왜 크고 사나운 동물은 희귀한가

왜 크고 사나운 동물은 희귀한가



폴 콜린보 지음

에코리브르 / 2018년 11월 / 336쪽 / 18,000원





크고 사나운 동물이 희귀한 까닭



동물은 크기가 저마다 다르며, 크기가 작은 동물의 수가 크기가 큰 동물의 수보다 훨씬 많다. 북반구의 온대지방에서 흔히 볼 수 있는 작은 숲 지대에는 수많은 곤충이 살아가는데, 거기에서 만나는 작은 새들보다 크기가 더 큰 곤충은 찾아보기 어렵다. 한편 작은 새는 곤충들보다 훨씬 수가 적다. 동물의 크기는 껑충 뛰어 여우ㆍ매ㆍ올빼미에 이르는데, 이들의 수는 고작 한두 마리에 불과하다. 여우는 크기가 명금의 10배며, 명금은 곤충의 10배다. 이런 생태계에서 살아가는 들은 정말이지 크기가 매우 뚜렷하게 구별된다. 크기가 큰 축에 속하는 다람쥐는 대번에 구분되지만, 곤충과 작은 새의 중간 크기인 동물들은 쉽사리 만나보기 어렵다.

다른 곳에서와 마찬가지로 숲에서도 동물의 크기가 확연하게 되는 현상을 관찰할 수 있으며, 작은 동물들이 가장 흔하다. 바다에서도 같은 현상이 드러나는데, 그 형태는 육지보다 훨씬 더 특이하다. 외해에서는 실제로 작은 생명체가 모두 미세 규조류와 바닷말 같은 식물이기 때문이다. 이들보다 약 10배 더 큰 동물은 플랑크톤, 요각류 따위다. 요각류를 잡아먹는 새우나 물고기는 그보다 훨씬 더 크다. 여기서부터 크기가 차례로 껑충 뛰는 동물은 청어, 그다음은 상어 혹은 범고래다.

숲이나 바다에서 살아가는 작은 존재들은 지천으로 흔하다. 그보다 더 큰 존재들은 단속적으로 크기가 커지며, 또 그에 비례하는 정도로 수가 줄어든다. 이런 현상은 동물 가운데 가장 크고 가장 희귀한 존재에 이르기까지 줄곧 이어진다. 열대 숲, 아일랜드의 늪지 등 다른 거의 모든 곳에서도 비슷한 패턴을 관찰할 수 있다. 생명체가 이처럼 ‘크기에 따라 일정한 범주로 나뉘는(size-fraction)’ 현상은 기이하지만 엄연히 존재한다. 크기가 큰 동물은 상대적으로 더 드물다.

옥스퍼드의 찰스 엘턴은 반세기 전 이 기묘한 현상에 주목했다. 엘턴은 나무가 없고 툰드라 기후를 띠는 북극의 섬 스피츠베르겐(Spitsbergen)으로 모험을 떠났다. 이 섬에서는 동물들이 탁 트인 평야를 활보하고 다녔다. 그는 특히 거기에서 일과를 꾸려가는 북극여우를 추적할 수 있었다. 엘턴은 그해 여름내 북극여우를 따라 다니면서 녀석들의 행동을 면밀히 관찰했다. 북극여우는 여름철에 툰드라에서 살아가는 새, 즉 뇌조(ptarmigan), 도요새(Sandpiper), 멧새(bunting)를 잡아먹었다. 이 새들은 여우보다 크기가 한 단계 작은 무리에 속했고 수는 훨씬 많았다. 뇌조는 툰드라 식물의 열매나 이파리를 먹고 살았으며, 도요새와 멧새는 곤충과 지렁이를 잡아먹었다. 역시나 곤충과 지렁이는 도요새와 멧새보다 크기가 무리에 속했고 수는 훨씬 많았다.

엘턴은 이 모든 현상을 관찰했다. 작은 존재는 흔하고 큰 존재는 희귀하다는 사실을 낯설게 바라보려 한 것이다. 왜 거대한 동물은 그토록 희귀한가? 왜 생명체의 크기는 그렇듯 몇 단계로 확연하게 구획되는가? 크기가 뚜렷하게 구분되는 현상은 먹고 먹히는 역학에서 비롯되었다. 북극여우는 새를 잡아먹을 수 있을 만큼 충분히 크고 활동적이어야 하며, 그 새들 역시 먹이동물을 제압하고 한입에 꿀꺽 삼킬 수 있어야 한다. 무릇 모든 동물은 운명적으로 살아 있는 제 먹이를 가뿐하게 굴복시키고, 그것을 거의 통째로 목에 넘길 수 있을 만큼은 크기가 커야 한다. 먹이사슬을 한 단계 한 단계 올라갈 때마다 동물의 크기는 10배가량 커졌다. 생명체의 크기가 이렇듯 몇 개의 범주로 뚜렷하게 구획되는 것은 생명체들이 제 먹잇감보다 크기가 훨씬 더 크게끔 진화해야 하기 때문이다.

하지만 우리는 먹이 크기에 관한 이런 일반적인 원칙에서 벗어나는 예외를 수두룩하게 떠올릴 수 있다. 늑대ㆍ사자ㆍ내부 기생충ㆍ코끼리ㆍ수염고래 따위다. 늑대와 기생충처럼 자기 먹이보다 작거나 반대로 수염고래처럼 자기 먹이보다 터무니없이 큰 동물도 무수히 많다. 육식동물이 능란하게 먹이를 잡아먹을 수 있는 크기로 진화하듯이 초식동물은 육식동물을 피하기에 좋은 크기로 진화한다. 따라서 먹이사슬이 초원이나 숲의 식물들로 시작한다 하더라도 자연선택은 크기계급을 보존하려는 경향이 있다.

엘턴의 먹이사슬을 따라 올라가면서 크기 도약이 나타나고, 먹이사슬의 상층에 놓인 동물은 크기가 커야 함을 보여주었다. 그렇다면 왜 크기가 큰 동물은 희귀한가? 그리고 사용 가능한 동물 살(flesh)의 양, 즉 생태학자들이 ‘생체량(biomass)’이라고 부르는 것은 한정되어 있으며, 그 살은 큰 몸체를 소량 만들거나 작은 몸체를 다량 만드는 데 쓰일 수 있다는 것이다. 숲 지대에 살아가는 모든 곤충을 합한 질량은 새들 전체의 질량보다 몇 배나 많고, 명금ㆍ다람쥐ㆍ생쥐를 모두 합한 질량은 여우ㆍ매ㆍ올빼미를 모두 합한 질량보다 훨씬 더 많다. 어째서 크기가 큰 동물 계급에서는 생체량이 그토록 적은가?

과학계가 엘턴이 1927년 제기한 질문에 해답을 얻기까지는 거의 20년이 걸렸다. 예일 대학의 레이먼드 린드먼과 에벌린 허친슨이 먹이와 몸체를 살이 아니라 칼로리로 해석함으로써 거둔 결실이었다.

생체량, 즉 살은 잠재적 에너지를 뜻하며 에너지는 칼로리로 측정된다. 단백질 한 덩어리를 연소하면 많은 칼로리를, 동일한 양의 지방을 연소하면 훨씬 더 많은 칼로리를 얻을 수 있다는 것은 잘 알려진 지식이다. 하지만 생물학자들은 칼로리 개념에 꽤나 굼뜨게 눈을 떴다. 크고 사나운 동물이 희귀한 까닭에 관한 답은 바로 먹이를 칼로리로 사용하는 데 있었다.

동물의 살을 칼로리로 측정함으로써 사람들은 몸이란 영혼을 담는 그릇이기도 하지만 그와 더불어 연료이기도 하다는 중요한 사실을 깨달았다. 동물은 살아가기 위해 끊임없이 연료공급원을 연소하고 입이나 콧구멍 같은 일종의 굴뚝으로 배기가스를 내보내고, 그 칼로리를 우주 공간에 복사열로 내놓는다. 동물은 자신의 살을 소비하며 더 많은 먹이를 섭취하여 잃어버린 물질을 대체하고 그런 다음 다시 그 대부분을 연소한다. 생명연소에 의한 이 같은 물질 소비 과정은 먹이사슬단계에서 지속되며, 동물이 의존하는 식물은 연신 새로 연료를 대준다. 동물은 제 아래 단계로부터 빼앗은 연료(먹이)로 어떻게든 연명해야 한다. 하지만 이들은 아래 단계 동물이 소비하지 않고 남겨둔 것의 일부만 취할 수 있으며, 위 단계 동물은 그 적은 양을 가지고 몸을 만들 뿐 아니라 살아가기 위한 연료로도 사용해야 한다. 이것이 바로 그들의 수가 아래 단계 동물 수의 극히 일부에 불과한 까닭이며, 왜 그들이 그토록 희귀한지 말해주는 이유다

생명체가 궁극적으로 기대는 것은 결코 약해지지 않는 빛으로 열량을 제공해주는 태양이다. 지구상에서 이용 가능한 모든 지표면에는 식물이 태양 빛을 얻기 위해 자리를 차지하고 있다. 초록 식물은 마치 인공위성에 달린 금도금 전지마냥 자신의 에너지 수용체와 변환체를 그 빛나는 에너지원을 향해 뻗고 있다. 식물은 우리가 이파리라고 부르는 초록 변환체에서 연료를 합성함으로써 끊임없이 유입되는 태양에너지를 지속적으로 나눠준다. 식물은 이들 연료 가운데 일부는 몸을 만드는 데 쓰지만 일 는 생명활동을 유지하기 위해 연소한다. 동물은 이런 식물을 섭취하지만 우리가 알다시피 땅 위에 동물의 먹이가 되지 못한 채 갈색으로 썩어가는 식물 잔해가 잔뜩 깔려 있는 것으로 보아 모든 식물 조직을 취하지는 못한다. 또한 동물은 식물이 이미 연소한 연료도 사용할 수 없다. 따라서 지상에는 식물의 생체량만큼 많은 동물의 생체량이 존재할 수 없다. 큰 식물은 더없이 풍부하게 존재하거나 나란히 열 지어 살아갈 수 있지만, 그와 같은 크기의 동물은 풍부한 정도가 그 10분의 1에 지나지 않으므로 듬성듬성 흩어져서 지낸다.

모든 동물이 채식주의자라 하더라도 이 말은 사실일 것이다. 하지만 모든 동물이 초식동물은 아니다. 육식동물의 경우 획득 가능한 최대 열량은 먹이인 초식동물의 몸 일부에 그치며, 그들은 이 일부를 가지고 한 편으로 몸을 만들고 다른 한편으로 연료를 공급해야 한다. 더욱이 그들의 몸은 생계를 위해 사냥할 수 있을 만큼 크고 왕성해야 한다. 이 육식동물 익살을 먹는 먹이사슬의 더 높은 단계에 놓인 동물은 그보다 더 작아진 일부를 가지고 훨씬 더 크고 사나운 몸을 지탱해야 한다. 이것이 바로크고 사나운 동물이 그렇게나 깜짝 놀랄 만큼 (혹은 다행스러울 만큼) 희귀한 까닭이다.



생명체의 효율



초록 식물은 저마다의 생태적 지위에 따라 이용 가능한 생태계 공간을 저희끼리 공유한다. 각종의 식물들은 각기 별개의 생태적 지위를 누린다. 어느 것은 옥토에 어느 것은 박토에 뿌리 내리는 식으로, 어느 것은 철 이르게 어느 것은 느지막이 등장하는 식으로, 또 어느 것은 크게 어느 것은 작게 자라는 식으로 말이다. 그리고 이들 초록 식물은 연료를 만들기 위해 얼마간의 태양에너지를 받아들인다. 연료의 일부는 자기네가 사용하고 일부는 동물이 취하며 나머지 상당 부분은 그냥 썩어간다. 엘턴 피라미드의 하단에 자리한 동물이 가져가는 연료는 대부분 그 초식동물들 자신이 연소하지만, 일부는 그들의 포식자가 가져간다. 이런 과정이 먹이사슬의 최상층까지 두어 차례 되풀이된다. 이 피라미드의 각 단계에는 수많은 종의 동물이 존재하며, 각 종의 수는 그들이 선택한 직종, 즉 생태적 지위에 의해 결정된다. 모든 동물과 식물은 가능하면 번식하는 데 연료의 상당 부분을 소비하고, 그들의 대다수는 다른 동물의 연료로 쓰인다. 생태계는 피라미드 상에 놓인 단계나 생태적 지위에 따라 모든 동식물에게 장소를 지정해준다. 생명체들은 먹고 먹히는 거대한 그물 속에서 서로 얽혀 있다. 생태계는 에너지 소비자들로 이루어진 복잡한 공동체이며, 이들은 너나없이 그 공동체에서 최선을 다하고 가 능한 한 많은 것을 얻어내고자 한다. 이 모든 개체의 노력이 어우러진 결과가 바로 우리가 경이로운 눈길로 바라보는 자연의 자기 영속적 메커니즘이다.

이 메커니즘은 실제로 얼마나 훌륭한가? 이 메커니즘은 분명 잘 작동하며 오래 지속될 게 틀림없다. 그렇다면 효율적이기까지 한가? 이 질문은 그저 학문적인 관심사에만 그치는 게 아니다. 인류의 미래가 생태계의 연료 수집 효율에 달려 있다고 해도 과언이 아니기 때문이다. 따라서 우리는 자연 생태계에 존재하는 동식물이 효율적인 에너지 변환체인지 인간이 의존하는 농업 생태계가 자연 생태계보다 더 나은지 그만 못한지 따져보아야 한다. 일단 이 질문들에 관한 답을 얻으면, 이어서 효율을 규정하는 요인이 무엇인지, 그 요인을 개선하기 위해서 할 수 있는 일은 무엇인지 따위의 질문이 뒤따른다. 나는 먼저 식물에 관해 살펴볼 것이다. 태양을 이용하여 연료를 만드는 가장 중요한 과업을 수행하는 존재이기 때문이다. 그런 다음 그들이 연료 공장으로서 얼마나 효율적인지 따져보겠다.

현존하는 식물은 필시 ‘적합한 존재’일 것이다. 그리고 분명 과거에 실재했다가 도태된 식물이 그랬을 법한 것보다 더 많은 후손을 남길 수 있다. 이것은 그들이 도태된 식물보다 더 먹이를 많이 얻고, 태양을 끌어 들이는 데 더 효율적임을 뜻한다. 따라서 다윈의 접근법을 따르는 생태학자들은 모든 식물이 대단히 효율적일 거라고 믿는다. 이른바‘이파리’라 불리는 초록색 에너지 수용체와 변환제가 엄청난 규모로 지면을 뒤덮은 광경이 우리 앞에 떡하니 펼쳐져 있지 않은가. 여기까지는 아무 문제가 없다. 우리는 그 초록색 변환체의 화학과 열역학이 이파리의 풍부함만큼이나 효율적일 거라고 기대한다. 엔지니어들은 자동차나 증기기관차의 효율을 언급할 경우 연료가 유용한 작업에 쓰일 때 얼마나 많은 에너지가 공급되는 기준으로 삼는다. 그들은 흔히 그 효율이 20~30퍼센트라고 말한다. 우리는 그 생각에 입각해 실제로 식물과 동물이 무슨 일을 할 수 있는지 측정하고자 한다.

최초로 식물의 효율을 계산한 것은 이론 학문의 결실인 어느 훌륭한 논문에서였다. 콜럼버스시 소재 오하이오 주립대학의 낡은 건물 사무실 에서 연구한 넬슨 트랜소(Nelson Transeau)의 논문이었다. 당시 그는 대통령이 그 지역 과학계에서 행할 연설 자료를 준비하고 있었다. 그 학자가 고심하던 식물은 소박한 옥수수였던 만큼 이론 연구를 수행하기에 무리가 없었다. 옥수수에 관한 모든 수치는 현장에 직접 나가지 않고도 도서관에서 얼마든지 얻을 수 있기 때문이다. 그제까지는 옥수수의 효율을 측정하는 방법에 관해서 아무도 생각해내지 못한 상태였지만, 이 기발한 학자가 효율을 계산하는 데 필요한 수치는 이미 빠짐없이 나와 있었다.

옥수수 작물은 먼저 쟁기질한 맨땅에서 생을 시작한다. 생산성과 효율이 제로인 장소다. 이어 옥수수 작물은 동물과 해충에 의해 피해를 입지 않도록 정성껏 보살피는 농부의 손길에 힙입어 성체가 될 때까지 자란다. 옥수수는 그러는 사이 햇빛을 받아서 그것을 처음에는 당으로 이어 그 식물을 구성하는 여러 성분으로 전환한다. 옥수수가 끌어들인 칼로리는 두 가지 운명 가운데 하나를 따른다. 식물 자신에 의해 연소되어 성장과 생명 활동에 쓰이거나, 아니면 작물의 잠재적 에너지로 추수 때까지 남아 있거나 옥수수의 무게를 재는 일은 너무나 흔히 이루어진 터라 농업 안내서에서 수확한 곡물의 입자. 이파리ㆍ줄기ㆍ뿌리 등 모든 부분에 관한 평균 수치를 쉽게 찾아볼 수 있다 또한 1그램의 옥수수 입자ㆍ이파리ㆍ뿌리 등에 얼마나 많은 칼로리가 들어 있는지도 잘 알려져 있다.

트랜소는 일리노이주의 땅 1에이커를 선택했다. 누군가 그 주에서 전형적인 여름날 태양으로부터 얼마나 많은 칼로리가 땅에 내리쬐는지 측정해놓았으므로 연구를 진행하기에 더없이 좋은 곳이었다. 그 땅에서 잘 자라고 있는 옥수수 작물은 총 1만 그루쯤 되었다. 옥수수 작물은 발아 시기에서 추수 시기까지 신기하게도 딱 100일 만에 성장을 마쳤다. 그는 이어서 잘 자란 옥수수 작물 1만 그루의 무게가 얼마나 나가는지 확인한 후 약간의 계산을 거쳐 거기에 함유된 섬유소, 단백질, 기타 화학물질을 모두 그들이 본래 기원한 당으로 전환했다. 그는 누렇게 익어가는 옥수수 1만 그루가 아니라 흰 설탕(당)이 쌓여 있는 광경을 마음의 눈으로 그려보았다. 당의 무게는 6678킬로그램이었다.

트랜소는 공기 공급을 조절할 수 있는 유리 실험실에서 본인이 직접 키운 옥수수 작물로부터 그 수치를 이미 얻었다. 들어오고 나가는 이산화탄소양을 측정했다. 실험실에서 자라는 식물은 완전히 어두워지면 동물과 마찬가지로 호흡을 한다. 활동에 쓰이는 칼로리를 만들어내기 위해 당을 연소하고 연소가스를 대기 중으로 내보내는 것이다. 따라서 유리 실험실에서 배출된 이산화탄소 초과분을 통해 연소 정도, 즉 연소된 당의 양을 측정했다. 트랜소는 본인의 연구를 참조하여 다양한 연령대의 보통 옥수수 작물이 하루에 당을 얼마만큼 연소하는지 알아냈다.

옥수수 작물이 만들어내고 연소한 두 번째 설탕 더미는 무게가 2045킬로그램이었다. 따라서 첫 번째와 두 번째 설탕 더미를 합하면 8723킬로그램이 되었다. 이것이 그해 여름 그 옥수수 밭에서 생산된 총 설탕량이었다. 포도당 8723킬로그램은 3300만 칼로리에 해당하지만, 일리노이주에 쏟아져 들어오는 태양을 측정한 연구자에 따르면, 1에이커는 여름 100일 동안 태양으로부터 그 50배가 넘는 20억 4300만 칼로리를 받아들인다. 트랜소는 3300만을 20억 4300만으로 나누고 거기에 100을 곱해 1.6이라는 수를 얻었다. 즉 일리노이주의 땅에서 농부의 세심한 보살핌과 보호를 받으며 자란 옥수수는 효율이 고작 1.6퍼센트에 불과했다.

우리는 놀랍게도 경이로운 자연의 작용인 적자생존 개념이 시사하는 몇몇 최고 수준의 효율조차 증기기관차의 20~30퍼센트에 한참 못 미치는, 1.6퍼센트라는 비참한 수준임을 알게 되었다. 현장에 나가지 않고 이론만으로 연구한 결과가 잘못된 수치를 얻어냈을 가능성은 없을까? 사람들은 트랜소가 내놓은 모든 계산 결과를 옥수수뿐 아니라 사탕무 같은 다수확작물에 적용해본 결과 거의 그와 비슷한 약 2퍼센트라는 수치를 손에 넣었다. 또한 그들은 식물에 들고 나는 원료와 폐기물의 흐름을 추적ㆍ관찰함으로써 광합성에 따른 생산율을 좀 더 직접적으로 계산했다. 수많은 연구가 작물로부터 얻은 수치를 거듭 확인해주었다. 비옥하고 생산성 좋은 토양에서 자란 작물조차 효율이 2퍼센트에 그친다.