Ontogenetic variation in phototactic responses of juvenile chum salmon (Oncorhynchus keta) under different light intensities

강에 사는 물고기들은 끊임없는 도전에 직면해 있습니다. 바로 인간이 만든 구조물으로 인해 자주 가로막히는 세상을 어떻게 안전하게 통과할 것인가 하는 문제입니다. 전력이나 관개를 위해 물을 가두기 위해 건설된 댐과 보(weir)는 물고기가 상류로 헤엄쳐 올라가는 것을 막는 벽 역할을 합니다. 물고기의 통행을 돕기 위해 엔지니어들은 어도(fishway)라고 불리는 특별한 통로를 만듭니다. 하지만 이 통로가 물고기가 위로 올라가는 데는 도움을 줄지 몰라도, 내려가는 길은 종종 더 위험합니다. 물을 터빈으로 공급하는 거대한 파이프는 마치 거대한 진공청소기처럼 작 어린 물고기들을 빨아들여 죽게 만들 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 빛이 이 어린 물고기들을 위험으로부터 멀어지도록 유도할 수 있는지 탐구해 왔습니다. 물고기를 포함한 많은 동물은 광택성(phototaxis)이라고 불리는 빛에 대한 본능적인 반응을 보입니다. 이것은 단순히 빛원을 향해 헤엄치거나 빛으로부터 멀어지는 경향을 말합니다. 수십 년 동안 연구자들은 이 본능을 이용해 어린 연어를 위험한 흡입구로부터 멀리하여 안전한 출구 쪽으로 유도할 수 있을지 궁금해해 왔지만, 그 답은 물고기가 다양한 밝기 수준에 어떻게 반응하는지, 그리고 아주 작은 치어에서 더 큰 치어(juvenile)로 성장함에 따라 행동이 어떻게 변하는지에 달려 있습니다.

최근의 한 연구에서 케이시 마츠다(Keishi Keishi Matsuda)라는 연구자는 일본의 수산업에 매우 중요한 종인 어린 연어 치어들이 빛에 어떻게 반응하는지를 정확히 테스트하고자 했습니다. 목표는 이 물고기들이 자연 상태로 방류될 때의 크기에서 흰색 빛을 향해 헤엄칠지 아니면 피할지, 그리고 이러한 행동이 성장함에 따라 어떻게 변하는지 확인하는 것이었습니다. 실험은 니코(Nikko)에 있는 연구 스테이션의 통제된 실내 수조에서 진행되었습니다. 수조는 완만한 흐름이 있는 강을 모사하도록 설계되었으며, 외부의 빛을 차단하기 위해 벽면이 덮여 있었습니다. 연구자는 수조 한쪽 끝에 일련의 흰색 LED 조명을 배치했습니다. 그러고 나서 엄지손가락 정도 크기의 어린 연어 100마리를 수조에 넣었습니다. 이 물고기들은 아직 완전히 자라지 않은 상태였으며, 자연적으로 바다를 향해 하류로 이동하기 직전의 단계에 있었습니다.

연구자는 단순히 불을 켜고 끄기만 한 것이 아니었습니다. 대신, 그는 완전한 어둠에서 시작하여 일반적인 방 안보다 훨씬 밝은 수준까지 점진적으로 강도를 높이는 정교한 밝기 시퀀스를 만들었습니다. 물고기들은 자유롭게 헤엄칠 수 있었고, 카메라는 그들이 어디로 가는지를 기록했습니다. 연구팀은 각 밝기 수준에서 빛 근처에 모인 물고기의 수를 세었습니다. 그들은 이 결과를 동일한 방법을 사용했지만 약간 더 크고 성숙한 단계인 스몰트(smolt)를 대상으로 했던 이전 연구의 데이터와 비교했습니다. 이를 통해 두 가지 다른 생애 단계에서 물고기가 어떻게 행동하는지 직접 비교할 수 있었습니다.

결과는 물고기들이 단순히 빛을 향해 혹은 빛으로부터 멀어지기 위해 직선으로 헤엄치는 것이 아님을 보여주었습니다. 대신, 그들의 반응은 빛이 얼마나 밝은지에 따라 달라졌습니다. 빛이 희미할 때, 어린 연어들은 빛원을 향해 가까이 헤엄치는 가벼운 유인 반응을 보였습니다. 빛이 밝아질수록 더 많은 물고기가 빛 근처로 모여들었으며, 가장 많은 물고기가 조명이 켜진 구역에서 관찰되는 정점에 도달했습니다. 그러나 빛이 매우 밝아졌을 때, 즉 밝기가 약 1,000룩스(밝은 흐린 날이나 잘 밝혀진 사무실의 밝기 정도)를 초과했을 때, 행동이 뒤바뀌었습니다. 물고기들은 빛을 피하기 시작했고, 빛으로부터 멀어져 수조의 어두운 부분에 머물렀습니다. 이 패턴은 아주 작은 치어와 더 큰 스몰트 모두에게서 나타났습니다. 비록 성숙한 물고기들이 어린 물고기들보다 빛 근처로 모이는 경향이 약간 더 강하게 나타나기는 했지만, 전체적인 반응의 형태는 두 집단 모두 동일했습니다.

이 발견은 촘 연어(chum salmon)의 삶에서 빛을 피하려는 본능이 바다로 이동할 준비를 하기 훨씬 전인 아주 초기 단계부터 존재한다는 것을 시사합니다. 이 연구는 이 어린 물고기들이 강한 조명 지역을 피하는 이유가 포식자로부터 숨거나 강의 더 안전하고 어두운 부분에 머물기 위해서임을 나타냅니다. 또한 이 연구는 보존 노력에 대한 실질적인 한계를 명확히 해줍니다. 물고기들이 자신들을 유도하는 데 사용될 수 있는 낮은 강도의 빛에는 강한 끌림을 보이지 않기 때문에, 이러한 빛을 이용해 치어를 안전한 출구 쪽으로 끌어당기는 것은 효과적이지 않을 수 있습니다. 그러나 연구는 매우 밝은 흰색 빛이 다른 목적으로 유용할 수 있음을 시사합니다. 즉, 강렬한 밝기 구역을 만들어냄으로써 관리자들이 어린 치어와 성숙한 스몰트 모두가 자신들에게 해를 끼칠 수 있는 기계 장치로 들어가는 것을 저지할 수 있다는 것입니다.

이 연구는 수조에서 수행되었기 때문에 실제 강에서 발견되는 복잡한 조류, 그림자 또는 포식자의 존재를 고려하지 않았습니다. 또한 흰색 빛만을 테스트했기에 다른 색상이 어떤 효과를 미칠지에 대한 의문을 남겨두었습니다. 그럼에도 불구하고, 결과는 이 물고기들이 자신의 세계를 어떻게 인지하는지에 대한 명확한 그림을 제공합니다. 촘 연어의 행동은 찾는 것과 피하는 것 사이의 단순한 스위치 같은 것이 아니라, 중간 지점에서 정점을 찍고 빛이 너무 강해지면 회피로 변하는 미묘한 반응입니다. 이러한 이해는 과학자와 엔지니어들이 이 물고기들이 어린 시절의 강을 항해할 때 이들을 보호할 수 있는 더 나은 시스템을 설계하는 데 도움을 줍니다.