생물학 한 여왕, 두 종의 자손: Messor ibericus 개미의 이종 수개미 생산 연구

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[동물do감] 여왕개미, 수컷 없이 혼자 종 다른 수개미 출산

<ChatGPT 리서치>

한 여왕, 두 종의 자손: Messor ibericus 개미의 이종 수개미 생산 연구

연구 배경 및 문제의 제기

한 개미 종의 여왕개미가 자신과 전혀 다른 종에 속하는 수개미를 낳고, 다시 그 수개미와 교미하여 잡종 일개미를 생산할 수 있다는 사실이 확인되었다. 이는 한 여왕개미가 서로 다른 두 종의 자손을 모두 만들어낸다는 뜻으로, 마치 “한 종이 다른 종의 유전자를 복제해 주머니에 넣고 다닌다”는 비유가 나올 정도로 충격적인 발견이다. 이러한 현상의 주인공은 이베리아수확개미(Messor ibericus)로, 이 개미는 약 500만 년 전 공통 조상에서 갈라져 나온 근연종 스트럭터수확개미 (Messor structor)와 유럽 남부 서식지에서 공존하는 종이다. M. ibericus와 M. structor는 분류학적으로 명백히 구별되는 별개의 종이지만, 특이하게도 M. ibericus 여왕은 M. structor 수개미와 교미하여 잡종(Hybrid) 일개미를 얻는 번식 전략을 진화시켰다. 일부 개미 종에서 여왕이 다른 종 수개미와 교미하여 일개미를 생산하는 이종교배 현상이 보고된 바 있으나, 한 종의 여왕이 아예 다른 종의 수개미를 스스로 낳아 이용한다는 점에서 이번 사례는 전례 없이 특이한 경우이다.

이종 수개미 생산의 생물학적 메커니즘

같은 둥지에서 발견된 이베리아수확개미 수개미(왼쪽, 털이 많음)와 스트럭터수확개미 수개미(오른쪽, 털이 적음). 두 종은 약 500만 년 전에 분기되어 형태적 차이도 보이지만, 한 여왕개미가 이처럼 두 종의 수개미를 모두 생산할 수 있다.

M. ibericus 여왕개미는 자신과 다른 종의 수개미 없이는 일개미 계급을 생산하지 못하는 독특한 번식 생태를 갖고 있다. 구체적으로, 여왕이 M. structor 수개미의 정자를 받아 수정시킨 알만이 일개미로 발달하고, 같은 종 수개미의 정자로 수정된 알은 주로 새로운 여왕개미(번식개체)로 자라는 것으로 나타났다. 이 때문에 M. ibericus 여왕은 일개미 생산을 위해 M. structor의 수개미에 의존하는 일종의 “정자 기생” 관계를 맺고 있었다고 볼 수 있다. 과거에는 이러한 번식 방식 때문에 M. ibericus의 분포가 M. structor가 존재하는 지역에 제한될 것으로 예상되었다.

그러나 이번 연구에서 드러난 더욱 놀라운 메커니즘은 M. ibericus 여왕이 필요한 경우 M. structor 수개미를 스스로 “복제”하여 생산한다는 점이다. 주변에 M. structor 수개미가 없는 환경에서는, 여왕개미가 자신의 알로 M. structor 수개미와 동일한 핵유전체를 가진 수개미를 만들어내고, 그 수개미와 교미하여 잡종 일개미를 얻는다. 이렇게 다른 종의 수개미를 자기 둥지 안에서 클론 형태로 공급함으로써, M. ibericus는 더 이상 주변에 M. structor 군락이 없어도 일개미 계급을 유지하고 새로운 지역으로 확산할 수 있게 된다. 연구진은 이러한 번식 모드를 **“이종 출산(xenoparity)”**이라고 명명하며, 생애 주기의 일환으로 다른 종의 개체를 산출해야 하는 특이한 사례로 설명했다.

이 같은 생물학적 메커니즘은 단순 **잡종화(hybridization)**나 종 **오인(misidentification)**으로 볼 수 없으며, 진화적으로 **성적 기생(sperm parasitism)**이 극단적으로 발전한 사례로 해석된다. 초기에는 M. ibericus 여왕이 타 종의 수개미에 의존하는 의무적 교잡 기생 형태였으나, 진화 과정을 통해 이제는 타 종의 생식세포를 길들여(domestication) 자신의 번식에 활용하는 단계에 이르렀다는 것이다. 실제로 연구진은 “사실상 이베리아수확개미가 스트럭터수확개미와 그 유전자를 가축화한 셈”이라고 평가했고, 이는 한 종의 개미가 다른 종 개미를 마치 자신의 유전자 자원으로 집단 내에 들여놓고 기르는 것과 같다고 볼 수 있다. 이번 사례는 두 종으로 구성된 하나의 초유기체가 등장한 격이며, 한 생물 종의 경계와 개체성 개념에 대해서도 새로운 질문을 제기하고 있다.

유전적 증거와 게놈 분석 결과

이 충격적 가설은 면밀한 유전학적 분석으로 검증되었다. 연구팀은 유럽에 서식하는 Messor 속 개미 5종에서 채집한 개미 총 390마리의 게놈 데이터를 분석하여 계통유전학적 관계와 잡종 여부를 조사했다. 그 결과 M. ibericus의 경우 일개미들은 모두 1세대 잡종으로 판명되었다. 구체적으로, M. ibericus 군락의 일개미 164마리의 유전체를 분석한 결과 이들의 이형접합성(heterozygosity) 수준이 여왕개미들의 15배에 달할 정도로 높았는데, 이는 서로 크게 다른 두 계통의 유전자가 결합한 잡종일 때 나타나는 특징이다. 추가 분석을 통해 모든 M. ibericus 일개미가 모계는 M. ibericus, 부계는 M. structor에 해당하는 F1 잡종임이 확인되었다. 이와 대조적으로 M. ibericus 여왕개미들과, 비교 대상으로 분석된 다른 4개 종의 개미들은 대부분 순수한 자기 종의 유전체만을 가지고 있었다. 이는 M. ibericus 종에서만 일개미 계급이 타 종과의 교잡 없이는 생산되지 않음을 보여준다.

가장 직접적인 증거는 핵DNA와 미토콘드리아 DNA의 불일치에서 포착되었다. 이탈리아 시칠리아 섬 등지에서 채집된 M. ibericus 군락 내 M. structor 수개미 132마리의 유전자를 분석한 결과, 이들의 세포핵에는 M. structor 종 고유의 핵유전자가 들어있었지만 세포질 소기관인 미토콘드리아에는 M. ibericus의 유전체가 존재했다. 핵과 미토콘드리아의 유전자 출처가 다른 점은 이 수개미들이 M. ibericus 여왕개미의 알에서 태어났음을 명확히 보여준다. 미토콘드리아 DNA는 난자를 통해 모계 유전되므로, 수개미가 비록 외형상 M. structor일지라도 미토콘드리아가 M. ibericus와 동일하다면 그 어미가 M. ibericus라는 의미가 된다. 실제로 M. ibericus 군락에서 나온 M. structor 수개미들은 모두 M. ibericus 군락 개체들과 동일한 미토콘드리아형을 지녀, **같은 어미(여왕)**로부터 나온 것으로 판명되었다. 반면 자연 상태의 M. structor 군락에서 나온 수개미들에서는 이러한 미토콘드리아-핵DNA 불일치 현상이 전혀 나타나지 않아, 오직 M. ibericus 군락 내부의 수개미들에게서만 관찰되는 특이 현상임이 확인되었다.

이런 유전체 증거들은 M. ibericus 여왕개미가 두 종의 유전자를 모두 담은 콜로니를 형성함을 강력히 뒷받침한다. 요약하면, M. ibericus 군락의 일개미들은 모두 모계쪽 M. ibericus의 미토콘드리아 DNA와 부계쪽 M. structor의 핵DNA를 함께 지닌 잡종들이며, 군락 내 존재하는 일부 수개미들도 핵은 M. structor이지만 미토콘드리아는 M. ibericus인 복제된 수개미들로 밝혀졌다. 이러한 분자생물학적 증거 덕분에, 한 여왕개미가 다른 종 수개미를 낳는다는 주장은 단순한 관찰 오류가 아닌 객관적 사실로 검증되었다.

관찰 및 실험 방법

이번 발견은 야외 현장 관찰, 유전체 분석, 그리고 실험실 실험을 종합하는 방식으로 이루어졌다. 연구진은 다음과 같은 절차를 통해 M. ibericus의 이종 수개미 생산을 규명하였다:

1. 야외 군락 조사: 남유럽 전역의 Messor 개미 군락을 조사하던 중, 연구진은 이탈리아 시칠리아 섬에서 특이한 사례를 발견했다. 시칠리아에는 M. ibericus 군락은 많지만 M. structor 군락이 존재하지 않음에도, M. ibericus 군락 내부에서 M. structor로 보이는 수개미들이 관찰된 것이다. 이는 지리적으로 고립된 지역에서 어떻게 교잡이 이루어졌는지 의문을 불러일으켰다.


2. 형태학적 분류 및 표본 채집: 연구팀은 여러 군락에서 수개미 표본을 다수 확보하여 외형적 특징을 비교했다. 그 결과 한 군락 내 수개미들이 두 가지 형태(털이 많고 작은 개체 vs. 털이 적고 큰 개체)로 뚜렷이 구분되었는데, 이는 각각 M. ibericus 종 수개미와 M. structor 종 수개미의 특징에 부합하는 것이었다. 이러한 형태 차이는 일차적으로 “한 둥지에 두 종의 수개미가 함께 존재”함을 시사했다.


3. 유전학적 분석: 각 개체들의 유전체 DNA를 추출하여 차세대염기서열분석을 통해 게놈 전반의 SNP 변이를 분석하고, 모계 및 부계 계통 분석을 수행했다. 앞서 언급한 대로, 핵유전체와 미토콘드리아 유전체의 계통수를 각각 작성하여 수개미와 일개미들의 모계·부계 계통을 확인했다. 또한 이형접합성 분석과 잡종 탐지 알고리즘을 통해 일개미들의 유전자가 1대 잡종임을 검증했다. 이 단계에서 M. ibericus 군락 내 두 형태 수개미들이 각각 M. ibericus와 M. structor의 핵유전체를 지녔음을 확인하였고, 특히 M. structor형 수개미들이 M. ibericus형 미토콘드리아를 함께 갖고 있음을 발견했다.


4. 실험실 교배 실험: 야외에서 관찰된 현상을 확인하기 위해, M. ibericus 여왕개미들을 인위적으로 격리하여 외부의 M. structor 개입 없이도 동일한 현상이 나타나는지 관찰했다. 그 결과, 주변에 다른 종 개미가 전혀 없는 실험실 환경에서도 여왕개미 단독으로 1세대 잡종 일개미를 계속 생산해 내는 것이 관찰되었다. 이는 여왕개미가 체내 저장된 정자를 활용해 스스로 M. structor 유전체를 가진 수개미를 만들어내고, 다시 교미함으로써 잡종 노동력을 얻고 있음을 시사한다.


5. 교차 군락 실험: 복제된 M. structor 수개미의 정체성을 확인하기 위해, 실험실에서 태어난 M. structor형 수개미를 실제 M. structor 군락에 넣어보는 실험도 진행됐다. 그 결과 겉보기에는 거의 구별이 어려운 수개미임에도 불구하고 원래 M. structor 군락의 개미들은 이 수개미를 침입자로 인식해 공격 및 살해했다. 이는 복제 수개미가 **M. ibericus 군체의 화학적 신호(페로몬)**를 지니고 있기 때문으로 분석되며, 해당 수개미가 유전적으론 M. structor이라 해도 출생과 사회적 소속은 M. ibericus임을 보여준다.



이처럼 현장 관찰에서 유전체 분석, 실험실 재현 실험, 행동 실험에 이르는 다각도의 접근을 통해 연구진은 M. ibericus의 독특한 번식 전략을 입증하였다. 각 단계에서 얻어진 결과들이 서로 일관되게 맞물려, 최종적으로 한 종의 개미 여왕이 다른 종의 수컷 개미를 필수적으로 생산·이용한다는 결론에 도달할 수 있었다.

연구진과 참여 기관

이 연구는 **프랑스 몽펠리에 대학 진화과학연구소(ISEM)**를 중심으로 다국적 연구진이 참여하여 수행되었다. 주요 연구진으로는 제1저자인 Y. 주베(Yohan Juvé) 박사와 연구를 이끈 조너선 로미귀에르(Jonathan Romiguier) 박사가 있으며, 두 연구자 모두 몽펠리에 대학 및 프랑스 CNRS 소속이다. 이밖에 오스트리아 인스브루크 대학의 바바라 슐릭-스타이너(Barbara Schlick-Steiner) 교수팀과 프랑스 리옹 대학의 브루노 코프만(Bruno Kaufmann) 박사 등 여러 기관의 개미 전문가들이 공동 저자로 참여하였다. 연구팀에는 이탈리아, 포르투갈, 불가리아 등 유럽 각지의 개미 학자들이 포함되어 있었고, 현지 군락 채집과 유전체 분석 기술이 협력으로 제공되었다. 국제적인 협업을 통해 각 분야의 전문지식을 결합함으로써, 이번처럼 복잡하고 예기치 않은 개미의 번식 체계를 밝힐 수 있었다.

연구 결과에 대한 외부 전문가들의 관심도 높았다. 이번 연구에 직접 참여하지 않은 미국 버몬트대의 개미 생물학자 사라 헬름스 카한(Sara Helms Cahan) 교수는 “개미가 활용 가능한 모든 번식 기술을 다 동원한 격”이라며, “마치 한 종이 다른 종을 주머니에 넣고 다니는 듯하다”고 이번 발견을 평했다. 이는 본 연구의 주된 발견을 한마디로 요약하는 비유로서, 연구진이 규명한 M. ibericus의 번식 전략이 전례 없는 종간 협력/기생 시스템임을 잘 보여준다.

연구 발표 및 신뢰성

이번 연구 성과는 2025년 9월 3일 자로 세계적인 학술지 **네이처(Nature)**에 정식 게재되었다. 논문 제목은 *“One mother for two species via obligate cross-species cloning in ants”*이며, 동료 평가를 거친 피어 리뷰(Peer-review) 논문으로 공개되었다. 네이처는 생명과학 분야에서 가장 권위 있는 국제 학술지 중 하나로, 해당 연구가 그만큼 과학적 혁신성과 신뢰성을 인정받았음을 의미한다. 실제로 이 논문은 공개되자마자 학계와 대중 매체의 큰 관심을 불러일으켰으며, 발표 직후 Phys.org나 **엘파이스(El País)**와 같은 과학 뉴스 매체에서도 연구 내용을 심층 보도했다. 국내에서도 동아사이언스 등 언론을 통해 “여왕개미, 수컷 없이 혼자 종 다른 수개미 출산”이라는 제목으로 소개되어 화제를 모았다.

연구의 신뢰도는 매우 높다고 평가된다. 우선 증거로 제시된 유전학적 데이터(예: 미토콘드리아 vs 핵 DNA 불일치, 잡종 개체의 계통수 등)는 명확하고 재현성 있게 확보되었으며, 분석 방법도 최신의 게놈 분석 기법을 활용하여 견고하게 수행되었다. 더불어 연구팀이 실험실 교배 실험과 행동 실험 등을 통해 원인-결과 관계를 직접 입증한 점도 설득력을 높인다. 논문 게재 후 독립적인 관련 분야 전문가들이 기고한 논평에서도 이번 발견을 두고 “다른 종의 유전자를 가축화한 것”이라는 표현이 등장할 만큼, 기존 생물학 상식을 뛰어넘는 놀라운 사례로 인정받고 있다. 이러한 동료들의 평가는 해당 연구가 학계에서 높은 신뢰와 관심을 얻고 있음을 보여준다.

마지막으로, 이 연구는 생물학적 종 개념과 진화에 관한 새로운 통찰을 제공함으로써 학문적 의의도 크다. 한 개미 사회가 두 종의 유전자로 구성되어 초유기체처럼 기능하는 현상은 생물 집단에서 개체와 종의 경계에 대해 생각해보게 한다. 또한 약 500만 년의 분기 시간을 넘어서 유전적 협력이 지속되고 있다는 점에서, 진화적 적응의 경로가 매우 유연할 수 있음을 시사한다. 이번 연구를 계기로 향후 개미류를 비롯한 사회성 곤충에서 이와 유사한 교잡 의존 번식이나 유전체 공유 현상이 더 발견될 가능성이 제기되고 있으며, 관련 분야의 후속 연구가 활발히 이루어질 것으로 기대된다.

참고 자료: 해당 연구 논문의 원문은 Nature 저널에서 공개되었으며, DOI는 10.1038/s41586-025-09425-w이다. 주요 내용은 Dongascience 등 과학 뉴스와 Phys.org 등의 기사를 통해서도 확인할 수 있다. 이번 사례는 개미의 번식과 진화에 관한 일차 문헌과 신뢰성 있는 학술 매체들을 통해 뒷받침되고 있으므로, 충분한 근거를 갖춘 것으로 평가된다.

[_Arondite_]

이거 관련해서 좀 알아봤더니 매우 골때리는 일이더구만요. 허허허허허.