▲ 헤엄칠 때의 상어 꼬리가 만드는 수중의 두 개의 고리(붉은색과 푸른색은 회전의 방향이 반대) 덕분에 상어는 강력하고 재빠르게 헤엄칠 수 있다/출처 : Brooke E. Flammang ⓒ 뉴스타운

지금까지 상어를 앞지르는 것이 거의 불가능했다. 그런데 왜 상어가 그렇게 빠른지 그 이유를 몰랐으나 이제 그 비밀이 밝혀졌다.

사이언스 나우(Science Now)는 5일(현지시각) 과학자들이 공학 이미징 기술을 이용해 상어의 꼬리(지느러미)가 좌우로 흔들릴 때 물고기 꼬리지느러미와 비교할 때 물을 2배나 많이 분출(밀어내기)하면서 추력(thrust)을 부드럽게 해 수영이 보다 효율적으로 되도록 한다는 것을 알아냈다고 보도했다.

상어는 이것을 꼬리지느러미 중앙부분을 스윙 중간에 뻣뻣하게 만들도록 하는데, 이 방법을 이용하면 언젠가 수중을 움직일 보다 효율적인 이동체(underwater vehicles)을 만들 수 있는데 이용될 것이다.

미국 펜실베니아 웨스트 체스터 대학의 생화학자인 프랭크 피쉬는 "지느러미의 근육 모양이 변화하면서 물을 휘젓는 주기(사이클) 동안 아마도 유체의 흐름을 변화시킬 수 있도록 그(지느러미) 구조 자체를 변화시킨다는 설득력 있는 주장을 폈다."고 말했다.

물고기가 앞으로 나아가기 위해서는 물을 뒤로 밀어내야 한다. 그리고 상어는 여기에 더해서 추가적인 부담이 있다: 상어는 수영을 멈추면 가라앉기 때문에, 쉴새 없이 움직여야 한다는 것. 따라서 가라안지 않고 수중에 머물기 위한 양력을 얻기 위해서는 꼬리지느러미의 윗부분이 아래쪽보다 더 뒤로 길게 펼쳐져 있어서, 상어 뒤 경계선에 경사를 이루고 있는 것이다. 대부분 다른 물고기들은 위아래가 대칭인 꼬리지느러미 형태를 하고 있다.

상어 꼬리지느러미에 대한 궁금증을 풀기 위해서 하버드 대학의 생화학자 브룩 플래밍은 그 구조와 기능을 검사해 왔다. 지난 2005년, 브룩 플래밍은 꼬리지느러미가 좌우로 흔들리는 동안 특정 시간에 꼬리 근육이 활성화되는 것을 발견했다. 근육의 역할을 이해하기 위해 플래밍은 상어가 어떻게 물을 뒤로 미는지 상세한 것을 추적하기로 결정했다.

이것을 위해 연구원들은 보통 물속에 많은 수의 작은 입자를 넣는다. 꼬리가 흔들리면서 물이 움직이고 이에 따라 입자들은 끌려가게 되는 것이다. 입자는 레이저를 비추면 빛을 반사하므로, 고속 카메라로 추적이 된다. 컴퓨터 프로그램은 이들 이미지로부터 유체의 흐름을 생성한다. 물이 분사되는 것은 관찰하기 어렵지만, 이들 분사된 물이 담배 연기처럼 고리 또는 소용돌이를 형성하므로 잘 탐지될 수 있게 된다.

보통 이미징 기술은 두 대의 카메라를 수평 및 수직 방향으로 두고 추적을 해나간다. 이 자료를 근거로 연구원들은 입자들이 어떻게 제 3의 방향(혹은 깊이)으로 움직일지를 추정하게 된다. 하지만 플래밍은 입자들이 3차원으로 어찌 움직이는지를 직접 보고 싶어서 보다 향상된 이미징 시스템을 채택했는데, 이제까지 실린더에서 피스톤이 빠져 나오면서 힘을 생성하는 과정의 유체 흐름을 연구하는데 이용되었던 3 대의 카메라를 사용하는 시스템이었다.

이에 대해 피쉬는 "공학자들이 이 기술을 수년간 사용해 왔지만, 생물학 분야에 적용하기는 처음이다"고 설명했다.

플래밍과 동료들은 두 종류의 크기가 작은 돔발상어, 곱상어라 불리는 등지느러미에 가시가 달린 스피니 도그피쉬 spiny dogfish, 우리말로는 번역이 안 되지만 몸에 사슬 무늬가 있는 체인 피쉬chain dogfish를 각기 두 마리씩 써서 실험했다. 이들을 수조에 넣고 일정한 속도의 수류를 가하여 상어가 계속 같은 장소에서 헤엄치도록 했다. 플래밍은 "로봇" 상어 뒷부분의 물의 흐름도 조사했는데 로봇 상어는 유연한 플라스틱으로 된 꼬리를 달았다.

대부분의 물고기는 꼬리지느러미 부분에서 하나의 수류(水流) 고리를 생성한다. 꼬리는 옆으로 움직이면서 물을 뒤로 밀어내는데, 꼬리가 반대쪽으로 움직이기 위해 정지하면서 물 속에 고리를 만들게 된다. 그러나 상어는 꼬리지느러미 모양(비대칭) 때문에 두 개의 고리를 만들 것으로 생각됐다. 그리고 로봇 상어에서 그것이 확인됐다.

그러나 실제로는 상어 꼬리가 두 번째 고리를 상어의 몸이 일직선이 되는 중간 지점에서(꼬리가 죄우 방향을 바꾸기 위해서 정지한 지점이 아니다!) 만들어 낸다. 플래밍과 동료들은 지난 11월 22일 이 결과를 저널(Proceedings of the Royal Society B.)에 발표했다.

꼬리 부분에 이미 형성된 고리보다 커다란 고리가 이 시점에 만들어져 연결되었다고 밝혔다. (대부분의 물고기 에서 처럼) 꼬리가 움직임 방향을 바꾸기 직전이 되어서야 추진력을 얻게 되는 대신 상어는 꼬리의 스윙 중간에 추력을 더하는 것이다. "실질적으로 거의 연속적인 추력을 생성하도록 허용하는 것이다." 상어는 꼬리지느러미를 스윙 중간에 뻣뻣하게 하도록 근육을 사용하며, 이로써 꼬리지느러미 모양을 약간 변형시켜 추가적인 소용돌이를 밀쳐 낸다고 플래밍은 생각한다.

캠브리지의 매사츄세츠 공과대학 대양공학자 마이클 트리얀타필로우는 "상어가 추력을 생성하는 데는 한 수준 높은 세련됨이 있다."고 말한다. 이어 그는 "이러한 관찰은 더 나은 수중 이동체 설계를 유도할 수 있다." 하지만 상어같은 이동 요소를 설계하는 것은 "복잡한 일일 것으로 보인다."고도 했다. 그러나 플래밍은 "완고함을 변화'시킬 수 있도록 충분히 기능하는 세련된 상어 꼬리 모델을 만들고자 한다"며 자신감을 보이기도 했다.