하마, 치타, 박쥐 : 포유류는 물리학의 대가이다. : 창조 설계-동물 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

2025-06-19

하마, 치타, 박쥐 : 포유류는 물리학의 대가이다.

(Hippos, Cheetahs, Bats: Mammals Master Physics)

David Coppedge

날렵하든, 육중하든, 곡예 비행을 하든, 포유류는 자신의 움직임을 최대 한계까지 끌어올리는 노하우를 갖고 있다.

고등학교 물리 시간에 우리는 움직임에 필요한 운동에너지는 질량과 속도의 함수(K = 1/2 mv^2)이고, 질량은 밀도와 부피에 비례한다는 것을 배웠다(M = Vd). 또한, 표면적이 제곱만큼 커지면, 물체의 질량은 세제곱만큼 커지므로, 동물이 아기에서 성체로 성장함에 따라 같은 속도로 움직이려면 근육에는 더 많은 에너지가 필요하다. 이러한 물리 법칙들은 동물이 평생동안 움직이기 위해서, 근육에서 얼마나 많은 에너지를 생산해야 하는지, 움직일 때의 스트레스를 견뎌낼 만큼 뼈가 얼마나 강해야 하는지를 결정한다. 또한 뉴런이 근육에 수축 신호를 보내는 속도에도 한계가 있다. 기린의 뇌가 발로 신호를 보낼 때, 생쥐가 보내는 경로 길이 보다 이동 거리가 더 길다.

이제 세 포유류(하나는 크고, 하나는 중간이고, 하나는 아주 작은 크기)에 대한 새로운 연구 결과를 살펴보겠다. 이 세 포유류는 놀라운 능력을 발휘하는 데 필요한 물리학을 완벽하게 터득하고 있었다.

껑충껑충 뛰는 하마

디즈니 판타지아(Disney’s original Fantasia) 중 한 유머스런 장면에서, 살찐 하마들이 발끝으로 우아하게 춤을 추며 공중으로 뛰어오르는 모습이 있다. 현실 세계에서 그러한 상상적 일들이 일어날 수 있을까? 런던 왕립 수의대의 두 과학자는 달리는 하마를 고속으로 촬영하여, 이 거대한 동물의 네 발이 모두 땅에서 떨어지는 짧은 순간이 있다는 것을 발견했다. Peer J (2024. 7. 3) 지에 게재된 논문에서, 허친슨과 프링글(Hutchinson and Pringle)은 고속카메라로 32마리의 하마들이 169보를 걷는 모습을 분석한 후, 이것을 발견했다. 그들은 이는 대형 육상 포유류에 대한 "분명히 새로운 발견"이라고 말했다.

수컷 하마(hippopotamus)의 무게가 최대 1,500kg에 달한다는 점을 고려하면, 이러한 위업을 달성하는 데 필요한 에너지는 상당하다. 아프리카인들은 하마가 사자보다 매년 더 많은 사람을 죽이기 때문에 하마를 두려워한다. 하마는 자극을 받으면 물 밖으로 뛰쳐나와 시속 30km의 속도로 추격할 수 있는데, 이는 인간의 속도보다 두 배 이상이다. 밥 이르카(Bob Yirka)는 Phys.org(2024. 7. 5) 지에서 이 연구 결과를 요약하면서 다음과 같이 썼다.

또한 하마가 최고 속도로 달릴 때, 특정 시점에서 네 발을 동시에 땅에서 떼는 것을 발견했다. 이는 달리는 동안 15%의 확률로 발생하며, 각 발생 시간은 약 0.3초이다. 추가 연구에 따르면, 하마는 코뿔소가 달리는 방식인 질주보다는 속보 형태의 걸음걸이를 사용한다.

놀라운 것을 보고 싶다면, 오픈 액서스 된 논문의 그림 5를 보고, 공중에 떠 있는 하마를 찍은 사진을 보라!

돌진하는 치타

가장 빠른 육상 포유류로 알려진 치타(cheetahs)는 당연히 우리의 감탄을 자아낸다. 나는 작년 아프리카 사파리에서 안내원으로부터 치타의 빠른 달리기는 짧은 전력 질주로 이루어진다는 것을 알게 되었다. 먹이에게 몰래 다가가서 잡을 만한 거리가 될 때만 돌진한다. 그런데 왜 다른 포유류들은 치타처럼 시속 약 96km의 속도를 낼 수 없는 것일까?

임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 새로운 연구에 따르면, 그 답은 치타가 신체 크기 범위 내에서 "최적의 지점(sweet spot)"를 점하고 있기 때문이라는 것이다.

동물계에는 차이가 있다. 힘, 사지 길이, 수명, 뇌 크기와 같은 많은 주요 특성들은 동물의 몸체 크기에 따라 증가하는 경향이 있지만, 최대 달리기 속도는 중간 크기 동물에서 가장 높은 경향이 있다.

생체공학과의 데이비드 라본테(David Labonte) 박사는 "가장 빠른 동물은 큰 코끼리도 작은 개미도 아닌, 치타처럼 중간 크기의 동물이다"라고 덧붙였다. 그 이유는 무엇일까?

<Photo credit: Illustra Media>.

Nature Communications(2024. 3. 11) 지에 게재된 논문에 따르면, 동물의 속도에는 두 가지 한계가 있다. 하나는 작은 동물에서 우세한 "운동에너지 용량(kinetic energy capacity)"이고, 다른 하나는 큰 동물에서 우세한 "작업 용량(work capacity)"이다. 그러나 작업 용량은 근육이 얼마나 수축할 수 있는지에 따라 제한된다. 어느 한계에 먼저 도달하느냐에 따라 속도 한계가 결정된다. 중간 크기의 치타는 인상적인 속도를 낼 수 있는 "최적의 지점"에 있다. (이것이 같은 크기의 모든 포유류가 빠르게 달릴 수 있다는 것을 의미하는 것은 아니다. 훨씬 더 많은 설계가 필요하다.)

연구팀은 개미부터 공룡까지, 질량이 11배가 넘는 400종 동물의 한계를 모델링 했다. 이 모델에 따르면, 40톤짜리 용각류는 거의 움직이지 못할 것이다. 직접 관찰하지 않고서는 과학자들은 이들이 특별한 적응력을 갖고 있었을 것이라고 추측할 뿐이다. 나는 나의 고향에 사는 작은 도마뱀들이 초당 몸길이의 몇 배를 달릴 수 있다는 사실에 흥미를 느낀다. 치타에 비해 몸길이가 짧아서, 작은 다리가 흐릿하게 보일 정도로 매우 빠르게 움직이는데, 그 대신 넓은 지역을 누빌 수는 없다.

그런데 미시간 대학(University of Michigan)의 한 연구에서, 근육 수축 속도는 물에 의존한다는 놀라운 발견이 보고되었다. 두 물리학자는 근섬유내 수분이 근섬유를 "스스로 압축하는 능동 스펀지"처럼 작용하도록 돕는다고 말한다. 근섬유 내 유체 흐름은 근섬유에 "기묘한 탄성"을 부여하여 3차원 변형을 가능하게 한다는 것이다. 한 물리학자는 "연구자들은 각 근섬유를 스스로 압축하는 능동 스펀지, 즉 분자모터의 작용을 통해 스스로 수축하고 압축할 수 있는 물로 가득 찬 스펀지와 같은 물질로 생각된다"라고 설명했다.

물이 근섬유 내에서 이동하는 데 걸리는 유한한 시간은 근육이 얼마나 빨리 잡아당겨질 수 있는지에 대한 상한선을 설정한다. 하지만 그 한계는 높다. 방울뱀은 방울을 초당 수백 번 움직일 수 있다. 날아다니는 곤충은 초당 최대 천 번까지 날갯짓할 수 있다! 모기의 날갯짓은 이론적인 한계에 가까운 것으로 보인다. 하지만 여기서는 포유류에 초점을 맞추고 있으며, 포유류에는 다른 물리적인 업적들이 있다. 또 다른 사례가 있다.

시끄러운 박쥐들

박쥐의 에어쇼에 버금가는 공중 묘기 비행을 연구한 새로운 논문들이 여러 편 발표되었다. 그중 하나는 어둠 속에서 동굴 지붕에 거꾸로 착지하는 능력이다. iScience(2024. 7. 19) 지에 게재된 한 논문은 이러한 능력이 어떻게 진화했는지 설명해보려고 하지만, 상당한 상상력이 필요하다.

비행의 기원이 구체적으로 아직까지 밝혀지지 않은 박쥐에서, 착륙 역학의 진화적 역사는 동력 비행 자체의 진화를 보완하는 관점을 제공한다. 화석이 부족함에도 불구하고, 대부분의 이용 가능한 자료들은 박쥐 비행의 기원이 활공이라는 가설을 뒷받침하고 있다. 그 가설에 따르면, 박쥐의 조상은 나무 위에서 살았고, 피부로 된 활공막을 갖고 있었으며, 현존하는 활공 포유류와 유사한 이동 능력을 갖고 있었다.

증거 없는 추측은 이제 그만 해야 한다. 관찰자들은 박쥐가 이런 묘기를 부릴 수 있다는 사실뿐만 아니라, 어둠 속에서 매우 붐비는 환경에서도 이런 묘기를 부리고, 동시에 딸깍거리는 소리 속에서도 울음소리로 친족을 찾을 수 있다는 사실에 놀라워해야 할 것이다.

.콜로라도에서 날아가는 박쥐. <Photo by David Coppedge>.

딸깍 소리에 대해 말하자면, 박쥐는 수십만 마리의 다른 클리커들이 득실거리는 군집에서 사냥할 때, 자신의 메아리를 찾아내는 데 엄청난 어려움을 겪는다. New Scientist(2024. 6. 5) 지는 박쥐가 무리들 속에서 익숙한 목소리를 들으려고 할 때, 우리 모두가 겪는 "칵테일 파티 문제(cocktail party problem, 시끄러운 파티장의 소음 속에서도 자신에게 의미 있는 정보에 집중하는 문제)"를 어떻게 해결하는지 알아내기 위한 기발한 데이터 수집 방법을 소개하고 있었다. 뉴햄프셔 대학의 로라 클로퍼(Laura Kloepper)는 뉴멕시코에서 60만 마리의 박쥐 떼 사이를 비행하도록 매(hawk)를 훈련시켜, 매에 부착된 백팩(backpack) 녹음기로 소리의 퍼짐을 녹음했다. 그녀는 박쥐 떼를 23번 통과하며 녹음한 데이터를 컴퓨터로 분석했다.

연구자들은 이 녹음을 통해 각 박쥐의 "목소리" 특징을 추출했다. 그들은 한 개체의 울음소리와 다른 개체의 울음소리 사이의 극히 미세한 차이를 찾아내고, 이러한 미세한 차이가 박쥐에게 돌아오는 신호에 엄청난 차이를 유발할 수 있다는 것을 발견했다. 이를 통해 각 박쥐는 자신이 보낸 울음소리와 되돌아오는 울림을 비교하고, 일치하지 않는 입력 신호를 쉽게 무시할 수 있었다. 클로퍼는 "아주 미묘한 변화가 박쥐가 반사 신호를 받아들일지 거부할지에 큰 영향을 미친다"라고 말한다.

이와 유사하게, 페더슨(Pederson et al.) 등의 연구자들은 Current Biology(2024. 6. 3) 지에 기고한 글에서, 자유롭게 나는 박쥐들이 소음 속에서 울음소리를 "초고속으로" 조절하는 능력을 연구했다. 이것은 우리 모두가 시끄러운 상황에서 목소리를 높이거나 음높이를 바꿔 소리를 내는 "롬바르드 반응(Lombard response, 롬바르드 효과)"과 같은 것이다. 연구자들은 "박쥐는 갑작스러운 소음에 반응하여 단 20ms 만에 더 큰 소리로 울음소리를 낸다"는 것을 발견했다.

박쥐는 소음이 1dB 증가할 때마다 0.1~0.2dB의 대역폭 의존적(bandwidth-dependent) 롬바르드 반응을 유발했으며, 잡음-사이클 소음의 시작과 종료에 대한 반응으로 매우 짧은 지연 시간과 20ms의 재발 시간을 보였다. 무소음 기간에 대한 부재 호출 시간 고정과 함께, 이러한 결과는 자유비행 박쥐가 소음 수준 증가에 대해 매우 빠르지만 고정된 음성-운동 반응을 보인다는 것을 보여준다. 이러한 반사작용은 날개짓 및 호흡 주기와 독립적으로 작동하는 단순한 폐쇄 루프 오디오-운동 피드백 회로에 의해 매개되며, 이 회로는 이 작은 포식자들이 마주치는 매우 역동적인 청각 장면에 대한 신속한 적응을 가능하게 하는 것으로 추정된다.

어둠 속에서 사냥 중에 이런 일을 수행한다는 것은 놀라운 위업이다. 니시우미 외 연구자들이 Current Biology(2024. 7. 8) 지에 게재한 또 다른 논문은 관련 복잡성을 더욱 가중시키고 있었다. 박쥐는 사냥 중에 "세 가지 반향정위(echolocation) 전술과 추적을 위한 비행 전략"을 사용하여 정확도를 높인다. 비행 중에는 반향정위가 수신되고 처리되는 데에 지연이 발생하기 때문에 본질적으로 어렵다. 그동안에 박쥐는 목표물을 유지하기 위해 비행경로를 계속 보정해야만 한다. 전투기를 생각해 보라.

목표물을 시야에 유지하는 것과 같은 "목표 추적" 능력은 다양한 활동에 필수적이다. 그러나 대부분의 감지 시스템은 정보 처리 과정에서 일정 수준의 지연을 경험하며, 이는 정확한 목표 추적에 어려움을 초래한다. 동물 행동에 대한 오랜 연구를 통해 여러 가지 전략들이 제시되었지만, 개별 전략이 어떻게 하나의 전략으로 결합되는지에 대한 체계적인 이해는 아직 이루어지지 않았다. 본 연구는 적은 구현 비용으로 지연의 부정적인 영향을 완화시키는 동물의 다면적 추적 전략을 보여준다.

연구팀은 능동적-감지 박쥐를 대상으로 실험을 진행한 결과, 박쥐가 여러 전략들을 결합하여 "멀티태스킹 관리(multitasking management)의 부담을 줄인다"는 것을 보여주었다. 세 가지 전략에는 신호를 보내고 받는 것이 포함되었다.

동시에 이루어지는 비행 전술, 즉 대응 기동은 표적 방향을 안정시켜 반향 탐지를 지원한다. 시뮬레이션 결과는 이러한 복합 전술이 광범위한 지연 제약 조건에서 추적 정확도를 향상시킨다는 것을 보여준다… 본 연구 결과는 동물 추적 시스템의 정교한 전략을 보여주고, 다양한 분야에서 표적 추적을 위한 효율적인 통합 전략을 이해하고 개발하는 데 필요한 통찰력을 제공한다.

또 다른 놀라운 포유류, 여우

재미 삼아, 영리한 포유류를 하나 더 소개한다. 당신은 눈 덮인 곳에서 여우(fox)가 높이 뛰어올라 코부터 눈 속으로 뛰어들어 쥐를 잡는 모습을 담은 자연 다큐멘터리를 본 적이 있는가? 여우는 어떻게 다치지 않고 이렇게 할 수 있을까? 개과 동물의 두개골에는 충격 흡수 장치가 없다. 유크(Yuk et al.) 등의 연구자들은 PNAS(2024. 4. 29) 지에 기고한 논문에서, 이러한 "쥐 잡는" 행동은 특수한 두개골 적응 덕분에 가능하다고 말한다.

우리의 연구는 여우가 스노우 다이빙(snow dive)을 할 때 받는 충격력을 완화하는데 있어서 두개골 형태, 특히 주둥이의 곡률(curvature of the snout)이 중요함을 보여주고 있다. 연구 결과는 여우 스노우 다이빙의 초기 충격 단계가 높은 레이놀즈 수에서 유체의 거동과 매우 유사함을 보여준다. 이러한 통찰력은 이러한 독특한 사냥 행동의 생체역학을 밝혀내어, 동물의 적응 및 환경과의 상호작용을 이해하는 데 귀중한 기여를 할 것이다.

레이놀즈 수(Reynolds number, 관성력과 점성력의 비율)가 높다는 것은 관성력이 점성력을 지배하는 난류를 나타낸다. 여우의 좁은 주둥이에 있는 그 작은 위쪽 곡선 덕분에 여우는 눈 속으로 뛰어들어 에너지를 주변으로 분산시킬 수 있다. 여우는 어떻게 두개골과 주둥이를 그렇게 적응시키는 법을 배웠을까? 무작위적 돌연변이들로 우연히? 눈 밑에서 쥐 소리를 들을 수 있는 능력도, 눈 속으로 뛰어드는 본능도 없다면, 굽은 주둥이는 별 소용이 없었을 것이다.

요약하면, 동물(이 경우 포유류)들은 물리법칙을 한계까지 밀어붙일 수 있는 능력을 갖고 태어난다. 진화론의 이야기 지어내기보다 관찰되는 과학에 집중하는 것이 훨씬 더 만족스럽다. 사물의 작동 원리를 배우고 이해하는 것은, 엔지니어들로 하여금 우리 주변의 모든 설계 전략들을 모방하도록 영감을 준다는 추가적 이점이 있다.

*참조 : 하마에서 진화는 없었다

https://creation.kr/LivingFossils/?idx=18297857&bmode=view

박쥐가 밤에 외식을 할 때 수행하는 일들

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진화론을 기각시키는 박쥐 : 박쥐의 반향정위는 생각했던 것보다 훨씬 복잡했다.

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그린란드의 추운 피오르드에서 시끄러운 일각고래

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혹등고래의 노래에서 발견되는 언어 구조.

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해양 포유류 : 깊은 잠수를 할 수 있도록 설계되었다.

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