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캘리포니아 남부 산 클레멘테섬 인근 바닷속에서 헤엄치는 가리발디 물고기. Phil Zerofski/Scripps Institution of Oceanography 제공

물고기가 물속에서 위치를 유지하며 떠 있기 위해 휴식할 때보다 에너지를 약 2배 사용하는 것으로 밝혀졌다. 몸이 기울거나 떠내려가지 않도록 지느러미를 끊임없이 움직여야 하기 때문이다. 물고기가 떠 있을 때 에너지를 거의 쓰지 않을 것이라는 기존 가설을 뒤집는 연구결과다.

발렌티나 디 산토 미국 샌디에이고캘리포니아대(UCSD) 스크립스 해양연구소 교수팀은 물속에서 정지한 채 유영하는 물고기들이 쉬고 있을 때보다 에너지를 약 2배 쓴다는 사실을 밝혀내고 연구결과를 7일(현지시간) 국제학술지 '미국 국립과학원회보(PNAS)'에 공개했다.

호버링(Hovering)은 위치를 유지하며 제자리에서 비행하는 것을 말한다. 지상에서는 벌새와 잠자리 등이 호버링하는 대표적인 동물이다. 물고기는 부레를 활용해 정지 상태를 유지하는 데 거의 에너지를 소모하지 않는다는 것이 과학계의 오랜 가설이었다. 부레는 어류 체내에서 부력을 조절해 물고기가 수심을 조절하는 데 도움을 주는 기관이다.

연구팀은 선행 연구에서 이동 속도에 따른 가오리의 에너지 소모량이 U자 곡선을 그린다는 사실을 발견했다. 저속이나 고속보다 중간 속도로 이동할 때 에너지를 효율적으로 사용한다는 것이다. 연구팀은 물고기가 거의 정지한 상태에 알려지지 않은 에너지 소모 경로가 있을 가능성에 주목했다.

팔자복어(학명 Tetraodon biocellatus)는 몸이 짧고 통통한 체형으로 호버링 효율이 높다. 위키미디어/ColdmachineUK 제공

연구팀은 큰가시고기(학명 Gasterosteus aculeatus), 팔자복어(학명 Dichotomyctere ocellatus 
) 등 부레가 있는 물고기 13종을 특수 수조에 넣고 호버링과 휴식 상태에서 소모하는 산소량을 기록했다. 휴식 상태는 물고기가 수조 바닥에 체중을 지탱하는 상태로 정의됐다. 

물고기가 호버링하는 중에는 고해상도 카메라로 지느러미 움직임을 촬영해 각 지느러미의 움직임의 크기와 휘젓는 빈도 등을 기록했다. 물고기의 몸 생김새와 크기, 물고기의 질량 중심과 부력 중심 사이의 물리적 거리도 주목했다. 질량 중심은 물고기의 질량 분포로, 부력 중심은 부레의 형태와 위치로 결정된다. 측정값은 물고기의 안정성을 정량화해 비교하는 데 사용됐다.

실험 결과 호버링은 휴식 상태보다 에너지를 약 두 배 소모하는 것으로 나타났다. 디 산토 교수는 호버링이 "움직이지 않는 자전거 위에서 균형을 잡으려는 것과 비슷하다"고 설명했다.

부레의 부력 덕분에 아래쪽으로 힘이 거의 작용하지 않는 물고기도 질량 중심과 부력 중심이 완벽히 일치하지 않는다. 가라앉지는 않더라도 자세가 기울어지거나 회전하기 쉽다는 뜻이다. 물고기는 자세와 위치를 유지하기 위해 계속 지느러미를 움직여야 한다. 질량 중심과 부력 중심이 떨어져 있을수록 호버링에 에너지가 더 많이 소모됐다.

자이언트다니오(학명 Devario aequipinnatus)처럼 길고 가느다란 체형의 물고기는 고속 유영에 유리하지만 호버링 효율이 낮다. 위키미디어/Faucon 제공

물고기의 형태와 가슴지느러미의 위치도 호버링 효율성에 영향을 미쳤다. 가슴지느러미가 몸 뒤쪽에 달려 있으면 일반적으로 호버링에 에너지를 더 적게 소모했다.

연구팀은 체형에 따라 빠른 속도와 호버링 효율이 반비례한다고 분석했다. 일반적으로 물고기는 몸이 길고 얇을수록 고속 유영에 유리하다. 분석 결과 자이언트다니오(학명 Devario aequipinnatus)처럼 길고 가느다란 체형의 물고기는 호버링 효율이 낮았다. 반면 몸이 짧고 통통한 체형의 금붕어(학명 Carassius auratus)나 팔자복어는 호버링 효율이 높았다.

연구팀은 "호버링은 휴식과는 거리가 멀다"며 "에너지 소비가 큰 데도 물고기가 호버링을 하는 이유는 유용하기 때문"이라고 말했다. 호버링은 산호초 지역 같은 복잡한 지형에서 특정 위치를 지키며 먹이를 먹거나 둥지를 지키는 데 유리한 움직임이라는 분석이다.

디 산토 교수는 "물고기의 호버링에 대한 이해를 높여 산호초나 선박 잔해 같은 복잡한 환경에서 수중 로봇이나 드론의 기동성을 개선하는 데 활용할 수 있다"며 "물고기들에게 안정성을 유지할 수 있는 시스템을 배워야 한다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1073/pnas.2420015122

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]

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