이원영의 "남극의 과학자, 남극의 동물"

까치를 연구하던 젊은 동물행동학자가 우연한 기회에 찾아간 새로운 생태계 연구 현장인 남극. 극지연구소의 이원영 박사가 남극에서 겪은 연구자의 삶, 그리고 거기에서 경험한 다양한 동물과 자연 생태에 관한 이야기를 전한다.

펭귄 암수 구별해주는 남극의 특별한 수학계산식

[5] 펭귄의 성 판별식


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즈를 하나 내겠습니다. 위 사진에서 턱끈펭귄 부부 중 누가 암컷이고 수컷일까요? 참고로 말씀드리자면, 저는 대략 90%의 확률로 맞출 수 있습니다. 정답과 방법은 맨 끝에서 설명해드리죠.


성별을 구분하기가 좀 모호하죠? 보통 새들의 겉모습만 보고 성별을 구분하기란 그렇게 쉽지 않습니다. 물론 공작새나 꿩처럼 수컷이 화려한 깃털을 지닌 새들은 암수가 쉽게 구분됩니다. 하지만 암컷과 수컷이 비슷하게 생긴 새들이 많기 때문에 사람 눈으로 잘 구별되지 않습니다. 새들끼리는 자기들만의 어떤 방식을 이용해서 알아볼 수 있을 것으로 추측됩니다. 예를 들어, 울음소리와 같은 청각 정보 혹은 냄새처럼 후각 정보를 사용할 수도 있겠죠. 아니면 미묘한 외양의 차이를 인지할 수도 있겠죠. 인간들이 서로 얼굴만 보고도 남자인지 여자인지 구분하는 것과 비슷한 방식으로 말이죠.


사람들 중에 동물의 성별을 기가 막히게 잘 구분하는 직업을 가진 사람들도 있습니다. 닭의 암수를 분리하도록 특별히 훈련을 받은 ‘병아리감별사‘들이 그렇습니다. 병아리감별사는 항문과 날개 모양의 미세한 외형적인 특징들만 파악해 빠른 시간 내에 암수를 구분함으로써, 사육농장에서 필요한 암탉을 미리 골라냅니다. 야외에서 연구하는 동물행동학자들도 연구하는 동물의 암컷과 수컷을 구분해내는 것은 매우 중요합니다. 성별에 따라 행동의 차이가 있는지 비교하기 위해선 필수적으로 알아야 하는 사항이죠. 펭귄처럼 겉으로 암수가 잘 구분되지 않는 종을 연구하는 경우엔 특히나 중요한 일입니다.


[ https://youtu.be/41feA9hg6d0 ]



어려운 성별 구분…성염색체 이용한 확실한 방법

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과거엔 주로 짝짓기 하는 행동을 보고 암컷과 수컷을 구분했다고 합니다. 하지만 종종 수컷이나 암컷끼리도 짝짓기와 유사한 행동을 하는 경우도 관찰되기 때문에 확실한 방법은 아닙니다. 암수를 구분하는 가장 정확한 방법은 혈액을 뽑아 그 안에 담긴 유전 정보를 추출해서 비교하는 것입니다. 바로 암컷과 수컷의 성염색체의 차이를 이용하는 것이죠.


사람의 경우에 남자는 ‘XY’, 여자는 ‘XX’의 성염색체를 가지고 있습니다. 즉, 수컷은 서로 다른 유형(heterotype)의 염색체가 짝을 이루고 있으며, 암컷은 서로 같은 유형(homotype)의 염색체가 짝을 이루고 있습니다. 따라서 이 성염색체 부위를 시각화할 수 있는 방법을 이용한다면 성별을 쉽게 구분할 수 있겠죠.


류의 경우엔 수컷이 ‘ZZ’, 암컷이 ‘ZW’의 성염색체를 나타냅니다. 사람과는 반대의 경우입니다. 수컷이 서로 같은 유형, 암컷이 서로 다른 유형의 염색체들이 성염색체를 이루고 있죠. 이 성염색체의 차이를 눈으로 보고 구분하려면 어떻게 해야 할까요? ‘중합효소 연쇄반응’(polymerase chain reaction, PCR)이라는 분자생물학적인 방법을 이용하면 굳이 성염색체 전체를 다 들여다보지 않고도 가능합니다.


성염색체의 DNA 부위를 찾아서, 그 부분이 합성되도록 중합효소(polymerase)를 넣어주고 온도를 조절해줍니다. 그러면 DNA 가닥이 떨어졌다 붙었다를 반복하며 폭발적인 연쇄반응(chain reaction)을 일으키며 특정 DNA 만 반복적으로 만들어지게 되고, 마침내 우리 눈으로 확인할 정도의 양이 쌓이게 되는 거죠. ‘ZZ’의 성염색체를 가진 수컷은 한 가지 길이의 DNA만 합성이 되고, ‘ZW’의 성염색체를 가진 암컷은 두 가지 길이의 DNA가 합성되도록 만듭니다. 그런 다음에 합성된 DNA들을 모아서 미세한 전기를 걸어주면 DNA는 음의 전하를 띄고 있기 때문에 (+)극으로 끌려가게 됩니다. 천천히 끌려가면서 DNA 가닥의 길이에 따라 나뉘게 되는데, 긴 길이의 DNA는 천천히 끌려가고 짧은 길이의 DNA는 좀더 빠르게 (+)극으로 움직이죠. 실험이 제대로 됐다면, 사진에서 보시는 것처럼 한 가지 종류의 DNA만 합성된 수컷은 하나의 선만 나타날 것이고 두 가지 종류의 DNA가 합성된 암컷은 두 개의 선을 나타낼 것입니다.


00penguin_bird.jpg » [왼쪽] 조류는 암컷이 ZW, 수컷이 ZZ의 성염색체를 가지고 있습니다. / 출처: Wikimedia Commons. [오른쪽] 펭귄의 암수를 구분하기 위한 분자생물학적 결과의 예시. 700-800bp 부근에 밴드가 1개 뜨면 수컷, 2개 뜨면 암컷이다. / 출처: ‘남극특별보호구역 모니터링 및 남극기지 환경관리에 관한 연구’ 보고서(환경부 2015)



야외에선? 외형 관찰해 ‘계산식’으로 판별

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이처럼 확실한 분자생물학적인 방법으로 조류의 암수를 구분할 수 있지만, 동물행동학자들에게는 여전히 야외 현장에서 병아리감별사들처럼 암수를 구분하는 방법이 필요합니다. 남극처럼 추운 극한 환경에서 연구하는 경우엔 혈액을 뽑는 것도 쉬운 일이 아닙니다. 혈관을 찾아서 주사바늘을 꽂는 과정은 연구자들만 힘들 게 하는 아니라 펭귄도 상당한 스트레스를 받게 되죠. 게다가 분자생물학적인 방법을 쓰려면 그만큼 연구실에서 추가 작업을 해야 합니다. 적어도 하루 정도는 더 걸리겠죠. 만약 병아리감별사들처럼 몇 가지 외형적인 특징을 파악해 구분할 수 있다면 현장 연구에선 그 방법이 훨씬 유용할 겁니다.


래서 예전부터 펭귄 연구자들은 분자생물학적인 방법과 동시에 현장에서 쓸 수 있는 ‘외형을 통한 성별 감식 방법’을 개발하려고 노력했습니다. 일종의 ‘성 판별식’을 만드는 거죠. 원리는 이차방정식의 판별식과 비슷합니다(이차방정식 ‘ax2 + bx + c = 0‘에서 판별식은 ’b2 - 4ac‘이다). 이차방정식의 판별식에서 a, b, c의 값을 대입하고 그 결과값이 0보다 크거나 같으면 실근, 0보다 작으면 허근을 갖습니다. 성 판별식도 이와 비슷합니다. 예를 들어 a와 b의 측정값이 있을 때에, 4a+3b의 결과값이 0보다 크면 수컷, 작으면 암컷이라고 판단할 수 있다면, 그렇다면 이때에 ’4a+3b’이라는 식이 성 판별식이 되는 거죠. 성 판별식이 얼마나 정확한지는 분자생물학적인 방법과 비교하면 알 수 있을 겁니다. 보통 80-90% 이상의 정확성은 확보되어야 현장 연구에서 사용할 수 있습니다.


00penguin2.jpg » 펭귄의 부리길이(Bill Length)와 두께(Bill Depth)를 측정하는 방법 / 출처: Amat et al. (1993)에서 변형


남극 펭귄의 성별을 구분하기 위해서 가장 많이 쓰이고 있는 방법 중 하나는 펭귄의 부리길이와 두께를 측정하는 방법입니다. 부리의 길이가 길고 두께가 두꺼우면 수컷이고 작으면 암컷인 경우가 많다는 점을 이용한 것입니다. 지역별 개체군마다 조금씩 측정치가 다르기 때문에 판별식이 달라지지만, 부리길이와 두께만 알면 90% 이상의 높은 확률로 암수를 구분할 수 있습니다.


00penguin3.jpg » 젠투펭귄의 입을 최대로 벌렸을 때의 길이(maximum gap) 측정 / 출처: Renner et al. (1998)에서 변형



우리가 연구하는 펭귄들만의 성 판별식 만들면

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펭귄의 성별을 구분하기 위해 쓰는, 또 다른 방법은 펭귄의 입을 최대로 벌려보는 것입니다. 입을 최대한으로 크게 벌리게 한 뒤 그 길이를 잰다고 하는데, 제가 직접 해보니 측정을 제대로 하기 힘들었습니다. 측정치가 신뢰성이 있으려면 반복 측정을 해도 비슷한 값이 나와야 하는데, 펭귄 입의 벌린 길이는 잴 때마다 다르게 나오더군요. 그리고 측정 과정에서 사람의 힘이 가해진다면 펭귄 입에 손상을 줄 수 있기 때문에 좋은 방법은 아닌 것 같습니다. 다들 그렇게 느꼈는지 이 방법을 이용하는 연구자들을 최근엔 보지 못했습니다.


제 남극 킹조지섬의 세종기지 인근에 사는 펭귄을 대상으로 연구를 진행하면서, 처음엔 기존 연구자들의 성 판별식을 가져다 썼는데 아무리 봐도 뭔가 잘 안 맞는다 하는 느낌이 들었습니다. 부부 관계의 펭귄 두 마리의 측정치를 가지고 성 판별식에 대입했더니, 두 마리 모두 수컷 혹은 암컷이라고 나오는 경우들이 있었습니다. 그래서 기존 성 판별식들을 이용한 결과와 분자생물학적 방법을 통한 결과를 비교해보았더니 정확도는 60-80% 수준으로 예상보다 꽤 낮게 나왔습니다.


남극 세종기지의 펭귄마을 개체군과 다른 펭귄 개체군의 몸 크기 측정치에 차이가 있을 수도 있겠다는 생각이 들었습니다. 같은 펭귄이라 하더라도 개체군마다 조금씩 변이는 있을 수도 있겠다 생각했죠. 그래서 우리가 직접 우리가 연구할 펭귄들을 대상으로 한 성 판별식을 만들기로 했습니다. 판별식을 만드는 과정은 간단합니다. 펭귄의 측정치들과 분자생물학적 방법을 통해 얻은 성별값을 넣고 ‘판별 조사(Discrimination analysis)’라는 통계를 돌리는 것입니다.


턱끈펭귄 46마리를 대상으로 분석한 결과 ‘0.369×(부리길이) + 0,456×(부리두께) - 26.379’라는 판별식을 얻었습니다. 이 식에 부리길이와 두께 측정치를 대입하고 그 결과값이 -0.008보다 크면 수컷으로 판별할 수 있고, 그 신뢰도는 대략 90% 정도입니다. 부리가 좀 길고 두꺼우면 수컷일 가능성이 높은데, 두 개의 측정치를 가지고 보다 정확한 판별식을 구한 것이죠.


젠투펭귄 44마리를 이용해 얻은 판별식은 ‘0.228×(부리두께) + 0.274×(가운데발가락길이) - 34.899’였습니다. 펭귄의 부리두께와 가운데 발가락 길이를 식에 대입해서 얻은 값이 0보다 크면 수컷이고 작으면 암컷이며, 이 경우도 신뢰도는 약 90%입니다. 턱끈펭귄과는 조금 다르게, 부리 두께뿐 아니라 가운데발가락 길이가 중요하게 쓰였습니다. 부리가 두껍고 가운데발가락 길이가 길면 수컷으로 나타났죠.


00penguin4.jpg » 펭귄의 가운데 발가락 길이(Middle toe length). 젠투펭귄의 가운데 발가락을 보면 성별을 알 수 있다. / 출처: Lee et al. (2015)에서 변형



펭귄 연구하다 보니 ‘나는야 펭귄감별사’

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이제 글의 첫머리에서 드린 질문의 정답을 말씀드리겠습니다. 보여드린 사진 속에서 (대략 90% 의 확률로) 아빠는 오른쪽, 엄마는 왼쪽입니다! 다들 맞추셨는지 모르겠네요. 자세히 들여다보시면, 아빠가 조금 더 길고 두꺼운 부리를 가진 것으로 보입니다. 실제 현장에서 보면 그 차이가 좀 더 명확하게 관찰됩니다. 이러한 차이점을 알고 있으면, 현장 연구에서 ‘수컷을 잡아 샘플링을 해야 하는데…’ 하는 생각이 들 때엔 펭귄 부부 중에서 부리가 길고 두꺼운 녀석을 찾으면 됩니다.


해 동안 약 300마리 정도의 펭귄을 잡아 펭귄 몸에 기록 장치를 달고 수거하는 일을 하다 보니, 이제 저도 거의 ‘펭귄감별사’가 된 기분입니다. 무리 속에 짝을 짓고 있는 펭귄 부부가 있을 땐 누가 수컷이고 누가 암컷인지 어느 정도 구분할 수 있게 되었죠. 어디 가서 자랑할 만한 이야기는 아니지만, 보통 사람들은 못하는 걸 나는 할 수 있다고 생각하면서 마음속으로 뿌듯해하곤 합니다.


만일 외계인이 지구에 와서 처음 보는 희안한 생물체인 인간을 관찰할 때, 남자와 여자를 이렇게 외형으로 구분할 수도 있지 않을까요? 몸이 두껍고 엄지발가락이 길면 남자, 아니면 여자, 뭐 이런 식으로 인간 성 판별식을 만들까요? 펭귄 성별 구분에 오랜동안 매달리다보니, 별 생각을 다 해 봅니다.


[참고문헌]


Amat JA, Vinuela J, Ferrer M. 1993. Sexing chinstrap penguins (Pygoscelis antarctica) by morphological measurements. Colon Waterbirds. 16:213-215.

Lee WY, Jung J-W, Han Y-D, Chung H, Kim J-H. 2015. A new sex dermination method using morphological traits in adult chinstrap and gentoo penguins on King George Island, Antarctica. 19:1-11.

Polito MJ, Clucas GV, Hart T, Trivelpiece WZ. 2012. A simplified method of determining the sex of Pygoscelis penguins using bill measurements. Marine Ornithol. 40: 89-94.

Renner M, Valencia J, Davis LS, Saez D, Cifuentes O. 1998. Sexing of adult gentoo Penguins in Antarctica using morphometrics. Colon Waterbirds. 21:444-449.


이원영 극지연구소 생태과학연구실 선임연구원   

@한겨레 과학웹진 사이언스온   



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이원영 극지연구소 생태과학연구실 선임연구원
동물들의 행동을 관찰하면서 ‘왜’ 그리고 ‘어떻게’ 그런 행동을 하는지 질문을 던지고 답을 구하는 연구자입니다. 지금은 남극에서 펭귄을 비롯한 극지의 해양조류들을 연구하고 있으며 ‘이원영의 새, 동물, 생태 이야기’라는 과학 팟캐스트를 진행하고 있습니다.
이메일 : wonyounglee@kopri.re.kr      

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