맴도는 물고기는 두 배 더 많은 에너지를 소모한다 - 과학자들에게 충격을 준 연구

물고기는 불안정한 몸을 끊임없이 교정하면서 공중에 떠다니며 에너지 사용량을 두 배로 늘립니다. 이러한 통찰력은 수중 드론 설계를 재편할 수 있는 기동성과 효율성 간의 상충 관계를 보여줍니다. 출처: Shutterstock

물고기가 물기둥에 움직이지 않고 매달려 있는 모습은 마치 힘들이지 않고 움직이는 것처럼 보이게 하며, 과학자들은 오랫동안 이것이 일종의 휴식이라고 생각해 왔습니다. 그런데 새로운 연구에 따르면 물고기는 제자리에 떠 있을 때 휴식을 취할 때보다 거의 두 배에 가까운 에너지를 소모하는 것으로 나타났습니다.

캘리포니아 대학교 샌디에이고 스크립스 해양학 연구소 과학자들이 주도한 이 연구는 물고기가 호버링하는 생체 역학에 대해서도 자세히 설명합니다. 호버링에는 기울어짐, 표류 또는 회전을 방지하기 위해 끊임없이 미묘한 지느러미 움직임이 포함됩니다. 물고기가 어떻게 적극적으로 위치를 유지하는지에 대한 이러한 더욱 탄탄한 이해는 유사한 문제에 직면한 수중 로봇이나 드론의 설계에 도움을 줄 수 있습니다.

7월 7일 미국 국립과학원 회보 에 발표된 연구 결과는 수영 방광을 가진 물고기가 물속에서 정지 상태를 유지하는 것이 사실상 아무런 노력 없이 가능하다는 과학 문헌의 오랜 가정을 뒤집습니다.

이러한 가정의 이유는 거의 모든 경골어류가 부레라고 불리는 기체로 가득 찬 주머니를 가지고 있어 수면으로 떠오르거나 가라앉지 않고 중성 부력을 유지할 수 있기 때문입니다. 부레의 존재와 떠다니는 물고기의 움직임이 고요하다는 사실 때문에 연구자들은 떠다니는 것이 물고기가 쉽게 유지할 수 있는 휴식의 한 형태라고 생각했습니다.

연구 주저자이자 스크립스 해양 생물학자인 발렌티나 디 산토의 이전 연구에 따르면, 가오리가 다양한 속도로 유영하는 데 필요한 에너지는 뚜렷한 U자형 곡선을 이루며, 느린 유영과 빠른 유영이 가장 많은 에너지를 필요로 하고, 중간 속도 유영이 가장 에너지 효율이 높다는 것을 발견했습니다. 이러한 결과를 바탕으로 디 산토는 호버링에는 눈에 보이는 것 이상의 의미가 있을 것이라고 추측했습니다.

더 자세히 알아보기 위해, 디 산토와 공동 저자들은 수영 방광이 있는 물고기 13종을 대상으로 실험을 수행했습니다.

연구팀은 각 물고기를 특수 수조에 넣고 활발하게 떠 있을 때와 움직이지 않고 쉬고 있을 때(물고기가 수조 바닥으로 무게를 지탱할 때)의 산소 소비량을 기록했습니다. 물고기가 떠 있는 동안 연구진은 고속 카메라로 지느러미 움직임을 촬영하여 각 지느러미의 움직임과 진동 빈도를 추적했습니다.

연구진은 또한 각 물고기의 몸 크기와 모양을 다양하게 측정했습니다. 특히, 무게 분포에 의해 결정되는 물고기의 질량 중심과 부레의 모양과 위치와 관련된 부력 중심 사이의 물리적 거리를 측정했습니다. 이러한 모든 측정은 각 물고기가 얼마나 안정적인지 또는 불안정한지를 정량화하는 방법을 제공했습니다.

연구 결과에 따르면, 이전 가정과는 달리 공중에 떠 있는 것은 휴식 상태보다 약 두 배나 많은 에너지를 소모하는 것으로 나타났습니다.

디 산토는 "공중부양은 움직이지 않는 자전거 위에서 균형을 잡으려는 것과 비슷하다"고 말했습니다.

부레 덕분에 거의 무중력 상태임에도 불구하고, 물고기는 질량 중심과 부력 중심이 완벽하게 일치하지 않기 때문에 본질적으로 불안정합니다. 이러한 분리는 기울어지고 흔들리는 경향을 유발하여 물고기는 위치를 유지하기 위해 지느러미를 끊임없이 조정해야 합니다. 연구에 따르면 질량 중심과 부력 중심이 더 멀리 떨어져 있는 어종일수록 호버링 시 더 많은 에너지를 사용하는 것으로 나타났습니다. 이는 불안정성을 상쇄하는 것이 호버링 중 에너지 소모를 촉진하는 요인 중 하나임을 시사합니다.

디 산토는 "제가 가장 놀랐던 건 이 물고기들이 본질적으로 불안정한데도 불구하고 놀라울 정도로 안정적인 자세를 유지하는 모습이었습니다."라고 말했습니다.

물고기의 형태와 가슴지느러미의 위치 또한 호버링 효율에 영향을 미쳤습니다. 가슴지느러미가 몸 뒤쪽에 있는 물고기는 일반적으로 호버링하는 동안 에너지를 덜 소모했는데, 디 산토는 이것이 지렛대 효과 때문일 수 있다고 주장했습니다. 껍질에 사는 시클리드( Lamprologus ocellatus )와 자이언트 다니오( Devario aequipinnatus )처럼 길고 가느다란 물고기는 호버링 효율이 낮았고, 금붕어( Carassius auratus )나 8자 복어( Dichotomyctere ocellatus )처럼 몸이 깊고 단단한 물고기는 더 효율적이었습니다.

"이것은 우리가 맴돌이를 보는 방식을 바꿉니다. 맴돌이는 전혀 휴식의 형태가 아닙니다."라고 디 산토는 말했습니다. "에너지 소모가 크지만, 물고기는 매우 유용할 수 있기 때문에 어쨌든 맴돌이를 합니다."

둥지를 지키거나, 특정 위치에서 먹이를 찾거나, 수중에서 위치를 유지하는 것과 같은 활동은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 어렵습니다. 이 연구 결과는 또한 어류의 체형에 대한 진화적 상충 관계를 보여주는데, 기동성 향상은 호버링 효율을 희생하는 결과를 가져오고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 디 산토는 호버링에 드는 높은 에너지 비용은 단점이 아니라, 산호초와 같은 복잡한 서식지의 어려움을 헤쳐나가는 데 필요한 뛰어난 민첩성을 물고기에게 부여하는 필수적인 상충 관계라고 말했습니다.

이러한 결과는 민첩성을 유지하면서도 안정성을 유지해야 하는 수중 로봇과 차량의 설계에 도움이 될 수 있습니다.

디 산토는 "물고기가 어떻게 이러한 균형을 이루는지 연구함으로써 우리는 더 효율적이고 반응성이 뛰어난 수중 기술을 구축하기 위한 강력한 설계 원칙을 얻을 수 있다"고 말했습니다.

특히, 이 연구 결과는 수중 로봇의 기동성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있으며, 산호초나 난파선과 같이 복잡하고 항해하기 어려운 환경에 접근하고 탐사할 수 있도록 지원할 수 있습니다. 디 산토에 따르면, 수중 로봇은 역사적으로 안정성을 위해 소형으로 설계되어 왔습니다. 물고기와 마찬가지로, 안정성이 높은 형태는 기동성이 떨어집니다.

디 산토는 "좁은 공간을 이동할 수 있는 로봇이 필요하다면, 이 물고기에서 불안정성을 설계하는 법을 배우고, 필요할 때 동적으로 안정성을 유지할 수 있는 시스템을 추가해야 할 수도 있다"고 말했습니다.

이 연구는 디 산토 외에도 스톡홀름 대학교의 쉬웨이 치, 스크립스 해양학 연구소의 피지 베리오, 스톡홀름 대학교, 막스 플랑크 동물행동연구소, 콘스탄츠 대학교의 안젤라 알비, 그리고 웨일스 애버리스위스 대학교의 오타르 아카니에티가 공동 집필했습니다. 이 연구는 스웨덴 연구 위원회, 유럽 위원회, 스톡홀름 대학교 뇌 영상 센터, 그리고 해양생물학연구소 휘트먼 과학자 프로그램의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250708045658.htm