배설물 탄성·중력·관성의 상호작용 결과
떨어뜨리면 원뿔형, 밀어올리면 원통형
진화 아닌 물리 법칙이 빚은 자연 섭리
진화론의 찰스 다윈이 말년에 심취한 생물 가운데 하나는 지렁이었다. 그가 1881년에 펴낸 마지막 저서가 ‘지렁이의 행동을 통한 식물성 곰팡이의 형성’(The Formation of Vegetable Mould, Through the Action of Worms)이다. 그는 이 책에서 지렁이의 굴 파기, 소화·배설, 그리고 이로 인한 토양의 형성 과정을 설명하면서 “이처럼 하등한 생물들만큼 세계 역사에서 중요한 역할을 한 동물이 또 있을까”라고 반문했다.
그를 감탄시킨 지렁이의 생태 행동 중엔 흙을 먹고 배설한 나선형 탑 모양의 분변토가 있다. 하지만 그는 왜 지렁이 배설물이 그런 모양을 갖는지에 대해선 해답을 찾지 못했다.
배설물이 나선형 모양을 이루는 것은 지렁이 뿐만이 아니다. 사람을 포함해 자연에서 볼 수 있는 생물들의 배설물 대부분이 같은 모양이다. 똥을 상징하는 이모티콘은 거의 예외 없이 ‘소프트 아이스크림’처럼 돌돌 말린 모양이다. 밑은 넓고 위로 갈수록 뾰족한 나선형만 있는 것도 아니다. 지렁이처럼 위아래 크기가 균일한 원통형도 있다. 둘 사이를 관통하는 원리는 뭘까?
원뿔형과 원통형 배설물의 차이는?
오랜 기간 생물학적 수수께끼로 남아 있던 이 질문에 현대 물리학이 해답을 제시했다.
네덜란드 암스테르담대 다니엘 본 교수가 중심이 된 연구진은 최근 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 발표한 논문을 통해, 배설물의 나선형 모양은 생물의 진화와는 상관이 없는 엄격한 ‘물리 법칙’의 결과물이라고 밝혔다.
연구진은 우선 우리가 흔히 쓰는 ‘똥 이모티콘' 같은 원뿔형 배설물이 만들어지는 원리는 ‘탄성 로프 코일링(Elastic rope-coiling)’ 법칙에 따른 것이라고 설명했다. 줄을 아래로 떨어뜨리면 줄의 탄성과 중력, 관성이 상호작용해 줄이 바닥에 닿으면서 둥근 고리를 이루는 원리와 똑같다는 것이다. 탄성이란 배설물이 힘을 받았을 때 얼마나 변형되는지를, 중력은 배설물을 아래로 끌어당기는 힘을, 관성은 배설물이 배출되는 속도를 나타내는 개념이다.
대부분의 동물은 배설물을 아래쪽으로 배출한다. 그런데 배설물이 쌓일수록 배설물이 낙하하는 거리는 점점 짧아진다. 이 과정에서 나선형으로 말리는 반지름의 크기가 점차 작아지게 되고, 결국 우리가 아는 소프트 아이스크림 모양의 덩어리가 완성된다. 즉, 똥 모양은 동물의 생태적 진화와는 무관하게 물리학적 변수에 따라 결정된다.
반면 다윈이 관찰한 지렁이는 이와 반대로 배설물을 땅 속에서 위로 배출한다. 지렁이의 배설물은 위로 밀려 올라가면서 중력의 저항을 받게 되는데, 이 과정에서 어느 순간 탄성과 중력 사이의 균형이 깨져 스스로 꼬이는 현상이 발생하면서 나선형 구조가 만들어진다.
그런데 중력을 거스르며 솟아오르는 ‘반중력’ 환경에서 나오는 배설물은, 높이의 영향을 받지 않아 반지름이 작아지지 않고 원통형으로 균일하다. 이렇게 해서 만들어진 나선형 구조는 물이나 퇴적물에 의해 갯지렁이의 굴 입구가 막히거나 무너지는 것을 막아준다.
갯지렁이의 배설물은 원뿔형이 아닌 원통형이다. 암스테르담대 제공
(후략)
곽노필 기자 nopil@hani.co.kr
기사전문 https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/1268487.html
