4분 읽기
- 부리는 놀랍도록 유연한 흡입 도구, 3단계로 진행되는 번개처럼 빠른 흡입 기술
-

벌새는 특이한 방식으로 꿀을 마신다
벌새 부리는 놀랍도록 유연한 흡입 도구로 밝혀졌다.

벌새가 꽃 꿀을 마실 때 번개처럼 빠르고 놀라울 정도로 복잡한 흡입 메커니즘을 사용한다는 사실이 슬로우 모션 영상과 CT 스캔을 통해 드러났다. 이 방법에는 혀의 움직임을 핥는 것과 부리의 여러 부분을 선택적으로 여는 것이 포함된다. 이렇게 하면 혀에서 목구멍으로 꿀을 흡입할 수 있다. 벌새는 꿀을 마실 때 홀짝이고 빨아들이는 결합된 메커니즘의 드문 예다. 이것은 유난히 유연한 부리 덕분에 가능하다. 

▲ 콜롬비아 Colibrí Gorriazul 연구 센터의 흰목 자코뱅(Florisuga mellivora)은 연구된 6종의 벌새 중 하나다. © Kristiina Hurme

벌새는 매우 빠른 날개 박동 덕분에 사실상 공중에서 “정지돼” 있는 것으로 알려져 있다. 그들의 날개짓은 사람의 눈에는 거의 보이지 않는다. 대부분 벌새 종은 꽃에서 꿀을 마시기 위해 이 공중 비행을 이용한다. “마시기 위해 날개를 움직여 떠 있으면 에너지가 많이 소모된다. 그래서 벌새는 에너지 소비를 최소화하고 가능한 한 빨리 마시려고 노력한다"고 워싱턴 대학의 Alejandro Rico-Guevara는 설명했다.

벌새의 흡입 메커니즘 추적

하지만 꽃 속의 꿀은 접근하기 어렵기 때문에 벌새가 꿀을 빨리 빨아들이는 것은 쉽지 않다. 이를 위해 벌새는 무엇보다도 특별한 모양의 혀를 사용하는데, 이전 연구에서 밝혀진 것처럼 마시면서 빠른 종이접기 같은 움직임으로 혀를 펼치고 뻗는다. 그런 다음 새들은 혀끝에 있는 홈으로 음료를 핥는다. 그러나 길고 얇은 부리가 마시는 데 어떤 역할을 하는지는 아직 불분명했다.

Rico-Guevara 팀은 이제 이 문제를 더 자세히 조사했다. 이를 위해 생물학자들은 콜롬비아, 에콰도르, 미국의 투명한 먹이통에서 물을 마시는 여섯 가지 종의 벌새를 고속 카메라로 촬영했다. 연구원들은 또한 예일 피바디 박물관에 있는 벌새 표본의 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 이미지를 사용하여 벌새의 부리가 얼마나 유연한지 확인했다. 슬로우 모션 비디오와 CT 스캔을 통해 생물학자들은 술을 마시는 동안 벌새의 부리 움직임을 재구성했다.

▲ 콜롬비아 Colibrí Gorriazul 연구 센터의 먹이 공급장에 있는 긴부리 은둔자(Phaethornis longirostris). © Kristiina Hurme

3단계로 진행되는 번개처럼 빠른 흡입 기술

분석 결과 복잡한 다단계 흡입 기술이 밝혀졌다. 벌새는 혀를 확장하기 위해 부리 끝만 엽니다. 그의 혀가 꿀에 닿자마자 부리 끝은 다시 닫히지만, 혀끝이 수축되고 "짜여질" 수 있도록 작은 틈이 남는다. 새는 부리의 중간 부분을 단단히 닫는다. 그런 다음 슬로우 모션 영상에서 볼 수 있듯이 머리 옆으로 부리 밑부분을 약간 벌린다.

이러한 선택적인 부리 개방을 통해 벌새는 부리 끝에서 혀를 통해 목까지 꿀을 빨아들일 수 있다. 전체 동작은 0.1초도 채 걸리지 않으며 많은 벌새 종은 이 번개처럼 빠른 과정을 초당 10~15회 반복한다고 Rico-Guevara와 그의 동료들은 설명했다.

놀랍도록 유연한 부리 구조

분석 결과, 벌새의 부리는 단단한 외관에도 불구하고 놀라울 정도로 민첩하고 유연하며 "관절이 연결되어 있는" 것으로 나타났다. 각 단계마다 부리가 가위처럼 벌어지지 않고, 한 번에 윗부리와 윗턱의 일부만 움직이고 구부러진다. 그러나 아래부리와 아래턱은 완전히 고정되어 있다.

▲ 부리 내부의 유체 흐름을 보여주는 두 개의 도식도. (위) 혀가 부리로 다시 당겨져 Couette 흐름이라고 알려진 순수한 전단 구동 유체 운동이 생성되는 수축 단계의 그림. (아래) 돌출 단계의 그림. 부리가 혀를 비틀면서 꿀이 끝부분 근처의 구강으로 압착되는 반면 혀는 바깥쪽으로 움직입니다. 부리 끝의 압축은 혀의 축을 따라 점진적으로 감소하여 저압 영역(파란색으로 표시)으로 전환되는 고압 영역(빨간색으로 표시)을 생성한다. 이 축 방향 압력 기울기는 전단 구동 Couette 흐름과 동시에 작동하는 압력 구동 흐름(Poiseuille 흐름)을 발생시킨다. 두 단계 모두에서 결합된 유체 역학은 꿀의 효율적인 운반을 용이하게 한다. (출처:관련논문 Upper bill bending as an adaptation for nectar feeding in hummingbirds / Journal of the Royal Society Interface. Published:27 November 2024)

“우리는 벌새 부리에 어느 정도 유연성이 있다는 것을 이미 알고 있었다. 예를 들어, 벌새는 곤충을 잡을 때 아래쪽 부리를 구부린다”고 Rico-Guevara는 말했다. "그러나 이제 우리는 혀를 통해 꿀을 얻는 데 부리가 매우 적극적이고 필수적인 역할을 한다는 것도 알고 있다. 이는 혀뿐만 아니라 벌새의 부리도 마시는 데 중요하다는 의미다.“

희귀한 한 모금 마시기 메커니즘

벌새의 혀와 부리 움직임을 이용하여 연구원들은 꿀이 어떻게 목구멍으로 들어가는지도 알아냈다. 따라서 음용 시 Couette(꾸에뜨) Flow(흐름)*과 Hagen-Poiseuille(하겐-푸와죄유) law(법칙)*이라는 두 가지 물리적 원리가 적용된다. 개와 고양이 또한 침을 흘리는 과정에서 꾸에뜨 흐름을 사용한다. 이 효과로 인해 입이나 부리에 장력이 가해지면 물이 혀에 들러붙어 목구멍으로 전달된다.
*꾸에뜨 흐름(Couette Flow): 일정 속도로 상대 운동을 하는 평행한 두 평면간에 있어서 점성 유체가 하는 정상 층흐름
**하겐-푸아죄유 법칙(Hagen–Poiseuille's law): 독일의 물리학자 고틀리프 하겐과 프랑스의 물리학자 장 푸아죄유가 압력과 뉴턴 유체의 부피 유속에 관한 상관관계를 설명하기 위해 1840년에 발표한 법칙이다.

벌새가 물을 마실 때의 두 번째 효과는 흡입 제어 메커니즘으로, 예를 들어 모기가 피를 마실 때나 사람이 빨대를 통해 물을 마실 때 사용한다. 액체는 부압을 사용하여 파이프를 통해 흡입된다.

대다수 동물은 두 가지 기술 중 하나만 사용한다. 반면에 벌새는 두 가지 방법을 모두 사용한 드문 예라고 연구진은 결론을 내렸다. Rico-Guevara는 “꽃 속 깊은 곳의 꿀에 도달하여 빠르고 효율적으로 마셔야 하기 때문에 두 기술을 모두 사용하는 것이 합리적이다”고 말했다. 유연한 부리와 조화로운 부리-혀 움직임 덕분에 둘 다 가능하다.

▲ 안나-벌새(Calypte anna)가 부리 끝을 벌리고 혀를 뻗어 투명한 먹이통에서 물을 마시는 모습을 담은 고속 비디오의 정지 이미지. © Alejandro Rico-Guevara

벌새의 부리는 계속해서 미스터리를 불러일으켜

후속 연구에서 연구팀은 술을 마실 때 벌새의 턱 움직임을 제어하는 ​​근육이 무엇인지, 꽃의 모양에 따라 마시는 방법이 다른지를 밝히고자 한다. 생물학자들은 또한 곤충 잡기나 경쟁자로부터의 방어와 같은 부리의 다른 용도가 부리의 안정성과 이동성에 어떤 영향을 미치는지 더 자세히 조사하기를 바라고 있다.

그들은 또한 다양한 벌새 종의 부리가 얼마나 다른지, 수컷과 암컷 사이에 차이가 있는지를 명확히 할 계획이다.
(Proceedings of the Royal Society Interface, 2024; doi: 10.1098/rsif.2024.0286)
출처: University of Washington

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]