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곤충

체중의 39,000배의 압착력을 견디는 악마의 철갑딱정벌레

by ♤ ♤ 2021. 5. 14.

부서지지 않는 딱정벌레는 과학자들을 놀라게 한다.

(Un-crushable Beetle Surprises Scientists)

David F. Coppedge

   

     나무껍질 아래에 사는 한 딱정벌레는 체중의 39,000 배에 달하는 압착력을 견딜 수 있다.

그것은 "악마의 철갑딱정벌레(diabolical ironclad beetle)"라고 불리며, 과학자들의 흥미를 유발시키고 있다. Live Science 지는 그 딱정벌레에 대해서 보도하고 있었다 :

철갑딱정벌레(Phloeodes diabolicus)는 길이가 1.5~2.5cm이며, 북아메리카 서부의 삼림지에서 발견되smsep, 나무껍질 아래에서 살고 있다.

악마의 철갑딱정벌레는 거의 부서지지 않는다. 당신이 내리치거나, 밟거나, 자동차가 위로 지나가도 살아남는다. 이제 과학자들은 시초(elytra)라고 알려진 이 딱정벌레의 바깥 날개 케이스가 왜 그렇게 견고한지를 알게 되었다. 그것은 매끄럽게 맞물리는 일련의 퍼즐 부품으로 구성되어 있다. 이 "조각그림 맞추기(jigsaw)" 디자인의 기하학적 구조와 내부 구조는 딱정벌레 갑옷의 강도를 높여준다.

Nature(2020. 10. 21) 지는 이번 호에 발표된 연구에 대해 이렇게 말했다.

화려한 이름의 철갑딱정벌레(Phloeodes diabolicus, 그림 1)는 놀랍도록 튼튼한 외골격을 가지고 있어서, 포식자의 공격을 견디고, 등산객에게 밟히고, 심지어 자동차 바퀴에 깔려도 살아남을 수 있다. 리베라(Rivera) 등은 Nature 지 글에서[1], 이 딱정벌레의 부서짐에 저항하는 비밀을 밝히고 있다. 저자들은 최신 현미경, 기계 테스트, 컴퓨터 시뮬레이션의 조합을 사용하여, 층을 이루며, 조각그림 맞추기와 같은 연결부, 그리고 다양한 지지 구조가 외골격의 다양한 부분들을 연결되어, 강인함을 제공한다는 것을 발견했다.

.악마의 철갑딱정벌레(J. Maughn, Flickr Creative Commons License).

 

리베라의 동료 중 한 명은 퍼듀대학(Purdue University)에서 근무한다. 퍼듀대학의 언론 보도는 그 생물을 눌러 부수려는 시도를 보여주는 영상 클립이 포함되어 있으며, 부서짐에 대해 저항력을 부여하는 외골격의 특성을 설명하고 있다.

시초는 날아다니는 딱정벌레에서 날개를 보호하고, 비행을 용이하게 한다. 하지만 악마의 철갑딱정벌레는 날개가 없다. 대신 시초와 연결 봉합(connective suture)은 힘을 몸 전체에 고르게 분산시키는데 도움이 된다.

“봉합의 종류는 조각그림 퍼즐처럼 작동되는데, 시초 아래의 복부에 있는 다양한 외골격 날(blades, 퍼즐 조각)들은 연결되어 있다”라고 퍼듀대학의 파블로(Pablo Zavattieri)는 말했다.

이 영상물은 봉합이 어떻게 맞물리고 에너지를 흡수하는지 보여준다. 하지만 이 딱정벌레는 날아다니던 딱정벌레에서 진화했던 것일까? 과학자들은 그렇게 가정하고 있다. 개미와 같은 다른 곤충들은 날아다니는 형태와, 날지 않는 형태를 같이 갖고 있다.

늘 그렇듯이, 생물체 연구는 종종 실용적인 응용으로 이어진다. New Scientist(2020. 10. 21) 지는 "거의 부서지지 않는 딱정벌레의 외골격은 견고한 구조에 영감을 줄 수 있다"고 말한다.

키사일러스(Kisailus)는 악마의 철갑딱정벌레의 독특하고 견고한 구조를 이해하는 것은 더 가벼운 항공기를 만드는 데 필요한 견고한 구성 소재를 만드는데 도움이 될 것이라고 말했다. 이러한 비행기는 결국 연료를 적게 소비하고, 이산화탄소를 덜 배출하게 될 것이라는 것이다. “소재를 재발명할 필요가 없다. 자연이 어떻게 했는지를 알아내기만 하면 된다"라고 그는 말한다.

시험용으로, 그와 연구팀은 딱정벌레 외골격의 관절 구조를 모방한 탄소기반 재료와 금속조각을 결합했다. 그들은 항공기를 만들 때 부품들을 연결하는 데 일반적으로 사용되는 표준 연결부품보다, 약 2배 더 강하다는 것을 발견했다.

딱정벌레의 기원에 대해서, 저자인 라이알 리버풀(Layal Liverpool)은 “이 딱정벌레 종이 이렇게 단단한 외골격을 진화시킨 이유는 수수께끼”라고 고백하고 있었다.

 

딱정벌레처럼 만들기

8월에 New Scientist(2020. 8. 19) 지는 서던캘리포니아 대학(University of Southern California)의 생체모방 공학자들이 만든 딱정벌레 로봇에 대해 보고했었다. 로비틀(RoBeetle)이라는 이름의 이 제품은 메탄올로 구동되는데, 자신의 무게 2.6배를 운반할 수 있다. 그리고 그들은 로비틀이 비행할 수 있기를 원하고 있었다. 알을 낳고 스스로 번식할 수 있는 로봇을 만드는 일은 너무도 먼 길이다.

 

기록 보유자

비행하는 딱정벌레에 대해 모스크바 국립대학의 과학자들은 몇 가지 예외적인 딱정벌레를 발견했다. PNAS(2020. 10. 6) 지에서 그들은 "가장 작은 딱정벌레의 탁월한 비행 성능"라는 제목의 논문에서, 깃날개딱정벌레(featherwing beetles)라 불리는 한 작은 딱정벌레에 대해 보고했다. 작은 크기에도 불구하고, 큰 딱정벌레보다 성능이 뛰어나, 공기역학 규칙을 넘어선다는 것이다 :

우리는 가장 작은 자유생활 곤충인 딱정벌레목 깨알벌레과(Coleoptera: Ptiliidae)의 깃날개딱정벌레(featherwing beetles)와 반날개상과(Staphylinoidea) 친척 그룹의 더 큰 곤충들 간의 속도와 가속도에 대한 비교 연구를 보고한다. 우리의 결과는 깨알벌레과의 평균 및 최대 비행 속도가 매우 빨라서, 이들보다 3배나 몸체 길이가 더 큰 반날개상과의 딱정벌레의 속도와 비교될 수 있음을 보여준다. 이것은 작은 생물체의 비행 속도가 일반적으로 큰 생물체의 비행 속도보다 낮다는, 알려진 “Great Flight Diagram”에 대해 몇 안 되는 예외 중 하나이다. 깨알벌레에서 기록된 수평 가속값은 송장벌레과(Silphidae) 보다 거의 두 배 높았다.

심지어 곤충의 세계에서도 기록은 깨지고 있었다. 

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생물은 종종 그들의 필요 보다 더 과도하게 설계되어 있다. 이 철갑딱정벌레는 구르는 바위와 자동차로부터 지속적인 보호가 필요해서 이러한 구조를 진화시켰는가? 진화가 그들을 으깨짐에 저항하도록 진화시켰다면, 그 생물 종의 각 구성원들은 만물우연발생법칙(Stuff Happens Law)에 의해서, 엄청난 파쇄 압력에 저항할 수 있는 봉합 구조가 우연한 돌연변이로 생겨나기 전까지, 모두 으깨져 죽었을 것이다. 그리고 기적적인 우연으로 철갑을 만드는 구조와 그것을 다음 세대로 전해줄 수 있는 유전암호가 우연히 생겨났다 하더라도, 짝짓기를 할 배우자를 찾지 못한다면 무슨 소용이 있겠는가? 이 딱정벌레는 너무도 잘 설계되어 있는, 악마가 아닌 천사처럼 보인다.

과잉 설계(over-design)는 최소 요구사항을 훨씬 뛰어넘는 우수성의 특징이다. 하나님의 창조물들이 세계 최고의 과학자들을 고무시키는 것은 당연하다. 그들은 최선을 다해 노력하지만, 이 누추한 검은 철갑딱정벌레에 들어있는 모든 시스템을 모방할 수는 없을 것이다. 

 

 

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