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- 남극의 생물학자들, 턱끈펭귄이라고도 알려진 Pygoscelis antarcticus의 수면 행동 조사
- 특수 EEG 장치, 근육 및 압력 센서, GPS 추적기를 새에 부착, 녹화 촬영
- 가장 긴 낮잠은 34초였지만 대부분은 10초 미만을 1만회 이상 취해
- 수면 시간은 많은 변수에 따라, 종마다 크게 다르지만 턱끈펭귄의 몇 초 길이의 미세수면은 극히 짧다

펭귄은 미세수면에서 회복한다
턱끈펭귄은 매일 수천 번씩 4초 동안 낮잠을 잔다.

요약하면 남극 턱끈펭귄은 번식기 동안 하루 11시간 이상 잠을 자지만 한꺼번에 잠을 자는 것은 아니다. 대신에 새들은 매일 수천 번씩 짧은 낮잠을 자는데, 각각의 낮잠은 단 몇 초밖에 지속되지 않는다는 사실이 생물학자들에 의해 밝혀졌다. 끊임없는 방해에도 불구하고 과학자들이 "Science"에 보고한 것처럼 펭귄은 분명히 회복하는 데 성공했다. 이 전략을 통해 새들은 자신의 둥지와 새끼를 지속적으로 감시할 수 있다. 

▲ 턱끈펭귄은 하루에 11시간 정도 잠을 자지만 단번에 잠을 자지는 않다. © Paul-Antoine Libourel

인간과 동물 모두 몸과 마음을 회복하기 위해 잠을 잔다. 장기간에 걸쳐 충분한 수면을 취하지 못하거나 수면이 방해를 받으면 정신 활동과 정신 건강이 악화된다. 수많은 연구에서 밝혀졌듯이, 수면 부족은 우리의 사회적 관계를 약화시키고 심지어 아프게 할 수도 있다.

그 이유:
우리의 뇌는 꿈의 수면과 깊은 수면 사이의 규칙적인 변화가 있는 수면 단계를 사용하여 낮 동안 받은 인상을 저장하고 시냅스를 재조정한다. 또한, 밤에 자는 동안 노폐물과 독소가 배출된다.

그러나 소위 마이크로수면(microsleep)이 긴 수면 단계와 동일한 회복 효과를 제공할 만큼 충분히 긴지는 확실하지 않다. 여러 번의 낮잠이 함께 동일한 기능을 수행한다고 생각할 수 있다. 만약 사실이라면, 마이크로수면은 지속적인 경계가 필요한 생활 환경을 가진 일부 종들에게 유익할 수 있다. 일반적으로 우리는 잠자는 동안 주변 환경에 거의 반응하지 않는다. 동물의 경우 이는 장기간 수면을 취하는 동안 포식자로부터 공격을 받을 위험이 증가한다. 예를 들어, 오리는 한쪽 눈만 감고 뇌의 한쪽만 감은 채 잠을 자는 경우가 있다.

▲ 펭귄수면시간 연구가 표지를 장식했다.

턱끈펭귄은 어떻게 잠을 자나요?

리옹 신경과학 연구 센터(CRNL)의 Paul-Antoine Libourel이 이끄는 팀은 다른 새들이 이 딜레마에 어떻게 대처하는지 테스트했다. 이를 위해 남극의 생물학자들은 턱끈펭귄이라고도 알려진 Pygoscelis antarcticus의 수면 행동을 조사했다. 이 새들에서는 한 부모가 교대로 새끼의 둥지를 감시하고 다른 부모는 며칠 동안 먹이를 찾으러 나간다. 부모가 장기간 잠을 자면 어린 새가 맹금류나 다른 펭귄의 공격을 받을 위험이 높아진다.

동물들이 장기간의 수면을 피하는 방법을 알아내기 위해 Libourel과 그의 동료들은 바다와 둥지에서 몇 주에 걸쳐 14마리의 번식 펭귄의 ​​수면 패턴을 연구했다. 이를 위해 그들은 펭귄의 신체 기능과 행방을 원격으로 분석할 수 있는 특수 EEG 장치, 근육 및 압력 센서, GPS 추적기를 새에 부착했다. 그들은 또한 펭귄 서식지의 비디오 녹화물을 평가하고 현장에서의 행동을 관찰했다.

11시간의 미세한 수면

분석에 따르면 턱끈펭귄은 실제로 특이한 수면 행동을 보이는 것으로 나타났다. 즉, 한 번에 오랜 시간 잠을 자는 것이 아니라 단 몇 초 동안 규칙적으로 잠을 자는 것이다. 이 짧은 잠은 서 있거나 누워있는 동안 일어났다. 평균적으로, 동물들은 각각 약 4초 동안 하루에 1만 회 이상 잠을 잤다. 관찰된 가장 긴 낮잠은 34초였지만 대부분은 10초 미만이었다고 팀은 보고했다. 전체적으로 펭귄들은 매일 거의 15시간의 수면을 취했다.

짧은 낮잠 동안 새의 잠에서 나타나는 전형적인 신경 신호가 펭귄의 뇌에서 발생했다고 Libourel과 그의 동료들은 보고했다. 다른 새들에서 이미 관찰된 바와 같이, 수면 단계에서는 뇌의 한쪽 또는 양쪽 반구만 활성화되었다. 그럼에도 불구하고 펭귄 뇌의 각 반구는 총 11~12시간의 수면을 취했다.

과학자들은 둥지에서 활발하게 번식하고 있는 펭귄과 현재 먹이를 찾고 있는 펭귄 모두에서 미세수면을 관찰했다. 그러나 둥지 단계의 낮잠은 사냥 중보다 약간 짧고 빈번했다. 동물들은 바다에서 전반적으로 잠을 덜 잤으나 잠을 보충했다고 연구진은 보고했다.

▲ 그림 1. 야생 턱끈펭귄의 행동 상태 기록. (A) 펭귄에는 뒷면에 수면 및 GPS 로거가 장착되어 있고 다리에 압력 로거가 장착되어 있다(표시되지 않음). (B) EEG(검은색 점) 및 기준(빨간색 점) 전극의 위치를 보여주는 컴퓨터 단층촬영 이미지다. 상단 이미지는 두개골의 표면을 보여주고, 하단 이미지는 뇌의 내부 엔도캐스트(분홍색)를 보여주며, 이는 과팔륨(H; 일차 시각 피질)에 해당하는 각 반구의 돌출부(Wulst)를 나타낸다. 오른쪽 반구에는 검은색 타원이 있다. 각 hyperpallial 전극은 소뇌 (Cb) 전극을 참조했다. (C) 킹 조지 섬의 식민지(빨간색 화살표)에서 채집 여행을 보여주는 GPS 트랙. (D) 일반적인 진폭 및 주파수 범위를 보여주는 EEG 예. (E) 한 반구에 대해 10일 동안 비활성 동안 무작위로 선택된 3600 1-s EEG 에포크에서 계산된 계층적 클러스터링에서 얻은 덴드로그램(왼쪽) 및 상관 맵(가운데). 오른쪽에는 두 클러스터의 중간 PSD(아래)에 의해 평균 원시 전력 스펙트럼 밀도(PSD, 상단)와 PSD 정규화(nPSD)가 있으며, 이는 비활성 상태에서 발생하는 두 가지 주요 EEG 패턴을 나타낸다[조용한 기상(QW)/REM , 클러스터 1, 빨간색; SWS, 클러스터 2, 파란색]. (F) SWS(파란색)에서 QW/REM(빨간색)을 분리하는 데 사용되는 교차점(검은색 선)을 보여주는 (E)에서 식별된 두 개의 2~12Hz EEG 전력 클러스터에 대한 밀도입니다. (G) 양쪽 반구의 EEG 기록은 후면 장착 수면 로거에 의해 기록된 가속도계의 EMG 및 3축(XYZ)과 함께 SWS(파란색) 및 QW/REM(빨간색)의 자동 코딩 결과를 보여준다. (H) 육지에 있는 동안 가속도계로 측정된 피치 각도의 이모달 분포를 사용하여 새가 서 있을 때("A") 또는 누워 있을 때("B")를 결정하고 녹색 점선으로 구분. (I) 육지(빨간색)와 바다(파란색)에 있는 새의 평균(선) 및 표준 편차(그림자) 활동[(G)의 가속도 표준]. 빨간색 점선은 활동 기간과 비활성 기간을 구분하는 데 사용되는 임계값을 나타낸다. [Penguin photos in (A) and (H) by P.-A. Libourel] (출처: 관련논문 Nesting chinstrap penguins accrue large quantities of sleep through seconds-long microsleeps / Science)

 

마이크로수면의 극단적인 예

이러한 수면 행동은 동물계에서 "전례가 없는" 것이라고 Libourel과 그의 동료들은 말했다. 생물학적 이점으로 인해 발생했는지 아니면 소음에 대한 반응을 나타내는지 여부는 아직 불분명하다.

 

분석 결과, 펭귄들은 밤보다 낮에 더 깊고 오랫동안 잠을 잔 것으로 나타났다. 그들의 둥지가 펭귄 서식지의 가장자리에 있었음에도 불구하고 짧은 수면 시간은 더 길고 더 깊었다는 데이터가 나타났다. 그러므로 과학자들은 이 작은 잠이 도둑갈매기와 같은 포식자로부터 보호하는 역할을 할 뿐만 아니라 시끄럽고 공격적인 동종새가 펭귄의 잠을 빼앗길 수도 있다고 의심한다.

턱끈펭귄의 미세수면은 우리 인간의 수면과 비교할 때 특히 특이하다. 마이크로 수면은 우리에게 오히려 불리하고 심지어 위험할 수도 있기 때문이다. 예를 들어 운전 중에 졸면 안되기 때문이다. 일반적인 가정에 따르면, 가능한 한 방해를 적게 받고 완전한 수면 주기를 갖는 밤의 수면은 우리의 회복에 매우 중요하다. 하지만 펭귄의 경우는 그렇지 않은 것 같다. 적어도 번식기에는 더 긴 잠을 자지 않고 낮잠만 잔다.

▲ 턱끈펭귄은 새끼를 돌볼 때 낮잠을 더 짧게 자지만 더 자주 낮잠을 잔다. © Won Young Lee

수면 장애에 대한 일반적인 가정

"수면 시간은 많은 변수에 따라 다르며 종마다 크게 다르지만 턱끈펭귄의 몇 초 길이의 미세수면은 극히 짧다." 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 Christian Harding과 옥스퍼드 대학교의 Vladyslav Vyazovskiy가 연구에 대한 논평에서 지적한 내용이다. "그러므로 이 데이터는 수면의 이점이 어떻게 점진적으로 나타날 수 있는지에 대한 가장 극단적인 예 중 하나가 될 수 있다.“

이번 발견은 수면이 어떻게 조절되는지에 대한 현재의 이해뿐만 아니라 회복 효과가 사라지기 전에 수면이 얼마나 바뀔 수 있는지에 대한 도전이라고 Harding과 Vyazovskiy는 말했다. 그러나 이에 대한 대답은 우리 인간과 새의 경우 완전히 다를 수 있다.
(Science, 2023; doi: 10.1126/science.adh0771)
출처: 미국과학진흥협회(AAAS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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