청색기술의 스승인 동물의 눈으로 세상 바라보기

최근 새로운 카메라 시스템이 개발되어 우리 눈으로 자외선을 볼 수 있게 함으로써 곤충, 새 및 기타 생물이 색을 경험하는 방식을 보여주고 있다.

25일 국제 연구팀이 새와 다른 동물이 보는 세상을 인간이 경험할 수 있는 새로운 비디오 기술을 발표하면서 이제는 새의 눈으로 보는 '조감도(鳥瞰圖)'라는 표현이 완전히 새로운 의미를 갖게 됐다.

연구팀은 카메라 하드웨어와 소프트웨어 프로그램의 발전을 통해 수많은 생물이 세상을 인식하는 방식에 가까운 클립(clip)을 녹화할 수 있었다. 새, 나비, 꿀벌, 생쥐는 인간의 눈으로 색각을 볼 수 있게 된 최초의 동물 중 하나였다. 이제 동물들이 세상을 바라보는 시각이 카메라로 재현되어 생물학 분야의 공공과학도서관이라 불리는 '플로스 바이올로지(PLOS Biology) 저널에 게재됐다.

미국 조지메이슨대의 감각 생태학자인 다니엘 핸리는 또다른 국제과학지 '퍼퓰러 사이언스(Popular Science)와의 인터뷰에서 "이러한 색을 측정하는 종전의 기술은 종종 이야기의 일부분만 알려주었으며, 과학계에는 움직이는 색을 연구할 수 있는 적절한 도구가 부족했었는데 이제 우리는 야생 동물에게 나타나는 색상 신호를 기록할 수 있게 됐다"고 밝혔다.

가시광선 너머까지 볼 수 있다
감마선부터 전파에 이르기까지 우주에 존재하는 모든 빛의 분포인 전자기(EM) 스펙트럼에서 인간은 우리에게 친숙한 무지개색으로 구성된, 가시광선이라는 스펙트럼의 일부분만 볼 수 있다.

그러나 인간과 달리 자외선을 볼 수 있는 새의 시각은 상당히 다르다. 예컨대, 구름 한 점 없는 날은 새에게 그렇게 파랗게 보이지 않는다. 다니엘 핸리는 "새들의 하늘은 본질적으로 자외선 하늘일 것"이라고 말한다.

무지개가 나타나면 새는 인간이 보는 것보다 훨씬 더 넓은 색의 원호(arc)를 볼 수 있으며, 스펙트럼의 아래쪽을 확장하여 파장이 짧은 남색과 보라색을 더 많이 볼 수 있다. 쥐에게 무지개는 녹색과 자외선의 두 가지 대역으로만 구성된 것처럼 보인다.

새로운 카메라 기술은 어떤 장면에서든 이렇게 다양한 색상의 화면을 포착할 수 있다: 아래 영상에서 볼 수 있듯이 꿀벌에게 우리의 피부는 흰색 자외선 차단제를 바르기 전까지는 눈에 띄지 않지만, 그 후 자외선을 더 많이 흡수하여 곤충에게 선명한 노란색으로 보인다.

웨스턴오스트레일리아대의 동물 시각 전문가이자 스미소니언 연구소의 연구원인 얀 헴미는 스미소니언지에 보낸 설명에서 동물의 시각능력은 광수용체(photoreceptor) 채널의 총 수, 즉 빛을 포착하여 뇌로 보내는 안구 세포의 총 유형에 의해 결정된다고 말했다.

얀 헴미는 "광수용체마다 빛의 파장에 대한 민감도가 다르기 때문에 얼마나 많은 채널을 사용해야 하는지가 매우 중요하다"며 "인간은 3개, 개는 2개, 꿀벌과 많은 곤충과 새는 4개, 일부 파충류는 5개를 가지고 있다"고 설명한다.

또한 그는 "4개의 광수용체 채널을 가진 새의 색상 인식은 3차원적이라 실제로 새들이 어떤 모습으로 볼지 궁금한데, 분명 놀라울 따름"이라고 말한다.

비디오에서 색상 캡처
이 연구의 배경이 되는 과학은 다양한 파장의 빛을 분리할 수 있는 새로운 비디오 기술과 동물이 처리할 수 있는 다양한 유형의 빛에 대한 기존의 생물학적 이해를 결합한 것이다.

동물의 눈을 투시하기 위해 연구팀은 자외선에 민감한 카메라와 가시광선에 민감한 카메라 두 대를 사용한다. 이 두 대의 카메라는 청색, 녹색, 적색, 자외선의 네 가지 파장으로 빛을 포착한다. 연구진은 고급 프로그래밍 언어인 파이썬(Python)으로 개발한 새로운 소프트웨어를 사용하여 동영상을 데이터로 변환하고, 여러 종의 광수용체에 대해 이미 알려진 내용을 바탕으로 동물이 볼 수 있는 색에 해당하는 값을 '지각 단위(perceptual unit)'라고 부르는 값으로 분류한다.

이 과정에서 중요한 돌파구 중 하나는 과거 과학자들을 괴롭혔던 자외선을 포착할 수 있는 카메라 하드웨어를 개발하는 것이었다. 마찬가지로 움직이는 물체나 장면에서 인식된 색상을 일관되게 캡처하는 것도 안정적으로 달성하지 못했다. 하지만 이 새로운 소프트웨어는 동물이 보는 색을 92%의 정확도로 예측할 수 있다고 논문은 밝히고 있다.

헴미에 따르면, 연구원들은 이러한 동영상을 제작하는 데 있어 놀라운 일을 해냈다고 한다. 하지만 문제는 우리가 여전히 인간의 눈으로 보고 있다는 점이다. 헴미는 "이 문제에 대한 실질적인 해결책은 없지만, 영상은 이미지와 장면의 어떤 측면이 동물에게 다르게 보이고 어떤 측면이 그렇지 않은지를 강조하는 데 효과적"이라고 말한다.

연구할 여지 마련 
이 팀은 파이썬 코드를 오픈소스로 공개하고 시중에서 구할 수 있는 부품을 사용해 카메라를 제작했기 때문에 전 세계 과학자들이 이 기술을 더 쉽게 재현할 수 있게 했다. 연구팀은 다른 사람들이 이 기술을 계속 발전시켜 영화, 환경 보호, 자연사 프로젝트 등 독특한 방식으로 영상을 공유할 수 있기를 바라고 있다. 내셔널 지오그래픽 협회에서 일부 자금을 지원한 이 연구는 언젠가 자연 다큐멘터리의 제작 방식에 영향을 미칠 수 있을 것으로 보인다.

일부 과학자들은 이미 새로운 연구 가능성을 꿈꾸고 있다. 거미와 곤충의 색상 표시와 신호 행동을 연구하는 싱가포르국립대의 진화 생물학자 유니스 징메이 탄(Eunice Jingmei Tan)은 "하루빨리 비디오 카메라를 손에 넣을 수 있기를 바란다"고 기대했다.

앞으로 이를 통해 과학자들은 동물이 색에 대한 인식을 통해 어떻게 의사결정을 내리고 세상과 상호작용하는지 알아낼 수 있을지도 모른다. 헴미는 이런 종류의 혁신이 '게임 체인저'가 될 것이라고 말한다.

그는 "카메라가 보여줄 수 있는 것은 동물의 눈이 자극을 보는 방식"이라며, "다음 단계는 뇌가 이를 어떻게 보고 사용하는지 알아내는 것"이라고 말했다.