The Flea’s Thoracic Spring and Toe-Driven Jump
Artifact
벼룩의 도약은 뒷다리 근육이 순간적으로 강해져서 생기지 않는다. 벼룩은 뛰기 전에 근육을 수축해 가슴 속 탄성 구조를 천천히 변형한다. 자외선 아래 푸르게 형광을 내는 레실린(resilin) 패드와 그 주변의 단단한 큐티클이 이 일을 저장한다. 걸쇠가 풀리면 가슴의 스프링이 되튀며 두 뒷다리를 빠르게 편다.
그런데 탄성 에너지가 저장된 장소를 발견한 뒤에도 중요한 문제가 남았다. 그 힘은 어디를 거쳐 바닥으로 나가는가? 1960~70년대에는 도르래마디(trochanter), 흔히 ‘무릎’으로 비유되는 몸 가까운 관절이 바닥을 직접 민다는 설명과, 힘이 정강이와 긴 발마디까지 전달되어 ‘발끝’이 바닥을 민다는 설명이 경쟁했다.
2011년 Journal of Experimental Biology 연구는 전자현미경, 초당 5,000프레임 고속촬영과 두 운동 모델을 결합했다. 자연 도약 51회를 비교한 결과, 벼룩은 도르래마디가 바닥에서 떨어진 뒤에도 계속 가속했고 일부 도약은 처음부터 그 마디가 바닥에 닿지 않았다. 반면 정강이 끝과 발마디에는 바닥을 붙잡는 가시와 갈고리가 있었다. 저장된 힘은 다리의 지렛대를 지나 발끝에서 바닥으로 전달됐다.
Observation
Hero 사진에서는 옆으로 납작한 몸과 길게 접힌 뒷다리를 볼 수 있다. 하지만 가슴 내부의 레실린 패드, 걸쇠, 관절별 접촉 순서와 밀리초 규모의 가속은 보이지 않는다. 정지된 외부 형태를 내부 탄성 구조와 고속영상으로 보완해야 한다는 Hero mismatch가 있다.
연구 대상인 고슴도치벼룩은 평균 몸길이 약 1.8밀리미터, 질량 약 0.7밀리그램이었고 뒷다리는 몸길이의 약 154퍼센트였다. 도약 속도는 최대 약 초속 1.9미터에 이르렀다. 근육이 직접 이 짧은 시간에 필요한 출력을 낼 수 없기 때문에 먼저 저장하고 나중에 방출하는 catapult가 필요하다.
고속영상이 결정적이었던 이유는 ‘어디가 닿아 있었는가’와 ‘언제까지 가속했는가’를 같은 시간축에서 비교할 수 있었기 때문이다. 도르래마디 접촉이 끝나도 가속이 계속되고, 발끝만 닿은 도약의 운동도 달라지지 않았다. 접촉의 존재와 힘 전달의 필요성을 분리한 관찰이다.
Multiple Lenses
1. 근육은 엔진이 아니라 충전기다
근육의 느린 수축은 몸을 직접 날리지 않고 탄성 구조를 미리 변형한다. 순간 출력은 근육의 속도보다 저장 시간과 스프링의 반동에서 나온다.
2. 에너지 저장소와 힘의 출구는 다르다
레실린 패드는 가슴에 있지만 실제 외부 일은 발끝이 바닥을 밀며 수행한다. 원인의 위치와 효과가 세계에 접속하는 위치가 분리되어 있다.
3. 다리는 부품이 아니라 전달 경로다
엉덩이에서 발끝까지 이어진 관절들은 단순한 길이가 아니다. 가슴의 반동을 방향 있는 지면 반력으로 바꾸는 지렛대 사슬이며, 어느 마디가 바닥에 닿느냐가 궤적을 결정한다.
4. 작동 원리는 접촉 이력으로 검증된다
스프링의 존재만 보아서는 두 가설을 가를 수 없었다. 어떤 표면이 언제 바닥을 떠났고 그 뒤에도 가속이 이어졌는지를 추적해야 힘의 실제 경로가 드러났다.
Related Works
활시위와 화살
활은 궁수의 느린 근육 일을 휘어진 활대에 저장했다가 시위를 통해 화살에 전달한다. 활대만 조사하면 에너지 저장은 알 수 있지만 화살이 어떤 방향으로 가속되는지는 시위·손잡이·화살의 접촉 관계까지 보아야 한다. 벼룩의 가슴 스프링과 뒷다리도 같은 분리를 보여 준다.
통발 덫의 압력 충전
직전 Artifact의 통발은 물을 천천히 빼 음압과 탄성 변형을 충전한 뒤 문을 열어 물과 먹이를 끌어들였다. 벼룩도 느린 능동 과정을 빠른 수동 방출로 압축하지만, 이번에는 저장된 에너지가 몸 안의 여러 관절을 지나 외부 바닥에 도달하는 경로가 핵심이 된다.
Twist
처음 반전은 작은 벼룩이 ‘고무 같은 단백질 스프링’을 쓴다는 사실이다. 그러나 레실린이 발견된 뒤에도 도약의 설명은 완성되지 않았다. 에너지가 어디에 있는지와 그 에너지가 어디로 흘러가는지는 서로 다른 질문이었다.
더 큰 반전은 몸 가까운 굵은 관절이 아니라 가장 먼 발끝이 마지막 출구였다는 점이다. 도르래마디도 움직이고 때로 바닥에 닿지만, 그것이 필수 접점이라는 뜻은 아니다. 장치를 이해하려면 눈에 띄는 저장소나 움직이는 부품보다 힘이 끝까지 끊기지 않고 지나가는 경로를 찾아야 한다.
Core Question
에너지가 어디에 저장되는지 알아도 그 힘이 어떤 관절과 지렛대와 바닥의 접점을 지나 결과로 전달되는지 모른다면, 우리는 그 장치의 작동 원리를 안다고 할 수 있을까?
Related Questions
Sources
- Gregory P. Sutton and Malcolm Burrows, “Biomechanics of jumping in the flea”, Journal of Experimental Biology 214, 2011. DOI: 10.1242/jeb.052399.
- Miriam Rothschild et al., “The jumping mechanism of Xenopsylla cheopis. III. Execution of the jump and activity”, Philosophical Transactions of the Royal Society B 271, 1975. DOI: 10.1098/rstb.1975.0064.
- Henry C. Bennet-Clark and E. C. A. Lucey, “The jump of the flea: a study of the energetics and a model of the mechanism”, Journal of Experimental Biology 47, 1967.
- Wikimedia Commons, “Flea, macro.jpg”, Fedaro, CC BY-SA 4.0.