생물음향학

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1. 개요
2. 역사
3. 연구 방법
4. 연구 대상
- 4.1. 동물
- 4.2. 식물
5. 관련 학문 분야
6. 대한민국의 생물음향학
참조

1. 개요

생물음향학은 동물의 소리를 연구하는 학문으로, 곤충의 소리 연구를 시작으로 발전했다. 이 분야는 동물의 소리 생성, 감지 메커니즘, 음향 신호 분석, 생물량 추정 등 다양한 연구 방법을 사용하며, 최근에는 생물 다양성 추정, 소음의 영향 연구로 확장되고 있다. 연구 대상 동물은 곤충, 해양 포유류, 코끼리 등 다양하며, 식물 생물음향학 연구도 진행된다. 대한민국에서는 해양 생태계 연구를 중심으로 해양 생물 자원 관리 및 보전에 생물음향학이 기여하고 있다.

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생물음향학
개요
학문 분야	생물학, 음향학
관련 학문	생태학, 동물 행동학, 생리학, 신경과학, 생물정보학
연구 대상	동물의 소리 생성 및 인지 메커니즘 소리를 이용한 동물 행동 연구 환경 소음이 생물에 미치는 영향 생물 종의 식별 및 모니터링 소리를 이용한 생물 자원 관리
세부 분야
동물 음향학	동물의 소리 통신 연구
수중 생물 음향학	수중 생물의 소리 연구
생체 진동학	생체 표면 진동을 연구하는 학문
생물 협력형 기술	생물의 소리를 활용하는 기술 연구
응용 분야
생물 다양성 모니터링	소리를 이용한 생물 종 분포 및 개체수 변화 감시
환경 평가	환경 소음이 생태계에 미치는 영향 평가
어업 자원 관리	수중 음향 기술을 이용한 어족 자원 평가 및 관리
해양 포유류 보호	해양 포유류의 소리 통신 연구 및 보호

2. 역사

생물음향학은 오랫동안 인간이 동물의 소리를 식별하고 찾는 데 활용되어 왔다. 과학 분야로서의 생물음향학은 슬로베니아 생물학자 이반 레겐에 의해 정립되었으며, 그는 곤충 소리를 체계적으로 연구하기 시작했다. 1925년 그는 특별한 마찰발음 장치를 사용하여 곤충과 듀엣을 연주했다. 이후 그는 수컷 귀뚜라미를 마이크 뒤에 두고 암컷 귀뚜라미를 확성기 앞에 두었다. 암컷들은 수컷을 향해 움직이지 않고 확성기를 향해 움직였다.^[5] 레겐은 곤충 또한 공중에서 나는 소리를 감지한다는 것을 깨달은 것 외에도, 고막 기관의 기능을 발견한 것이 이 분야에 가장 중요한 기여였다.^[6]

당시에는 축음기와 같은 비교적 조잡한 전자 기기만 사용할 수 있었기 때문에 신호 특성을 대략적으로 평가하는 데 그쳤다. 20세기 후반에는 전자 기술의 발전과 오실로스코프 및 디지털 녹음기와 같은 장치의 활용으로 더욱 정확한 측정이 가능해졌다.

최근 생물음향학의 발전은 동물과 음향 환경 간의 관계, 그리고 인위적인 소음의 영향에 관한 것이다. 최근에는 생물음향 기술이 한 지역의 생물 다양성을 추정하는 비파괴적인 방법으로 제안되었다.^[7]

3. 연구 방법

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청취는 생물음향학 연구에서 주요한 방법 중 하나이다. 동물의 소리 생성, 감지, 해석에 기여하는 신경생리학적 과정은 거의 알려져 있지 않기 때문에, 동물 행동과 소리 신호 자체를 통해 이러한 과정을 이해하고자 한다.

3. 1. 음향 신호 분석

경험이 풍부한 관찰자는 동물의 소리를 사용하여 "노래하는" 생물종의 종류, 자연 상태에서의 위치 및 상태를 인식할 수 있다. 동물의 소리에 대한 조사는 전자 기록 장비를 이용한 신호 기록을 포함한다. 신호 특성과 전파 매체의 광범위한 특성으로 인해, 일반적인 마이크 대신 수중 음향 장비(수중 소리의 경우), 초음파(매우 높은 주파수 소리) 또는 저주파수(매우 낮은 주파수 소리) 감지기, 또는 레이저 도플러 진동계(기판 전달 진동 신호)와 같은 특수 장비가 필요할 수 있다. 컴퓨터는 기록된 소리의 저장 및 분석에 사용된다. 특수 사운드 편집 소프트웨어는 진폭, 주파수, 지속 시간 및 기타 매개변수에 따라 신호를 설명하고 분류하는 데 사용된다.

자연사 박물관 및 기타 기관에서 관리하는 동물 소리 수집은 신호의 체계적인 조사를 위한 중요한 도구이다. 신호 처리, 데이터 마이닝, 기계 학습 및 인공 지능^[9] 기술을 포함하는 많은 효과적인 자동화된 방법이 생물 음향 신호를 감지하고 분류하기 위해 개발되었다.^[10]

3. 2. 소리 생성 및 감지 메커니즘 연구

청신경과 시신경의 수를 비교하여 동물에서 청각과 시각의 상대적인 중요성을 측정할 수 있다.^[8]

생물음향학 연구는 동물의 소리 생성, 감지 및 해석에 기여하는 신경생리학적 과정을 이해하기 위해 동물 행동과 신호 자체를 사용한다. 생물음향학 분야의 과학자들은 소리 생성 및 감지에 관여하는 기관의 해부학과 신경생리학에 관심을 가지며, 여기에는 형태, 근육 활동, 그리고 관련된 신경 네트워크의 활동 등이 포함된다. 특히 후자의 활동 전위를 사용한 신호 코딩에 관심이 높다.

음향 신호에 대한 행동 반응을 관찰하는 것도 연구에 사용되는 방법 중 하나이다. 그러한 반응 중 하나는 주파수 주행성으로, 신호원 방향으로 이동하는 것이다. 통제된 환경에서 잘 정의된 신호에 대한 반응을 관찰함으로써 신호 기능, 청각 장치의 민감도, 소음 필터링 능력 등에 대한 통찰력을 얻을 수 있다.

3. 3. 생물량 추정

생물량 추정은 소나 기술을 사용하여 어류 및 기타 해양 생물을 감지하고 정량화하는 방법이다.^[3] 음파 펄스가 물을 통과하면서 물고기와 같이 주변 매질과 다른 밀도의 물체에 부딪히면 소리가 음원 쪽으로 반사된다. 이러한 반향은 물고기 크기, 위치 및 개체수에 대한 정보를 제공한다. 과학적인 음향 측심기 하드웨어의 기본 구성 요소는 소리를 전송하고, 수신, 필터링 및 증폭하고, 기록하고, 반향을 분석하는 것이다. 상업적으로 이용 가능한 "어군 탐지기" 제조업체가 많이 있지만, 정량적 분석을 위해서는 높은 신호 대 잡음비를 가진 보정된 음향 측심기 장비로 측정을 수행해야 한다.

4. 연구 대상

생물음향학은 다양한 생물이 소리를 내고 듣는 현상을 연구하는 학문이다. 생물들이 소통을 위해 사용하는 소리는 주파수와 매체가 매우 다양하며, 사람이 들을 수 있는 소리(공기를 통해 전파되는 압축파)뿐만 아니라 그 이상의 범위를 포함한다.

여치는 100 kHz 이상의 초음파로 의사소통하며,^[11] 박쥐는 반향정위에 초음파를 사용한다. 분절된 해양 벌레인 ''Leocratides kimuraorum''는 157 dB, 1–100 kHz의 주파수로 매우 큰 소리를 낸다.^[12]^[13] 코끼리는 약 15 Hz의 지면 진동을 이용하며, 대부분의 곤충은 저주파에서 중주파의 기질 전달 진동을 사용한다.^[14]

2013년과 2016년에는 웨스턴오스트레일리아 대학교의 모니카 갈리아노가 식물 생물 음향학 분야를 개척하기도 했다.^[16]

4. 1. 동물

동물은 다양한 주파수와 매체를 통해 소리를 내며, 이는 인간이 들을 수 있는 소리(공기를 통해 전파되는 압축파)뿐만 아니라 그 이상의 범위를 포함한다. 많은 동물의 소리는 인간의 가청 범위인 20~20,000Hz 내에 존재한다.^[15]

육상 동물은 빛이 공기 중으로 잘 전파되므로 주로 빛을 이용해 거리를 감지한다. 반면 수중에서는 햇빛이 수십 미터까지만 도달하지만, 소리는 물속에서 멀리까지 잘 전달된다. 따라서 많은 해양 동물들은 시각 외에도 청각을 활용해 의사소통하고 거리와 위치를 파악한다.

생물음향학자들은 소리 생성 및 감지와 관련된 해부학적, 신경생리학적 기관, 근육 활동, 신경망 등을 연구한다. 신경생리학적 연구는 복잡하고 아직 완전히 이해되지 않은 부분이 많아, 음향 신호에 대한 동물의 행동 반응을 관찰하는 방법도 병행된다.

4. 1. 1. 곤충

슬로베니아 생물학자 이반 레겐은 곤충 소리를 체계적으로 연구하기 시작했다. 1925년 그는 특별한 마찰발음 장치를 사용하여 곤충과 듀엣을 연주했다. 이후 그는 수컷 귀뚜라미를 마이크 뒤에 두고 암컷 귀뚜라미를 확성기 앞에 두었다. 암컷들은 수컷을 향해 움직이지 않고 확성기를 향해 움직였다.^[5] 레겐은 곤충 또한 공중에서 나는 소리를 감지한다는 것을 깨달은 것 외에도, 고막 기관의 기능을 발견한 것이 이 분야에 가장 중요한 기여였다.^[6]

여치(Tettigoniidae)는 100 kHz 이상의 주파수를 가진 소리로 의사소통하며, 이는 초음파 범위에 속한다.^[11] 대부분의 곤충 목에서 사용하는 저주파에서 중주파 기질 전달 진동이 있다.^[14]

4. 1. 2. 해양 포유류

1950년대에서 1960년대 이후, 고주파 클릭음을 사용한 돌고래의 반향정위 행동 연구를 통해, 다양한 해양 포유류 종이 물속에서 종을 감지하고 식별하는 데 사용될 수 있는 소리를 낸다는 것이 밝혀졌다. 해군 연구 기관에서는 생물학적 음원이 수중 군사 작전에 방해가 될 수 있기 때문에, 생물 음향학 연구에 많은 자금을 지원했다.^[8]

4. 1. 3. 기타 동물

코끼리가 생성하는 지면 진동은 주파수 성분이 약 15 Hz이며, 대부분의 곤충 목에서 사용하는 저주파에서 중주파 기질 전달 진동이 있다.^[14]

4. 2. 식물

웨스턴오스트레일리아 대학교의 모니카 갈리아노는 2013년과 2016년 사이에 발표된 일련의 과학 저널 논문을 통해 식물 생물음향학을 포함하도록 이 과학 분야를 확장했다.^[16]

5. 관련 학문 분야

생물음향학은 여러 학문 분야와 관련된다. 해양생물학 및 수중 생물 음향학은 해양 음향 학회의 『해양 음향의 기초와 응용』(2004년)^[8], 일본 음향 학회의 『음향 과학 시리즈 20 수중 생물 음향학 - 소리로 탐구하는 행동과 생태 -』(2019년)^[8]에서 다룬다. 곤충의 발성은 미야타케 요리오의 『환경 Eco 선서 5 곤충의 발성에 의한 커뮤니케이션』(2011년)^[8], 다카나시 타쿠마 등의 『벌레들의 소리의 세계』(2019년)^[8]에서 다룬다. 동물행동학과 관련하여, 아카마츠 토모나리의 『돌고래는 왜 우는가』(1996년)^[8]는 돌고래의 음향 커뮤니케이션을 다룬다. 생태학의 사운드스케이프는 버니 크라우스의 『야생 오케스트라가 들린다 - 사운드스케이프 생태학과 음악의 기원』(2013년)^[8], R. 머리 셰이퍼의 『신장판 세계의 조율 - 사운드스케이프란 무엇인가』(2022년)^[8]에서 다룬다. 생물 음향 학회는 『생물과 소리의 사전』(2019년)^[8]을 편찬하였다.

5. 1. 학회 및 단체

대한민국에서는 한국해양학회, 한국수산과학회 등에서 관련 연구가 진행되고 있다.

5. 2. 생물학의 하위 분야

생물음향학은 동물행동학에서 동물의 소리를 통한 행동 연구에 기여한다. 생태학에서는 소리를 이용하여 생태계를 연구하고 보전하는 데 활용된다. 해양생물학에서는 해양 생물의 음향학적 특성 및 생태 연구에 기여한다. 이 외에도 분자 생물학, 유전학, 신경 과학, 발생 생물학 등 다양한 생물학 분야와 연관된다.

5. 3. 기타 학문 분야

생물정보학은 생물 음향 데이터를 분석하고 처리하는 데 활용된다. 생물물리학은 소리의 물리적 특성과 생물학적 현상 간의 관계를 연구한다. 생명윤리학은 생물 음향 연구와 관련된 윤리적 문제를 다룬다.^[9]^[10] 이 외에도, 대한민국에서는 환경공학(소음 공해 문제), 정보통신공학(음향 신호 처리 기술) 등과 연관될 수 있다.

6. 대한민국의 생물음향학

대한민국은 삼면이 바다로 둘러싸여 있어 해양 생태계 연구가 활발하며, 생물음향학은 해양 생물 자원 관리 및 보전에 중요한 역할을 한다. 한국해양과학기술원(KIOST) 등 연구 기관에서 해양 포유류의 음향 생태, 어류 자원량 평가, 해양 소음 공해 등에 대한 연구를 진행하고 있다. 특히, 독도 및 동해 해역의 생물 다양성 연구에 생물음향학적 방법이 활용될 수 있다.

더불어민주당은 해양 환경 보전 및 지속 가능한 어업을 위한 정책을 추진하고 있으며, 생물음향학 기술은 이러한 정책 목표 달성에 기여할 수 있다.

수중에서는 햇빛이 수십 미터 깊이까지만 도달하지만, 소리는 물을 통해 쉽게, 그리고 상당한 거리를 통해 전파된다.^[8] 많은 해양 동물은 청각을 사용하여 의사 소통하고 거리와 위치를 감지한다.

생물량 추정은 소나 기술을 사용하여 어류 및 기타 해양 생물을 감지하고 정량화하는 방법이다.^[3] 음파 펄스가 물을 통과하면서 물고기와 같이 주변 매질과 다른 밀도의 물체에 부딪히면 소리가 음원 쪽으로 반사된다. 이러한 반향은 물고기 크기, 위치 및 개체수에 대한 정보를 제공한다. 과학적인 음향 측심기를 통해 반향을 분석한다.

참조

_[1] 웹사이트 Bioacoustics - the International Journal of Animal Sound and its Recording http://www.bioacoust[...] Taylor & Francis 2012-07-31
_[2] 서적 Fundamentals of Acoustical Oceanography Academic Press 1998
_[3] 서적 Fisheries Acoustics: Theory and Practice Wiley-Blackwell 2005
_[4] 논문 Biotremology 2016
_[5] 간행물 Kot listja in kobilic http://www.gea-on.ne[...] Mladinska knjiga 2004
_[6] 백과사전 Sound reception: Evidence of hearing and communication in insects http://www.britannic[...] 2008-09-25
_[7] 논문 Rapid Acoustic Survey for Biodiversity Appraisal 2008-12-30
_[8] 백과사전 Bioacoustics https://www.scienced[...] Academic Press 2022-06-17
_[9] 잡지 The song of a missing bird may help scientists find it 2024-01-13
_[10] 문서 Bioacoustic Signal Classification Based on Continuous Region Features, Grid Masking Features and Artificial Neural Network 2013
_[11] 논문 High Ultrasonic Hearing and Tympanal Slit Function in Rainforest Katydids 1991
_[12] 논문 Remarkably loud snaps during mouth-fighting by a sponge-dwelling worm 2019-07-08
_[13] 웹사이트 Tiny Fighting Worms Make One of the Loudest Sounds in the Ocean https://www.livescie[...] 2019-12-28
_[14] 논문 Vibrational communication in insects 2004
_[15] 논문 A global analysis of song frequency in passerines provides no support for the acoustic adaptation hypothesis but suggests a role for sexual selection 2021
_[16] 웹사이트 Plant Behavior & Cognition {{!}} Monica Gagliano {{!}} Scientific Research http://www.monicagag[...] 2016-12-26
_[17] 논문 水中生物音響学と生物協力型技術 https://www.jstage.j[...] 2022-01-10
_[18] 웹사이트 ペンギンは水中で獲物を狩る時に鳴き声を出していることが判明 - GIGAZINE https://gigazine.net[...] 2024-09-20
_[19] 웹사이트 魚の鳴き声を上手に録音する方法 https://www.fra.go.j[...]
_[20] 백과사전 発音魚

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