곤충을 먹는 박쥐는 초음파를 이용해 먹이를 찾는다: 이들은 18kHz에서 150kHz 이상(인간은 최대 20kHz까지 감지 가능)의 음파를 방출하고, 반사되어 돌아오는 에코를 청취하여 먹이의 위치와 특성을 파악한다. 박쥐는 곤충의 위치를 파악하기 위해 반향음의 진폭 변조를 분석한다. 곤충이 비행 중 날개를 움직이면 반향음에 변화가 생기므로, 곤충이 날개를 퍼덕일 때마다 포식자에게 자신의 위치를 알려주는 셈이다.
진화 생물학의 관점에서 보면, 나방과 박쥐는 진화적 군비 경쟁에 얽혀 있다. 박쥐의 표적 공격 전술에 대응하기 위해 나방은 박쥐의 초음파 신호를 감지할 수 있는 고막 기관을 진화시켰으며, 이를 통해 도피 행동이나 음향 반응을 유발한다. 우리 연구팀은 박쥐의 표적 신호에 대한 반응으로 나방이 보이는 행동적 반응의 효과를 분석하는 데 관심이 있습니다.
나방을 유인하고 포획하기 위해 우리는 최신 나방 유인 곤충학 장비를 활용합니다: 흰색 시트와 블랙라이트입니다.
우리의 연구는 에콰도르의 열대 우림에서 진행되며, 동일한 장소에서 110종의 박쥐와 수백 종의 나방이 서식할 수 있습니다. 박쥐와 나방의 관계를 연구하기 위해, 우리는 여러 종류의 마이크와 초음파 스피커를 구입하고 제작해야 했습니다. 그리고 우리의 실험은 재생과 반사된 에코의 기록을 포함하기 때문에, 일부 분석을 위해서는 잔향이 없는 환경에서 작업해야 하며 다른 분석을 위해서는 잔향이 매우 큰 환경에서 작업해야 합니다.
매년 우리는 현장에 가서 비행 터널을 조립하고 야간 작업을 시작합니다. 나방을 잡은 후에는 진짜 일이 시작된다. 나방들은 비행이 제한되도록 터널 안에 배치되어, 초음파 신호와 박쥐 울음소리를 재생할 때 반응하는 모습을 고속 영상으로 촬영할 수 있습니다. 비행 터널에는 초음파 마이크가 설치되어 나방이 반사해 오는 에코, 즉 박쥐가 감지할 신호를 기록한다.
나방 날개 비늘의 클로즈업. 사진 제공: 블라디미르 카르바할.
정확한 데이터를 얻기 위해 우리는 나방 날개 실험을 수행하기 위한 소규모 잔향실을 설계하고 제작해야 했습니다. 본 설계는 기존 설계(Zeng et al., 2011; Ntelezos et al., 2017)를 기반으로 하였으며, 해당 연구에서는 작업 주파수에 기반한 Cox 및 D’Antonio 수정 원시-근 확산기를 사용하였습니다. 이는 동일한 폭과 서로 다른 깊이를 가진 우물들로 구성됩니다.
초음파는 다루기 까다롭습니다. 우리는 심지어 주머니에서 딸랑거리는 열쇠 소리, 조명을 켜는 동작 감지기, 심지어 일부 조명 자체도 초음파를 발생시킨다는 사실을 깨닫지 못합니다. 따라서 소음이 없는 환경에서 작업하기 위해, 우리는 잔향실을 설치할 무반향실을 건설해야 했습니다. 실내실 구조는 또한 전기적 절연을 제공하는데, 이는 국부적인 전기 연결부가 항상 적절히 절연되어 있지 않기 때문이다.
박쥐의 울음소리를 접했을 때 나방들은 청각적 놀람 반응을 보인다는 사실을 발견했습니다: 그들은 몸과 날개의 위치를 바꾸고 비행 중 잠시 멈춥니다. 이 반응은 반사된 에코의 진폭 변조를 감소시킵니다. 잠시 동안, 나방은 배고픈 곤충을 먹는 박쥐로부터 소리로 숨을 수 있다.
흥미롭게도, 영상을 추가로 검토한 결과 나방들이 이러한 반응을 보일 때 날개도 함께 돌린다는 점을 발견했습니다. 이러한 행동은 두 가지 의문을 제기한다: 왜 나방은 날개를 돌리는가, 그리고 날개가 음향 변조 감소에 역할을 하는가?
우리는 현재 여러 가지 다른 나방 종의 날개를 실험하고 분석하는 과정에 있습니다. 지금까지 우리는 나방 날개가 실제로 초음파를 흡수하고 있으며, 진폭이 감소하는 주요 주파수가 종마다 다른 것으로 보인다는 사실을 확인했습니다. 우리는 또한 날개의 해부학적 구조를 연구하기 시작했습니다. 현미경으로 관찰한 비늘의 구조는 정말 놀랍습니다. 무반향실에서 사용하는 흡음 폼과 매우 유사합니다. 이는 박쥐에게 포식당하는 것을 피하기 위해 나방이 진화시킨 방어 전략의 일부일 수 있으며, 나방에게 더 중요한 것은 박쥐에게 먹히지 않기 위함이다.
초음파와 함께 작동할 수 있는 기능적인 15 × 15 × 10 cm 반향실을 만드는 것은 상당한 도전 과제였다.
확산기는 에코를 중화하는 데 사용할 수 있습니다. 이들은 음파를 여러 방향으로 반사시켜 확산된 음장을 생성함으로써 음 에너지를 감소시키지 않으면서도 에코를 방지하기 때문에 특히 유용할 수 있습니다.
이 챔버에 사용된 원시근 확산기는 동일한 너비와 서로 다른 깊이를 가진 일련의 우물로 구성되며, 목표 주파수에서 파생된 원시근을 기반으로 한 수론적 순서를 사용하여 설계되었습니다.
반향실은 두 종류의 확산기를 사용한다: 유리 반구 이하의 형태를 가진 경험적 확산기와 수정된 원시근 확산기이다. 이 챔버에는 초음파 마이크로폰과 두 개의 초음파 스피커도 장착되어 있습니다. 키토 소재 아메리카 대학교의 카를로스 라모스는 신호 생성을 위한 코드 실행과 기술적 음향 구성 요소의 원활한 작동을 책임지는 음향 엔지니어입니다.
이 결과는 또한 나방 날개의 초음파 흡수 특성을 분석하는 것을 기반으로 한 흥미로운 두 번째 연구 분야를 열었다. 우리는 날개 비늘이 초음파 흡수에서 능동적인 역할을 하는 구조물이라는 가설을 바탕으로 계속 연구를 진행하고 있다.
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