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5종의 꿀벌과 사회성 말벌의 완성된 둥지에 있는 총 2만2745개의 개별 방 검사 측정
꿀벌은 건축 자재로 왁스를 사용하는 반면 말벌은 얇은 유기물질을 사용
꿀벌은 수직으로 늘어진 양면 벌집을 만들고, 말벌은 수평으로 늘어진 단면 벌집을 만든다.
육각형은 가볍고 강하며 유연하기 때문에 매우 유용

꿀벌과 말벌: 벌집 대칭의 신비
둥지에서 벌집 방(cell)의 기하학적 구조가 어떻게 나타났을까?

평행 발달:
꿀벌과 사회성 말벌은 수백만 년 동안 별도로 진화했지만 대부분 육각형 세포로 매우 유사한 모양의 벌집을 만든다. 이것은 공통 조상의 ‘발명’ 때문일까, 아니면 벌과 말벌이 이러한 기하학적 구조를 독립적으로 발전시켰을까? 이제 과학자들은 이 문제를 더 자세히 조사해 흥미로운 결과를 얻었다. 

▲ 꿀벌과 사회성 말벌은 벌집 구조의 비육각형 방(cell)와 같은 동일한 건축 기술을 사용한다. 위에서부터 시계방향으로: Apis mellifera, Vespula flavopilosa, Apis andreniformis, Vespula shidai, Metapolybia mesoamerica, Apis florea © Michael L. Smith / Kevin J. Loope / James C. Makinson / Tatsuya Saga / Kevin J. Loope / Bajaree Chuttong

꿀벌(Apis)과 사회성 말벌(Vespula)의 둥지는 놀라운 집단적 노력을 보여주며, 각진 벌집의 균일한 구조로 인해 얼핏 보면 매우 유사하다. 두 곤충 그룹 모두 기하학적 패턴을 형성하기 위해 서로 가깝게 위치한 오각형, 육각형 및 칠각형 방에서 새끼를 위한 방을 만든다.

그러나 차이점도 있다. 예를 들어 꿀벌은 건축 자재로 왁스를 사용하는 반면 말벌은 얇은 유기물질을 사용한다. 또한 꿀벌은 수직으로 늘어진 양면 벌집을 만들고, 말벌은 수평으로 늘어진 단면 벌집을 만든다. 이러한 서로 다른 구성 방법은 약 1억 7900만 년 동안 두 그룹의 벌목이 별도로 진화되는 과정에서 발생했다.

크기가 다른 동물은 필요한 공간도 다르다.

꿀벌과 말벌은 왜 그러한 기하학적 구조를 구성할까? 그리고 왜 그렇게 비슷할까? 그 이유 중 하나는 곤충이 동일한 건축학적, 물류적 문제를 해결해야 했기 때문이다. 콘스탄츠에 있는 막스 플랑크 행동 생물학 연구소의 마이클 스미스(Michael Smith)는 "군집에서는 모든 구성원의 크기가 동일하지 않으므로 크기가 다른 방이 필요하다"고 설명했다.

모든 사회성 곤충의 경우에 수컷의 드론은 일개미의 보다 크기 비율이 다양하더라도 훨씬 더 크다. Smith는 “일부 종에서는 차이가 작지만 다른 종에서는 드론이 훨씬 더 크기 때문에 성장하려면 더 큰 방이 필요하다”고 말했다. 말벌의 경우 여왕개미에게도 더 큰 방이 필요하다.

▲ 유럽 ​​꿀벌(Apis mellifera) 둥지의 단면. © Michael L Smith

균일한 육각형 벌집 모양은 완벽한 솔루션

Smith와 그의 동료들은 사회성 곤충의 둥지가 어떻게 이러한 요구 사항을 충족하고 벌집 격자에 다양한 크기의 세포를 수용하는지 더 자세히 조사했다. 이를 위해 생물학자들은 자체 개발한 반자동 방법을 사용해 115장의 사진으로 5종의 꿀벌과 사회성 말벌의 완성된 둥지에 있는 총 2만2745개의 개별 방을 검사하고 측정했다.

결과:
진화 과정에서 꿀벌과 말벌은 분명히 동일한 해결책을 생각해 냈다. 왜냐하면 그들의 둥지가 동일한 기하학적 원리에 따라 지어졌기 때문이다. “꿀벌과 사회성 말벌은 독립적으로 육각형 세포를 만드는 능력을 진화시켰다”고 Smith는 설명했다. 육각형은 재료와 공간소모를 최소화함과 동시에 자손의 생활공간, 식량 저장공간, 안정성을 극대화하기 때문이다.

드론 문제에 대한 동일한 솔루션

그러면 벌목은 대형 수벌 유충 문제를 어떻게 해결할까? 여기서도 꿀벌과 말벌은 동일한 전략을 개발했다. 즉, 서로 다른 크기의 육각형을 그 사이에 비육각형 세포와 결합한다. 이러한 중간 방은 작은 일꾼 벌집이 있는 둥지 영역과 큰 드론 벌집이 있는 영역 사이의 전환을 형성한다. 사진은 때때로 이 선형 분리 영역에 4~8각형 세포를 보여주기도 했지만 대부분의 경우 곤충은 5각형 및 7각형 세포 쌍을 구성했다. 5면체 세포는 항상 둥지의 작업자 쪽에 있었고, 7면체 세포는 드론 쪽에 있었다.

생물학자들은 일개미에 비해 드론이 더 클수록 비육각형 중간 세포가 다른 종의 둥지에서 더 흔하다고 보고했다. 이 경우 작업자를 위한 작은 육각형 벌집과 드론용 대형 육각형 벌집 사이의 전환을 위해 특히 많은 수의 중간 크기가 필요했다.

▲ 동 꿀벌(Apis cerana) 벌집. © Michael L Smith

계산 모델은 벌집 구조를 예측한다.

Smith는 “모든 곤충이 몇 가지 작은 차이점을 제외하고 거의 동일한 일을 한다는 것을 알았을 때 정말 흥미로웠다”고 회상했다. 이미지는 곤충이 항상 먼저 오각형 벌집을 만들고 그 직후에 칠각형 세포를 만든다는 것을 암시했다. "우리는 비육각형 셀(cell, 방)의 특별한 배열을 유도하는 기본 기하학과 아마도 구성 방법이 있다고 믿는다" 실제로 팀은 측정 데이터를 기반으로 관찰된 쌍을 반영하는 계산 모델을 개발했다. 비육각형 세포의 빈도를 설명하고 예측했다.

이러한 구성 원리는 육각형 벌집 모양의 곤충에 보편적으로 적용되는 것으로 나타나므로, 연구진은 결과와 모델을 통해 다른 곤충 종의 구성 방법도 유추할 수 있다고 보고했다. "누군가가 완전히 새로운 종을 발견하고 일벌과 드론의 세포가 얼마나 큰지 말해 준다면, 우리는 곤충이 대략 육각형 구조에서 이러한 다양한 세포를 수용하기 위해 어떤 '속임수'를 사용할지 예측할 수 있다"고 Smith는 설명했다.

그러나 이 예측은 완료된 결과에만 적용된다. 원활한 전환을 보장하기 위해 건설 중에 꿀벌과 말벌이 언제 어떤 벌집 모양을 만들어야 하는지 아는 것은 미스터리로 남아 있다. 추가 연구에서는 완전하고 올바른 모양의 셀을 직접 생성하는지 아니면 나중에 개별 벽을 다시 이동할 수 있는지 명확히 해야 한다. Smith와 그의 동료들은 꿀벌과 말벌이 각각의 건축 자재인 왁스와 종이 때문에 체계적으로 다르게 접근할 수 있다고 믿는다.

육각형이 유용한 이유

육각형은 자연에서 매우 다양한 맥락과 크기로 계속해서 나타난다. 범위는 육각형 분자 구조에서 육각형 현무암 기둥, 마른 소금 호수의 벌집 패턴까지 확장된다. 우리 인간도 동물의 육각형 제작 방식을 모방하여 오늘날 비행기 날개 등에 사용하고 있다. Smith는 “육각형은 가볍고 강하며 유연하기 때문에 매우 유용하다”고 설명했다.

그러나 모양을 조정하거나 보다 안정적인 영역을 만들기 위해 경우에 따라 다양한 크기의 육각형 타일을 구조물에 통합해야 한다. 항상 작동하는 것은 아니다. “현재 우리 인간은 단순히 커다란 금속 지지대를 부착함으로써 이 건축 문제를 해결하고 있다. 꿀벌과 말벌은 우리에게 더 똑똑한 방법을 보여주고 있다”고 Smith는 말했다.
(PLOS Biology, 2023; doi: 10.1371/journal.pbio.3002211)
출처: Universität Konstanz

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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