가위바위보가 생태계를 구한다 — 생물학적 순환 경쟁 전략과 유전적 다양성의 비밀
어린 시절의 단순한 놀이가 수백만 년 동안 지구의 생명 다양성을 유지해 온 가장 강력한 메커니즘 중 하나였다는 사실이 최신 연구를 통해 밝혀졌다.
"가위바위보"라는 단어가 과학 논문 제목에 들어간다는 게 처음엔 낯설게 느껴진다. 그런데 논문을 읽으면 읽을수록, 이게 단순한 비유가 아니라는 걸 깨닫게 된다. 자연이 그 게임을 실제로, 그리고 아주 진지하게 하고 있다는 것을.
북아메리카 서부에는 Uta stansburiana라는 이름의 도마뱀이 산다. 수컷들은 주황, 파랑, 노랑 세 가지 목 색깔을 갖는데, 각 색깔은 전혀 다른 짝짓기 전략과 연결되어 있다.
주황이 파랑을 이기고, 파랑이 노랑을 이기고, 노랑이 주황을 이긴다. 완벽한 가위바위보다.
2026년 Science 저널에 발표된 Corl et al.의 연구는 이 시스템의 유전적 기반을 마침내 규명했다 [1, 2, 3]. 이전에는 세 가지 형태가 각각 다른 대립유전자 하나씩, 총 세 개의 대립유전자에 의해 결정된다는 모델이 정설이었다. 그런데 실제 유전체 연구 결과는 달랐다.
주황과 파랑 형태는 세피아프테린 환원효소(sepiapterin reductase) 유전자의 조절 영역에 있는 두 개의 분기된 하플로타입(haplotype — 함께 유전되는 변이 조합)에 의해 결정된다. 하지만 노랑 형태는 고정된 유전자형이 아니라, 파랑 유전 배경에서 표현형 가소성(phenotypic plasticity — 같은 유전자로 다른 표현형이 나오는 현상)을 통해 나타난다 [4].
즉, 노랑은 "타고난 게" 아니라, 파랑이 상황에 따라 노랑처럼 행동하도록 전환하는 것이다.
다형성(Polymorphism): 다양성을 유지하는 엔진
다형성이란 간단히 말해, 한 종(種) 안에 유전적으로 다른 여러 형태가 동시에 존재하는 상태다.
경쟁이 있는 환경에서라면, 보통 가장 강한 형태가 다른 형태를 몰아내야 정상이다. 자연선택의 논리로는 그래야 한다. 그런데 도마뱀들은 세 가지 형태를 수백만 년째 유지하고 있다.
핵심은 부적 빈도 의존 선택(negative frequency dependence)이라는 개념에 있다 [5]. 어떤 전략이 집단에서 너무 흔해지면, 오히려 그 전략에 대항하는 전략이 유리해진다.
주황이 너무 많아지면? 노랑이 번성한다. 노랑이 번성하면? 파랑에게 당한다. 파랑이 번성하면? 다시 주황이 유리해진다.
이 순환이 어떤 단일 전략도 지배적이 되지 못하도록 막는다 [6, 7].
시뮬레이션 결과는 더 흥미롭다. 세 개의 대립유전자 시스템보다 두 개의 대립유전자 + 표현형 가소성 조합이 다형성을 훨씬 더 안정적으로 유지한다는 게 밝혀졌다 [4]. 노랑이 상황에 따라 나타났다 사라질 수 있기 때문에, 노랑 전략은 절대 완전히 소멸하지 않는다.
유전적 결정론에 유연성을 더함으로써, 이 균형 선택(balancing selection)은 더욱 강해지는 것이다.
유전적 상호작용도 빼놓을 수 없다. 여러 대립유전자들 사이의 부적 유전자 상호작용이 표현형 결과를 복잡하게 만들고, 이것이 경쟁 역학을 더 풍부하게 한다 [8, 9]. 분자 네트워크 수준에서는, 유전적 변이가 세포 내 네트워크 상태를 전환시킴으로써 복잡한 형질에 영향을 준다는 사실도 최근 밝혀졌다 [10].
순환 경쟁이 진화에 미치는 영향
진화는 자연선택이 적자(適者)를 골라낸다는 원리로 작동한다. 그렇다면 세대를 거듭할수록 당연히 더 강한 개체가 이전보다 강해야 하지 않을까?
하지만 Lehigh 대학의 연구는 1,000세대에 걸친 효모 진화 실험을 통해, 그것이 항상 사실이 아님을 보여줬다 [11]. 진화 계통 내에서 A보다 B가, B보다 C가 더 강하지만, C가 A보다 약할 수 있다. 이것이 비이행적(nontransitive) 경쟁이다 — 가위바위보의 핵심 구조다.
종의 수가 늘어날수록 순환 경쟁도 강화된다 [12, 13]. 7종이 경쟁하는 시스템에서도 가위바위보 하위 그룹 구조가 있는 한, 비슷한 폭포식(cascading) 생물다양성 패턴이 나타난다는 연구도 있다 [14].
경쟁 상대가 많다는 건 곧 '어떤 상황에서 누군가에게 이길 기회'가 늘어난다는 의미고, 그 덕분에 다양한 전략이 공존할 공간이 만들어진다.
한 가지 더 흥미로운 건 행동 확률론적 불확실성(behavioral stochasticity)의 역할이다. 실수, 즉 개체가 자기 전략을 완벽히 실행하지 못하는 경우가 오히려 이 시스템을 안정화시킬 수 있다 [15].
완벽한 전략 실행이 반드시 최선의 결과로 이어지지 않는다는 뜻이다. 직관에 반하지만, 실제로는 생물 집단에서 관찰되는 행동 다양성을 설명하는 데 도움이 된다. 무작위적인 실수가 다양성을 유지하는 완충재가 되는 셈이다.
그림 1. 생물학적 가위바위보(RPS) 게임 모델을 통한 유전적 다양성 유지 기제의 종합적 분석. 본 도표는 비이행적(non-linear) 상호작용을 기반으로 한 순환적 경쟁 전략이 개체군 내 유전적 다양성을 안정화하는 과정을 유전적, 진화적, 생태적 측면에서 종합적으로 설명한다. 유전적 차원에서는 음의 빈도 의존적 선택과 균형 선택이 작용하여 특정 대립유전자의 독점을 방지하고 유전적 변이를 지속시킨다. 진화적 관점에서는 절대적 우위가 없는 비이행적 상호작용과 행동적 무작위성(stochasticity)이 결합하여 다수의 전략이 공존할 수 있는 안정적 평형 상태를 유도한다. 나아가 공간적 모자이크 구조와 복잡한 네트워크 상호작용은 전략 간의 절연 경계층을 형성함으로써, 환경 변화 속에서도 생물 다양성이 유지되고 생태계의 복원력이 강화되는 핵심 원리를 제시한다.
공간이 만드는 기적 — 다양성은 어디서 유지되나
집단이 공간적으로 구조화되어 있을 때, 다양성이 훨씬 쉽게 유지된다.
이게 단순히 "개체들이 퍼져 있다"는 얘기가 아니다. 공간 구조는 경쟁자들 사이에 완충 경계층(insulating boundary layer)을 만들어, 각 전략의 "버블"이 팽창하고 붕괴하는 역동적인 모자이크를 형성한다 [4, 16]. 한 전략이 지역적으로 지배적이 되더라도, 주변 지역에서 다른 전략들이 살아남고, 결국 전체 집단에서는 모든 전략이 공존한다.
이동성(mobility)의 역할은 역설적이다 [17]. 개체들이 너무 빠르게 움직이면 — 공간 구조가 무너지고 — 다양성은 사라진다. 하나의 전략이 전체를 지배하게 된다. 반면 중간 수준의 이동성에서는 전략들이 오랜 시간 동안 역동적인 공존 상태를 유지한다 [18, 19].
너무 닫혀 있어도, 너무 열려 있어도 안 되는 것이다.
종내 경쟁(intraspecific competition — 같은 종 내 개체들 사이의 경쟁)도 이 구도에서 중요한 역할을 한다. 연구에 따르면 경쟁은 형질의 평균값을 줄이는 동시에 변이를 늘려, 유전적 다양성이 지속되는 방향-분열적(directional-disruptive) 패턴을 만들어낸다 [5, 20]. 식물 군락 연구에서도 종내 유전적 변이가 높을수록 군집의 식물 균형이 더 잘 유지된다는 것이 확인됐다 [21].
생태계와 보전에 주는 함의
가위바위보 역학은 종들이 서로 영양분과 서식지를 놓고 경쟁하는 방식을 설명하면서, 그 경쟁 자체가 생태계의 건강을 유지하는 기제임을 보여준다 [22]. 기후 변화나 서식지 파괴가 기존의 경쟁 관계를 뒤흔들면, 이 균형 자체가 무너질 수 있다 [23, 24].
고차 상호작용(higher-order interactions)은 지금 이 분야에서 가장 뜨거운 연구 주제 중 하나다 [25]. 두 종 사이의 일대일 경쟁만이 아니라, 인근 개체들의 집단적 영향이 경쟁 결과를 좌우한다는 개념이다.
두 개체 간의 경쟁 결과가 제3의 개체가 있느냐 없느냐에 따라 달라질 수 있다. 이걸 고려하지 않으면 생태계 반응을 잘못 예측하게 된다.
척도 없는 네트워크(scale-free network)란 소수의 노드가 엄청나게 많은 연결을 갖고, 나머지는 적게 가지는 구조다 — 인터넷이나 소셜 네트워크가 비슷한 형태다. 이런 이질적 연결 구조에서 경쟁하는 전략들은 공존이 훨씬 더 안정적으로 유지된다 [28, 29]. 무리 이동 네트워크의 이질성이 생태계 안정성에 어떤 영향을 주는지를 탐구한 최근 연구도 이 결론을 지지한다 [30].
유전적 다양성을 보전 전략에 통합하는 것도 점점 중요해지고 있다. 변화하는 환경에서 집단의 적응력은 결국 유전적 변이의 폭에 달려 있다 [26, 27]. 종 회복 프로그램이나 서식지 복원 사업에서 유전적 다양성을 우선시하는 접근이 효과적임은 여러 연구에서 입증되고 있다.
앞으로의 연구 — 아직 모르는 것들
이 분야는 아직 열린 질문이 더 많다.
다중 형질 상호작용 연구, 특히 식물 군락에서 성장 대 방어 사이의 트레이드오프 탐구는 여전히 초기 단계에 있다 [21]. 메타개체군 네트워크에서의 RPS 역학과 돌연변이율의 상호작용도 더 깊이 파야 할 영역이다 [30]. 그리고 돌연변이 자체가 순환 경쟁의 안정성에 어떤 영향을 주는지, 행동 실수가 어떤 조건에서 어떤 전략의 지배로 이어지는지도 아직 많은 게 밝혀지지 않았다 [31].
이 연구들이 중요한 이유는 단순한 학문적 호기심 때문이 아니다. 생태계는 지금 그 어느 때보다 빠르게 변하고 있다.
그 변화 속에서 어떤 시스템이 무너지고, 어떤 시스템이 살아남는지를 예측하려면, 단순히 "어떤 종이 있나"를 아는 것으로는 부족하다.
"그 종들이 어떤 게임을 하고 있나"를 알아야 한다.
이 게임, 실험실 밖에서도 작동하는가
이 분야의 논문들을 읽다 보면 대부분이 모델, 시뮬레이션, 제한된 실험계에 기반해 있다는 점이 눈에 걸린다.
현실 생태계에서 가위바위보 역학이 실제로 얼마나 광범위하게 작동하는지에 대한 직접적 증거는 아직 도마뱀과 일부 세균 계통에 국한되어 있다. 비이행적 경쟁이 이론적으로 매력적인 건 분명하지만, 현장에서 이를 측정하고 확인하는 작업은 수십 년째 이론의 발전 속도를 따라가지 못하고 있다 [32].
여기에 주목해야 할 가능성이 하나 있다.
우세한 경쟁자가 하나 나타나는 순간, 가위바위보 구조 자체가 무너진다는 것이다. 실제로 순환 경쟁이 우세한 침입자 하나에 의해 붕괴하는 사례가 2024년 연구에서 확인됐고 [33], Corl 팀이 도마뱀 색 다형성 소실을 연구할 때도 똑같은 일이 일어났다. 'nigriventris' 표현형이라는 강력한 침입자가 확산되면서 순환 균형이 깨졌고, 수백만 년 동안 유지되던 색깔 다양성이 빠르게 사라지고 있었다 [2].
이건 단순한 사례 연구가 아니다. 기후 변화로 인해 새로운 종들이 기존 경쟁 네트워크에 계속 침입하고 있는 지금, 이 붕괴 시나리오는 전 지구적으로 반복될 수 있다.
그렇다면 이 역학을 실용적으로 활용할 방법은 없을까?
뜻밖에도 합성생물학 쪽에서 가장 구체적인 시도가 나오고 있다. 세균을 가위바위보 구조로 조작해 공학적으로 설계된 미생물 생태계를 장기 안정화하는 연구가 실제로 진행됐고, 그 결과 가장 강한 균주가 아니라 가장 약한 균주가 최종 생존자가 되는 반직관적 결과가 나왔다 [34]. 이 발견이 흥미로운 이유는 생태계 보전을 넘어, 장내 마이크로바이옴 치료나 항생제 내성 관리 같은 의료적 응용으로 이어질 수 있기 때문이다.
한편 순환 경쟁 모델들의 오래된 약점 하나가 최근 정면으로 도전받고 있다. 이동성이 일정 임계값을 넘으면 다양성이 붕괴한다는 예측이 자연에서 고이동성 종들의 공존을 제대로 설명하지 못한다는 것.
최근 강화학습(Q-learning) 프레임워크를 도입한 연구는 개체가 생존-우선과 포식-우선 행동 전략을 동적으로 전환하면 이동성이 높아도 공존이 유지된다는 것을 보여줬다 [35]. 개체의 '적응적 행동'을 모델에 넣기 시작하자 기존 이론이 예측하지 못했던 공존 영역이 열린 것이다.
이건 순환 경쟁 이론이 아직 한참 발전 중이라는 신호이기도 하다.
보전이라는 측면에서 보면, 이 모든 연구들이 하나의 메시지를 공유하고 있다. 종을 구하는 것만으로는 부족하다는 것. 적응, 유전자 흐름, 분산 같은 생태적·진화적 과정 자체를 보존 목표로 삼아야 한다는 주장이 점점 설득력을 얻고 있고 [23], 유전적 다양성을 명시적 보전 목표로 통합하는 것도 소나무부터 도마뱀까지 다양한 사례에서 실현 가능함이 증명되고 있다 [26].
이제 우리에게 필요한 건 더 많은 모델이 아니라, 현장에서 이 게임이 실제로 어떻게 플레이되는지를 직접 측정할 더 나은 방법일지도 모른다.
그림 2. 생물학적 순환형 우위 메커니즘 및 유전적 다양성 유지 기제. 비전이적 상호작용(Non-transitive interaction)과 음의 빈도 의존성(Negative frequency dependence)을 기반으로 하는 생물학적 가위바위보(RPS) 체계는 특정 종의 독점을 방지하고 개체군의 유전적 다형성을 지속시키는 핵심 엔진으로 작용한다. 공간적 이질성에 의한 '버블' 효과와 개체 간 고차 상호작용은 경쟁 구도를 안정화하며, 이러한 복합적인 비전이적 역학 관계는 서식지 파괴 및 기후 변화와 같은 외부 환경 압력에 대한 생태계 전반의 복원력(Resilience)을 강화하는 결정적 요인임을 시사한다.
References
[1] Corl, A., Guzman, A., Bi, K., Vazquez, J. M., Smith, L. L., Blaimont, P., Spranger, R., Cooper, R. D., Miles, D., Goldberg, A., Gao, J., Xiang, X., Zhou, Y., Li, Q., Zhang, G., Sudmant, P. H., Bowie, R. C. K., McGuire, J. A., Sinervo, B., & Nielsen, R. (2026). The genetics, evolution, and maintenance of a biological rock-paper-scissors game. Science, 391, 69–74. https://doi.org/10.1126/science.adw8265
[2] Arnold, P. (2026, January 6). How a biological version of rock-paper-scissors determines if lizard colors are maintained or lost. Phys.org. https://phys.org/news/2026-01-biological-version-paper-scissors-lizard.html
[3] Barreto, W. P., Marquitti, F. M. D., & de Aguiar, M. A. M. (2017). A genetic approach to the rock-paper-scissors game. Journal of Theoretical Biology, 421, 146–152. https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2017.04.003
[4] Boza, G., Kun, Á., Scheuring, I., & Dieckmann, U. (2012). Strategy diversity stabilizes mutualism through investment cycles, phase polymorphism, and spatial bubbles. PLOS Computational Biology, 8(11), e1002660. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002660
[5] Reinhold, K., Eigentler, L., & Kikuchi, D. W. (2024). Evolution of individual variation in a competitive trait: a theoretical analysis. Journal of Evolutionary Biology, 37(5), 538–547. https://doi.org/10.1093/jeb/voae036
[6] Szolnoki, A., Mobilia, M., Jiang, L.-L., Szczesny, B., Rucklidge, A. M., & Perc, M. (2014). Cyclic dominance in evolutionary games: a review. Journal of the Royal Society Interface, 11(100), 20140735. https://doi.org/10.1098/rsif.2014.0735
[7] Park, H. J., Pichugin, Y., & Traulsen, A. (2020). Why is cyclic dominance so rare? eLife, 9, e57857. https://doi.org/10.7554/eLife.57857
[8] West, R., & Mobilia, M. (2020). Fixation properties of rock-paper-scissors games in fluctuating populations. Journal of Theoretical Biology, 491, 110135. https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2019.110135
[9] Corl, A., Guzman, A., Bi, K., et al. (2025). Data from the paper: The genetics, evolution, and maintenance of a biological rock-paper-scissors game. Dryad. https://doi.org/10.5061/dryad.4qrfj6qq7
[10] Weith, M., Großbach, J., Clement-Ziza, M., Gillet, L., Rodríguez-López, M., Marguerat, S., Workman, C. T., Picotti, P., Bähler, J., Aebersold, R., & Beyer, A. (2023). Genetic effects on molecular network states explain complex traits. Molecular Systems Biology, 19(8), e11493. https://doi.org/10.15252/msb.202211493
[11] Lehigh University News. (2021, February 16). Evolution's game of rock-paper-scissors. https://news.lehigh.edu/evolutions-game-of-rock-paper-scissors
[12] Yang, R. K., & Park, J. (2023). Evolutionary dynamics in the cyclic competition system of seven species: Common cascading dynamics in biodiversity. Chaos, Solitons & Fractals, 175(Part 1), 113949. https://doi.org/10.1016/j.chaos.2023.113949
[13] Strang, A., Abbott, K. C., & Thomas, P. J. (2022). The Network HHD: Quantifying cyclic competition in trait-performance models of tournaments. SIAM Review, 64(2), 360–391. https://doi.org/10.1137/20M1321012
[14] Kleshnina, M., Streipert, S. S., Filar, J. A., & Chatterjee, K. (2021). Mistakes can stabilise the dynamics of rock-paper-scissors games. PLOS Computational Biology, 17(4), e1008523. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008523
[15] Georgia Tech Biological Principles. Mechanisms of evolution. https://bioprinciples.biosci.gatech.edu/module-1-evolution/mechanisms-of-evolution/
[16] Lasky, J. R. (2019). Eco-evolutionary community turnover following environmental change. Evolutionary Applications, 12(7), 1434–1448. https://doi.org/10.1111/eva.12776
[17] Szolnoki, A., & Perc, M. (2016). Biodiversity in models of cyclic dominance is preserved by heterogeneity in site-specific invasion rates. Scientific Reports, 6, 38608. https://doi.org/10.1038/srep38608
[18] Menezes, J., & Tenorio, M. (2023). Spatial patterns and biodiversity in rock-paper-scissors models with regional unevenness. Journal of Physics: Complexity, 4, 025015. https://doi.org/10.1088/2632-072X/acd610
[19] Lu, Y., Wang, X., Wu, M., Shi, L., & Park, J. (2022). Effects of species vigilance on coexistence in evolutionary dynamics of spatial rock-paper-scissors game. Chaos, 32(9), 093116. https://doi.org/10.1063/5.0103247
[20] Wolff, B., Julier, B., & Louarn, G. (2024). Impact of intraspecific genetic variation on interspecific competition: a theoretical case study of forage binary mixtures. Frontiers in Plant Science, 15, 1356506. https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1356506
[21] Cao, Y., Feng, X., Lin, L.-H., Wei, N., & Tan, J. (2025). Revisiting competitive outcomes through a trait lens: a global meta-analysis across species provenance. Nature Communications, 16, 10639. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65639-6
[22] Santa Fe Institute. (2017, November 1). When species compete, it's a colossal game of rock-paper-scissors. https://www.santafe.edu/news-center/news/when-species-compete-its-colossal-game-rock-paper-scissors
[23] Tobias, J. A., Bullock, J. M., Dicks, L. V., & Razgour, O. (2025). Biodiversity conservation requires integration of species-centric and process-based strategies. Proceedings of the National Academy of Sciences, 122(31), e2410936122. https://doi.org/10.1073/pnas.2410936122
[24] Conti, M. M., Ghizzoni, J. M., Gil-Bona, A., Wang, W., Costanzo, M., Li, R., Flynn, M. J., Zhu, L. J., Myers, C. L., Boone, C., Andrews, B. J., & Benanti, J. A. (2022). Repression of essential cell cycle genes increases cellular fitness. PLOS Genetics, 18(8), e1010349. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1010349
[25] Du, C., Wang, H., Lu, Y., Qin, L., & Park, J. (2026). Modulating biodiversity through higher-order interactions and intraspecific competition in rock-paper-scissors dynamics. Chaos, Solitons and Fractals (preprint). arXiv:2603.00566. https://arxiv.org/html/2603.00566v1
[26] Fady, B., & Scotti-Saintagne, C. (2025). Why conserve genetic diversity? A perspective based on a case study with a European conifer. Annals of Botany, mcaf041. https://doi.org/10.1093/aob/mcaf041
[27] Cahill, S., Chandola, T., & Hager, R. (2022). Genetic variants associated with resilience in human and animal studies. Frontiers in Psychiatry, 13, 840120. https://doi.org/10.3389/fpsyt.2022.840120
[28] Schütt, M., & Claussen, J. C. (2010). Stabilization of biodiversity in the coevolutionary rock-paper-scissors game on complex networks. arXiv:1003.2922. https://arxiv.org/abs/1003.2922
[29] Delgado, G., Maynard, D., Jokela, J., & Crowther, T. (2022). Rock-paper-scissors dynamics and intransitive competition link ecology and evolution. Authorea (preprint). https://doi.org/10.22541/au.166359782.20667033
[30] Guo, G., & Zhang, H. (2025). Dispersal network heterogeneity affects ecosystem stability in rock-paper-scissors tournaments. Frontiers in Ecology and Evolution, 13, 1610137. https://doi.org/10.3389/fevo.2025.1610137
[31] Verma, T., & Gupta, A. K. (2021). Evolutionary dynamics of rock-paper-scissors game in the patchy network with mutations. Chaos, Solitons & Fractals, 153(Part 1), 111538. https://doi.org/10.1016/j.chaos.2021.111538
[32] Soliveres, S., et al. (2018). Everything you always wanted to know about intransitive competition but were afraid to ask. Journal of Ecology, 106(3), 703–710. https://doi.org/10.1111/1365-2745.12972
[33] Gallien, L., Cavaliere, M. C., Grange, M. C., Munoz, F., & Münkemüller, T. (2024). Intransitive stability collapses under the influence of dominant competitors. The American Naturalist, 204(1), E1–E10. https://doi.org/10.1086/730297
[34] UC San Diego / ScienceDaily. (2020, December 9). When strains of E. coli play rock-paper-scissors, it's not the strongest that survives. https://www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201209094219.htm
[35] arXiv. (2025, August). Species coexistence in the reinforcement learning paradigm. arXiv:2508.17599. https://arxiv.org/abs/2508.17599
본 글은 공개된 연구를 바탕으로 정보 제공 목적으로 작성되었으며, 전문적인 판단을 대신하거나 의학적 진단이나 치료를 위한 근거로 사용될 수 없습니다.
댓글
댓글 쓰기