기반을 두고 있습니다. 핵 내부의 DNA는 부모 양쪽 모두로부터 자손에게 전달되지만, 미토콘드리아를 다음 세대에 물려주는 것은 오직 한 사람, 대부분 암컷뿐입니다. 이는 미토콘드리아가 진핵생물의 조상에게 함부로 삼켜져 용도가 변경되기 전, 독립 생활을 하는 박테리아였던 시절의 유물입니다.

이는 좋은 추측이었고, 나중에 대부분 정확한 것으로 판명되는 이점도 있었습니다. 수컷과 암컷 백상아리는 일 년 내내 먹이를 찾아 먼 거리를 이동하며, 암컷은 짝짓기 전에 항상 귀환합니다.

따라서 백상아리의 핵 DNA는 순회하는 수컷들이 여기저기 돌아다니며 다양한 물질을 섞어 넣기 때문에 변이가 적어야 하지만, 다른 개체군의 미토콘드리아 DNA는 각기 다른 특징을 지녀야 합니다. 이는 지난 20년 동안 가장 유력한 설명으로 여겨져 왔으며, 마치 닳고 닳은 장갑처럼 딱 들어맞는 것처럼 보였습니다. 하지만 아무도 실제로 이 설명의 크기를 시험해 보려고 시도하지 않았습니다. 이는 주로 시금석 연구에서 언급된 것과 같은 이유로 필요한 데이터를 얻기 어려웠기 때문입니다. 백상아리는 많지 않고, 연구자들이 백상아리를 발견하더라도 부속지를 잃지 않고 DNA 샘플을 채취하는 것은 까다로운 작업일 수 있습니다.

상어의 이동만으로는 세포핵과 미토콘드리아의 불일치를 설명할 수 없습니다. 그렇다면 무엇이 설명할 수 있을까?

네일러와 그의 동료들은 2012년부터 필요한 데이터 수집을 시작했습니다. "저는 백상아리의 분자적 특성을 탐구하기 위해 핵 유전체를 구축하고 싶었습니다."라고 그는 말했습니다. "백상아리는 매우 독특한 특징을 가지고 있는데, 저희는 약 40~50개의 샘플을 가지고 있었고, 이를 활용하여 백상아리 개체군 구조를 조사할 탐사선을 설계할 수 있을 것이라고 생각했습니다."

그 후 몇 년 동안, 그들은 약 150마리의 백상아리 미토콘드리아 유전체에서 DNA 시퀀싱을 수행했습니다. 이 미토콘드리아 유전체는 핵 유전체보다 크기가 작고 조립 비용도 저렴합니다. 샘플은 대서양, 태평양, 인도양을 포함한 전 세계에서 수집되었습니다.

두 유형의 DNA를 비교했을 때, 2001년에 발견된 것과 동일한 패턴을 발견했습니다. 개체군 수준에서 북대서양의 백상아리는 남대서양의 백상아리와 거의 섞이지 않았습니다. 태평양과 인도양의 상어도 마찬가지였습니다. 분자 수준에서 모든 백상아리의 핵 DNA는 상당히 일정하게 유지된 반면, 미토콘드리아 DNA는 놀라울 정도로 큰 변이를 보였습니다.

연구진은 필로파트리 이론을 인지하고 있었고, 그 이론이 타당한지 확인하기 위해 몇 가지 실험을 진행했습니다. 먼저 핵 DNA를 구체적으로 살펴보았습니다. 만약 짝짓기를 위해 같은 장소로 돌아가는 행위가 이상한 미토콘드리아 패턴의 원인이라면, 암컷이 자손에게 절반을 물려주는 핵 DNA에도 그에 대한 작은 신호가 나타나야 합니다.

"하지만 그것은 핵 데이터에 전혀 반영되지 않았습니다."라고 네일러는 말했습니다.

다음으로, 그들은 미토콘드리아 유전체에 대한 정교한 검사를 고안했습니다. 이를 위해 먼저 백상아리의 최근 진화 역사를 재구성해야 했는데, 이를 통해 마지막 빙하기 동안 남방에 단일 개체군으로 축소되었던 백상아리의 모습을 발견했습니다.

"해수면이 가장 낮았을 때는 개체 수가 매우 적었습니다. 그 후 얼음이 녹으면서 개체 수가 증가하여 북쪽으로 이동했습니다. 북쪽 해역에 남아 있었던 것은 믿을 만한 먹이 공급원을 찾았기 때문일 것으로 추정됩니다."라고 네일러는 말했습니다. 구체적으로, 그들은 물개를 만났는데, 물개는 백상아리의 주요 먹이이며, 백상아리가 특정 지역에 대한 강한 충성심을 보이는 주요 이유 중 하나입니다.

"이 백상아리들은 와서 맛있는 통통한 소시지를 얻어 먹습니다. 살찌고 번식한 다음 바다를 돌아다니죠."

상어들이 언제 갈라졌는지 아는 것이 핵심이었는데, 각 집단이 이때부터 유전적으로 서로 갈라지기 시작했을 것이기 때문입니다. 연구진이 해야 할 일은 지금과 마지막 빙하기 사이의 1만 년이라는 시간이, 만약 필로파트리가 주범이라면, 미토콘드리아 DNA가 데이터에서 관찰된 차이점의 수만큼 축적될 만큼 충분한 시간이었는가를 확인하는 것뿐이었습니다.

그들은 답을 찾기 위해 시뮬레이션을 했지만, 결과는 부정적이었습니다. 필로파트리는 백상아리의 행동 패턴임은 분명하지만, 대규모 미토콘드리아 분열의 원인은 아니었습니다.

그래서 네일러와 그의 동료들은 어떤 종류의 진화적 힘이 그 차이를 설명할 수 있을지 알아내기 위해 다시 생각해 보았습니다.

"성비가 다를 수도 있다는 생각을 하게 되었습니다. 한 세대에서 다음 세대로 개체군에 기여하는 암컷은 소수에 불과하다는 것이죠."라고 네일러는 말했습니다. 이러한 생식적 편향은 미어캣, 시클리드, 그리고 여러 종류의 사회성 곤충을 포함한 다양한 생물에서 관찰됩니다.

하지만 또 다른 실험에서는 번식적 왜곡 현상이 백상아리에는 적용되지 않는다는 것이 밝혀졌습니다.

연구진은 이 단계에서는 배제할 수 없지만, 가능성이 낮지만 세 번째 가능성이 있다고 밝혔습니다. 바로 자연선택이 이러한 차이의 원인이라는 것입니다. 이것이 믿기 어려운 이유는 진화적 힘의 상대적인 강도와 관련이 있습니다. 자연선택, 즉 자손을 남기기에 가장 적합한 생물이 실제로는 일반적으로 가장 많은 자손을 낳는다는 생각은 항상 작용하지만, 대규모 개체군에서 가장 강력한 효과를 발휘합니다. 반대로 소규모 개체군은 유전적 부동(genetic drift)이라는 현상에 더 취약합니다. 유전적 부동이란 무작위적인 특성, 심지어 유해한 특성조차도 다음 세대로 유전될 가능성이 훨씬 더 높은 현상을 말합니다.

예를 들어 플로리다 팬더는 야생에 수백 마리밖에 남지 않아 심각한 멸종 위기에 처해 있습니다. 대부분의 팬더는 꼬리 끝이 꼬여 있는데, 이는 아마도 단일 조상으로부터 유전된 것으로 보입니다. 자연선택에 주로 의존하는 대규모 개체군에서는 이러한 특징이 드물게 남아 있거나 시간이 지남에 따라 완전히 사라졌을 것입니다. 그러나 소규모 개체군에서는 꼬인 꼬리를 가진 한 마리의 고양이가 유전적 부동의 영향을 받아 순전히 우연의 일치로 세상을 바꿀 수 있습니다.

비교하자면, 중력은 물질과 에너지의 모든 규모에서 힘을 발휘하지만, 네 가지 기본적인 물리적 힘 중 단연 가장 약합니다. 행성과 별의 규모에서 중력은 태양계와 은하를 하나로 묶을 수는 있지만, 전자기력과 같은 세 가지 더 강하지만 더 국소적인 힘에 의해 지배되는 원자의 모양이나 상호작용에는 거의 영향을 미치지 않습니다.

연구 결과에 따르면, 유전적 부동은 백상아리의 미토콘드리아 차이를 설명할 수 없습니다. 유전적 부동은 완전히 무작위적인 과정이기 때문에 한 유형의 DNA만 선택적으로 표적으로 삼고 다른 유형의 DNA는 그대로 둘 수 없습니다. 만약 유전적 부동이 원인이라면, 핵 DNA에서도 유사한 변화가 나타날 것입니다.

이로써 자연선택만이 유일한 다른 가능성으로 남게 되는데, 백상아리의 개체 수가 적기 때문에 자연선택의 가능성은 낮아 보인다. 네일러는 자연선택이 원인이라면, 그 선택력은 "잔혹할 정도로 치명적이어야 한다"고 말했습니다.

만약 블랙홀 정도의 집중된 공간에 충분한 질량을 모으면, 원래는 온건했던 중력이 빛을 삼킬 만큼 강력해집니다.

만약 이 경우에 자연선택이 작용한다면, 그 결과는 비슷하게 강력할 것입니다. 특정 집단에서 가장 흔한 미토콘드리아 DNA 서열에서 조금이라도 벗어나면 치명적일 가능성이 높으며, 따라서 다음 세대로 유전되지 못하게 됩니다.

하지만 이는 결코 확실하지 않으며, 네일러는 그러한 결론의 타당성에 의문을 품고 있습니다. 현재로선 과학자들은 추가 연구를 통해서만 해결될 수 있는 미해결 문제에 직면해 있습니다.

이 연구에 참여한 공동 저자는 다음과 같습니다. 국립자연사박물관의 로무알드 라소-자다르, 엘리스 가야, 피에르 레스투르지, 스테파노 모나; 플로리다 자연사 박물관의 섀넌 L. 코리건, 레이 양, 에이드리언 리; 록펠러 대학교의 올리비에 페드리고; 캘리포니아 주립대학교 롱비치 캠퍼스의 크리스토퍼 로우, 케이디 라이언스; 매사추세츠 다트머스 대학교의 그렉 스코말; 콰줄루나탈 대학교의 제레미 클리프; 펠라기오스-카쿤자 해양보호구역의 마우리시오 호요스 파딜라; 플린더스 대학교의 찰리 후베니어스; 오키나와 추라우미 수족관의 케이이치 사토; 대영 자연사 박물관의 제임스 글랜시.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250816113505.htm