동물들의 숫자에 대한 인식, 놀라운 사실

Sometimes the numbers don't add up when predators are trying to work out which prey to target (Credit: Alamy)

 

동물들의 생태계에서 먹이 사냥, 영역 방어, 종족 유지 등 모든 방면에 숫자가 개입되고, 또 그들은 이 숫자를 파악하여 그들의 삶에 활용하는 것 같다. 그들이 인류처럼 일, 십, 백, 천, 만... 세지는 못할 것 같다. 그러면 본능적으로 아는 것일까? 

 

(요약)

인류의 수학적 능력은 놀랍게도 다른 생물들도 마찬가지로 가지고 있는 것 같다.

 

지난 수십 년간의 중요한 발견 중 하나는 우리의 수자 능력은 생물학적으로 깊이 뿌리박고 있다는 것이며, 언어 사용 능력에 기초하지 않는다는 것이다. 우리 인간이 숫자 정보를 사용하는 수많은 상황을 고려하면 숫자 없는 삶은 상상할 수 없다.

하지만 그들이 호모 사피엔스가 되기 전, 우리 조상들에게 수치적 역량의 이점은 무엇이었을까? 왜 동물들은 애초에 숫자를 계산했을까?

처리 숫자가 생존에 상당한 이점을 제공하는 것으로 밝혀졌으며, 이것이 많은 동물 개체군에 이러한 행동 특성이 존재하는 이유다.

 

그들의 생태환경에서 관찰한 연구들은 이 능력은 식량을 확보하거나 먹잇감을 사냥하고, 포식자를 피하고, 서식지를 탐색하고, 사회적 상호 작용을 하는 동물의 능력을 향상한다는 것을 암시한다.

수적으로 유능한 동물들이 지구상에서 진화하기 전에 지구 상에서 가장 오래된 생명체인 단세포 미세 박테리아는 이미 양적 정보를 이용했다. 박테리아가 생계를 유지하는 방법은 환경으로부터 영양분을 섭취하는 것이다. 대부분 성장하고 분열하여 증식한다. 하지만, 최근 몇 년 동안, 미생물학자들은 그들이 사회생활을 하고 있고 다른 박테리아의 유무를 감지할 수 있다는 것을 발견했다. 즉, 그들은 박테리아의 수를 감지할 수 있다.

 

예를 들어, 비브리오 피셰리피셰 리 해양 박테리아를 예로 들어보자. 반딧불이가 빛을 발산하는 방식과 비슷한 생물발광이라는 과정을 통해 빛을 낼 수 있는 특수성이 있다. 만약 이러한 박테리아가 희석된 물 용액(본질적으로 혼자 있는 곳)에 있다면, 그들은 빛을 내지 못한다. 하지만 그들이 일정한 수의 박테리아로 자랄 때, 그들 모두는 동시에 빛을 낸다. 따라서 비브리오 피셰리는 혼자 있을 때와 함께 있을 때를 구분할 수 있다.

 

알고 보니 화학적 언어를 사용해서 이런 행동을 하는 겁니다. 그들은 의사소통 분자를 분비하고, 물 속의 이러한 분자들의 농도는 세포 수에 비례하여 증가한다. 그리고 이 분자가 "쿼럼"이라고 불리는 특정 양에 도달하면, 다른 박테리아에게 이웃이 얼마나 많은지 알려주고, 모든 박테리아가 빛을 발한다.

이러한 행동을 "쿼럼 센싱"이라고 부른다. 박테리아는 신호를 보내는 분자로 투표하고, 투표는 계수되며, 일정한 임계값(정족수)에 도달하면 모든 박테리아가 반응한다. 이러한 행동은 비브리오 피체리의 이상만이 아니다 – 모든 박테리아는 신호 분자를 통해 간접적인 방법으로 세포 번호를 전달하기 위해 이러한 종류의 쿼럼 감지를 사용한다.

놀랍게도, 쿼럼 감지는 박테리아에만 국한되지 않는다 – 동물들도 돌아다니기 위해 그것을 사용한다. 예를 들어 일본개미(Myrmecina nipponica)는 정족수를 감지하면 식민지를 새로운 위치로 옮기기로 결정한다. 이러한 합의된 의사 결정의 형태로, 개미는 목적지에 정해진 수의 개미가 존재할 경우에만 전체 군집과 함께 그들의 새끼들을 새로운 장소로 수송하기 시작한다. 식민지를 옮기는 것이 안전하다고 판단한 후에 말이다.

수학적 인식은 이동 및 효율적인 사냥 전략에서 중요한 역할을 한다. 2008년 생물학자 마리 다케와 만담 스리니바산은 우아하고 철저하게 통제된 실험을 수행했는데, 이 실험은 벌이 식량을 얻기 위해 비행 터널의 랜드마크 수를 추정할 수 있다는 것을 발견했다. 꿀벌들은 벌집까지의 식량 공급원의 거리를 측정하기 위해 랜드마크에 의존한다. 숫자를 평가하는 것은 그들의 생존에 필수적이다.

최적의 포획에 있어서는 대부분의 경우 '더 많은 것을 쫓는 것'이 대부분 경험상 유리해 보이나, 때로는 반대일 수도 있다. 들쥐는 살아있는 개미를 좋아하지만, 개미들은 위협을 받을 때 물어뜯기 때문에 위험한 먹잇감이다. 들쥐를 다른 수의 두 개미 그룹과 함께 경기장에 배치하면 놀랍게도 "적은 쪽으로" 움직인다. 한 연구에서 5마리 대 15마리, 5마리 대 30마리, 10마리 대 30마리 중 하나를 선택할 수 있는 쥐들은 항상 적은 쪽의 개미를 선호했다. 들쥐들은 편안한 사냥을 보장받고 가끔 물리기도 하는 것을 피하기 위해 적은 개미 무리를 선택하는 것으로 보인다.

또한 무리를 지어 먹이를 사냥할 때에도 수자는 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 늑대가 엘크나 들소를 포획할 확률은 사냥 참가 집단의 규모에 따라 다르다. 늑대는 종종 엘크나 들소와 같은 큰 먹이를 사냥하지만, 큰 먹잇감은 늑대를 발로 차고, 뿔로 들이받거나, 발로 밟아 죽일 수 있다. 그러므로, 특히 큰 사냥에서, 여러 마리들이 참가하도록 하는 동기가 된다. 그 결과 늑대는 먹이에 따라 사냥하기에 최적의 집단 크기를 갖고 있다. 엘크의 경우, 2~6마리의 늑대가 적당하고, 가장 가공할 먹잇감인 들소의 경우에는 9~13마리의 늑대가 있어야 성공 가능성이 높다. 따라서 먹잇감이 얼마나 강력한가에 따라 숫자가 달라진다.

방어력이 거의 없는 동물들은 종종 큰 집단에서 은신처를 찾는다. 그러나 대규모 집단에 숨어 있는 것이 수치적 역량을 수반하는 유일한 전략은 아니다.

 

2005년, 워싱턴 대학의 생물학자 팀은 유럽에서 검은 모자를 쓴 병아리가 포식자의 존재와 위험성을 알리는 놀라운 방법을 개발했다는 것을 발견했다. 다른 많은 동물들과 마찬가지로, 병아리는 매와 같은 잠재적인 포식자를 발견했을 때 경보음을 발생시켜 동료 병아리들에게 경고한다. 정지해 있는 포식자들을 위해, 이 미국 박새들은 그들의 이름인 "치크-아-디" 경보음을 사용한다. 이 경보 호출이 끝날 때 "dee" 노트의 수는 포식자의 위험 수준을 나타내는 것으로 나타났다.

 

"dee"가 두 개뿐인 "chick-a-dee-dee-dee"와 같은 호출은 다소 무해한 회색 부엉이의 출현을 가리킨다. 그레이트 그레이트 올빼미는 몸집이 커서 숲에서 민첩한 박새를 따라다닐 수 없기 때문에 심각한 위협은 아니다. 이와는 반대로, 나무 사이를 잘 움직이는 작은 피그미 부엉이는 이 작은 새들에게 가장 위험한 포식자 중 하나이다. 박새들은 피그미 올빼미를 보면 '디' 음을 4회까지 늘리며 '치크 아디'라고 부른다. 여기서 소리의 수는 적극적인 생존 전략인 것이다.

집단 크기 또한 중요하다. 그리고 상대방과 비교하여 자신이 속한 그룹의 수를 평가할 수 있는 능력은 가치가 있다.

 

야생에서 몇몇 포유류 종들이 조사되었고, 일반적으로 수적인 우세가 싸움의 결과를 결정한다는 것이다. 선구적인 연구에서, 서섹스 대학의 동물학자 카렌 맥컴과 동료들은 침입자들에 반응하는 세렝게티 국립공원암컷 사자들의 행동 반응을 조사했다. 저자들은 야생동물들이 스피커를 통해 되는 소리에도 반응한다는 점을 활용했다. 만약 이 소리가 위협을 가하는 외래 사자처럼 들린다면 암사자들은 적의 근원으로서 스피커에 공격적으로 다가갈 것이다. 이 음향 재생 연구에서 낯선 암사자의 포효를 들려줌으로써 적대적인 침입을 흉내냈다.

두 가지 조건에서 실험이 진행되었다: 암컷 사자 한 마리와 세 마리가 함께 포효하는 녹음이다. 연구진은 공격수와 수비수의 숫자가 수비수의 전략에 영향을 미칠지 궁금했다. 흥미롭게도, 한 마리가 방어할 때는 두 가지에 다 매우 망설였다. 그러나 세 마리가 방어할 때는 한 마리 소리에는 선뜻 다가갔지만, 세 마리 소리에는 그렇지 않았었다.

그들은 세 마리를 상대로 싸움을 할 때 다칠 위험을 감지하고 있었다. 다섯 마리 이상이 방어할 때는 세 마리의 침입자의 포효에 접근했다. 즉, 암사자는 방어자가 침입자보다 수가 많은 경우에만 공격적으로 접근하는데, 이는 동물의 양적 정보를 고려하는 능력을 보여주는 또 다른 분명한 예다.

동물의 왕국에서 인류와 사촌인 침팬지들은 매우 비슷한 행동 양식을 보여준다. 그들은 상대편의 강점을 계산하기 위해 군사력이 사용하는 방정식을 직관적으로 따른다. 특히 침팬지들은 란체스터의 제곱 법칙(Lanchester's Square Law; 현대 전투 모형의 하나 쌍방 간의 전투력은 단순히 개체의 숫자가 아닌 그 숫자의 제곱에 비례한다는 법칙. 예를 들면, 숫자가 N배만큼 많은 적과 대등하게 상대하기 위해서는 N의 제곱 배만큼의 화력의 질이 높아야 함을 의미)처럼 전투 모델에서 만들어진 예측을 따른다. 자기편 침팬지가 상대보다 적어도 1.5배만큼 수가 많은 경우에만 기꺼이 경쟁에 참가하는 경향이 예측된다. 그것이 바로 야생 침팬지들이다.

 

생물학적 입장에서 살아 있는 것은 수단이며, 유전자의 전달이 목적이다. 식충 딱정벌레(테네브리오 어금니터)는 많은 수컷이 많은 암컷과 짝짓기를 하며 경쟁이 치열하다. 그러므로 수컷 딱정벌레는 짝짓기 기회를 극대화하기 위해 항상 더 많은 암컷을 사냥할 것이다. 짝짓기 후 수컷은 다른 수컷의 짝짓기 행위를 막기 위해 암컷을 한동안 보호하기도 한다. 수컷이 짝짓기 전에 더 많은 라이벌과 맞닥뜨릴수록 짝짓기 후 암컷을 더 오래 지키게 된다.

그러한 행동이 번식에 중요한 역할을 하고 따라서 높은 가치를 가지고 있다는 것은 명백하다. 양을 추정할 수 있다는 것은 남성의 성적 경쟁력을 향상했다. 이는 진화 과정 전반에 걸쳐 보다 정교한 인지 수량 추정을 위한 원동력이 될 수 있다.

성공적인 교미로 모든 것이 이겼다고 생각할 수 있습니다. 그러나 일부 동물에게는 알을 수정하는 것이 진정한 성공이다. 일단 수컷 짝짓기 파트너가 제 역할을 다하면, 정자는 난자의 수정을 위해 계속 경쟁을 벌인다. 생식이 생물학에서 가장 중요하기 때문에, 정자 경쟁은 행동 수준에서 다양한 적응을 유발한다.

곤충과 척추동물 모두에서 경쟁의 규모를 추정하는 수컷의 능력은 사정체의 크기와 구성을 결정한다. 예를 들어, 앉은뱅이류(Pseudoscopiones)의 각종 동물은 여러 수컷이 한 마리의 암컷과 교미하는 것이 일반적이다. 분명히, 첫 번째 수컷은 암컷의 난자에 수정될 가능성이 가장 높은 반면, 뒤따르는 수컷은 새끼를 낳을 가능성이 점점 희박해진다. 그러나 정자의 생산은 비용이 많이 들기 때문에 난자에 수정될 가능성을 고려해 정자를 배분한다.

수컷은 암컷과 짝짓기를 한 경쟁자 수컷의 수를 냄새 맡고 다른 수컷 후각의 수가 0에서 3으로 증가함에 따라 점차적으로 정자 할당을 줄임으로써 조정한다.

어떤 새들은 자신의 부담을 없애고 다른 새들이 그 일을 하도록 하기 위해 온갖 속임수들을 발명했다. 결국 새끼를 기르는 것은 많은 노력이 든다. 그들은 다른 새들의 둥지에 알을 낳고 숙주가 알을 품게 하고 먹이를 주는 모든 힘든 일을 하게 하는 일종의 기생충이 된다. 당연히, 잠재적 호스트들은 기뻐하지 않고 이용당하는 것을 피하기 위해 모든 것을 한다. 그리고 잠재적 호스트의 방어 전략 중 하나는 숫자를 단서의 활용이다.

예를 들어, 미국 검둥오리는 이웃의 둥지에 몰래 알을 넣어 새끼를 기르게 한다. 물론 그들의 이웃들은 이용당하는 것을 피하려고 한다. 코우트의 자연 서식지에 대한 한 연구는 잠재적 검둥오리 숙주(이웃)들은 그들 자신의 알을 세어 검둥오리 알을 거부하려고 한다. 그들은 보통 평균 크기의 자기 알을 낳으며, 나중에 잉여 기생충 알을 배척한다. 

북아메리카에 서식하는 찌르레기는 훨씬 더 정교한 종류의 시도를 한다. 이 작은 새부터 초원지대의 큰 새에 이르기까지 다양한 숙주종의 둥지에 알을 맡기는 데, 자신의 새끼들이 밝은 미래를 가지려면 영리해야 할 것 같다.

쯔르레기는 정확히 12일 배양 후 부화하는데, 11일만 품는다면 병아리로 부화되지 않는다. 따라서 가장 흔한 숙주의 난자에 대한 잠복기가 11일에서 16일이며 평균 12일이라는 것은 우연이 아니다. 숙주 새는 보통 하루에 한 개의 알을 낳는다. 숙주가 둥지에 알을 추가하지 않고 하루가 지나면 숙주는 부화를 시작한다. 이것은 병아리가 알에서 발달하기 시작하고 시계가 똑딱거리기 시작한다는 것을 의미한다. 찌르레기가가 숙주 둥지에 너무 일찍 알을 낳으면 알이 발견되어 파괴될 위험이 있다. 반대로, 그녀가 너무 늦게 알을 낳는다면, 병아리가 부화하기 전에 시간이 만료됩니다. 따라서 호스트 새의 옆에 그녀의 알을 낳아야 할 때를 맞추기 위해 놀라운 정신적 산술을 해야 한다.

 

펜실베이니아 대학의 데이비드 J 화이트와 그레이스 프리드 브라운의 기발한 실험은 찌르레기 암컷이 숙주의 클러치를 주의 깊게 관찰하여 자신의 알과 잠재적 숙주의 부양을 일치시킨다는 것을 시사한다. 그녀는 첫 방문 이후 알 수가 늘어난 숙주 둥지를 조심한다. 이는 숙주가 아직 산란 과정에 있고 아직 알 품기가 시작되지 않았다는 것을 뜻한다. 그녀는 처음 방문한 이후 경과한 날수에 정확히 한 개의 달걀이 더 들어 있는 둥지를 찾고 있다.

예를 들어 찌르레기 암컷이 첫날 둥지를 방문해 둥지에서 숙주 알 하나를 발견했다면, 숙주 둥지에 셋째 날 알이 3개 들어 있을 경우에만 자신의 알을 맡긴다. 둥지에 지난 방문 이후 경과한 날 수보다 추가 알이 적게 들어 있다면, 이미 알 품기가 시작됐다는 것을 깨닫고 자신의 알을 낳아도 소용없다는 것을 파악한다. 그녀는 며칠에 걸쳐 둥지를 방문해서, 과거에서 현재까지의 둥지 속의 알의 수 변화를 평가하고, 지나간 날 수를 계산하여, 이 값들을 비교하여 알을 낳아야 할지를 결정한다. 

그러나 이것이 전부가 아니다. 찌르레기 어미는 또한 사악한 전략을 가지고 있다. 그들은 알을 낳은 둥지를 감시한다. 알을 지키기 위해 그녀는 마피아 조직폭력배처럼 행동한다. 그녀는 숙주의 둥지에서 자신의 알이 파괴되거나 제거된 것을 발견하면 숙주의 알을 파괴하거나 그 알에 구멍을 내거나 혹은 둥지 밖으로 밀어 내 땅에 떨어뜨리는 방법으로 보복한다. 주인 새는 둥지를 튼 찌르레기를 기르는 것이 낫다. 그렇지 않으면 큰 대가를 치러야 한다. 그러므로 수양 새끼를 기르는 수고를 겪는 편이 나을지도 모른다.

찌르레기의 예는 그들의 유전자를 물려주게 하기 위하여 진화가 얼마나 멀리까지 몰아왔는지를 보여주는 놀라운 예다. 기존의 선택 압력은 무생물 환경이나 다른 동물에 의해서든, 종들의 개체수가 특정 유전자에 기인한 적응 형질을 유지하거나 증가시키도록 해왔다. 숫자가 생존과 번식을 위한 이 경쟁에서 도움이 되는 것은 평가받을 만하다.

이것은 왜 수학적 역량이 동물 왕국에 널리 퍼졌는지 설명해준다: 그것은 이전의 공통된 조상에 의해 발견되어 모든 후손들에게 전해졌기 때문에 진화했거나, 아니면 생명의 동물 나무의 다른 가지에 걸쳐서 발명되었기 때문이다.

이것은 동물계에서 수치 적 능력이 그토록 널리 퍼져있는 이유를 설명합니다 : 그것은 이전의 공통 조상이 발견하여 모든 후손에게 전가되었기 때문에 또는 동물 생명나무의 여러 가지에서 발명되었기 때문에 진화했습니다.

 

이것은 왜 수적 능력이 동물 왕국에 널리 퍼져있는지를 설명합니다. 그것은 이전의 공통 조상에 의해 발견되어 모든 후손에게 전달되었거나 혹은 동물의 다른 계보를 거쳐 발명되었기 때문일 것이다.

그것의 진화적 기원에 관계없이, 한 가지는 확실하다 – 수학적 역량은 가장 확실히 적응에 도움이 되는 특성이다.

 

The remarkable ways animals understand numbers