Spatial Configuration and Multi-trophic Colonization in Modular Artificial Reefs: A Design-Research Field Study for Reef Restoration in the Gulf of Thailand

해저 바닥은 평평하고 텅 빈 사막이 아닙니다. 그곳은 숨겨진 방, 좁은 터널, 그리고 탁 트인 광장이 모여 있는 풍경이며, 각 공간은 그곳에 사는 생명체들에게 서로 다른 종류의 안전과 기회를 제공합니다. 수십 년 동안 과학자들은 산호초의 물리적 형태가 얼마나 많은 물고기와 다른 동물들을 부양할 수 있는지를 결정하는 가장 중요한 요소라는 사실을 알고 있었습니다. 깊은 균열과 복잡한 구석이 있는 산호초는 포식자로부터 숨어 있는 작은 생물들에게 은신처를 제공하는 반면, 열린 공간은 큰 물고기들이 자유롭게 헤엄치며 사냥할 수 있게 해줍니다. 자연 산호초가 폭풍, 오염, 또는 수온 상승으로 인해 손상되었을 때, 공동체들은 종종 바다에 인공 구조물을 떨어뜨려 문제를 해결하려 노력합니다. 대개 콘크리트나 재활용된 재료로 만들어지는 이 인공 산호초들은 자연의 복잡성을 모방하여 해양 생물의 회복을 촉진하기 위해 고안되었습니다. 그러나 이러한 구조물들의 설계는 특정 유형의 동물을 어떻게 유인하는지에 대한 명확한 이해 없이, 단순히 입방체를 쌓거나 돔을 떨어뜨리는 것과 같은 직관이나 단순한 기하학에 기반해 온 경우가 많았습니다. 질문은 여전히 남아 있습니다. 구멍, 벽, 그리고 열린 공간의 정확한 배치가 구조물의 순수한 크기보다 더 중요한가 하는 점입니다.

태국 걸프만에서 한 연구팀은 해저 세계를 하나의 디자인 과제로 다루며 이 질문에 답하기 위해 나섰습니다. 그들은 각각 독특한 내부 레이아웃을 가진 네 가지 유형의 작은 모듈형 인공 산호초를 제작하여 코 카이(Koh Khai) 해안 근해의 해저에 배치했습니다. 어떤 모양이 가장 잘 작동할지 추측하는 대신, 그들은 해양 생물의 생물학적 요구를 정밀한 건축적 규칙으로 변환하는 '디자인 연구(design research)'라는 방법을 적용했습니다. 그들은 세 가지 핵심 요소, 즉 공간이 얼마나 폐쇄적인지, 개구부의 크기, 그리고 그 개구부가 향하는 방향에 집중했습니다. 목표는 작은 게가 숨을 수 있는 좁은 틈새부터 넓은 바다를 헤엄치는 물고기 떼에 이르기까지, 다양한 종류의 생명을 구체적으로 초대할 수 있는 구조물을 공학적으로 설계하는 것이었습니다.

연구진은 저탄소 콘크리트와 3D 프린팅 기술을 사용하여 네 가지 뚜렷한 프로토타입을 제작했습니다. 첫 번째 설계인 '무작위 암석 모사(Randomized Lithic-Mimicry)'는 다양한 크기의 불규칙한 틈이 있는 흩어진 바위 더미처럼 보여 미로 같은 은신처를 만들도록 의도되었습니다. 두 번째인 '계단식 상호 연결 은신처(Tiered Interconnected Refugia)'는 콘크리트 층을 쌓은 듯한 구조로, 계단식 플랫폼과 넓은 수평 터널을 갖추어 다양한 크기의 생물들에게 은신처를 제공합니다. 세 번째인 '수직 공동(Vertical Cavities)'은 위에서 아래로 이어지는 키가 큰 굴뚝 모양의 관들이 특징이며, 구조물을 통해 물의 흐름과 산소를 전달하도록 설계되었습니다. 네 번째인 '수평 층상 공동(Horizontal Stratification Cavity)'은 서로 맞물리는 삼각형 블록들로 구성되어 유닛을 가로질러 옆으로 달리는 넓고 평평한 통로를 만듭니다. 이 네 가지 구조물은 각각 약 6~8미터 깊이로 내려졌으며 해양 생물이 군락을 이룰 때까지 남겨졌습니다. 3개월 동안 연구진은 30일마다 현장을 방문하여 수중 사진과 영상을 촬영하고, 각 구조물의 서로 다른 구역에 있는 물고기와 무척한동물의 수를 주의 깊게 기록했습니다.

결과는 명확하고 놀라운 패턴을 드러냈습니다. 모든 유형의 동물에게 완벽한 단일 디자인은 없었습니다. 연구는 개방도의 정도, 즉 열린 공간과 숨겨진 은신처의 양이 특정 그룹의 동물을 선호하게 만드는 스위치 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 가장 개방적이고 노출된 표면을 가진 구조물들, 특히 수평 통로가 있는 구조물은 가장 많은 수의 물고기를 끌어들였습니다. 주로 이동성 종과 일시적 방문객인 이 물고기들은 주변 환경을 볼 수 있고 자유롭게 헤엄칠 수 있는 열린 물을 선호했습니다. 반면, 바위 더 밀이나 층을 쌓은 구조물처럼 가장 폐쇄적이고 미로 같은 공간을 가진 구조물들은 게, 새우, 달팽이와 같은 무척한동물들로 빠르게 채워졌습니다. 잡아먹히는 것을 피하기 위해 숨는 경우가 많은 이 생물들은 좁고 어두운 틈새에서 번성했습니다.

흥미롭게도, 연구진은 물고기와 숨어 지내는 생물들이 단순히 서로 다른 지점을 선호하는 것이 아니라, 서로의 이상적인 환경을 적극적으로 피한다는 것을 관찰했습니다. 공간이 더 폐쇄적일수록 물고기는 적게 발견되었지만, 무척한동물은 더 많이 서식했습니다. 반대로, 가장 개방된 구역에는 물고기가 넘쳐났지만 숨어 지내는 생물은 거의 없었습니다. 이는 단일 인공 산호초가 물고기 유인과 작은 생물의 은신 보호를 동시에 극대화할 수는 없음을 시사합니다. 또한 연구는 시간의 역할이 매우 중요하다는 것을 보여주었습니다. 실험 초기에는 대부분의 물고기가 그저 지나가는 중이었으나, 구조물이 노후화됨에 따라 특히 은신 구역에서 더 많은 물고기가 머물기 시작했습니다. 그러나 작은 생물들은 훨씬 더 빨리 움직여, 첫 한 달 이내에 가장 좁은 공간들을 차지했습니다.

이 결과는 크고 균일한 인공 산호초를 건설하는 일반적인 관행에 도전합니다. 연구진은 모든 것을 다 하려는 하나의 거대한 구조물을 떨어뜨리는 대신, 복원 프로젝트가 다양한 디자인을 혼합하여 배치해야 한다고 제안합니다. 물고기를 유인하도록 설계된 구조물을 무척한동물을 보호하도록 설계된 구조물 옆에 배치함으로써, 공동체는 더 다양하고 탄력적인 수중 이웃을 만들 수 있습니다. 또한 연구는 구조물 사이의 공간이 구조물 자체만큼이나 중요하다는 점을 강조했습니다. 산호초 주변의 열린 물은 물고기들의 집결지가 되었으며, 이는 개별 블록뿐만 아니라 산호초의 전체적인 배치가 생태계를 형성한다는 것을 보여주었습니다.

비록 이 연구가 각 디자인당 하나씩만 테스트했다는 한계가 있었지만, 나타난 패턴은 산호초 복원에 대한 새로운 사고방식을 제시하기에 충분히 강력했습니다. 연구는 인공 산호초의 성공이 총 무게나 크기보다는 구멍과 터널의 특정 기하학적 구조에 달려 있다는 것을 나타냅니다. 서로 다른 종의 요구에 맞춰 내부 레이아웃을 세심하게 설계함으로써, 과학자와 엔지니어는 더 넓은 범위의 생명을 지원하는 수중 환경을 만들 수 있습니다. 이 접근 방식은 단순히 바다에 콘크리트를 던지는 것을 넘어, 모든 틈과 개구부가 특정한 목적을 가지고 배치되는, 더 사려 깊고 건축적인 방식으로 바다를 재건하는 것을 향해 나아갑니다. 이 작업은 적절한 설계를 통해 우리가 해저에 생명을 다시 불러올 수 있는 서식지를 공학적으로 설계할 수 있음을 보여주는 개념 증명 역할을 합니다.