노이즈 캔슬링 : 생물에서 놀라운 소음 차단 기술이 발견되고 있다. : 창조 설계-동물 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

창조설계-동물

2026-01-02

노이즈 캔슬링 : 생물에서 놀라운 소음 차단 기술이 발견되고 있다.

(Noise Cancellation: A Remarkable Design Solution in Biology)

David Coppedge

자체에서 발생되는 소음을 제거하는 능력은 공학적 기술이 필요하다는 것이 논리적이다.

뱀은 자신의 독에 면역되어야 한다. 전기뱀장어는 자신이 감전되면 안 된다. 그리고 생물들은 자체 발생 소음으로부터 보호되기 위해서는 미리 계획된 소음 차단 시스템이 필요하다.

레너드 마이어(Leonard Maier)는 Current Biology(2023. 7. 10) 지의 한 보고에서, 많은 사람들이 별로 신경 쓰지 않고 있는 한 생물학적 필요성, 즉 자신의 소음을 무시하는 방법에 대해 논의하고 있었다. 그는 자가-생성 소음(self-generated noise)을 제거하는 것은 "능동 감지(Active Sensing)"에 의해 이루어진다고 말하고 있었다.

동물들은 능동적으로 환경을 감지하며 조사한다. 능동 감지 시에 자신에 의해 발생되는 소리는 환경 신호와 독립적으로 구별되어야 한다. 실험 및 모델링 연구를 통해 수지상돌기 스파이크 역전파(dendritic spike backpropagation)의 정밀한 제어가 이러한 구별에 어떻게 기여하는 지가 밝혀졌다.

마이어는 뮬러 등이 Current Biology(2023. 7. 10) 지에 발표한 논문을 인용하고 있었다. 신경과학 문헌에 대한 많은 독서가 필요하지만, 기본 개념은 이해하기 쉽다. 만약 당신이 큰 소리를 내면서 무언가를 듣고 있다면, 자신의 소음을 빼는 방법이 필요하다.

생물학적 노이즈 캔슬링(biological noise cancellation, 생물이 원치 않는 소음을 능동적으로 제거하는 기술)은 뉴런(neuron, 신경세포) 수준에서 작동하고 있었다. "스파이크 역전파(spike backpropagation)"의 기본 개념은 수신 뉴런(receiving neuron)이 자신의 노이즈 프로파일에 대한 "이미지"와 함께 발신 뉴런(sending neuron)에게 정밀하게 제어된 신호를 보내는 것이다. 이 네거티브 이미지(negative image)는 전체 신호의 잡음 부분을 상쇄하여, 수신 신호에서 자신에 의해 생성된 잡음을 제거하여, 뇌가 환경 신호만 수신하게 만든다....

비유하자면, 제임스웹 우주망원경(James Webb Space Telescope)이 적외선 영역에서 매우 희미한 천체를 촬영하는 방식을 생각해 보라. 망원경과 관측 기기들은 목표 천체에서 나오는 광자를 방해할 수 있는 열을 발생시킨다. 한 가지 방법은 기기를 최대한 냉각시켜 자체 발생 열을 줄이는 것이다. 이는 액체 헬륨으로 수행된다. 또 다른 방법은 망원경 기기에 의해 자체 생성되는 스펙트럼 선을 빼버리는 것이다.

노이즈 캔슬링은 케플러 미션(Kepler mission, 2009~2018)에서 수행된 외계행성 탐색에서도 사용되었다. 항성 앞을 지나가는 행성의 스펙트럼 신호는 보통 그 별의 밝기에 압도당한다. 천문학자들은 행성을 탐지하기 위해 통과 전후로 항성의 빛을 뺀다. 태양관측위성 소호(SOHO)도 코로나그래프(coronagraph)를 통해 인공 일식을 만들어, 밝은 태양빛을 차단해 희미한 코로나를 관측할 수 있게 했다. 노이즈 캔슬링은 적응광학(adaptive optics) 및 사진 노이즈 감소(photographic noise reduction)에서는 시각적으로, 돌비 노이즈 감소(Dolby noise reduction) 및 노이즈 캔슬링 헤드폰(noise-cancelling headphones)에서는 청각적으로 수행된다. 후자의 경우는 이어폰 안팎에서 소리를 듣고, 외부 소리를 무력화시키는 경우로 주목할 만하다. 한 기술 사이트에서는(여기를 클릭) 그것은 "밖의 소리에 +2를 빼고, 안쪽 소리에 -2를 더해 0을 만드는 것과 비슷하다"고 말한다.

이 모든 기법은 예지력과 공학적 정밀함이 요구된다. 무작위적 과정으로 우연히 어쩌다가 생겨날 수 없는 것으로 보인다. 또한, 이 방법들은 기기를 적절히 정렬시키고, 변화되는 조건에 반응하도록, 지속적인 추적(능동 감지)을 요구한다.

노이즈 캔슬링을 하는 물고기

생물들이 노이즈 캔슬링을 하고 있다는 사실은 정말로 놀랍고, 사리에 맞는다. 생물의 센서는 자기 노이즈와 외부 노이즈를 구별할 수 있어야 한다. 뮐러(Muller) 등은 모르미리드과(mormyrid) 물고기를 대상으로 한 실험을 통해, 신호 역전파에 관한 발견을 했다. 이 물고기들은 전류를 수동적으로 받기도 하고, 발생시킬 수도 있는 약한 전기물고기이다. "코끼리코고기(elephantfish)"는 모르미리드의 한 사례이다.

신경과학자들은 모르미리드가 생물학적 신호 처리 연구에 유용하다는 것을 발견했는데(여기를 클릭), 이 물고기는 뇌 때문에 약할 필요가 있는 전기 펄스를 내보내기 때문이다. 그리고 동종 물고기로부터, 그리고 먹이로부터 신호를 받는다. 마이어는 왜 노이즈 캔슬링 시스템이 필요했는지를 설명하고 있었다. 그러나 안타깝게도 그는 이러한 '외과적 정밀함'을 가지고 작동되는 시스템을 진화에 의한 것으로 그 공을 돌리고 있었다.

전기감각은 수동적, 능동적 전기감지로 구성되어 있다. 수동적 전기감지는 앰플러리 수용체(ampullary receptors, 로렌치니 팽대부)가 수행하는데, 먹이인 무척추동물의 움직임으로 발생하는 약한 전기장에 매우 민감하다. 능동적 전기감지는 전기기관에서 짧은(약 1ms) 전기 방전을 생성하고, 전기기관이 방출하는 전기장에 맞춰 조율된 덩이줄기 수용체(tuberous receptors)를 필요로 한다. 모르미리드 물고기는 수동적 감지를 유지하면서도 공간 학습과 내비게이션에 필수적인 능동적 전기감지를 진화시켜, 먹이를 더 효율적으로 찾을 수 있게 했다. 능동적 감지의 진화는 모르미리드 어류(특히 코끼리주둥이고기(Gnathoneumus petersii)에서 일어나 있다. 모르미리드 전기기관의 짧은 방전은 앰플러리 수용체에서 약 200ms 지속되는 큰 링잉 스파이킹 반응(ringing spiking response)을 유발한다. 전기기관의 방전률은 5Hz(휴식)에서 60Hz(먹이 탐색)까지 다양하며, 링잉 반응(ringing response, 울림 반응)은 먹이와 관련된 감각 입력과 겹친다. 앰플러리 수용체는 먹이를 식별하기 위해서 이 노이즈를 완전히 배제시켜야만 한다. 앰플러리 수용체는 전기감각을 처리하는 뇌의 한 엽(medullary electrosensory lobe) 내의 세포로 출력물을 보낸다. 놀랍게도, 전기감지 엽의 출력 뉴런은 수동적 전기감지 입력물에 충실하게 반응하며, 그 노이즈의 흔적은 전혀 없다. 이 링잉 노이즈(ringing noise, 울림 노이즈)를 외과적으로 정밀하게 제거하는 메커니즘이 있어야만 하는 것이다.

물고기의 노이즈 처리 방법은 앞서 언급한 노이즈 캔슬링과 비슷하다: 원치 않는 노이즈를 빼버리고 신호를 얻는 것이다.

링잉(울림) 노이즈 캔슬링은 링잉 반응에 대한 작용 반작용의 네거티브 이미지(negative image)를 학습한 뒤, 링잉 노이즈와 그 네거티브 이미지의 합을 통해 이루어진다. 네거티브 이미지의 핵심은 전기기관 각각의 방전 발생을 정확히 측정하는 예측적 동반 방전 신호에 있다는 것이다. 그 결과 동반 방전(corollary discharge, 부수적 방전)은 소뇌 과립세포에 도달하며, 이 과립세포는 다시 중간신경절세포의 첨단 수상돌기로 투사된다. 중간 신경절 세포는 링잉 노이즈를 정확히 따라가며, 출력 세포에 대한 그들의 억제 입력이 링잉 노이즈 입력과 합산되어 상쇄된다.

이것은 매우 영리한 전략이다. 그리고 그 세부적 사항은 더욱 놀랍다. 신호 경로에 있는 뉴런들은 전파 속도에 맞춰 조정되어야 하고, 언제 스파이크를 증폭해야(증가시켜야) 하는지, 낮춰야(감소시켜야) 하는지, '네거티브 이미지'를 만들어야 하는지를 알아야 한다. 스파이크의 폭, 진폭, 타이밍이 성공에 매우 중요하다. 이 이미지(실제로는 역방향-전파 펄스 기차, backward-propagating pulse train)는 시냅스를 가로질러 충실히 재현되어야 하며, 여기서 전기신호가 화학신호로, 그리고 그 반대로도 변환된다. 또한, 정밀도는 축삭과 수상돌기 내 이온 채널(예: 나트륨 또는 칼슘)의 종류에도 적용된다. 마이어의 논문과 뮐러 등의 논문의 세부사항과 연구 결과를 읽어보면 정말로 놀라울 정도이다. 하지만 이것이 다가 아니다. 여기에 호르몬도 관련되어 있다.

신호의 우선순위

모르미리드 어류의 노이즈 캔슬링에 관한 또 다른 논문이 뮬러의 논문이 발표되고 한 달 후에 Current Biology(2023. 8. 21) 지에 실렸다. 후쿠토니와 칼슨(Fukutoni and Carlson)은 이 시스템이 운동 출력과 감각 결과의 내부 예측을 조정하기 위해서 호르몬, 특히 테스토스테론(testosterone)에 의존한다는 것을 밝혀냈다. 그들은 번식 중인 수컷에서 "동반 방전에 의해서 활성화된 억제가 스스로 발생된 전기 펄스에 대한 감각 반응을 차단하여, 하류 회로가 인근 물고기의 통신 신호를 선택적으로 분석하여, 그들이 어린 개체인지, 암컷인지, 또는 생식하지 않는 수컷인지 판단할 수 있게 한다"는 것을 발견했다. "이 경우에 테스토스테론은 전기기관의 전기세포 생물물리학적 특성에 직접적인 영향을 미쳐, EOD(electric organ discharge, 전기기관 방전) 파형을 결정한다"는 것이다. 만약 진화가 그러한 무작위적 돌연변이가 세트로 일어난 집단 전체를 선택하지 않았다면, 불쌍한 물고기들은 멸종했을 것이다. (저자들은 그렇게 말하지 않았지만, 논리적으로 그렇다는 것이다.)

이러한 사실을 슬쩍 비틀면서, 워싱턴 대학의 보도는 "호르몬이 전기 물고기의 신호 차단 기술을 변경시키고 있다"고 기술하고 있었다. 결국 타이밍 조절로 귀결된다.

모르미리드로 알려진 전기 물고기는 신호로 전기 펄스를 내보낸다. 또한 자신의 소리를 무시하거나 차단하는 방법도 개발했다. '동반 방전(corollary discharge)'이라는 시스템은 전기 펄스를 방출한 후 짧고 명확한 시간 동안 물고기의 감각 지각을 억제하여, 잠재적 짝 등 다른 이들의 메시지를 우선적으로 들을 수 있게 한다.

생물학의 다른 사례들

이 논문들에서 밝혀진 것은 어류에서 놀라울 정도로 효과적인 노이즈 캔슬링 기술이다. 초당 60번씩 물속에 전기 펄스를 보내면서도, 먹잇감의 희미한 전기 신호와 동종의 전기신호를 감지할 수 있다! 뉴런, 이온 채널, 수학적으로 정밀한 알고리즘, 호르몬들이 함께 작용해서, 자기 신호를 빼고 표적 신호를 처리하지 않았다면, 그 펄스들은 표적에서 나오는 희미한 신호를 덮어버렸을 것이다. 더불어 결과적으로 생성된 신호는 본능적인 행동을 활성화해야 하며, 그렇지 않으면 아무런 효과도 없게 된다.

이 생물학적 방법론의 원리는 세포, 초파리(fruit fly), 회색곰(grizzly bear) 등 생물이 환경 신호에 반응하기 위해 자기 신호를 구별해야 하는 생물학의 모든 경우로 확장될 수 있다. 회색곰은 매우 강한 냄새를 내는 것으로 알려져 있다. 하지만 그들의 후각은 놀라울 정도로 예민하다. 그들은 집중하고자 하는 신호에서 자신의 냄새를 빼기 위해 '냄새 캔슬링(smell cancellation)'을 수행할 수 있어야 한다. 돌고래나 박쥐가 자신의 딸깍소리와 목표물의 메아리를 구분하지 못한다면, 반향정위(echolocation)는 작동하지 않을 것이다. 당신은 더 많은 예들을 생각해 볼 수 있을 것이고, 그것들이 어떻게 달성되는지 흥미롭다면, 지적설계 옹호자들에게 유익한 연구 프로젝트를 수행해볼 수도 있을 것이다.

*참조 : 코는 이득제어 방법을 사용하고 있다 : 강한 냄새들 사이에서 약한 냄새를 맡을 수 있는 이유

https://creation.kr/Human/?idx=1291526&bmode=view

소리를 통한 동물들의 의사소통

https://creation.kr/animals/?idx=164039724&bmode=view

소리로 의사소통을 하는 개미는 창조를 증거한다.

http://creation.kr/animals/?idx=1291141&bmode=view

우리의 창조된 귀

https://creation.kr/Human/?idx=14126633&bmode=view

박쥐가 밤에 외식을 할 때 수행하는 일들

https://creation.kr/animals/?idx=13602284&bmode=view

정글 귀뚜라미는 정교한 설계로 박쥐의 반향정위를 피한다.

http://creation.kr/animals/?idx=3968408&bmode=view