그렇다면 소금쟁이가 물 위를 아무렇지도 않게 잘 걸을 수 있는 까닭은? 떠 있는 수준에서 한단계 더 나아간 이 질문에 대해서는 최근까지 그 누구도 제대로 답을 내지 못했다.

소금쟁이는 1초에 자신의 몸통 길이의 100배 정도 거리를 이동할 수 있다. 이는 키가 180㎝인 사람이 1초에 180m를 수영해 나가는 것과 같다. 소금쟁이는 물 위를 어떻게 이렇게 빠른 속도로 걸을 수 있는 것일까.

소금쟁이가 앞으로 나아가는 기본법칙은 뉴턴의 작용과 반작용의 법칙이다. 소금쟁이가 앞으로 나아갈 때 그 뒤로 잔물결(wave)이 생긴다. 이를 관찰한 과학자들은 뒤로 밀리는 잔물결의 반작용으로 소금쟁이가 앞으로 나아가는 것이라고 생각해왔다.

그런데 1993년 미국 스탠퍼드대 해양생물학자인 마크 데니 박사가 이에 대해 문제제기를 했다. 소금쟁이는 곤충이 그렇듯 3쌍의 다리를 갖고 있다. 앞다리는 짧지만 고운 털이 많아 몸을 떠받치고, 뒷다리는 방향을 잡으며, 길다란 가운데 다리가 물 위를 걷게 해준다. 과학자들은 가운데 다리가 물을 뒤로 밀어 물결을 만듦으로써 앞으로 나아간다고 생각했다.

하지만 데니 박사는 어린 소금쟁이의 경우 다리가 빠르지 못하다는 점에 주목했다. 계산에 따르면 가운데 다리가 충분한 반작용을 일으키는 잔물결을 형성하려면 최소한 1초에 25m의 속도로 이동해야 한다. 그런데 어린 소금쟁이는 이렇게 빠르지 않다. 따라서 물결이론이 맞다면 어린 소금쟁이는 제자리에서 꼼짝도 하지 못하게 된다.

하지만 실제로 어린 소금쟁이도 물 위를 걷는 데 아무 지장이 없다. 알에서 갓 태어난 소금쟁이도 어른만큼 이동할 수 있다. 이처럼 이론과 실제가 상반되는 점을 '데니의 패러독스'라고 불렀다. 과학자들은 이 문제를 얼마 전까지 해결하지 못했던 것이다.

최근 미 매사추세츠공대(MIT)의 과학자 3명이 '데니의 패러독스'를 풀었다. 세계적인 과학전문지인 〈네이처〉는 소금쟁이가 물 위를 걷는 비결에 대한 이들의 연구 결과를 지난 8월 7일자 커버스토리로 다뤘다. 이에 따르면 소금쟁이는 물결이 아니라 소용돌이(vortex)를 만들어 앞으로 나아간다. 수학과 존 부시 교수는 같은 과 대학원생 데이비드 후, 기계공학과 대학원생 브라이언 찬과 함께 근처 연못에서 소금쟁이(gerris remigis)를 가져와 실험실에서 키웠다. 소금쟁이는 수주마다 한 번씩 새로운 세대가 생겨난다. 덕분에 연구팀은 알에서 깨어나 3번 탈피 과정을 거치고 어른이 될 때까지 소금쟁이를 관찰할 수 있었다.

이번 연구 결과는 물과 공기의 경계면에서 살아가는 소금쟁이의 걷는 방법이 물고기와 새의 움직임과 같은 원리라는 데 중요한 의미가 있다. 물고기가 수영하고 새가 날 수 있는 이유 역시 꼬리와 날개가 진행 방향과 반대쪽으로 소용돌이를 만들기 때문이다. 이 점은 이미 과학자들이 해결한 지 오래됐다. 하지만 두 유체의 경계에서 살아가는 소금쟁이는 날지도 수영하지도 않는다. 단지 수면을 미끄러지듯 이동할 뿐이다. 이런 까닭에 그동안 다른 방식으로 이동한다고 생각해왔다.

소금쟁이 로봇 '로보스트라이더' 연구

지금까지 물과 공기 각각의 유체 속 생물체의 움직임은 많이 연구돼왔지만 표면장력이 지배하는 세계는 완전히 이해되지 못했다. 표면장력이 지배하는 세계는 아직 과학자들의 미개척지로 남아 있다.

박미용〈동아사이언스 기자〉 pmiyong@donga.com