Artec Space Spider가 기후 변화에 대응한 새의 형태 변환을 측정하는 데 도움이 되는 방법

Artec Space Spider로 호주 갈라(Eolophus roseicapilla)를 3D 스캔하고 있는 박사 후보생 Sara Ryding(이미지 제공:  Sara Ryding)

지구 온난화의 가장 놀라운 영향 중 하나는 현재 수십 년 동안 일어났으며, 전 세계 여러 종의 새들이 적응하고 살아남기 위한 필사적인 몸부림 속에서 부리, 다리 및 다른 부속 기관을 바꾸면서 온도 상승에 반응하고 있습니다.

이것이 어떻게 새들이 더위에 대처하는 데 도움이 되는지는 "앨런의 법칙(Allen's rule)"이라고 불리는 잘 알려지지 않은 관찰을 통해 설명됩니다. 19세기에 관심을 끈 이 생물학적 규칙에 따르면 따뜻한 기후에서 사는 동물은 일반적으로 귀, 부리, 꼬리 및 팔다리와 같은 부속 기관이 더 큽니다.

많은 부속 기관이 모피나 깃털로 보호되어 있지 않기 때문에 이러한 해부학적 구조는 일종의 열 방출체 역할을 하여 열을 방출하고 동물을 더 편안한 수준으로 시원하게 합니다.

부리와 다리를 통해 열을 방출하는 플라밍고를 보여주는 적외선 이미지(이미지 제공: Glenn Tattersall)

아프리카코끼리는 귀로 열을 방출하고, 쥐는 꼬리를 통해 그리고 새는 부리와 다리를 통해 열을 방출합니다.

새들이 체온을 조절하는 방법

이 놀라운 체온 조절 능력을 갖추도록 자연이 새들을 어떻게 준비시켰는지 자세히 살펴보면 자세히 살펴보면 이 방법이 그렇게 효과적인지 이유를 알 수 있습니다. 우선, 새의 체온 조절체의 가장 효과적인 부분 중 하나인 부리를 살펴보겠습니다. 자세히 보기 전에는 새의 부리는 나무껍질과 같은 죽은 비활성 물질로 구성되어 있다고 상상할 수 있습니다.

남아프리카 칼라하리 사막의 암컷 남부 노랑부리 코뿔새(Tockus leucomelas) 부리의 높은 혈관성(이미지 제공: T. van de Ven, UCT)

오히려, 부리는 혈관의 분지 네트워크가 매우 풍부한 살아있는 기관입니다. 이에 대한 생생한 예를 들자면, 잠을 자야 하고 새가 열을 식혀야 할 때, 새는 부리에 피를 더 많이 흘려서 과도한 체온을 분산시켜 심부 체온을 좀 더 편안한 수준으로 낮출 수 있습니다.

분명히 몸 크기에 비해 상대적으로 큰 부리를 가진 새들이 작은 부리를 가진 유사 종의 새들보다 더 효과적으로 그렇게 할 능력이 있습니다.

열 방출 작용을 보여주는 대서양 바다오리(Fratercula arctica)의 적외선 사진(이미지 제공: Glenn Tattersall)

넓은 범위에서 온도 상승에 대응하여 동물은 대대로 신체 크기에 비례하여 이러한 같은 부속 기관 중 하나 이상을 크게 할 수 있습니다. 이러한 변화는 신체의 일반적인 대칭에 영향을 미치기 때문에 이 과정을 형태 변환(shape-shifting)이라고 합니다.

조류 형태 변환의 모든 것

새의 경우, 이러한 해부학적 변형은 미미하며 형태 변환 발생의 정도를 효과적으로 정량화하기 위해 지난 수십 년 동안 수집되어 현재 박물관에 보관되어 있는 새 표본을 조사하여 측정해야 합니다.

과거 연구는 이 진화 과정이 개별 종이나 특정 조류 그룹 내에서 발생한다는 증거에 중점을 두었습니다. 그러나 빠르게 발전하고 있는 이 조류 생물학 분야를 조명하는 최근의 연구에는 10개의 조류목에 걸쳐 퍼져 있는 86개의 서로 다른 종을 대표하는 6,000마리에 가까운 새를 다룹니다.

호주 푸른요정 굴뚝새(Malurus cyaneus)의 Artec Space Spider 스캔(이미지 제공: Sara Ryding)

호주 멜버른에 있는 Deakin University의 박사 후보생인 Sara Ryding이 이끄는 연구는 동료들과 함께 호주의 조류 종에 중점을 두고 있습니다.

이러한 유형의 연구에 필요한 수천 개의 새 표본을 측정할 때 최고 수준의 정확도를 얻기 위해 Ryding의 지도교수인 Matthew Symonds 박사는 솔루션으로 3D 스캐닝을 하기로 했습니다.

호주 검은어깨 솔개(Elanus axillaris)를 들고 있는 연구원 Sara Ryding(이미지 제공: Sara Ryding)

시중에 나와 있는 모든 적격 3D 스캐너를 주의 깊게 조사한 후, Symonds는 현지 Artec 파트너인 Objective 3D에 문의했습니다.

이 회사의 전문가들은 그에게 최고의 정확도와 해상도가 엄격하게 요구되는 연구자들 및 기타 전문가들 사이에서 널리 애용되는 계측 등급의 휴대용 3D 스캐너인 Artec Space Spider를 소개했습니다.

Artec Space Spider

새의 형태 변환을 감지하는 전통적인 방법은 새 부리의 길이, 너비 및 깊이를 계산하기 위해 디지털 캘리퍼스를 사용해야 합니다. 거기에서 이 측정 치수를 통해 연구자들은 방정식으로 동일한 크기의 원뿔 표면적을 계산합니다.

Space Spider로 축소되지 않은 3D 형태 데이터 캡처

새 부리가 매우 다양한 복잡한 형태를 하고 있다는 사실에 대해 언급하면서, Ryding은 “부리의 측정값을 단순한 원뿔 형태로 줄임으로써 어느 정도 형상을 잃게 되며, 이는 기록해야 하는 중요한 해부학적 표면 데이터를 놓치게 된다는 것을 의미합니다."라고 말했습니다.

그녀는 이어서 “저는 오리에서 노래하는 새, 맹금류에 이르기까지 정말 다양한 새에 중점을 두고 있습니다. 이렇게 다양한 종을 연구하다 보면 정말 다양한 부리 형태를 보게 될 것입니다. 그래서 저는 3D 스캐닝이 이런 유형의 응용 분야에 훨씬 더 좋다고 생각합니다. 모든 유기적 표면 구조를 캡처하기 때문에 어떤 것도 빠뜨리지 않습니다.”라고 말했습니다.

디지털 캘리퍼스로 호주 줄무늬 파달로테의 부리 측정 준비(이미지 제공: Sara Ryding)

수동 측정 접근 방식의 또 다른 어려움 중 하나는 작업자 오류 문제입니다. 특히, 이는 캘리퍼스의 위치가 약간씩 다르기 때문에 측정값이 연구자마다 다를 수 있으며, 따라서 아무리 취지가 좋고 경험이 풍부해도 데이터 결과에 영향을 미칠 수 있을 만큼 충분히 큰 차이가 발생할 수 있음을 의미합니다.

스캔별 초 단위 서브밀리미터 측정

Ryding은 “Space Spider를 사용하면 사람마다 거의 모든 스캔이 동일하기 때문에 작업자 오류를 최소한으로 줄일 수 있습니다. 이것은 모든 연구자들이 목표로 하는 것입니다. 데이터 세트의 정확도가 높을수록 상관관계를 더 명확하게 볼 수 있으므로 결론에 도달하는 데 도움이 됩니다.”라고 말했습니다.

지금까지 Symond가 연구한 바에 따르면 지난 세기 동안 연구 대상 새들의 부리가 약 4%에서 10% 더 커졌습니다.

생산성 면에서, 코로나19로 인해 그녀가 박물관 컬렉션을 산발적으로 접근할 수밖에 없었음에도 불구하고 그녀는 수개월간 3,000마리 이상의 새를 스캔할 수 있었습니다. 최종 목표는 6,000마리의 새를 스캔하는 것입니다.

스캔하는 날에는 Ryding은 하나 이상의 특정 종을 염두에 두고 박물관에 들어갑니다. 큐레이터의 도움으로, 그녀는 이들 종의 트레이를 찾아 표본이 수집된 연도와 발견 장소 등에 따라 스캔하고자 하는 트레이를 찾기 시작합니다.

작은 새의 경우 오후에 약 40~50개의 표본을 스캔할 수 있습니다. 큰 새의 경우 약 30~40개의 표본이 현실적인 목표입니다.

텍스처가 적용되지 않은 호주 갈라의 Artec Space Spider 스캔을 보여주는 Artec Studio 스크린숏(이미지 제공: Sara Ryding)

Ryding의 스캐닝 작업 흐름은 단합니다. 새를 턴테이블 위에 올려놓고 위를 향하도록 뒤로 눕힙니다. 그런 다음 턴테이블을 천천히 회전시키면서 Space Spider로 새를 스캔하여 모든 필수적인 부리 구조를 한 번에 캡처합니다. 이 작업은 처음부터 끝까지 2분 정도 걸리며 다양한 가능성이 있는 스캔을 얻게 됩니다.

수동 측정을 능가하는 신뢰할 수 있는 3D 데이터

Ryding은 "각 스캔을 통해 분석하는 데 아주 충분한 표면 데이터는 물론 형상학적 형태 측정과 같은 미래 연구 가능성에 대해서도 충분한 정보를 얻을 수 있습니다. 기존 방식으로 이 작업을 한다고 생각해 보면 디지털 캘리퍼스 세트로 이 매우 세밀한 표면 데이터의 일부라도 캡처할 수 있는 방법은 없습니다.”라고 말했습니다.

텍스처가 적용된 호주 갈라의 Artec Space Spider 스캔을 보여주는 Artec Studio 스크린숏(이미지 제공: Sara Ryding)

Ryding은 집이나 대학에서 Artec Studio 소프트웨어에서 스캔을 처리합니다. 대체로, 처음부터 끝까지 새 한 마리당 약 6분 정도 걸립니다.

그녀는 “저의 스캔 처리 작업 흐름은 다음과 같습니다. 전역 등록을 한 다음 이상치를 제거한 다음 예리하게 융합해서 아주 가장 작은 세밀한 부분까지 모든 것을 수정처럼 선명하게 유지합니다. 그런 다음 텍스처를 적용하여 깃털이 끝나는 곳과 부리가 시작되는 곳을 볼 수 있도록 합니다. 그 시점에서 불필요한 것을 잘라내면 스캔에는 부리만 남습니다.”라고 이 단계에 대해 자세히 설명했습니다.

Artec Studio에서 측정을 위해 호주 갈라의 부리 분리하기(이미지 제공: Sara Ryding)

그런 다음 Ryding은 Artec Studio의 측정 도구를 사용하여 디지털 캘리퍼스를 통해 측정된 치수에 대한 일종의 제어 검사로 부리의 선형 측정치를 빠르게 얻습니다.

그녀는 “그런 다음 저는 디지털 캘리퍼스로 할 수 없는 일을 합니다. 그것은 선형 측면뿐만 아니라 부리의 전체 영역을 측정하는 표면적 측정입니다.

Space Spider는 부리 구조의 모든 작은 돌출부와 곡선을 캡처하며, 이를 통해 1mm 아래까지 부리의 표면적을 정확하게 결정할 수 있습니다.

Ryding은 “저는 이러한 측정치를 가져와 그대로 사용하지만, 저 또는 다른 연구자가 이 Space Spider 스캔으로 할 수 있는 형상학적 또는 형태학적 분석을 수행한다면 모델을 PLY 파일로 내보내고 필요한 작업을 수행하기 위해 다양한 응용 프로그램으로 가져오기만 하면 됩니다."라고 더 자세히 설명했습니다.

꿀빨이새(Phylidonyris novaehollandiae)의 Artec Space Spider 스캔(이미지 제공: Sara Ryding)

호주 국경을 훨씬 넘어 이 연구의 범위를 넓히는 것과 관련하여, Ryding은 더 많은 연구자가 기존 데이터 풀에 참여하여 지역, 대륙 및 반구에 걸쳐 다양한 종류의 조류(또는 다른 동물)에서 발생하는 형태 변환을 정확하게 정량화하고 비교할 수 있기를 기대하고 있습니다.

생물학 연구에 있어 3D 스캐닝의 필수적 필요성

그녀는 3D 스캐닝은 이러한 목표를 안정적으로 달성하기 위해 꼭 필요하다면서 "연구자 간에 연구를 쉽게 수행하려면 직접 비교할 수 있는 정확한 데이터가 필수적입니다. 수동 측정으로는 더 이상 충분하지 않습니다.”라고 말했습니다.

Ryding은 이어서 “Space Spider를 사용하여 새 한 마리당 단 몇 분 만에 현재와 미래의 작업에 필요한 모든 것을 함께 제공하는 서브밀리미터의 표면 데이터와 사실적인 텍스처 디테일을 캡처합니다."라고 말했습니다.

호주 녹색 꾀꼬리(Oriolus flavocinctus)의 Artec Space Spider 스캔(이미지 제공: Sara Ryding)

효과적인 3D 스캐너를 사용할 수 없는 연구자들을 위해 Ryding과 그녀의 팀은 공식 추정치를 Space Spider를 사용하여 생성한 정확한 3D 모델 측정치와 비교하여 새의 부리 크기를 추정하기 위한 (형상을 사용하는) 기존 공식을 개선하고 있습니다.

그녀는 8개의 개별 선형 부리 측정 중 어떤 것이 가장 중요한지를 식별하여 이를 달성했습니다. 그런 다음, Ryding은 이러한 측정치 중 일부를 사용하여 동일한 표본의 3D 모델과 비교함으로써 부리 크기의 수동 추정을 개선하기 위한 새로운 공식을 고안했습니다.

Ryding의 연구는 여전히 이 방향으로 진행 중이며, 공식을 추가하고 종의 범위를 더 광범위하게 확장할 계획입니다.