[사이언스 데일리] 땅 위에 사는 동물의 생태적 지위로 눈동자의 모양을 상당히 정확하게 예측할 수 있다는 것이 새로운 분석에 의해 밝혀졌다. 눈동자가 수직으로 긴 모양을 가진 종들은 낮과 밤에 모두 활동하는 매복 포식자일 가능성이 더 높다. 이와 대조적으로 가로로 긴 눈동자를 가진 동물들은 식물을 먹는, 사냥감이 되는 동물들로 눈이 머리의 양쪽 옆에 달려 있을 가능성이 매우 높다.

(2015년 8월 7일 사이언스 데일리 기사 번역)

정보출처: 캘리포니아 대학 버클리

풀을 뜯는 먹이 동물들은 가로로 길쭉해서 시야를 넓혀주는 눈동자를 가지고 있다. 이들의 눈은 회전이 가능해 머리를 똑바로 앞을 향하건 아래로 숙이건 상관 없이 눈동자가 땅과 평행을 이루도록 해준다. Credit: Photo by Gordon Love, Durham University

눈이 영혼을 들여다 볼 수 있는 창이라는 말도 있지만 캘리포니아 대학 버클리의 과학자들이 주도한 연구에 의하면 눈동자는 어떤 동물이 사냥을 하는 동물인지, 사냥 당하는 동물인지도 알려줄 수 있다고 한다.

육상 동물 214 종을 분석한 결과 동물들의 생태적 지위는 눈동자의 형태를 상당히 정확하게 예측할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 눈동자가 수직으로 긴 모양을 가진 종들은 낮과 밤에 모두 활동하는 매복 포식자일 가능성이 더 높다. 이와 대조적으로 가로로 긴 눈동자를 가진 동물들은 식물을 먹는, 사냥감이 되는 동물들로 눈이 머리의 양쪽 옆에 달려 있을 가능성이 매우 높다. 둥그런 눈동자를 가진 것은 “활동적인 약탈자”, 즉 먹잇감을 좇아다니는 동물들인 경우가 많았다.

캘리포니아 대학 검안학 교수이자 시각과학자인 마틴 뱅크스가 주도하고 영국의 더럼 대학과 협력하여 진행한 이번 연구는 눈동자가 왜 그러한 모양과 방향을 가지는지에 대한 새로운 가설을 제시한다. 이들의 발견은 학술지 ‘사이언스 어드밴스 (Science Advance)’ 에 출판될 예정이다.

현재의 연구는 캘리포니아 대학 버클리 검안학 교수인 고(故) 고든 월스가 만들어 놓은 기반 위에서 진행되었다. 월스 교수는 “척추동물 눈과 그 적응방산” 이라는 책을 1942년에 출판했다. 이제는 고전이 된 월스의 눈 생리학 교과서는 가느다란 모양의 눈동자는 다른 형태의 근육이 작동할 수 있게 만들어 눈에 들어오는 광량의 범위를 넓혀준다는 이론을 제시했고, 이 이론은 일반적으로 받아들여지고 있다.

예를 들어 수직으로 긴 집고양이와 게코 도마뱀의 눈동자는 수축했을 때와 이완되었을 때의 면적이 각각 135 배와 300 배까지 차이가 나는데, 사람의 동그란 눈동자는 이 변화 비율이 15 배에 불과하다.

대각선으로 길쭉한 눈동자는 왜 없을까?

“집고양이처럼 낮과 밤에 모두 활동하는 종들의 경우 길쭉한 동공 덕분에 어두운 곳에서도 볼 수 있고, 밝은 대낮의 태양에 눈이 멀지 않을 수 있는 다이내믹 레인지를 확보할 수 있습니다.” 뱅크스의 말이다. “하지만 이 가설은 왜 길쭉한 동공이 모두 수직이거나 수평인지를 설명하지 못합니다. 대각선으로 길쭉한 동공은 왜 없을까요? 이 연구는 방향이 왜 문제가 되는지를 설명하려는 최초의 시도입니다.”

수평으로 길쭉한 눈동자가 몇몇 예외가 있기는 하지만 (이런 예외들에 대한 설명도 있을지?) 대개 양, 사슴, 그리고 말 등 풀을 뜯어 먹으며 먹이감이 되는 동물들이라는 것을 설명하기 위해 연구자들은 컴퓨터 모델을 이용해 서로 다른 눈동자 모양의 효과를 연구했다.

연구자들은 가로로 긴 눈동자가 유효 시야를 넓혀준다는 것을 발견했다. 가로로 늘어났을 경우 눈동자는 땅바닥과 나란히 정렬되어 앞, 뒤, 그리고 옆으로부터 더 많은 빛을 받아들인다. 이 방향은 또 위에서 비치는 태양빝의 양을 제한하여 땅 위에 있는 사물을 더 잘 볼 수 있도록 해준다고 연구자들은 말한다.

“이런 동물들의 시각에서 첫번째 중요한 임무는 포식자가 접근하는지 감지하는 것인데, 포식자들은 대개 땅에서 옵니다. 따라서 이들은 파노라마처럼 넓은 영역을 살피고 안 보이는 영역을 최소로 줄여야 합니다.” 뱅크스의 말이다. “두번째 중요한 임무는 일단 포식자를 감지하고 나면 달릴 때 어디로 가는지를 볼 수 있어야 합니다. 이들은 눈 가장자리만으로도 충분히 잘 보면서 빠르게 달리고 바닥에 놓여 있는 물체를 뛰어넘을 수 있어야 하죠.”

하지만 이들 동물이 풀을 뜯기 위해 고개를 숙이면 눈동자의 방향은 어떻게 될까? 만일 고개를 숙이는데 길쭉한 눈동자도 따라서 숙여진다면 눈동자는 상대적으로 수직에 가깝게 되며 이론은 위기에 처하게 된다.

“이걸 확인하기 위해 오클랜드 동물원에서 때로는 야외학습을 나온 어린 학생들에 둘러쌓여 여러 종류의 동물들을 관찰하느라 많은 시간을 보냈습니다.” 뱅크스의 말이다. “분명히 염소, 영양, 그리고 기타 풀을 뜯는 동물들이 식사를 하느라 고개를 숙일 때 눈이 회전하여 눈동자가 땅과 나란히 정렬된 상태를 유지하고 있었습니다.”

대서양 반대편에서 이번 연구의 공저자이자 더럼 대학의 물리학 교수인 고든 러브는 가까이 있는 농장에서 양과 말들을 관찰하며 동일한 패턴을 발견했다. 풀을 뜯는 동물들의 눈은 50 도 이상 회전할 수 있었는데 이것은 사람의 눈보다 10 배나 더 많이 회전할 수 있는 것이라고 연구자들은 말한다.

매복형 포식자가 먹이감을 잡을 때 어떻게 초점을 맞추는가

수직으로 길쭉한 눈동자를 가진 매복형 포식자의 경우 연구자들은 이들이 먹잇감을 덥치기 위해 필요한 거리를 정확히 재는 것이 매우 중요하다는 점을 알고 있었다. 연구자들은 거리를 가늠하기 위해 일반적으로 사용되는 세 가지 단서를 확인했다. 하나는 양안 시차고, 또 하나는 운동 시차, 즉 가까이 있는 물체는 멀리 있는 물체보다 시야에서 볼 때 빨리 움직인다는 사실, 마지막 하나는 서로 다른 거리에 있는 물체들이 초점이 맞지 않아 흐려지는 현상 등이다.

연구자들은 이 중 운동 시차를 연구대상에서 제외했는데, 운동 시차를 사용하기 위해서는 포식자가 머리를 움직여야 해서 자신의 위치를 노출시킬 가능성이 있기 때문이다. 따라서 나머지 두 가지 단서, 양안 시차와 거리에 따라 사물이 흐려지는 현상이 수직으로 길어진 눈동자, 그리고 앞을 바라보는 두 눈과 함께 작용하는 것이라고 연구자들은 말한다.

양안시는 물체가 멀리 있고, 물체의 모습이 수직에 가까울 때 그 차이를 알아채는 데 더 유용하다. 흐려짐은 물체의 윤곽이 수평에 가까울 때, 그리고 가까이에 있는 물체에 대해서 더 유용하다. 수직으로 길쭉한 눈동자는 이 두 가지 단서를 최대화할 수 있는 눈동자의 형태라고 연구자들은 밝히고 있다.

하지만 수직으로 긴 눈동자가 매복형 포식자 모두에게 동일하게 퍼져 있는 것은 아니다.

“이번 연구에서 우리를 놀라게 한 것은 길쭉한 눈동자가 땅바닥에 붙어서 움직이는 포식자와 연관이 있다는 점입니다.” 뱅크스 연구실의 박사후 연구원인 윌리엄 스프레이그의 말이다. “집고양이는 수직으로 길쭉한 눈동자를 가지고 있지만 호랑이나 사자처럼 더 큰 고양이들은 그렇지 않습니다. 큰 고양이들의 눈동자는 사람이나 개와 마찬가지로 둥글죠.”

연구 대상이 된 두 눈이 앞으로 향해 있는 매복형 포식자 65 종 중 44 종은 수직으로 긴 눈동자를 가지고 있었고 그 중 82 퍼센트는 어깨 높이가 42 센티미터보다 낮았다. 수직으로 긴 눈동자는 작은 동물들이 먹이감과의 거리를 재는 능력을 극대화해주는 것으로 보인다.

저자들은 이것을 물체가 흐리게 보이는 정도에 기반한 단서인 피사계 심도는 키가 큰 동물보다 키가 작은 동물에서 거리를 재는 데 더 효과적이라는 점을 계산해 냄으로써 설명했다.

“언제나 눈과 시각이라는 것이 얼마나 놀라운 것인지를 배우고 있는 중입니다.” 러브의 말이다. “이번 연구는 눈이 어떻게 작동하는지를 이해하는 지그소 퍼즐에서 한 조각을 더 맞춘 것에 불과합니다.”

저자들은 이번 연구가 육상 동물들에 집중한 것이라는 점을 지적했다. 이들은 향후 물 속, 공중 및 나무 위에 사는 동물들의 눈의 위치와 눈동자 모양을 연구하기를 기대하고 있다.

참고문헌

Martin S. Banks, William W. Sprague, Jurgen Schmoll, Jared A. Q. Parnell and Gordon D. Love. Why do animal eyes have pupils of different shapes? Science Advances, August 2015 DOI: 10.1126/sciadv.1500391

카테고리:번역, 사이언스 데일리, 생물학, 포유류, 현생

태그:눈, 눈동자, 생태적 지위, 현생동물