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- 개체마다 필요한 호흡량이 매우 다른데도 수백 마리가 동시에 수면으로 올라와 숨 쉰다.
- 무리 지어 다니면 포식자가 개별 물고기를 노리기가 더 어려워지기 때문에 더 안전
- "군집 동기화"라고 부르는 전략을 발견
- 물고기들은 호흡 욕구가 비슷한 무리 내 다른 물고기들과 함께 수면 위로 올라와
- 컴퓨터 모델을 활용하여 드론의 동기적 성능을 향상시킬 수 있다

열대어 어린 물고기들은 어떻게 동기화되어 호흡하는가

물고기 떼는 마치 하나의 유기체처럼 조화롭게 움직이는 것으로 알려져 있다. 아마존에 서식하는 아라파이마는 이러한 동기화를 한 단계 더 발전시켰다. 어린 아라파이마는 개체마다 필요한 호흡량이 매우 다름에도 불구하고 수백 마리가 동시에 수면으로 올라와 숨을 쉰다. 이러한 전략은 자율 로봇 개발에 영감을 줄 수도 있다. 

▲ 어린 아라파이마는 숨을 쉬기 위해 수면 위로 올라올 때 무리의 보호에 의존한다. · 사진: © David Bierbach

아라파이마는 아마존의 거인으로, 길이가 2미터가 넘고 무게가 거의 300킬로그램에 달하는 세계에서 가장 큰 담수어 중 하나다. 주로 아가미로 호흡하지만, 산소가 부족한 아마존 분지의 물에서 살아남기 위해 특별한 전략을 개발했다. 바로 정기적으로 수면으로 올라와 부레에 있는 폐와 유사한 조직을 이용해 공기를 흡입하는 것이다.

하지만 어린 물고기에게 수면으로 올라오는 것은 새의 먹이가 되기 쉽기 때문에 위험하기도 하다. 따라서 수백 마리가 한꺼번에 수면으로 올라와 숨을 들이마신 후 함께 다시 물속으로 잠수한다. "무리 지어 다니면 포식자가 개별 물고기를 노리기가 더 어려워지기 때문에 더 안전하다. 특히 아라파이마처럼 모든 일이 순식간에 일어나는 경우에는 더욱 그렇다. 게다가 잡아먹힐 위험도 무리 전체에 분산된다. 포식자를 혼자 만나면 누가 잡아먹힐지 뻔히 알 수 있다." 베를린 훔볼트 대학교의 팔리나 바르타셰비치(Palina Bartashevitch)는 이렇게 설명했다.

함께하면 안전하다

그렇다면 어린 아라파이마는 어떻게 이렇게 동기화된 호흡을 하는 걸까? 바르타셰비치 연구팀은 이 질문을 자세히 조사했다. "개별 호흡 조절은 물과 혈액 속 산소 함량을 감지하는 산소 화학수용체를 통해 이루어진다"고 연구진은 설명한다. "따라서 같은 종이라도 개체별 대사 산소 요구량 차이로 인해 호흡 간격이 상당히 다르다.“

각 어린 물고기는 일반적으로 고유한 호흡 리듬을 가지고 있다. 실제로 연구팀은 개별적으로 사육된 어린 물고기들이 숨을 헐떡이는 빈도가 각기 다르다는 것을 관찰했다. 어떤 개체는 1분에 여러 번 수면 위로 올라왔고, 어떤 개체는 한 번에 2분 이상 물속에 머물렀다. 그러나 어린 아라파이마를 약 200마리 무리로 사육했을 때, 종종 100마리가 넘는 물고기가 같은 초 안에 수면 위로 올라와 숨을 쉬었고, 이러한 행동은 약 15초마다 반복되었다.

정밀한 호흡

바르타셰비치와 그의 연구팀은 물고기들이 어떻게 무리 내 동료들과 호흡 리듬을 초 단위까지 동기화하는지 알아내기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 만들고, 이를 실제 관찰된 아라파이마의 행동과 비교했다. 그 결과, 그들은 "군집 동기화"라고 부르는 전략을 발견했다. 물고기들은 호흡 욕구가 비슷한 무리 내 다른 물고기들과 함께 수면 위로 올라온다.

그 순간 숨을 쉴 필요가 없는 물고기들은 차례를 기다렸다가 다음 수면 위로 올라오는 물고기들과 합류한다. 연구진은 "이러한 방식은 개별적인 생리적 한계를 넘어서지 않고도 호흡을 동기화할 수 있게 해준다"고 설명했다. 많은 경우, 이 전략은 매우 효과적이어서 어린 물고기들이 너무 오래 기다리거나 위험한 수면으로 너무 자주 헤엄쳐 올라갈 필요 없이, 무리의 75% 이상이 동시에 수면으로 올라온다.

자율 로봇 모델

이번 연구 결과는 동물의 군집 행동과 생존 전략을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 기술에도 적용될 수 있다. 바르타셰비치의 동료인 데이비드 비어바흐는 "일반화된 모델링 접근 방식 덕분에 2천300만 년 이상의 진화를 통해 형성된 이러한 동기적 행동을 로봇과 드론의 군집에도 적용할 수 있다"며, "동기적으로 비행하거나 특정 행동을 함께 보이는 다양한 드론 모델이 있는데, 이번 연구에서 도출한 컴퓨터 모델을 활용하여 이러한 드론의 동기적 성능을 향상시킬 수 있다"고 말했다.

아라파이마가 모두 다른 호흡 요구를 가지고 있듯이, 로봇이나 드론도 모두 똑같을 필요는 없다. 개인이 자신의 욕구와 가장 유사한 욕구를 가진 다른 사람들과 협력할 때, 이질적인 집단이라 할지라도 개인적인 희생을 최소화하면서 고도로 동기화된 행동을 달성할 수 있다고 연구진은 설명했다.
출처: Palina Bartashevitch (훔볼트 대학교) 외, Communications Biology, doi: 10.1038/s42003-026-10472-w

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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