[2010 동물행동학] KAIST Animal Investigation (Group 5)

2010 KAIST 생명과학과  <Animal Behavior> (김대수 교수님)

KAIST Animal 탐구 5조 (김진건, 류지은, 박솔, 서연주, 오정화, 오현정)

The Study of KAIST geese sleeping location and vocal communication

 

본격적인 탐구 내용 소개에 앞서 카이스트에서 2010년 가을학기 동안 진행되었던,

동물행동학 수업과 KAIST Animal 탐구 과제가 무엇이었는지 간략히 소개하겠습니다. ^_^

 

2010년 가을학기 카이스트 생명과학과에서 개설된 김대수 교수님의

생명과학특강 III <Animal Behavior> 과목은

학생들로 하여금 동물의 행동이 어떻게 발달, 조직되며,

유전적, 환경적 영향에 의해 어떻게 조절되는지에 대한 원리를 이해하게 하는 것을 목적으로 개강된 과목입니다.

 

수업을 들으면서 우리가 별 생각없이 '본능적이야'라고 말하고 넘어갈 수도 있었던

동물의 행동들을 실제 실험을 비롯한 과학적인 방법을 통해 그 원인과 결과를 분석한 자료들과,

분석의 실제 방법들을 배울 수 있었습니다.

 

수업의 일환으로 학생들이 KAIST에 실제로 살고 있는 동물들에 대해 탐구를 해보았는데,

그 중 저희 조는 학교에서 자주 그리고 쉽게 볼 수 있었던 동물이 거위를 관찰했습니다.

 

 

      1. Why Geese?

 

왜 거위를 골랐냐면,

학교에서 굉장히 자주 보고, 우리와 가까이 접근이 가능한 동물이어서

단순히 궁금했기 때문에 시작하게 되었고,

관찰을 하다 보니, 거위의 행동에서 재밌는 특징들이 많이 보여 자세히 탐구하게 되었습니다.

관찰하면서 재밌다고 생각되었던 거위의 행동들 중 두 가지를 골라 실험을 통해 그 행동의 원인에 대해 살펴봤는데,

이제 차례로 저희가 관찰한 내용들을 자세히 살펴보겠습니다. ^^

 

 

2. Study 1 - Sleeping location and its determining factor

(거위의 수면(睡眠) 장소와 장소를 결정하는 요인)

                            

거위들도 사람처럼 밤이 되면 잠을 잡니다.

주로 물가 근처에서 생활하는 거위들이 밤에 잠은 어디서 잘까요?

저희가 관찰해 본 결과 거위들은 주로 물가의 잔디밭 위에서 잠을 잤습니다.

하지만, 가끔씩!! 거위가 물에 들어가서 잠을 자는 것을 보게 되었습니다.

대체 무엇 때문에 거위가 물에 들어간 것일까요?

이 질문에 대해 우리는 다음 그림과 같이 가설을 세워보았습니다.

온도가 낮아진다. -> 땅 위에 비해 물은 비교적 따뜻하다. -> 오리가 물에 들어간다.

 

만약 이 가설이 맞다면, 거위들은 기온이 특정 온도 이하로 떨어지면 물에 들어갈 것입니다.

이 가설이 맞는지 맞지 않는지를 확인하기 위해 우리는 실험을 수행하였습니다.

먼저, 자는 동안 거위들이 주로 확인되는 물 위의 지점 두 군데를 지정하고,

이 두 뭍 point와 물 속 온도, 이렇게 세 곳에 온도계를 장치하여 약 10일간 매일, 특정 시간대에 한 시간 간격으로 온도를 측정하여 비교했습니다.

 

(아래에서 설명하는 중에 장소1, 2, 3으로 각각 얘기하였습니다.)

그리고 온도를 잴 때 거위들이 어디에 위치하는지 관찰했습니다.

다음은 관찰했던 날들 중 11월 16일의 데이터입니다.

둘러싼 사진들은 매 시간마다 찍은 거위들의 모습이고,

표에 보면 8시부터 12시까지 한 시간 간격으로 세 군데 지정된 지점의 온도와 거위들의 위치를

측정한 것을 볼 수 있습니다.

이런 식으로 약 10일간 계속 관찰을 했습니다.

아래 그래프는 전체 관찰 결과를 그래프로 나타낸 것입니다.

그래프를 간단히 설명하자면,

아랫쪽 가로축을 보면 날짜가 써있고, 눈금이 그려진 것을 볼 수 있습니다.

각 눈금이 각 날짜별 관찰한 시각을 나타냅니다.

즉, 눈금 한 칸이 각각 8시, 9시, 10시, 11시, 12시를 나타내는 것이고,

그 시각별로 세로축에 표시된 온도가 측정된 것입니다.

그래프를 보면, 세 가지 색의 선그래프가 보이는데, 그래프의 오른편에 표시를 해두었듯이,

붉은색 선은 1번 장소, 초록색 선은 2번 장소, 푸른색 선은 3번 장소, 즉 물 속의 온도입니다.

그리고, 그래프에 색칠이 되어있는데,

푸른색으로 색칠된 경우는 그 시간에 관찰했을 때 거위들이 물 위에 있었다는 것을 의미하고,

노란색으로 색칠된 경우는 그 시간에 거위들이 물 밖, 즉 땅 위에서 관찰된 것을 의미합니다.

 

이 관찰 결과를 토대로 우리는 처음 세웠던 가설인,

'거위들은 특정 온도 이하로 기온이 떨어지면 물 속으로 들어갈 것이다'라는 명제를 평가해보았습니다.

결과에서 거위들이 물에 들어가는 시점의 온도들의 평균을 내보니, 3.45℃였고, 표준편차는 1.79℃였습니다.

 

우리는 맨 처음 세웠던 가설에 더하여 추가적인 가설을 더 세워보았습니다.

첫 번째로, 시간의 변화에 의해 물에 들어갈 것이다. 즉, 특정 시각이 지나면 거위들이 물에 들어갈 것이라는 가설입니다.

두 번째는, 기온이 떨어지는 정도에 따라 온도가 급격하게 떨어지는 순간에 물에 들어갈 것이라는 가설입니다.

(좀 더 풀어서 설명하자면, 어떤 날에 8시에 기온이 7도였는데 9시에 잰 기온이 5도였다고 해봅시다. 그리고, 그 다음 날에 관찰했을 대는 8시에 마찬가지로 기온이 7도였는데 9시에 기온을 쟀더니 3도로 떨어졌다고 하면, 첫째 날보다 둘째 날의 경우 '온도가 떨어지는 정도'가  훨씬 큰 것이 되겠죠? ^^)

그리고 마지막 세 번째는, 지상과 물의 온도 차이에 따라서 물에 들어갈 것이라는 가설입니다.

 

첫 번째 가설을 먼저 평가해보겠습니다.

관찰한 날들 중 위 그래프에서 회색으로 음영처리된 날만 물에 들어간 것이 관찰되었는데요,

이 날들 중에서 물에 들어간 것이 관찰된 시각의 평균을 내보았더니, 10시였고, 이 시간의 표준편차는 0.71시간이었습니다.

그런데, 이 가설이 맞으려면 특정 시간만 지난다면 항상 거위들이 물에 들어간 것이 관찰되었어야 하는데,

11월 9일과 11월 11일의 경우 물에 들어가는 것이 아예 관찰되지 않았습니다..

즉, 이 가설은 맞지 않는 다는 것을 알 수 있습니다.

 

다음으로, 두 번째 가설입니다. 

물에 들어간 다섯번의 경우 중 온도의 감소 정도가 비교적으로 커 보였던 부분을 빨간색 동그라미로 표시해 보았습니다.

물에 들어가는 순간의 평균적인 기온 감소 정도는 시간당 0.6℃였고, 이 경우의 표준편차는 시간당 0.57℃였습니다.

 

마지막 세 번째 가설입니다.

세 번째 가설의 경우, 물에 들어가던 때의 평균적인 물 속 온도와 기온의 차이는 7.15℃였고, 표준편차는 2.01℃로 나타났습니다.

 

처음 가설을 포함하고, 틀린 것이 확인된 첫 번째 가설을 제외한 세 개의 가설에 대한 평가를 표로 한 번에 정리해봤습니다.

여기서, STD(표준편차)값을 통해서 각 가설들의 일관성을 볼 수 있을 것입니다.

Date	Specific T  (처음 가설)	dT/dt  (가설 2)	ΔT (가설 3)
11/10	3.5	1	7.5
11/12	4.75	0.25	6.25
11/16	5.5	-0.25	4.5
11/17	2.5	1	7.5
11/18	1	1	10
Average	3.45	0.6	7.15
STD(표준편차)	1.79	0.576

아래쪽 파란색 표를 봐주세요.

평균값과 표준편차(STD) 값 외에, 'Error rate(P value)'라고 써진 줄이 보이시나요?

P value는 이 시험에서처럼 동물 행동을 나타낼 때 주로 많이 사용되는 값인데요,

이 값이 작을수록 그 가설의 타당성이 높아진다고 볼 수 있고,

0.05 이하이면 그 가설이 거의 맞다고 볼 수 있답니다.

P value를 비교해보면, 가설 2와 3이 타당하다고 보여질 수 있다는 걸 알 수 있고,

둘 중에서도 가설 3이 더 많이 타당하다고 판단할 수 있습니다.

 

따라서, Study 1의 결과,

거위들은 수면장소를 지상과 물의 온도 차이에 의해서 결정하게 된다

는 것을 알 수 있었습니다.

 

이 네 개의 가설 이외에 추가적으로 거위들이 물에서 발견된 것에 대한 이유를 몇 가지 생각해 볼 수 있었는데요,

관찰하면서, 날짜가 뒤로 감에 따라 거위들이 물에 들어가게 된 순간의 온도가 낮아지는 것을 볼 수 있었습니다.

그래서, 거위들이 기온이 점점 더 낮아짐에 따라(겨울이 오면서 더 추워지니까) 더 낮은온도일 때 물 속으로 들어가게 되는 것일 수 있다고 생각했습니다.

그리고, 외부적인 자극이 거위들을 물 속으로 들어가게 했을 수도 있습니다.

우리의 관찰은 1시간마다 이루어진 불연속적인 관찰이었어서,

관찰한 매 시간의 사이에 어떤 일이 있었는지는 알지 못합니다.

그리고, 실제로 관찰하면서 덤불 뒤에 고양이가 숨어있는 경우 거위들이 흥분해서 꽥꽥거리기도 했습니다.

이처럼 외부의 어떤 다른 자극이 거위들을 물 속으로 들어가게 했을 수도 있습니다.

 

그럼, 여기서 Study1 을 마무리하고, 다음 두 번째 관찰로 넘어가보겠습니다. ^^

 

 

     2. Study 2 -

Vocal Communication for threatening and feeding

(위협과 먹이 자극에 대한 음성 신호를 통한 의사소통)

 

 이번 실험은 거위들이 내는 소리에 대한 탐구입니다.

평소에 거위들을 보면, 보통 거위 5~6마리 정도가 함께 무리를 지어 다닙니다.

그리고 한 거위가 소리를 내면, 그 무리의 나머지 거위들이 그 소리를 듣겠죠?

저희는 그 소리를 들은 나머지(처음 소리를 내지 않은) 거위들이 그 소리에 대한 반응을 보일 것이라고 생각했습니다.

그래서, 어떤 자극이 가해졌을 때 그 자극의 종류에 따라서 다른 소리를 내고,

그 '다른 소리'들에 대해서 나머지 거위들이 소리를 들었을 때 각기 다른 반응을 보일 것이라고 생각했습니다.

이 관찰 내용을 다시 정리해보면,

한 거위가 운다 ⇒ 나머지 거위들이 그 소리를 듣는다 ⇒ 함께 반응을 보인다.

 

그 '자극'의 종류로 우리는 거위들이 가장 쉽게, 그리고 자주 받을 것이라고 생각한 자극인

위협과 먹이를 주는 자극을 주기로 했습니다.

위협 자극의 경우, 거위들이 도망가는 반응을 보일 것이라고 예측했고,

먹이를 주는 자극의 경우, 거위들이 먹이를 주는 사람 또는, 어떤 먹이 원 쪽으로 가까이 접근해올 것이라고 예측했습니다.

그리고, 여기서 '먹이를 주는 자극'은 먹이를 거위의 눈 앞에 두어서 거위들이 먹이를 보고 몰려들었을 때, 그 먹이를 먹도록 주지는 않고, 계속 거위들이 먹이를 요구하는 행위를 하게두는, 그런 자극을 주었습니다.

 

이런 생각을 바탕으로 우리는 어떤 질문을 하나 제기할 수 있었는데요,

바로, 이 소리들이 거위들 사이에서 서로 간에 의사 소통을 하는 데 있어

특정한 의미를 가지는 것일까?

하는 것이었습니다.

 

이 질문에 대한 답을 찾기 위해 우리는 또 다시 실험을 설계했는데요,

먼저 우리가 정한 두 가지 종류의 자극을 줄 때 거위무리가 내는 소리를 녹음했습니다.

그리고, 녹음한 소리를 거위 무리에게 다시 들려주면서 거위들의 반응을 관찰했습니다.

아래 사진은, 실제 실험하는 저희의 사진입니다. ^^

 

두 가지의 종류의 다른 자극을 주었을 때, 거위가 낸 소리를 녹음한 뒤

그 두 소리가 다른지 확인하기 위해 소노그램(소리의 물리적인 형태, 즉 파형을 그래프로 표현한 것을 말합니다.)을 분석해보았습니다.

이와 같은 소리의 파형은 우리가 쉽게 구하고 쓸 수 있는 gold wave나 cool editor와 같은 프로그램을 통해서도 볼 수 있지만, 저희는 좀 더 전문적인 분석을 하기 위해 wavepad라는 프로그램을 이용했습니다. ^^

 

이 파형은 위협을 가했을 때 거위들이 낸 소리의 파형입니다.

이 파형은 먹이를 줄 때 거위들이 낸 소리의 파형입니다.

 

눈으로 보기에도, 두 소리의 파형 상에서의 모양이 다르다는 것을 알 수 있습니다.

즉, 다른 자극에 대한 거위들의 반응이 다르다는 것은 확인할 수 있었습니다.

 

그럼 이제, 이 다른 반응, 즉 다른 자극에 대하여 낸 소리에 대해서 무리 내의 다른 거위들이 다른 반응을 보이는지를 확인하기 위해 저희가 수행한 실험에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

 

첫 번째, 위협 자극에 대한 실험에 대해 살펴보겠습니다.

우리는, 거위가 침입자가 있을 때, 자기 무리내의 다른 거위들에게 그 침입자의 존재를 알리기 위해 소리를 낼 것이라고 생각했습니다.

만약 이 생각이 맞다면, 우리가 위협하는 자극을 주었을 때 거위가 냈던 소리를 녹음한 것을 들려준다면, 거위들이 도망을 가는 행동을 보여줄 것입니다.

 

다음 표는, 실제 위협 자극을 줄 때 냈던 소리를 녹음한 것을 들려주었을 때 거위들이 보였던 반응을 정리한 것입니다.

  

Trial	개체 수	접근	울음	두리번거림	멀어짐	접근 비	울음 비	두리번거림 비	멀어짐 비
1	4	0	3	3	3	0	0.75	0.75	0.75
2	8	0	7	6	8	0	0.875	0.75	1
3	10	0	5	0	10	0	0.5	0	1
4	8	0	7	3	8	0	0.875	0.375	1
5	5	0	4	2	5	0	0.8	0.4	1
6	7	0	3	3	7	0	0.429	0.429	1
					Response tendency (STD)	0 (0)	0.705 (0.193)	0.451 (0.280)	0.958 (0.102)

 

이 표에 대해서 간단히 설명하자면, 먼저 Trial 열은 우리가 위협 자극을 주었을 때 거위가 낸 소리를 녹음한 것을 들려주는 실험을 총 6번 하였는데, 그 각각의 실험 회차를 말합니다.

개체 수는 각각의 실험 회차 마다 우리는 동영상을 찍어서 거위들의 반응을 분석하였는데,

그 동영상 안에서 보인 총 개체 수를 말합니다.

접근 열은, 동영상 안에서 보인 개체들 중 소리를 들려주었을 때,

소리가 발생하는 근원 쪽으로 접근하는 행동을 보인 개체의 숫자를 말합니다.

울음 열은, 동영상 안에서 보인 개체들 중 소리를 들려주었을 때,

울음 소리를 내는 반응을 보인 개체의 숫자를 말합니다.

다음, 두리번거림 열은, 동영상 안에서 보인 개체들 중 소리를 들려주었을 때,

두리번거리는 행동을 보인 개체의 숫자를 말합니다.

멀어짐 열은, 동영상 안에서 보인 개체들 중 소리를 들려주었을 때,

소리가 발생하는 근원에서 멀어지는 행동을 보인 개체의 숫자를 말합니다.

한 마리의 거위가 소리를 들었을 때, 울음소리를 내면서 두리번거리는 등, 두 가지 이상의 행동이 조합된 반응을 보일 수 있기 때문에, 개체수 열의 숫자는 접근, 울음, 두리번거림과 멀어짐 열의 개체 수를 합한 것보다 당연히 커지게 되겠죠? ^^

그리고, 접근 비, 울음 비, 두리번거림 비, 멀어짐 비 열은 각각 동영상에서 관찰된 전체 개체 수(개체 수 열의 값)에 대한 각각 접근, 울음, 두리번거림, 멀어짐 반응을 보인 개체 수(각각 접근, 울음, 두리번거림, 멀어짐 열의 값)의 비율을 말합니다.

 

예를 들어 설명하자면, Trial 2, 즉 두 번째 실험 시도에서 동영상 안에 관찰된 개체 수는 전체 8마리였고,

소리를 들려주었을 때, 소리가 발생하는 곳 쪽으로 가까이 접근하는 개체는 한 마리도 없었으며,

울음소리를 내기 시작한 개체가 일곱 마리 관찰되었습니다.

그리고, 두리번 거리는 행동을 보인 개체가 여섯 마리 보였고,

소리가 발생하는 쪽으로부터 멀어지는 행동을 보인 개체는 이 경우엔 여덟 마리가 관찰되었습니다.

그래서, 비율을 계산해보니,

접근 비의 경우, 전체 보인 개체는 8마리인데 접근 반응을 보인 개체가 0마리 였으니,

[0÷8=0]으로 0입니다.

울음 비의 경우, 전체 보인 개체는 8마리인데 울음 반응을 보인 개체가 7마리 였으니,

[7÷8=0.875]로 0.875입니다.

두리번거림 비의 경우, 전체 보인 개체는 8마리인데 두리번거림 반응을 보인 개체가 6마리 였으니,

[6÷8=0.75]로 0.75입니다.

마지막 멀어짐 비의 경우, 전체 보인 개체는 8마리인데 멀어짐 반응을 보인 개체가 8마리 였으니,

[8÷8=1]로 1입니다.

표의 값들이 이제 이해되시나요?

그리고, 제일 마지막 행의 Response tendency(STD)는 각 반응비의 평균을 구해 반응의 경향성을 확인하고, 표준편차 값(STD)을 구함으로써 그 반응의 일관성을 확인해 본 것입니다.

비율은 1이 100% 그 반응이 나타났다는 것을 의미하므로, 평균값, 즉 우리가 Response tendency라고 명명한 값이 1에 가까울수록 그 반응을 보이는 경향이 큰 것을 의미하게 됩니다.

그리고, STD 값이 작을수록, 그 반응이 일관되게 나타난다는 것을 의미하게 됩니다.

표에서 값을 확인해보면, 멀어짐 비의 경우 Response tendency 값이 가장 1에 가깝고, STD값이 가장 작은 것을 확인할 수 있습니다.

즉, 위협 자극에 대해 거위들은 멀어지는 반응을 보인 것 입니다.

 

두 번째, 먹이를 주는 자극에 대한 실험입니다.

이 경우에 우리는, 먹이의 존재에 대한 반응으로 거위들이 낸 소리는 다른 거위들에게 먹이의 위치를 알려주는 역할을 할 것이라고 생각했습니다.

이 가설이 맞다면, 우리가 먹이를 주는 자극을 주었을 때 거위들이 냈던 소리를 녹음한 것을 들려준다면, 거위들이 모여들게 될 것입니다.

 

다음 표는, 먹이를 주는 자극을 줄 때 거위들이 낸 소리를 녹음한 것을, 다시 거위들에게 들려주었을 때 거위들이 보였던 반응을 정리한 결과입니다.

 

Trial	개체 수	접근	울음	두리번거림	산발적 움직임	접근 비	울음 비	두리번거림 비	움직임 비
1	5	0	5	2	1	0	1	0.4	0.2
2	6	0	6	1	6	0	1	0.167	1
3	6	0	5	3	0	0	0.833	0.5	0
4	5	0	5	0	0	0	1	0	0
5	6	0	5	3	5	0	0.833	0.5	0.833
6	7	2	5	2	0	0.286	0.714	0.286	0
					Resonse Tendency (STD)	0.0476 (0.117)	0.897 (0.121)	0.309 (0.199)	0.339 (0.457)

 

이 표의 경우도 역시 위의 위협 반응에 대한 표와 같은 방법으로 이해하시면 됩니다.

이 실험의 결과를 보면,

접근하는 반응이 나머지 반응들에 비해 비교적 그 경향성이 낮고,

울음소리를 내는 반응이 나머지 반응들에 비해 비교적 그 경향성이 높지만,

앞의 위협 반응의 결과처럼 95% 이상의 확실한 경향을 보이는 반응은 찾을 수 없었습니다.

따라서, 이 실험의 결과를 통해 우리는, 접근하는 반응이 약간 보이긴 했지만,

예상했던 것과 달리 거위들이 접근하는 반응을 보이지 않는다

는 것을 알 수 있었습니다.

 

우리는 처음 생각했던 것처럼, 먹이에 대한 반응으로 거위가 내는 소리는 분명하게 먹이의 위치를 다른 거위들에게 알려주는 역할을 하는 것이 아니라, 단순히 그들의 배고픈 상태를 표현하는 것이거나, 먹이를 달라고 요구하는 것, 또는 먹이 또는 사람 등, 그들에게 자극을 줄 수 있는 존재로 인한 그들의 흥분 상태를 표현하는 것일 수도 있다고 생각했습니다.

 

이 두 실험의 결과를 종합해서 생각해봤을 때,

먼저 위협 자극에 대해서는

"도망 가!" 라는 신호를 주는 특정한 거위의 울음 소리가 존재

합니다.

그리고

이 소리는 그 소리가 발생되는 근원으로부터

거위들이 흩어지게

합니다.

즉,

이 소리는 의사소통의 용도로 사용됩니다.

그리고, 먹이를 주는 자극에 대해서 거위가 냈던 소리는,

먹이를 먹기 위해 거위들이 모여들게 하는 역할을

하지 않습니다.

 

여기까지가 저희가 동물행동학 수업에서 KAIST Animal 탐구를 수행한 내용입니다.

길고 복잡한 글 읽느라 수고하셨구요, 

그럼 안녕~~~ 꾸엑꾸엑~~~(거위소리)