투명한 나비날개 비밀을 밝혀냈다

자연 스텔스 기능 파악해 기술개발에 활용

대부분의 나비는 아름다우면서도 다채로운 무늬의 날개를 갖고 있다.

그러나 투명한 날개를 지닌 나비도 있다. 남미에서 서식하고 있는 ‘그레타 오토(Greta Oto)’란 나비인데 5~6cm 길이의 유리처럼 투명한 날개를 가지고 있다.

날개가 투명해 ‘유리 나비(glasswing butterflies)’라 불리기도 하는데 그런 만큼 포식자의 눈에 띄지 않기 때문에 자신을 보호할 수 있다. 흥미로운 것은 이 날개 속에 다양한 과학원리가 담겨 있다는 것이다.

남미 지역에 서식하고 있는 투명 날개의 그레타 오토(Greta oto). 과학자들이 이 나비의 날개 조직을 분석해 자연적으로 발달한 스텔스 기능을 분석하고 있다. ⓒWikipedia

날개 표면조직에서 빛 반사율에 관여

과학자들이 주목하고 있는 것은 적의 눈에 띄지 않는 스텔스(stealth) 기술이다.

‘사이언스 뉴스’ 등 주요 과학언론에 따르면 최근 미국 해양생물학연구소(MBL), 버클리 대학 과학자들은 이 자연 스텔스 기술의 비밀을 알아보기 위한 연구를 진행했다.

그리고 투명한 날개 표면 위의 두 번째 층에 왁스 같은 나노필러(nanopillars)라 불리는 밀랍 구조가 있음을 발견했다. 이 나노 크기의 기둥들은 날개에 빛 반사를 방지하는 특성(anti-reflective properties)을 부여하고 있었다.

연구팀은 투명한 무색의 액체 헥산(hexane)으로 왁스층을 제거하기 전과 제거한 후에 날개의 반사율을 분석했다. 그리고 날개 윗부분이 빛 반사로 인한 눈부심을 줄이는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었다.

연구팀을 이끈 니팜 파텔(Nipam Patel) 박사는 “그동안 날개 표면 두 번째 층에 있는 이 왁스층이 건조되는 것을 방지하는데 도움을 주고 있는 것으로 판단하고 있었다. 그러나 빛 반사를 하고 있는 사실이 밝혀짐으로써 스텔스 기능 연구에 활력을 주고 있다.

투명한 나비 날개의 모습. 왼쪽은 투명 영역과 불투명 영역 사이의 경계, 가운데 투명 영역에는 단일 또는 갈래의 강모가 있는 희박하고 얇은 비늘이 있다. 오른쪽에서 보는 것처럼 불투명한 검은 색 영역에는 겹치는 잎 모양의 비늘이 있다. ⓒ A. POMERANTZ ET AL / JEB 2021

파텔 박사는 “사람이 유리에 눈부심 방지 코팅을 적용하는 법을 알아냈기 때문에 사람이 매우 훌륭하다고 생각할 수 있지만, 나비는 수천만 년 전에 그것을 알고 있었다.”고 말했다.

그는 “최근 연구 방향에 이러한 투명 구조가 어떻게 진화돼왔는지 깊이 있는 연구를 진행하는 것이 포함돼 있다.”며, “자연 스스로 이 새로운 나노 구조를 어떻게 만들고 있는지 그 방법에 대해 더 많이 배울 수 있다면 향후 투명 나노구조 연구에 큰 도움을 줄 수 있을 것”으로 기대했다.

연구팀은 현재 공초점 및 전자현미경을 활용, 투명 날개 영역과 불투명 날개 영역을 비교해 투명 날개가 어떻게 발달해왔는지 그동안 밝혀지지 않는 과정을 규명하고 있는 중이다.

논문은 과학저널 ‘실험 생물학(Pomerantz)’ 최근호에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Developmental, cellular and biochemical basis of transparency in clearwing butterflies’이다.

스텔스 나노구조 개발에 활용할 수 있어

나비와 나방의 날개(Lepidoptera)는 진화생물학, 생태학, 생물물리학을 포함한 다양한 분야 연구에 영감을 불어 넣고 있다.

나방을 포함한 나비 날개는 일반적으로 다채로운 패턴을 부여하는 비늘로 뒤덮여 있다. 편평하고 부분적으로 겹치는 이 비늘은 날개의 색상 단위 역할을 하는 키틴(chitin)으로 덮인 돌출부를 말한다.

이 돌출부에서는 특정 파장의 빛을 선택적으로 흡수하는 분자를 통해 착색을 통해 다채로우면서도 아름다운 색상들을 생성할 수 있다. 많은 사람이 나비 날개에 심취하는 이유가 여기에 있다.

이와는 달리 수많은 종의 나비와 나방은 빛이 통과 할 수 있는 투명한 날개를 가지고 있어 그 뒤에 있는 물체를 뚜렷하게 볼 수 있다. 이런 특성은 적으로부터 자신을 보호하기 위한 것으로 다양한 방식으로 투명 날개를 발전시켜왔다.

이번 연구에 참여한 캘리포니아 버클리 대학의 생물학자 아론 포메란츠(Aaron Pomerantz) 교수는 페루에서 나비를 연구하면서 열대 우림에서 날아다니는 이 투명한 나비에 주목했다.

날개 영상을 확대한 결과 투명 영역에는 희박하고 얇은 비늘이, 검은색 영역에는 겹치는 잎 모양의 좁고 뻣뻣한 비늘들이 다른 나비들과는 달리 더 멀리 떨어져 있었다. 그 결과 투명 날개 막의 약 2%만 검은색 영역으로 보일 뿐 약 80%는 투명한 모습을 보이고 있었다.

투명성은 빛의 흡수나 반사 없이 물질을 통해 통과할 때 발생하는 현상이다.

반사율은 물질의 종류와 표면의 상태에 따라 달라진다. 생물에 있어 반사율은 주로 생물학적 조직과 매질 간의 굴절률 차이에 의해 결정되는데 차이가 클수록 표면 반사율이 높아진다.

이번 연구에서 연구팀은 날개 막 표면의 나노 구조가 두 개의 층으로 구성돼 있음을 확인할 수 있었다. 규칙적으로 배열된 젖꼭지 모양의 나노 구조의 하부층과 불규칙하게 배열된 왁스 형태의 나노 기둥(nanopillars)이 그것이다.

연구팀은 광학 분광법, 분석 시뮬레이션을 통해 왁스 기반의 나노 기둥을 화학적으로 제거함으로써 이 부분에서 반사방지 특성을 생성하는 역할을 하고 있다는 사실을 입증했다.

과학계는 이러한 발견이 자연적으로 조직된 미세 나노 구조의 형태 발생과 구성에 대한 통찰력을 제공하고 새로운 반사방지 재료에 대한 아이디어를 제공할 수 있을 것으로 보고 있다.

포메란츠 박사는 “미래 연구에서는 이러한 투명한 구조가 어떻게 진화했는지 더 깊이 탐구하는 것이 포함돼 있으며, 이 과정을 통해 자연이 투명성을 위한 새로운 나노 구조를 어떻게 만들어내는지 알게 될 것”이라고 말했다.

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