동물은 어떻게 온 세상을 가로질러 길을 찾을까

1976년 겨울, 생물학자 링컨 브라워는 멕시코 중부 횡단화산대의 오야멜 전나무 숲으로 올라가 주황빛 무게에 축 늘어진 가지들을 향해 목을 빼고 올려다보았다. 나무마다 제왕나비가 휘장처럼 드리워져 있었고, 수백만 마리가 어찌나 빽빽하게 모여 있었는지 큰 가지들이 휘어질 정도였다. 브라워가 그곳을 찾은 것은 이 장관을 보기 위해서가 아니었다. 그는 색종이 조각보다 크지 않은 작은 접착 표식을 찾고 있었는데, 그와 동료들이 지난 9월 온타리오에서 제왕나비의 날개에 붙여 둔 것이었다. 단 하나라도 발견한다면 거의 믿기 힘든 사실이 증명되는 셈이었다. 종이처럼 얇은 곤충 한 마리가 4,800킬로미터가 넘는 거리를, 캐나다의 어느 길가에서부터 한 번도 본 적 없는 특정한 산기슭의 무리까지, 결코 배웠을 리 없는 그 무엇에 이끌려 날아왔다는 사실 말이다.

표식은 발견되었다. 그 여정은 실재했다. 그리고 그 사실이 던지는 더 깊은 물음은 생물학을 통틀어 가장 놀라운 것 가운데 하나다. 동물은 어떻게 대륙과 바다를 건너, 그것도 흔히 혼자서, 흔히 평생 처음이자 마지막으로 떠나는 길에서, 정확히 제자리에 도착하는 것일까?

이주란 무엇이며 왜 그만한 값을 하는가

동물이 어떻게 길을 찾는지 이야기하기에 앞서, 동물이 무엇을 하고 있는지부터 분명히 해 두면 도움이 된다. 이주란 서로 다른 서식지 사이를 계절에 따라 오가는 장거리 이동이며, 예측 가능한 자원의 변화나 번식 요건, 또는 기후가 그 동력이다. 이 말이 아우르는 행동의 폭은 어마어마하지만, 그 논리는 언제나 같다. 한 해의 어느 시기에는 먹이가 풍부하거나 새끼를 기르기에 안전했던 세계의 어느 구석이 다른 시기에는 빈약하거나 위험해지고, 그동안 멀리 떨어진 어딘가에서는 정반대 상황이 펼쳐진다. 이 둘 사이를 오갈 수 있는 동물은 양쪽의 가장 좋은 것을 모두 거둬들인다.

문제는 거기까지 가는 일이 값비싸다는 데 있다. 이주의 에너지 비용은 막대해서, 몇 달에 걸쳐 쌓아 둔 지방 비축분을 다 써 버리고, 가는 길 내내 길손을 폭풍과 포식자와 탈진에 노출시킨다. 그럼에도 이주는 곤충이든 새든 물고기든 포유류든 가리지 않고 끈질기게 이어지는데, 번식이라는 보상이 그보다도 더 크기 때문이다. 여정을 살아 남은 동물은 한자리에 머물다 굶주리거나 붐비고 고갈된 서식지에서 번식하는 동물보다 더 많은 후손을 남긴다. 자연선택이 그 셈을 맡고, 진화의 시간 속에서 장부는 길 떠나는 쪽에 유리하게 맞아떨어진다.

먼 거리를 견디도록 지어진 골격

날아서 이주하는 동물에게 그 여정은 나침반이 아니라 골격에서 시작된다. 지속적인 이주 비행은 나는 일의 핵심에 자리한 모순, 곧 튼튼하면서도 가벼워야 한다는 요구에 맞게 설계된 골격에 달려 있다. 새는 여러 묘수를 한꺼번에 써서 이 문제를 푼다. 새의 뼈는 상당수가 함기화되어 있어 일부가 비어 있고, 심지어 호흡계의 기낭과 연결되어 있는데, 이로써 튼튼함을 내주지 않고도 무게를 덜어 낸다. 골반과 날개의 골격은 단단한 단위로 융합되어, 비행면을 안정된 받침대로 고정함으로써 하중 아래서도 휘거나 에너지를 헛되이 쓰지 않게 한다.

그 영리함은 뼈 조직 자체의 구조에까지 곧장 미친다. 뼈는 두 가지 배열로 이루어진다. 치밀골은 빽빽하고 단단한 바깥층으로, 휘는 힘에 버티며 기계적 응력의 충격을 도맡아 받아 낸다. 한편 해면골은 안쪽에 자리한 스펀지 같은 격자 구조의 물질로, 작은 들보들이 그물처럼 얽혀 힘을 내부 전체로 분산시킨다. 둘을 함께 배열하면 최소한의 질량으로 최대한의 강도를 얻는데, 이는 엔지니어가 제 무게에 짓눌려 무너지지 않으면서 큰 하중을 견뎌야 하는 다리를 지을 때 쓰는 바로 그 원리다. 이주하는 새는 사실상 날아다니는 트러스 골격을 짊어지고 있는 셈이다.

길 떠나는 동물들과 그들이 누비는 거리

이 상징적인 이주들은 지구의 모든 서식지를 가로지르며 모든 주요 동물 무리에 두루 미친다. 제왕나비의 여러 세대에 걸친 순환은 4,800킬로미터가 넘는 거리를 아우른다. 비둘기만 한 크기에 지나지 않는 바닷새 북극제비갈매기는 한 해에 4만 킬로미터에 가까운 거리를 날아, 한쪽 극에서 다른 쪽 극으로 그리고 다시 돌아오며 여름을 좇기에, 살아 있는 그 어떤 생물보다도 많은 낮의 빛을 본다. 혹등고래는 먹이를 구하는 차갑고 생산력 높은 바다와 짝짓고 새끼를 낳는 따뜻한 열대 얕은 바다 사이를 약 1만 6천 킬로미터씩 헤엄친다. 동아프리카의 평원에서는 100만 마리가 넘는 누 떼가 비와 풀을 따라 세렝게티를 한 바퀴 도는 약 1,800킬로미터의 회로를 밟는다. 그리고 태평양 연어는 아마도 그 가운데서도 가장 정확한 묘기를 부리는데, 드넓은 대양의 익명성 속에서 자기가 부화한 바로 그 민물 개울로 돌아오는 것이다.

이 여정들을 하나로 묶는 것은 거리가 아니다. 거리는 그야말로 천차만별이다. 그것을 묶는 것은 이 여정이 겨냥된 정밀함이다. 이 동물 가운데 어느 것도 헤매고 있지 않다. 저마다 특정한 어딘가를 향해 가고 있으며, 이야기의 나머지는 그들을 그곳까지 데려다주는 기관에 관한 것이다.

해와 별을 읽기

통제된 실험에서 처음으로 해독된 길찾기 단서는 하늘에서 가장 뻔한 것이었다. 1949년, 빌헬름스하펜의 막스 플랑크 연구소에서 일하던 구스타프 크라머는 이주를 앞두고 안절부절못하는 새장 속 찌르레기들이 떠나려는 방향을 일정한 쪽으로 잡으며, 그 방향이 해를 따라간다는 것을 보였다. 그가 거울을 써서 해의 겉보기 위치를 옮기자, 새들은 고분고분 같은 각도만큼 방향을 옮겼다. 더욱 놀랍게도 크라머는 새들이 하루가 지나는 동안 하늘을 가로지르는 해의 움직임을 보정한다는 것을 증명했다. 해의 방위각, 곧 지평선을 따라 잰 나침반 방위는 새벽부터 해 질 녘까지 끊임없이 바뀌기 때문에, 해 나침반은 그것을 해석할 시계가 없으면 쓸모가 없다. 찌르레기는 그 시계를 지니고 있었으니, 지금이 몇 시인지, 따라서 남쪽이 어디인지를 일러 주는 몸속의 일주 리듬이었다.

그러나 많은 명금류는 해가 사라진 밤에 이주하며, 이들은 다른 하늘을 읽는 것으로 드러났다. 1967년 스티븐 엠렌은 사로잡은 쪽빛멧새들을 코넬 대학교의 천문관으로 데려가 인공 밤하늘을 보게 했다. 새들은 그 하늘에 맞춰 방향을 잡았다. 엠렌이 투영된 별들을 돌려 인공 하늘이 가짜 천구 극을 중심으로 회전하게 하자, 멧새들은 그에 맞춰 방향을 옮겼다. 그들은 개별 별자리를 외우고 있다기보다는, 하늘 전체가 회전하는 것처럼 보이게 만드는 그 고정된 점, 곧 천공의 기하를 읽고 있었던 것이다. 북반구에서 그 점은 북극성 가까이에 자리하며, 그에 가장 가까운 별들은 가장 적게 움직여서, 멧새에게나 뱃사람에게나 한결같이 참된 북쪽을 짚어 준다.

지구 자기장을 가리키는 내면의 나침반

맑은 하늘은 사치이며, 여러 밤에 걸쳐 궂은 날씨를 뚫고 이주하는 동물들은 해나 별에만 기댈 수 없다. 그들은 어둠 속에서도 구름을 뚫고서도 작동하는 예비 수단을 지니고 있으니, 지구 자기장을 느끼는 감각이다. 결정적인 증명은 볼프강과 로스비타 빌치코 부부에게서 나왔는데, 이들은 1972년 프랑크푸르트 대학교에서 유럽울새(Erithacus rubecula)의 자기수용을 기록하기 시작했다. 그들은 새장에 갇힌 새가 본래라면 길을 떠났을 철에 사로잡히는 이주 안절부절못함, 곧 Zugunruhe에 빠진 울새들을 두고, 코일로 새장 둘레의 자기장을 바꾸었다. 새들은 그 자기장에 발맞춰, 예측 가능하고 되풀이되게 방향을 다시 잡았으니, 이는 그들이 내면의 자기 나침반을 지녔다는 뜻일 수밖에 없었다.

그 나침반이 어떻게 작동하는지는 그것이 존재한다는 사실보다 훨씬 더 밝혀내기 어려운 것으로 드러났고, 가장 유력한 설명은 대부분의 사람이 생물학이 발 들이리라 예상치 못할 영역에까지 닿는다. 빌치코 부부의 발견 위에 곧장 쌓아 올려 온 올덴부르크 대학교의 헨리크 모우리첸과 그 협력자들은, 자기 감각이 새의 눈 속에 깃들어 있으며, 망막의 광수용체에 있는 크립토크롬-4라는 빛에 민감한 단백질이 그것을 매개한다고 주장해 왔다. 제시된 기제는 정말이지 기묘하다. 푸른빛이 크립토크롬 분자에 부딪치면, 화학자들이 라디칼 쌍이라 부르는 것으로 전자쌍 하나를 갈라놓는데, 짝을 잃은 두 전자의 양자 스핀 상태가 지구의 약한 자기장에 미묘하게 떠밀린다. 뒤따르는 화학 반응은 그 스핀 상태에 달려 있으며, 그래서 이 주장에 따르면 새는 자기장을 제 시야 위에 겹쳐진 무늬로 말 그대로 보고 있을지도 모른다. 이것은 아주 작은 것의 물리학, 곧 양자역학의 영역이 온혈 동물의 일상에 떠오르는 듯 보이는 몇 안 되는 자리 가운데 하나이며, 여전히 활발하면서도 완전히 매듭지어지지 않은 연구 분야로 남아 있다.

냄새로 집을 찾아가는 연어

모든 길잡이가 나침반으로 일하는 것은 아니다. 태평양 연어의 귀향은 우리가 좀처럼 먼 여정과 결부 짓지 않는 감각, 곧 후각에 기댄다. 어느 산골 개울에서 부화한 연어는 때로 처음 자리에서 수천 마일 떨어진 드넓은 대양을 몇 해씩 떠돌다가, 단지 옳은 강 계통으로뿐 아니라 자기가 태어난 바로 그 지류로 돌아온다. 1950년대 위스콘신 대학교의 아서 하슬러가 그 방법을 알아냈다. 개울마다 물에 녹아든 독특한 화학적 성질, 곧 광물과 흙과 썩어 가는 초목이 어우러져 물에 고유한 냄새를 입히는 그 혼합물을 지니고 있다. 어린 연어였을 때 물고기는 그 냄새를 각인하는데, 삶의 이른 시기에 잠깐 열리는 민감한 창을 통해 그것을 기억 속에 새긴다. 여러 해 뒤, 다른 수단으로 연안의 길목을 헤쳐 가던 연어는 제 코를 따라 갈라지는 강을 거슬러 오르며, 갈림길마다 집 냄새가 나는 물길을 고른다. 이것이 후각 각인이며, 수천 개 가운데 하나의 개울을 찾는다는 추상적인 문제를, 기억해 둔 냄새를 알아보는 구체적인 일로 바꾸어 놓는다.

가장 놀라운 대목, 그리고 끈질긴 오해

이제 다시 제왕나비로 돌아가자. 그 이야기야말로 가장 깊은 수수께끼를 품고 있기 때문이다. 동부 제왕나비는 한 해의 순환을 한 생애가 아니라 네 세대에 걸쳐 완성한다. 짧게 사는 세 여름 세대가 미국 북부와 캐나다 전역에서 번식하는데, 성충은 저마다 겨우 몇 주를 산다. 그러다 가을이 다가오면 생물학적으로 다른 네 번째 세대가 나타난다. 이 초세대는 몇 주가 아니라 여덟아홉 달을 살고, 번식을 미루며, 똑같은 멕시코의 숲을 향해 4,800킬로미터에 이르는 남행을 통째로 해내고, 그 오야멜 전나무에서 겨울을 나며, 이듬해 봄에 다시 북쪽으로의 여정을 시작한다.

결정적인 사실은 어느 제왕나비 한 마리도 왕복 여정을 통째로 해내지 못하며, 남쪽으로 날아가는 어떤 제왕나비도 멕시코에 가 본 적이 없고, 그 부모도, 그 조부모도 마찬가지라는 점이다. 따라갈 어른도, 배워 둘 길도 없다. 이는 흔하면서도 그럴 만한 한 가지 오해와 정면으로 충돌한다. 곧 이주하는 동물이 어떤 우두머리를 뒤따르거나, 배워 둔 길을 따라 하거나, 자기를 앞으로 불러내는 어떤 신호를 좇아 찾아간다는 생각 말이다. 이주하는 종 대부분은 이 가운데 어느 것도 하지 않는다. 경로도, 기간도, 방향도, 목적지도 모두 물려받은 길찾기 프로그램에 새겨져 있으며, 그것은 유전자에 적혀 우리가 지금껏 묘사해 온 바로 그 나침반들을 통해 발현된다. 제왕나비는 우리가 안다고 인정할 만한 어떤 뜻으로도 멕시코가 어디인지 알지 못한다. 그저 제 몸이 하도록 지어진 일을 할 뿐이며, 그것으로 충분하다.

핵심 요약

이주는 서식지 사이를 오가는 계절적 장거리 이동으로, 막대한 에너지 비용을 그보다 더 큰 번식 보상이 능가하며, 제왕나비의 여러 세대에 걸친 4,800킬로미터 순환에서부터 북극제비갈매기의 4만 킬로미터에 이르는 극과 극을 잇는 회로, 혹등고래의 1만 6천 킬로미터, 누 떼의 1,800킬로미터 세렝게티 한 바퀴, 태평양 연어의 자기 출생 개울로의 정확한 귀환에 이르기까지 동물계 전반에 두루 나타난다. 날아서 이주하는 동물은 최소한의 질량으로 강도를 내도록 조율된 골격을 갖추고 있는데, 함기화된 뼈와 융합된 골반 및 날개 구조, 그리고 효율을 위해 배열된 치밀골과 해면골이 그것이다. 한편 길찾기 자체는 수십 년의 실험에 걸쳐 해독된, 물려받은 나침반 도구 모음에 기댄다. 곧 찌르레기에게서 밝혀진 크라머의 시계 보정 해 나침반, 쪽빛멧새에게서 밝혀진 엠렌의 별 나침반, 유럽울새에게서 밝혀진 빌치코 부부의 자기 나침반과 모우리첸이 탐구한 그 제안된 양자적, 크립토크롬 기반 기제, 그리고 연어에게서 밝혀진 하슬러의 후각 각인이다. 무엇보다 결정적으로, 이 여정들은 이끌리거나 가르쳐지거나 뒤따라지는 것이 아니라 물려받는 것이며, 네 세대에 걸친 제왕나비의 순환이 이를 의심의 여지 없이 증명한다. 한 번도 본 적 없는 곳으로 날아가는 그 동물은 경로를 제 기억이 아니라 제 생물학의 일부로 품고 있기 때문이다.