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치타가 빠른 이유는 적절한 체중 때문? 모든 동물에 통하는 속도 분석법

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2017년 07월 18일 00:00 프린트하기

GIB 제공
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‘코끼리는 왜 치타보다 느릴까?’라고 아이에게 물어보면 ‘무거워서 움직이기 힘드니까 그렇지’라며. 그게 질문이냐는 말투의 대답이 돌아온다. 맞는 말이다.

 

그럼 ‘비슷한 몸집의 표범과 치타는 왜 속도 차이가 나지?’하고 다시 물어보자. 동물에 관심이 많은 아이라면 ‘치타가 달리기에 적합한 유연한 몸매와 적절한 힘을 가졌기 때문이야’라고 답할 것이다. 이처럼 지금까지는 동물들이 낼 수 있는 속도가 각기 다른 이유를 설명할 때, 그 동물의 무게나 힘, 골격의 모양 등 기준이 다양했다.

 

그런데 최근 지구상에 사는 동물들이 낼 수 있는 속도를 예측하는 데 공통으로 적용할 수 있는 ‘체중-가속 시간’ 분석 모델이 등장해 관심을 끌고 있다.

 

● 체질량 중간인 동물, 속도 가장 빨라

 

17일(현지시각) 독일 통합생물다양성연구센터(iDiv) 미리암 힐트 박사팀은 힘이나 근골격 형태의 차이로 제각각 설명해야 했던 동물의 속도를 한 번에 설명할 수 있는 체중-가속 시간 분석법을 제시해 학술지 ‘네이처 생태학과 진화(Ecology & Evolution)’에 발표했다.

 

미리암 박사는 “체중이 클수록 더 큰 힘으로 빨리 가속할 수 있어 속도가 빨라진다"며 "하지만 일정 체중을 넘어서면 가속하는 데 시간이 오래 걸려 되레 최대 속도가 감소하는 ‘거꾸로 된 U자형’ 패턴을 발견했다”고 밝혔다.

 

연구팀은 육지와 해상, 공중에서 생활하는 총 474종 동물의 속도와 체중을 비교했다. 연구 대상이 된 동물들은 체중 30㎍의 작은 미생물부터 체중 108t의 지구에서 가장 큰 생물인 흰수염고래(대왕고래)까지 다양했다.

 

그 결과 육해공 동물군 모두에서 체중이 커지면서 속도가 증가하다가 일정 무게 이상이 되면 다시 감소하는 패턴을 확인했다. 각 동물군에서 체중이 중간 범위에 있는 종이 가장 속도가 빨랐다. 달리기 챔피언은 통념과 비슷하게 육지에선 치타, 바다에선 청새치, 하늘에선 팰컨이었다.

 

체질량과 속도를 축으로 육지와 바다, 공중의 생물의 속도를 분석한 결과 거꾸로 된 U자형의 패턴이 나타났다. - German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv) 제공
체중과 속도를 축으로 육지와 바다, 공중의 생물의 속도를 분석한 결과 거꾸로 된 U자형의 패턴이 나타났다. - German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv) 제공

●큰 동물이 느린 이유... 가속도 올리는데 한나절 걸려

 

동물의 속도는 다리나 날개, 지느러미 같은 이동 수단이 한 번 움직이는 동안 가는 거리와 얼마나 빠르게 그 움직임을 반복해 가속시킬 수 있는가에 좌우된다. 각 이동 수단 속에 있는 근섬유가 신진대사 에너지를 운동에너지로 바꿔 속도를 내는 원리다.

 

체중이 큰 동물이 근섬유양도 많다. 뉴턴의 1법칙에 따라 체중이 클수록 더 큰 힘으로 빠르게 가속도를 올릴 수 있다. 하지만 동물마다 근섬유의 양과 근섬유가 쓸 수 있는 에너지원의 양에 한계가 있어 속도는 무한정 커질 수 없다. 그 둘 사이의 명확한 상관관계는 아직 밝혀지지 않았다.

 

※뉴턴 1법칙: 힘과 가속도의 법칙으로, 수식은 ‘F=ma’다. 이때 F는 힘, m은 질량, a는 가속도다. 이 법칙에 따라 체중이 많이 나가 힘이 쎈 동물이 더 큰 가속도를 낼 수 있지만. 질량이 코끼리 정도로 크면 같은 힘을 써도 가속도를 얻는 데 시간이 오래 걸린다.

 

다른 모든 조건이 같다고 가정하면 코끼리와 같이 큰 동물은 낼 수 있는 힘은 크지만 가속 시간도 그만큼 많이 필요하다. 연구팀은 이 때문에 코끼리가 치타처럼 빠르게 달릴 수 없다고 설명했다.

 

● 속도, 동물 진화 연구에도 중요!

 

속도는 어떻게 이동해 짝을 찾아 번식하는지, 적을 얼마나 재빨리 피하는지 등 동물의 습성과 진화를 연구할 때 중요한 요인이다. 

 

공룡이나 고대새 같은 멸종한 동물의 속도를 알려면 화석을 발견해 고고학적 골격형태를 분석해야 했다. 제대로 된 화석을 찾지 못해 속도 분석이 어려운 멸종 동물 종이 많았다.

 

연구팀은 제시한 체중-가속 시간 모델이 고고학적 골격 형태에 따른 속도 예측치와 가깝게 나옴을 확인했다. 멸종 동물의 연구에 도움을 줄 수 있다는 의미다.

 

특히 힘만 고려해 계산했던 속도 예측값이 고고학적 분석과 일관된 경향성을 보이지 않았던 것과 달리 체중-가속 시간 모델에선 오차는 있었지만 일관성이 확인됐다. 두 발로 걸었던 공룡의 속도를 예측한 결과는 골격학적 분석 결과와 거의 일치했고, 네 발 공룡의 경우는 기존 분석보다 20%가량 낮았다. 반면 고대 새의 경우 20% 정도 속도가 높게 나타났다.

 

예를 들면 육지의 제왕 티라노사우르스의 경우 화석의 근골격 분석을 통해 속도가 시속 28.8㎞로 추산해 왔는데, 이번 체중-가속시간 모델 분석에서도 시속 27㎞로 나왔다. 네발 공룡 브라키오사우르스는 기존 값(17.6㎞/h)보다 낮은 시속 11.9㎞였으며, 하늘을 날았던 고대 새 페타고니스는 알려진 속도(50㎞/h)보다 20% 가량 높은 시속 61.3㎞였다.

 

미리암 박사는 “새로운 분석법이 화석을 충분히 찾기 힘든 멸종 동물들의 속도 예측에 도움이 될 것”이라며 “앞으로 오차를 줄인 더 정확환 결과값을 얻기 위해 체중과 근섬유량 그리고 신진대사 능력 등의 관계를 면밀히 분석하는 데 주력할 것”이라고 말했다.

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