고산(孤山)에 사는 고라니 일지(日誌)

날씨가 좋아지니 우한 폐렴으로 심신이 지친 시민들이 산책을 많이 한다. 욱수천을 따라 생긴 산책로는 이미 많은 사람이 다니고 있어서 스치는 것도 부담이 되어 산나물을 채취하는 사람들이나 찾는 호젓한 이 고산(孤山)을 길손은 자주 찾는 편이다. 이곳은 고산에 사는 여러 마리의 고라니가 즐겨 찾는 은신처 중의 한 곳이다. 가시가 달린 탱자나무가 울타리를 이루어서 사람의 출입이 뜸한 데다가 그늘도 있어서 이곳에서 도망가는 고라니를 여러 번 보았기에 이번에는 작정을 하고 휴대폰 카메라를 켜고 접근하는데 웅크리고 있는 고라니와 눈이 마주친 순간, 한달음에 내닫는데 녹화 버튼을 눌렀을 때는 이미 10m가 넘는 거리를 뛰쳐나간 후였다.

방금 도망친 고라니의 흔적이다. 고라니는 세계적으로 멸종 위기에 처한 동물이라고 하는데 한국에서는 공공의 적이자 길손과는 애증(愛憎)의 관계다. 인근 도시농부들이 애써 키운 농작물을 먹어 치우니 밉상도 그런 밉상이 없다.

사람을 비롯한 다른 동물의 접근이 어려운 탱자나무 작은 울타리에 몸을 숨겼다. 정말 아늑하게 보인다.

앞뒤로 트여 있어서 어느쪽 으로도 빠르게 도망칠 수가 있다.

왼쪽과 오른쪽으로 두 개의 은신처가 나란히 있다.

고라니가 허겁지겁 도망친 곳이다.

참나무에도 새싹이 돋고, 딱따구리는 참나무에 둥지를 만들었다. 참나무는 잠시 아팠겠지만, 딱따구리를 내치지 않고, 가슴에 품었다.

딱따구리는 작은 몸집과 부리로 참나무를 집요하게 수만 번을 쪼아서 그들이 살 집을 만들었다. 보통의 동물은 무엇을 쫄 때 머릿 속에 있는 뇌가 큰 충격을 받아서 세게 쫄 수가 없지만, 딱따구리는 그렇지 않다고 한다.

딱따구리 뇌와 부리의 비밀을 밝히다.

두개골 구조·뼈 조성 덕분에 뇌진탕 일으키지 않아

딱따구리가 나무에 찰싹 달라붙어서 부리로 나무 둥지를 세차게 때려 구멍을 뚫는 장면은 신기하기 이를 데 없다. 딱따구리는 초 당 20번이나 되는 빠른 속도로 나무 둥지를 두드린다.

미식축구 선수들이 스크럼을 짜고 상대편 선수와 머리를 부딪힐 때 가해지는 충격이 80g로 알려져 있지만, 딱따구리가 나무를 부리로 때릴 때 충격은 1200g로 추정된다.

이렇게 큰 충격을 받으면 두통, 턱통, 목 손상, 뇌진탕, 근육 손상 등 치명적인 부상을 당하는 것이 정상이다. 그러나 딱따구리는 부리가 부러지지도 않고, 머리뼈가 손상되지도 뇌진탕도 걸리지 않는다.

나무를 쪼아댈 준비를 하는 딱따구리 ⓒ 픽사베이

과학자들이 딱따구리의 비밀을 밝혔다. 자연에서 발견되는 뼈, 피부, 깃털, 조개 같은 생물학적 물질을 연구하는 재료과학자들은 딱따구리의 두개골과 혀, 뼈 구조에 관심을 가졌다. 왜냐하면 딱따구리의 특이한 해부학적 구조가 인간을 더 효과적을 보호하는 헬멧이나 머리장식을 개발하는 데 도움을 줄 수 있기 때문이다.

미국 캘리포니아 대학 샌디에이고 캠퍼스의 조안나 맥키트릭(Joanna McKittrick) 교수와 캘리포니아 대학 샌프란시스크 캠퍼스의 정형외과 박사후 과정인 정재영 박사는 이 같은 내용을 컨버세이션(The Conversation) 신문에 기고했다. 맥키트릭 교수는 이 원고를 쓴 후 지난해 11월 15일 사망했다.

딱따구리는 강한 꼬리 깃털과 발톱을 가지고 있어 나무줄기를 향해 초당 7m 속도로 부리를 움직일 때 안정적으로 균형을 유지할 수 있다. 이렇게 엄청난 충격을 받는데도 불구하고 딱따구리는 뇌진탕이나 뇌손상을 겪지 않는다.

1200g의 충격받아도 끄떡없어

뇌진탕은 머리에 반복되는 타격으로 인한 외상성 뇌손상의 일종이다. 뇌진탕은 축구나 하키 같은 스포츠에서도 자주 일어난다.

반복되는 외상성 뇌 손상은 결국 진행성 뇌 장애, 만성 외상성 뇌종양(CTE)을 유발하게 되는데, 이는 되돌릴 수 없을뿐더러 기억력 상실, 우울증, 충동성, 공격성, 자살 행동과 같은 증상을 일으킨다.

미국의 내셔널 풋볼 리그(NFL)는 미식축구 선수들이 뇌에 받는 충격은 80g이나 된다고 말한다. 그렇다면 어떻게 딱따구리는 뇌에 해를 받지 않고도 1200g의 반복적인 충격을 이겨낼 수 있을까?

과학자들은 망치질을 하는 동안 높은 충격을 견딜 수 있는 딱따구리의 핵심 비결을 발견했다. 이들은 뼈의 미세구조와 머리의 생체역학적 구조를 분석했다.

딱따구리와 닭의 두개골을 비교하면, 딱따구리는 다른 새들에게는 없는 충격 흡수 적응력을 가지고 있다. 딱따구리의 두개골, 목 근육, 부리와 혀뼈는 모두 다 특이한 특징을 가졌다.

딱따구리가 나무줄기에 파 놓은 구멍 ⓒ 위키피디아

딱따구리의 두개골은 화학적 구성과 밀도가 다르다. 다른 조류에 비해 단단하고 강한 뼈를 만들기 위해 딱따구리는 미네랄을 더 많이 축적했다.

예상과는 달리 딱따구리의 두개골은 매우 얇고, 뇌와 두개골을 분리하는 액체가 다른 새나 동물들보다 적다. 그것은 딱따구리 두개골이 더 단단하면서도 동시에 더 잘 견디도록 도와준다.

실제로 재료 과학에서는 경도와 인장강도 사이에 일반적인 절충(trdae-off)이 있다. 머리가 경도와 인장강도가 좋은 물질로 구성됐기 때문에 뇌로 전달되는 충격을 줄여준다고 이들은 주장했다.

뇌 둘러싼 액체량 적어 덜 흔들려

두 번째 다른 점은 딱따구리가 다른 큰 동물들보다 뇌를 둘러싼 내부 액체가 적다는 것이다. 이것은 부리가 강한 충격을 받는 동안 뇌의 움직임을 줄이는 데 도움이 된다. 액체의 양이 적은 것은 날달걀의 노른자에 비해 충분히 익은 달걀의 노른자가 덜 흔들리는 것과 같은 효과가 있다.

딱따구리는 호주를 제외한 전 세계에서 발견된다. 딱따구리는 부리로 나무줄기에 구멍을 만들고, 그 구멍에서 곤충과 수액을 꺼내 먹는다. 딱따구리는 나무에서 곤충을 쉽게 잡아 꺼내는 것을 돕도록 혀에 뼈가 박혀 있다.

딱따구리는 구멍을 뚫고 먹이를 잡아 새끼에게 먹인다. ⓒ위키피디아

 이 특이한 혀는 두개골 뒤쪽을 감싸고 눈 사이 앞쪽으로 연결되어 있다. 이 같은 구조는 마치 혀가 용수철 같은 역할을 해서 물리적 힘과 진동을 줄여준다.

보통 골격뼈가 단단하면서도 인장강도가 좋은 것은 뼈의 내부는 구멍이 많은 다공성이며, 뼈의 외부는 단단하기 때문이다. 마치 단단한 칼집에 유연한 칼을 넣어 둔 것 같다.

그러나 딱따구리의 혀뼈는 뼈 외부는 유연하고 뼈 내부가 더 단단한 정반대의 구조를 가지고 있다. 이 구성이 유연성을 높여주면서 더 높은 충격과 진동을 흡수할 수 있다.

재료과학자들은 딱따구리의 특이한 두개골과 혀뼈가 딱따구리의 뇌를 강한 충격에서 보호하는 구조라고 생각하고 있다. 이 같은 특징이 인간의 뇌 손상을 보호하고 치료하는 방법을 밝혀주는 보호 메커니즘을 찾는 데 도움을 줄 것으로 기대된다.

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[출처 : 더 사이언스 타임즈, 심재율 객원기자]

                                                                         

순천향대학교, 국립생태원 ‘자연모사 아이디어 공모전’ 김민지씨 최우수상 수상

 

순천향대학교 전자물리학과 4학년 김민지씨가 국립생태원이 자연을 연구하고 모색해 사람을 이롭게 하는 아이디어 공모를 위해 개최한 ‘자연모사 아이디어 공모전’ 에서 최우수상을 수상했다(사진제공=순천향대학교)

순천향대학교(총장 서교일)는 국립생태원이 자연을 연구하고 모색해 사람을 이롭게 하는 아이디어 공모를 위해 개최한 ‘자연모사 아이디어 공모전’ 에서 전자물리학과 4학년 김민지(13학번)씨가 최우수상을 수상했다고 밝혔다.

18일 순천향대학교에 따르면 이번 대회는 국립생태원이 대 국민을 대상으로 생태계 서비스와 보전에 대한 관심유도를 위해 자연모사란 무엇일까, 자연에서 영감을 얻다 라는 주제로 진행했으며, 김민지씨가 제출한 ‘딱따구리의 부리는 어떻게 충격을 잘 견딜까’ 에 대한 연구결과가 선정됐다.

전자물리학과 기계공학을 복수전공하는 김민지씨는 기계공학과 Design lab실 팀원들과 함께 1년 동안 연구를 진행하던 중 딱따구리에 대해 호기심을 갖고 딱따구리가 약 초속 7m/s로 나무를 찧으면서 뇌에 손상을 받지 않는 이유에 대한 연구를 시작했다.

이에 딱다구리는 다른 새들의 부리와는 달리 ‘기포층’ 이라는 층이 존재한다는 것을 발견했으며, 이 기포층은 다공률이 35%~60% 정도로 기공이 뚫려 있는 층으로 기공 패턴이 충격 흡수 시 어떤 역할을 하는지 알아보기 위해 딱따구리의 부리와 최대한 비슷한 환경을 조성했다.

이를 위해 다공률을 50%로 조정하고 딱따구리의 기포층을 전자 현미경으로 확대한 자료를 근거로 기포층에 분포하는 기공을 5가지 패턴으로 분류해 모델링 후 제작했으며, 5가지 unit-cell으로 유압실험과, 위치에너지를 이용한 에너지흡수 실험을 진행했다.

또 각 패턴 별로 충격을 흡수할 수 있는 정도를 측정하고, 이 실험결과를 뒷받침하기 위해 Ansys프로그램을 통해 구조해석을 실행했으며, 실험결과와 유한요소 해석결과 각 unit-cell 별로 충격을 흡수하는 경향이 일치하는 것을 확인했다.

특히 김민지씨는 이번 연구결과로 일자 180°의 구조가 가장 효율적으로 충격흡수에 강하다는 것을 알 수 있었고, 딱따구리 기포층의 기공 분포율이 실험 결과와 일치하는 것을 검증했다.

김민지씨는 “실험 조건을 간과해 모든 실험을 처음부터 다시 해야 할 때, 예상치 못한 오차들 때문에 제대로 진행 되지 않을 때는 포기하고 싶었다”라며 “그때마다 새로운 해결 방향을 제시해 지도교수님과 함께 힘을 내준 조원들 덕분에 작품을 끝까지 진행 할 수 있었다”라고 말했다.

이어 “앞으로도 생태계에 책임감을 가지고 더 많은 자연 모사 기술들이 출현 할 수 있도록 관심과 노력하는 자세를 가지겠다”고 말했다.

이상욱 지도교수는 “연구결과를 통해 딱따구리의 기포 층의 기공을 모사하고, 실생활에 적용 가능하도록 개발한다면 자동차 범퍼 등 기존의 내구성과 강도, 재료 절감을 요하는 모델을 더욱 효율적인 모델로 대체할 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.

한편 이번 국립생태원이 개최한 자연모사 아이디어 공모전에서 대상 1인, 최우수상 2인, 우수상 6인, 장려상 9인 등 총 18명의 개인이나 팀이 수상자로 선정됐다.

[출처 : 브릿지 경제] 아산=이정태 기자 ljt474@viva100.com

딱따구리가 부리로 쫀 참나무 밑에는 참나무 부스러기가 많이 떨어졌는데 한 번에 쫀 참나무 부스러기의 크기와 딱따구리를 비교하였을 때 부리의 1/10 정도는 되지 않을까 싶다. 별다른 연장도 없이 정말 대단하다는 말밖에 할 수가 없다.  

모산지 주변의 야산은 옛 토성으로 고대 유물이 많이 출토되었다고 한다. 이곳도 유물이 도굴되었거나 정상적으로 출토된 것으로 미뤄 짐작할 수가 있는데 저번에 길손이 이곳을 지나갈 때 어떤 서양인이 금속탐지기로 이 파헤쳐진 고분 주변을 탐색했는데 그가 만약 이 고산이 옛 고분이 있었다는 정보를 알았다면 대단한 양키다.

저곳에서 금속탐지기로 뭔가를 찾고 있었다.