인공광에 모이는 날아다니는 곤충들의 이유

 (nature.com)
1P by GN⁺ | ★ favorite | 댓글 1개
  • 날아다니는 곤충은 불빛으로 직진하기보다, 빛을 등쪽에 두려는 자세 제어 반응 때문에 주변을 돌거나 실속·전복 비행에 빠짐
  • 실험실 고해상도 모션 캡처와 야외 스테레오 비디오그래피로 인공광 주변 곤충의 3D 비행 궤적과 몸 방향을 재구성함
  • 477개 야외 스테레오 영상과 538개 실험실 궤적에서, 곤충의 속도 벡터는 빛 방향과 직교했고 등축은 빛 쪽으로 강하게 기울었음
  • 자연에서는 하늘이 가장 밝아 dorsal-light-response가 비행 자세 유지에 유용하지만, 가까운 점광원은 이 신호를 왜곡함
  • 하늘처럼 확산된 조명에서는 정상 비행이 회복됐으며, 비차폐·상향 조명과 지면 반사를 줄이는 것이 야간 곤충 피해 완화에 도움이 됨

오래된 가설과 새 관측의 차이

  • 밤 곤충이 불빛 주변에서 불규칙하게 나는 이유로는 오래전부터 여러 설명이 있었음
    • 빛을 탈출구처럼 보고 향해 간다는 escape response
    • 달을 기준으로 항법하다가 인공광을 잘못 기준으로 삼는 celestial compass 혼동
    • 열복사에 끌린다는 설명
    • 강한 빛에 눈이 멀어 비행이 흐트러진다는 설명
  • 작은 곤충을 어두운 환경에서 3D로 추적하기 어려워, 각 가설을 엄밀히 검증할 운동학 데이터가 부족했음
  • 관측 결과는 곤충이 인공광에 “끌려서” 직진한다기보다, 가까운 빛이 비행 자세 제어 신호를 왜곡한다는 해석에 더 잘 맞음

핵심 메커니즘: 등쪽을 밝은 곳으로 돌리는 반응

  • 대부분의 날아다니는 곤충은 등쪽을 시야에서 가장 밝은 영역으로 향하게 하는 dorsal-light-response(DLR) 를 보임
  • 자연 환경에서는 가장 밝은 시야 영역이 대체로 하늘이어서, 이 반응은 곤충이 “위쪽”을 추정하고 몸의 비행 자세를 유지하는 데 유용함
  • 가까운 인공 점광원은 하늘보다 국소적으로 강한 밝은 신호가 되어, 곤충이 실제 중력 방향과 다른 쪽을 “위”처럼 취급하게 만듦
  • 그 결과 곤충은 빛 쪽으로 등을 기울이고, 몸을 기울여 방향을 바꾸는 비행 역학 때문에 빛 주위를 돌거나 상승 실속, 전복 후 추락을 겪음

야외와 실험실에서 본 비행 패턴

  • 야외에서는 477개 스테레오 비디오 기록으로 인공광 주변 10개 목 곤충의 비행을 분석함
  • 비정상 비행 모티프는 세 가지로 나뉨
    • Orbiting: 빛 주위를 비교적 안정적인 원형 경로로 돌며, 낮은 바람 조건에서 두드러짐
    • Stalling: 빛에서 멀어지는 방향을 향한 상태로 가파르게 상승하다가 속도를 잃음
    • Inversion: 빛 바로 위를 지날 때 몸 자세가 뒤집히고 급강하함
  • 어두운 조건의 영상에서는 이런 모티프가 드물어, 인공광 주변의 비정상 행동으로 분류됨
  • 실험실에서는 곤충 흉부에 몸무게 5% 미만의 마커 프레임을 붙이고, 적외선 모션 캡처로 등축과 위치를 측정함
  • 실험 대상에는 Common Darter, Migrant Hawker, Yellow Underwing Moth, Lorquin’s Atlas Moth가 포함됐고, 네 종에서 총 538개 연속 비행 궤적을 기록함

곤충은 빛을 향해 직진하지 않았음

  • 점광원 주변에서 네 종의 수평 속도 벡터는 빛 방향과 직교하는 방향으로 강하게 모였음
  • 이는 곤충이 빛을 향해 직접 날아간다는 설명과 맞지 않음
  • Common Darter는 확산된 넓은 스펙트럼 천장 조명이나 완전한 어둠에서는 같은 궤도 비행 패턴을 보이지 않았고, UV 점광원 조건에서 궤도 비행이 나타남
  • 마커 데이터는 곤충이 비행 중 등축을 빛 쪽으로 기울였음을 정량적으로 보임
    • 등축과 빛 방향의 정렬 지수는 S. striolatum 0.84, A. mixta 0.79, Noctua sp. 0.82, A. lorquinii 0.82였음
    • 같은 지수는 어둠 속 S. striolatum에서 0.17로 낮았음
  • 점광원 근처에서는 모든 종의 몸 기울기 분포가 대조 조건보다 더 큰 bank 각도로 이동함

하늘처럼 확산된 빛에서는 정상 비행이 회복됨

  • 흰 천을 바닥에 깔고 UV 빛을 아래로 비추는 배치에서는 곤충이 뒤집히거나 공중에서 구르다가 바닥에 충돌함
  • 같은 UV 광원을 위쪽 흰 천에 비춰 확산된 캐노피처럼 만들면, 곤충은 빛 주변에 모이거나 전구 쪽으로 상승하지 않고 천 아래 통로를 다양한 경로로 날았음
  • 작은 곤충 실험에서도 UV 확산광이 위에서 오면 빠르지만 안정적인 상승 비행이 나타났고, UV 빛이 아래에서 오면 Drosophila sp. 를 제외한 실험 분류군이 이륙 직후 기울거나 뒤집혀 바닥에 충돌함
  • 정량 분석에서도 점광원 주변 궤적은 확산 캐노피 아래보다 더 구불구불했음
    • 총 경로 굴곡도 중앙값은 점광원 3.21, 확산 캐노피 1.21이었음
    • 점광원 조건에서는 빛 쪽으로 도는 편향이 있었고, 확산 캐노피 조건에서는 이 편향이 사라짐

시뮬레이션과 경쟁 가설 검증

  • 에이전트 기반 시뮬레이션은 곤충 몸축에 대한 고정 가속 벡터와 등쪽을 빛으로 기울이는 제어 목표를 사용함
  • 같은 파라미터 조합에서도 초기 위치가 달라지면 궤도 비행, 실속, 전복이라는 세 가지 관찰 모티프가 재현됨
  • 300개의 5초 무작위 파라미터 시뮬레이션에서 등쪽 기울임 모델은 빛에서 벗어나지 못하는 궤적을 주로 만들었고, 등쪽 기울임을 제거하면 빛에서 멀어지는 분산이 나타남
  • 빛을 임의의 자기중심 위치에 고정하려는 천체 나침반 혼동 모델은 실제 곤충에서 관찰된 일관된 직교 궤적과 잘 맞지 않았음
  • 두 UV 점광원을 번갈아 켠 실험에서도 곤충은 새 빛으로 옮겨 돌 때 회전 방향을 쉽게 바꿨고, 이는 빛을 몸의 같은 좌우 위치에 유지해야 하는 나침반 설명과 맞지 않음

예외와 한계

  • 실험실 조건에서 Oleander Hawkmoth (Daphnis nerii) 3개체는 71개 기록 궤적에서 빛 지향 행동을 보이지 않았음
  • D. nerii는 위쪽을 향한 UV와 백색 LED 전구 위를 지나도 전복하거나 궤도 비행하지 않았고, 등쪽 기울임 지수도 0.24로 낮았음
  • 야생 Vinegar Fly (Drosophila spp.)도 UV 또는 백색 LED 광원의 위·아래 비행에서 뚜렷한 차이를 보이지 않았음
  • 이런 예외는 이 행동에 파장 특이성과 종별 차이가 있음을 보여줌
  • 장거리에서 곤충이 빛에 도착하는 과정은 직접 실험하지 않았고, 다른 메커니즘이 장거리 접근에 관여할 수 있음

실무적 함의와 공개 데이터

  • 결과는 국소적 규모의 빛 포획이 항법 문제가 아니라 곤충의 자세 제어 교란에서 비롯된다는 해석에 맞음
  • 야간에는 하늘빛이 인공광과 경쟁하기 어려워, 밝은 점광원·상향 조명·비차폐 조명·지면 반사가 곤충 비행을 교란할 수 있음
  • 불필요한 비차폐 조명과 상향 조명, 지면 반사를 줄이면 야간 비행 곤충에 대한 영향을 완화할 수 있음
  • 향후 DLR의 시각 구성요소가 어떤 파장에 반응하는지 분석하면, 밤 곤충을 덜 혼동시키는 인공조명 변경 방법을 더 잘 분리할 수 있음
  • 원시 스테레오 영상, 처리된 궤적, 6자유도 실험실 모션 캡처 궤적, 시뮬레이션 코드와 데이터 처리 스크립트는 Figshare에 공개됨: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.24771978

함께 보면 좋은 글 β

GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 불빛 근처의 벌레 떼 앞에서 열쇠를 흔들어 보는 게 꽤 재미있음
    열쇠가 종종 초음파 대역에서 울리면서 박쥐가 쓰는 주파수를 어설프게 흉내 내고, 근처에 사냥하는 박쥐가 있는 벌레들은 보통 바로 바닥으로 떨어짐
    사냥 중인 박쥐 소리를 알아듣고, 열쇠 소리가 그에 충분히 가까워서 쫓기는 중이라고 착각한 뒤 중력 방향으로 피하는 것 같다는 추측임

    • 흥미롭게도 열쇠로 박쥐를 잡을 수 있다는 얘기를 들은 적 있음
      양말 안에 열쇠 여러 개를 넣어 공중에 던지면, 가까운 박쥐가 물체를 향해 급강하해 붙잡고, 열쇠가 너무 무거워서 바닥으로 끌려 내려온다는 이야기임
      빠르면 거기서 잡을 수 있다는데, 도시전설일 수도 있지만 실제로 될 법해 보이기도 함
    • 어떤 나방들은 대응책도 갖고 있음
      “방해 전파가 들린다”는 식으로, 진화를 통해 박쥐 레이더를 방해하는 전자전식 대응을 발달시켰다는 이야기임
      https://steveblank.com/2009/03/23/if-i-told-you-i%e2%80%99d-...
    • 출처는 없고 완전히 지어낸 얘기일 수도 있지만, 과학적 방법에 따라 다음 기회에 그 가설을 직접 시험해 보겠음
    • 이것도 꽤 웃김: https://www.reddit.com/r/nextfuckinglevel/comments/17jw3gm/d...
    • 벌도 불을 끄면 떨어지는 모양임
      https://youtube.com/watch?v=OmG0OT6MWC8

  • 여름에 파리가 방 안에 들어와 보통 꺼진 조명기구가 있는 한가운데를 빙빙 돌고, 열린 창문을 못 찾거나 안 나가려는 이상한 현상을 본 적 있음
    방 조명을 우연히 E27 Philips LED 전구 20개, 총 200W 넘는 밝은 구성으로 바꿨는데, 낮에 방 한가운데 모여 돌던 파리들이 불을 켜자 몇 초 만에 흩어졌고 갑자기 원형 비행을 멈춤
    열이나 눈부심 때문에 도망간 것 같지는 않고, 창문 방향에서만 오던 빛이 아니라 더 많고 더 분산된 빛이 생기면서 파리의 항법 능력이 복구된 듯함

    • 추측이지만 파리들은 장애물 회피에 광학 흐름을 쓰는 것 같음
      머리 양쪽의 겹눈에서 보이는 특징점 움직임의 속도로 물체와의 거리를 판단하는데, 시야가 흐릿하니 특징은 꽤 크거나 대비가 강해야 함
      어둑한 흰 벽 방은 파리에게 거의 특징 없는 공간으로 보이고, 벽에 충분히 가까워질 때까지 계속 원을 그리며 날 수 있음
      꺼진 조명기구처럼 고정된 대비 물체를 기준점으로 삼다가, 불을 켜면 방 안의 이전엔 안 보이던 물체들이 더 대비 있게 보여서 돌아다니거나 착지하기 쉬워지는 듯함
    • 연구 내용과도 맞아 보임
      실내에서는 창문을 주요 광원으로 보고 그걸 하늘로 착각해 원을 그리기 시작할 수 있음
    • 작은 날벌레 구름이 빛과 그늘의 경계에 모이는 걸 자주 봄
      다른 곤충들도 비슷한 행동을 할 수 있음
    • 빛을 별로 착각해서 혼란스러워진다고 알고 있었음
      그러니 태양처럼 밝고 넓은 광원을 흉내 내면 덜 헷갈릴 수 있고, 곤충 친화적이라고 하는 적색 스펙트럼 조명도 살 수 있음
    • 밝은 조명을 좋아하는 편인데, 방에 20구 조명기구를 어떻게 설치했는지 궁금함
      500W E38 mogul 조명기구는 들어봤지만, 작은 소켓 20개짜리는 못 들어봄

  • 그러면 논문이 “곤충은 달을 하늘의 나침반 단서로 쓰다가 인공 광원을 잘못 쓴다”는 흔한 인식을 확인한 건지 궁금함

    • 많은 댓글이 놓치는 부분은, 달이 밤새 항상 있는 것도 아니고 밝기도 바뀌고 하늘에서 움직이며 구름에 가릴 수 있어서 항법 수단으로는 불안정하다는 점임
      그래서 곤충이 달만을 항법 수단으로 쓰도록 특별히 진화했을 가능성은 낮아 보임
      논문은 밤에도 하늘이 지면보다 전반적으로 밝다는 점이 기준이라고 말하고, 곤충은 윗면을 확산된 밝은 영역으로 향하게 하면서 아랫면을 지면과 평행하게 두는 것 같음
    • 그 가설을 확인한 건 아닌 듯함
      논문에서는 야외와 실험실 모두에서 곤충이 빛을 향해 직접 가는 경우는 드물고, 일관되게 광원과 직교하는 방향으로 난다고 해서 도피 반응이라는 기본 전제를 반박함
      또 진행 방향을 유지하려면 광원을 시야의 고정 위치에 둬야 하는데, 광원 위치를 바꾸는 실험에서 곤충이 몸 양쪽 어느 쪽에도 광원을 쉽게 유지한다고 함
      달을 항법에 쓴다고 해서 달을 향해 직접 날아가지는 않을 텐데, 인공 광원을 향해 직접 난다는 현상이 왜 그 이론의 근거가 됐는지 이해하기 어려움
    • 내 이해도 비슷함
      곤충이 원래는 달을 한쪽에 두고 직선으로 날다가, 인공 조명 때문에 그 기준이 틀어져 광원 주위를 나선형으로 돌게 된다고 생각해 왔음
      연구에서 보인 행동이 정확히 그와 같아 보임
    • 인용된 문장은 이 연구가 검토한 가설 중 하나로 보임
      논문은 곤충이 수평면에서 자신을 정렬하는 데 달, 별, 태양, 인공 광원 같은 실제 빛을 쓰지만, 그것 자체가 항법은 아니라고 보여줌
      정렬에 기울어짐이 생기면 빛 주위를 원형으로 날고, 그 기울어짐은 비행 메커니즘 자체도 비효율적으로 만들어 광원과의 공간 관계가 빠르게 바뀌면서 방향 안정성이 흔들림
      열, 냉기, 페로몬, 냄새, 시각, 소리 등 실제 항법 동기가 무엇이든 이 공간 관계 불안정의 영향을 받게 됨
    • 달이 보일 때만이 아니라 매일 태양이나 하늘을 이용해 비행 자세를 조정하는 것에 더 가까워 보임

  • 등쪽을 빛으로 향한다는 사실이 흥미로움
    그래서 YouTube에서 무작위로 본 나방이 불빛을 도는 영상도 더 이해가 됨
    [1]: https://www.youtube.com/watch?v=OhNpOsTUqzA

  • 멋진 연구임
    7살 아이에게 이런 질문을 받은 적이 있는데 답을 전혀 몰랐음
    제대로 읽은 거라면 곤충은 빛을 향해 날아가는 게 아니라 몸의 윗면을 빛 쪽으로 돌리고, 자연광에서는 이게 정상적인 비행 자세와 제어를 유지하는 데 도움이 되지만 인공 조명 아래에서는 광원 주위를 계속 돌게 되는 것 같음

    • dorsum은 앞쪽이 아니라 등 또는 윗면이라고 Google이 말함
      빛이 있는 쪽을 위로 가정한다는 점에서 그럴듯함
    • 앞부분이 아니라 윗부분이나 등쪽임
      그 외에는 맞음

  • Home Depot 정원 코너에서 나트륨등 주변의 거대한 거미줄과 살찐 거미들을 보는 건 늘 재미있음
    이런 효과를 내기 위해 직접 생물발광을 만드는 데 필요한 열량이, 그 방식으로 사냥해 얻을 수 있는 열량보다 더 클 것 같음
    하지만 누군가가 사냥용 무료 에너지를 제공해 준다면 이야기가 달라짐

    • 어쩌면 진화가 진행되는 장면을 보고 있는 걸 수도 있음
      생물발광 거미는 새나 박쥐에게 쉬운 표적이 되겠지만, 램프 옆 거미는 포식자가 아직 적응하지 못해서 덜 위험함
      또는 예전에는 거미줄이 어디서나 거대하고 수익성 있었지만, 전 세계적으로 곤충이 줄어들면서 이제는 조명 주변에서만 그렇게 수익성이 생겼을 수도 있음
    • 밤에 조명 근처로 어떻게 가는지 가끔 궁금함
      진화사의 대부분 기간에는 밤에 그런 광원이 없었을 텐데, 배경의 달을 이용했을 수도 있음
      그런데 생물발광처럼 자연적으로 가능한 형질이 크고 유의미한 진화적 이점을 준다면, 종은 반드시 그 방향으로 진화한다고 봐도 되는지 궁금함
      그렇다면 왜 지금까지는 우리가 유일한 지능적 존재인지, 우리와 700만 년 전 공통 조상을 공유한 침팬지는 왜 지능을 진화시키지 않았는지도 의문임
    • 북부 Ontario의 여러 커뮤니티에서 조명을 뒤덮는 거미줄 현상을 반복해서 봤음
      Lake-of-the-Woods의 캠프에서 일할 때는 비현실적일 정도였고, 베개 몇 개를 채울 만큼 거미줄이 많았을 거라고 확신함

  • 색은 어떨지 궁금함
    글에서는 “밤에도 특히 짧은 파장(<450 nm)에서 그렇다”고 하니 약간 별개의 문제이긴 함
    사람이 볼 수 있으면서 곤충에 미치는 영향을 최소화하는 조명 색이 있지 않을까 늘 궁금했음
    예를 들어 도시에서 적색 조명만 쓰면 도움이 될까?

  • 베트남에서 어린 시절 좋아하던 활동이 떠오름: 늦은 오후에 물장군을 잡는 일이었음
    아마 https://en.wikipedia.org/wiki/Lethocerus_indicus였던 것 같은데 틀릴 수도 있음
    1980년대 베트남은 매우 낙후돼 있었고 가로등도 많지 않았으며 대체로 어두웠음
    우리 집은 새로 지은 도로 바로 옆에 있었고, 나중에 고속도로가 된 그 길은 밝은 가로등이 있는 몇 안 되는 도로 중 하나였음
    새 가로등의 밝기는 아이들뿐 아니라 길 건너 논에서 물장군까지 끌어들였고, 어느 날 그 곤충이 먹을 수 있다는 말을 듣고 같은 블록 아이들과 병에 담아 집으로 가져가기 시작했음

  • 부엌문 밖의 나방이 벌거벗은 전구에 완전히 빠져서 원을 그리며 날고 외골격 머리를 들이받는 모습이 떠오름
    숲에서는 달빛으로 멀쩡히 항해하지만, 전구 근처에 오면 망함
    진화하려 애쓰고 있을 뿐이라는 가사가 이 연구와 잘 맞아 보임

  • 조금 읽어 보니 꽤 말이 됨
    찾아보니 곤충은 사람처럼 중력과 속도를 감지하는 정교한 귀나 내이를 일반적으로 갖고 있지 않고, 우리는 내이와 온몸 피부의 압력을 통해 그런 감각을 얻는 듯함
    곤충은 표면의 접촉과 압력은 감지할 수 있지만 비행 중에는 그걸 쓰기 어렵기 때문에, 방향을 잡을 다른 방법이 필요하다는 게 그럴듯함
    눈이 이미 그 일을 해 주는데 굳이 다른 기관이나 감각을 새로 키울 이유가 없었을 것임
    인간이 불을 발견해서 망쳐 놓기 전까지는 말임

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