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지구상에서 가장 큰 동물의 심장 박동을 듣는 것은 과학자들에게 무엇을 가르쳐줍니까?

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지구상에서 가장 작은 포유류 중 하나인 에트루리아 식충동물의 심장은 분당 최대 1500번 또는 초당 25번으로 매우 빠르게 뜁니다. 이에 반해 사람의 심장은 1분에 60~100번 뛴다.

이제 지금까지 살았던 가장 큰 동물인 대왕고래를 생각해 보십시오. 이 거대한 바다 생물은 통학 버스 두 대보다 길 수 있으며, 2인용 소파 크기에 무게가 450kg이 넘는 심장은 분당 두 번 뛴다. 대왕고래의 수중 가슴에 큰 청진기를 대면 다음과 같은 소리가 들릴 것입니다.

위의 클립은 과학자들이 몇 년 전 캘리포니아 몬터레이 만의 대왕고래에서 수집한 실제 데이터를 사용하여 제작되었습니다. 물 속으로 잠수할 때는 심박수가 낮았지만 호흡을 위해 수면 위로 올라오면 분당 37회까지 뛰었다.

지난 몇 년 동안 과학자들은 야생 고래의 심장 박동을 듣는 방법을 알아냈습니다. 물론 그들의 목표는 이 동물의 심장 박동수를 확인하는 것이 아니라 생물학의 가장 기본적인 질문 중 하나인 동물이 얼마나 커질 수 있는지에 대한 답을 찾는 것입니다.

공룡보다 큰 대왕고래의 심박수 측정은 심장 크기가 신체 크기를 제한할 수 있음을 시사합니다. 또한 고급 모니터링 도구의 도움으로 이러한 발견은 과학자들이 바다의 가장 신비한 위협 중 하나로부터 이 거대한 바다 거인을 보호하는 데 도움이 될 수 있습니다.

대왕고래는 어떻게 이렇게 컸을까?

짧은 대답: 음식. 수백만 년 전, 대왕고래는 크릴이라고 불리는 작은 갑각류를 먹기 위해 진화했습니다. 이러한 음식은 큰 몸을 만드는 데 도움이 될 수 있으며, 몸집이 크면 이 동물이 더 큰 물기를 먹고 한 크릴 뷔페에서 다음 크릴 뷔페로 더 잘 이동할 수 있습니다.

하지만 흥미로운 점은 바다에 고래를 더 크게 만들기에 충분한 크릴새우와 다른 수생 생물이 있다는 것입니다. 맥스 자판스키해양 포유류를 연구하는 스탠포드 대학 연구원은 “음식만으로는 고래의 몸 크기를 제한하지 않는 것 같다”고 말했다. “그들의 몸이 커지는 것을 막는 무언가가 있을 것입니다.”

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과학자들은 그 답이 마음 속에 있을지도 모른다고 생각합니다.

대왕고래의 심장은 플라스틱이 물과 지방을 대체하는 플라스티네이션(plastination)이라는 기술로 보존되었습니다.

고래는 보통 수백 피트를 수중에서 모으는 크릴을 먹는 동안 숨을 참습니다. 이로 인해 혈액에 이산화탄소가 축적됩니다. 이 동물들이 숨을 쉬기 위해 수면으로 돌아올 때 심장 박동수가 증가하여 몸에서 이산화탄소를 제거하고 신선한 산소로 대체하여 다시 물 속으로 잠수하여 먹이를 계속 찾을 수 있습니다.

더 큰 심장은 더 느리게 뛰고 몸에 산소를 공급하는 데 더 오래 걸립니다. 이것은 고래가 수면에서 호흡하는 데 더 많은 시간을 보내야 한다는 것을 의미하며, 이는 크릴새우와 같은 제철 자원을 먹여야 하는 귀중한 시간을 앗아갑니다. 이 동물의 심장이 너무 크면 먹을 시간이 충분하지 않을 수 있습니다.

심장 크기가 고래를 어떻게든 제한한다면 이론적으로 동물이 공기에 노출될 때 심장이 최대한 빨리 작동해야 합니다. 이것이 과학자들이 2018년에 대왕고래 심장 박동수를 측정하기 시작했을 때 알고 싶었던 것입니다.

고래를 위한 Fitbit

간단한 의료 청진기부터 Fitbits 및 Apple Watch와 같은 웨어러블 기기에 이르기까지 우리 자신의 심박수를 측정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 그러나 고래의 심박수를 측정하는 것은 매우 어렵습니다.

고래는 두꺼운 지방층으로 덮여 있으며 수백 피트 수중에서 잠수합니다. 이 깊이에서는 수압이 높습니다. 심박수 모니터가 이러한 조건에서 작동하더라도 과학자들은 고래를 찾아 장치를 부착한 다음 회수해야 합니다. 과학자들은 2018년에 이 작업을 수행했습니다. 늦여름에 연구자들은 몬터레이 만(Monterey Bay) 해역에서 큰 무리의 대왕고래를 연구하고 있었습니다.

연구자들은 연구용 팽창식 보트에서 고래 중 하나에 접근하고 20피트 막대를 사용하여 고래의 왼쪽 지느러미 뒤에 특수 EKG 센서를 부착했습니다. 고래는 물 속으로 들어갔고 몇 시간 후 장치가 물 표면에 떠 있었고 연구원들은 그것을 회수할 수 있었습니다.

전기 신호를 측정하는 EKG 센서는 몇 시간 동안 동물의 심장 박동을 기록했습니다. 위의 클립은 동일한 데이터에서 가져온 것입니다. 제시카 켄달-바해양 포유류를 연구하는 과학자는 심박수 데이터를 오디오 파일로 변환하여 Vox 웹사이트에서 사용할 수 있도록 했습니다.

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물론 이러한 접근 방식에는 심각한 단점이 있다고 EKG 검토를 기반으로 2019년 논문을 공동 저술한 Zapanski가 말했습니다. 그는 소금물이 전기 센서를 방해한다는 점을 지적하면서 고장률이 정말 높다고 말했습니다. 이러한 이유로 과학자들은 다른 접근법을 찾고 있습니다. 5월에 발표된 논문에서 Zapanski는 가속도계(동물의 움직임을 측정하는)라는 장치가 심박수도 감지할 수 있음을 보여주었습니다.

센서를 고래에 연결하는 Max Czapanskiy / Max Czapanskiy

스탠포드 대학의 연구원인 Max Zapansky는 2021년 9월에 혹등고래에 센서를 배치할 예정입니다.

심장 박동이 있을 때마다 심장에서 혈액이 보내져 고래의 몸이 약간 진동합니다(수도꼭지를 틀고 호스가 뒤로 움직일 때와 유사). 고래가 움직이지 않을 때 가속도계는 그 미묘한 움직임을 기록할 수 있습니다.

EKG 센서와 마찬가지로 가속도계는 고래에 부착된 경우에만 작동합니다. 그러나 이러한 장치는 큰 장점이 있습니다. 과학자들은 다른 것들을 측정하기 위해 거의 20년 동안 고래에 장치를 넣어왔기 때문에 분석할 수 있는 많은 심박수 데이터가 있습니다.

고래의 심장 박동이 우리에게 가르치는 것

대왕고래 심박수 데이터는 이 동물들이 본질적으로 두 가지 다른 심박수를 가지고 있음을 보여줍니다. 그 중 하나는 느립니다. 고래의 몸이 산소를 유지하려고 할 때 물 속으로 다이빙하는 고래의 위에서 들은 클립처럼. 다른 비트는 빠르며 고래가 수면으로 돌아와 심장이 산소를 재생하려고 할 때와 일치합니다.

연구원들이 가정한 바와 같이, 큰 몸체를 갖는 것이 문제가 될 수 있는 것은 수면 위에서이다. EKG 데이터에 따르면 대왕고래의 심장 박동은 약 1.8초 동안 지속되며 이는 심장이 분당 약 33번만 뛰는 것을 의미합니다. 그러나 고래가 숨을 쉬고 있을 때 심장 박동수는 이 한계보다 약간 더 높았습니다. 이것은 중요한 점을 보여줍니다. 대왕고래의 심장은 최대 용량이며 그보다 더 빨리 뛸 수 없습니다.

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그러나 이 문제가 신체 크기 제한과 어떤 관련이 있습니까? 고래가 더 컸다면 더 큰 심장과 더 많은 음식이 필요했을 것입니다. 그러나 여기서도 큰 심장은 더 느리게 뛰고 동물은 물 표면에서 더 많은 시간을 보내야 하므로 먹이를 찾는 시간이 줄어듭니다. 따라서 이 동물이 더 크면 큰 몸을 유지하기에 충분한 음식을 얻지 못할 수 있습니다.

이것이 자판스키가 대왕고래보다 더 큰 가상의 동물을 상상조차 하기 어려운 이유입니다. 이 동물들은 음식이 풍부한 환경에 살고 있지만 그들의 몸은 동물이 음식을 먹는 속도를 제한합니다.

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영양 밀도가 높은 음식의 거대한 새로운 원천이 나타나지 않는 한(또는 동물이 새롭고 매우 효율적인 생리학을 진화시키지 않는 한) 대왕고래는 지금까지 살았던 동물 중 가장 컸을 뿐만 아니라 가능한 가장 큰 동물일 수 있습니다.

물론, 제레미 골드보겐스탠포드 대학의 부교수이자 2019년에 출판된 EKG 논문의 저자인 , 박사는 신체 크기를 제한할 수 있는 크릴의 분포 및 계절적 풍부와 같은 다른 요인이 있다고 말했습니다. 또한 대왕고래가 먹이를 찾는 데 얼마나 많은 시간을 소비하는지와 같이 대왕고래의 생태에 대한 답이 없는 질문도 있습니다. 여기에서 다른 연구와 Zapanski의 가속도계 데이터가 유용할 수 있습니다.

고래 좌초의 미스터리 풀기

고래에게 심박수 모니터를 장착하는 것도 이 동물들에게 유용할 수 있습니다. Apple Watches가 화가 나거나 두려울 때 심박수 증가를 감지할 수 있는 것처럼 고래의 센서는 이러한 동물이 스트레스를 받고 있는지 알 수 있습니다.

데이브 하스고래, 돌고래 및 기타 동물을 위한 Fitbit과 같은 장치를 만드는 FaunaLabs의 해양 과학자이자 공동 설립자는 장치가 고래 좌초 또는 자살의 오랜 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 수도 있다고 말했습니다.

매년 수천 마리의 고래가 해변으로 밀려오지만 과학자들은 그 이유를 모릅니다. 적어도 어떤 경우에는 이 행동이 항해 활동과 관련된 것으로 보이며 일부 과학자들은 소나가 일부 고래와 돌고래의 항해를 방해할 수 있다고 추측합니다. “생리학을 측정할 수 있다면 이러한 신호가 심장 박동수에 어떤 영향을 미치는지 실시간으로 알 수 있습니다.”라고 Haas는 말합니다.

과학자들은 심박수 모니터를 사용하여 고래에게 스트레스를 주는 원인을 파악하고 잠재적인 솔루션을 테스트할 수도 있습니다. Haas는 최상의 시나리오에서 선박에서 방출되는 소리의 주파수나 강도를 약간만 변경해도 고래에게 무해한 소리가 될 수 있다고 말했습니다.

이러한 방식으로 고래의 심장 박동을 듣는 것은 이 동물들이 얼마나 예외적이고 그들의 해부학이 얼마나 독특한지를 우리에게 가르쳐줍니다. 그러나 그것은 또한 지구에 살았던 가장 큰 동물인 이 바다 거인을 구하는 데 도움이 될 수도 있습니다.

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