서 론
반 향정위 (E ch oloc ation) 는 소익 수아목 (sub ord er Microchiroptera)의 모든 박쥐류에 의해서 이용되고 있으며 (Jones, 1999), 특히 식충성 박쥐(Insectivorous bat)에게 있 어서는 주변 환경을 파악하고 먹이를 포획하기 위해서 광범 위하게 이용된다(Moss et al., 1997; Schnitzler and Kalko, 2001). 반향정위 시그널은 전형적으로 주파수 변조형 (frequency modulated, FM), 주파수 일정형(constant frequency, CF) 또는 두가지의 혼합적인 형태로 이용되며 (Vaughan et al., 1997; Jennings et al., 2004), FM과 CF 시그널은 주파수, 대역폭, 하모니의 구조, 펄스의 지속시간 등에서 서로 다른 특징을 가지고 있다(Simmons and Stein, 1980; Neuweiler, 1989; Fenton, 1990; Schnitzler and Kalko, 2001).
박쥐에게 있어서 야간에 성공적인 먹이 포획을 위해서는 높은 주파수의 발성과 그 반향을 이해하는 것이 필요하며 (Moss et al., 1997), 특히 새끼 박쥐에게 있어서는 먹이포획 뿐만 아니라 어미 또는 개체간의 커뮤니케이션을 위해서도 음성의 발성은 매우 중요하다(Thomson et al., 1985; Liu et al., 2007; Funakoshi et al., 2013).
지금까지 새끼 박쥐의 음성 발성에 관한 연구로는 Eptesicus fuscus(Gould, 1971; Monroy et al., 2011), Myotis lucifugus (Moss et al., 1997), Rhinolophus ferrumequinum (Matsumura, 1979; Jones and Ransome, 1993), Antrozous pallidus(Brown et al., 1978), Hipposideros speoris(Habersetzer and Marimuthu, 1986), Rhinolophus rouxi(Rubsamen, 1987), Pipistrellus pipistrellus(Jones et al., 1991), Nycticeius humeralis(Scherrer and Wilkinson, 1993), and Pteronotus parnellii(Vater et al., 2003; Monroy et al., 2011)에 대해서 이루어졌으며, 국내의 경우 집박쥐 Pipistrellus abramus(Chung et al., 2010)에 관한 연구만이 이루어진 상태이다. 박쥐의 발성 발달에 관한 선행 연구결과에 따르면 어린 박쥐의 발 성은 어미와 비교해서 다른 패턴을 보이는데, 대체로 어린 박쥐는 성장함에 따라서, 발성 주파수는 증가하고 지속시간 은 감소하는 경향을 보인다(Brown et al. 1983; Jones et al. 1991; Moss et al., 1997; Vater et al., 2003; Zhang et al., 2005; Jin et al., 2011). 또한 새끼 박쥐는 생후 초기에 불규칙적인 발성 또는 가청음을 발성하며 점차 성장하면서 어미와 유사한 콜을 발산하게 된다(Jones et al., 1991; Moss et al., 1997; Vater et al., 2003; Jin et al., 2011).
새끼 박쥐의 발성 발달은 발성과 관련된 근육의 발달 또 는 비행능력의 발달과 함께 완성된다고 추측할 수 있다. 왜 냐하면 박쥐의 발성과 관련한 일차적 메카니즘은 발성과 관련된 근육의 수축과 이완에 의해서 컨트롤되어 지기 때문 에 새끼 박쥐의 발성 발달과 다양한 변화는 미숙한 근육의 발달과 밀접한 관련이 있다고 볼 수 있다. 또한 Funakoshi et al.(2013)은 Miniopterus fuliginosus 새끼가 날개짓 단계 부터 비행 단계에 이르는 기간 동안 어미와 유사한 음성을 발산하는 것을 근거로, 새끼 박쥐의 반향정위 시스템은 날 개짓 단계와 비행 단계 사이에서 완성되는 것으로 추정하기 도 하였다. 이는 근육의 발달 외에도 비행능력의 발달 또한 새끼 박쥐의 성공적인 채식행동을 위해서는 필수적이며, 새 끼 박쥐의 발성은 비행과 관련된 근육 조직의 발달과 함께 이루어질 수도 있다는 것을 보여준다(Moss et al., 1997).
본 연구에서는 문둥이박쥐의 새끼를 대상으로 어린 박쥐 의 발성은 생후 발성과 관련된 근육의 발달에 의해서 점차 적으로 발달 또는 변화하되, 발성 시그널의 형태가 어미와 유사해지는 시점은 비행이 이루어지는 시기와 유사할 것이 라고 가정하여 고찰하였다. 연구에 이용된 문둥이박쥐는 (Eptesicus serotinus)는 우리나라를 포함하여 유럽과 아시 아 지역에 광범위하게 서식하는 종으로, 국내에서의 본 종 에 관한 연구는 거의 이루어지지 않은 상태이다(Chung et al., 2009; Chung et al., 2014). 본 연구의 목적은 문둥이박 쥐의 생후 초기 음성발성 특징과 변화에 관한 기초자료를 수집하고, 새끼 박쥐의 음성 발성이 비행 능력의 발달과 함 께 완성되는지에 대해서 파악해 보고자 수행하였다.
재료 및 방법
1.박쥐 포획 및 사육
생후 초기의 새끼 발성을 확인하기 위하여 2014년 6월 문둥이박쥐의 서식이 확인된 경북 안동시 교량을 대상으로 임신한 문둥이박쥐 암컷 3개체를 포획하였다. 포획된 개체 는 현장에서 밴딩(numbered aluminum split-ring band)하 여 향후 개체간 구분을 할 수 있도록 하였다. 포획개체 외에 도 향후 야생 상태에서의 박쥐 출산일과 새끼의 비행 시기 를 파악하기 위해서 성체를 포획한 교량을 대상으로 출산시 기와 생후 20일경부터 정기적으로 현장을 조사하였다. 포획 된 개체는 향후 출산 및 수유가 가능하도록 챔버가 조성된 대형 인공 사육장(5 × 3 × 2 m)에서 사육하였다. 사육장의 메쉬는 15 mm × 15 mm로 소형 곤충들이 자유롭게 이동할 수 있도록 하였으며, 사육장 내에는 인공조명을 설치하여 야간 곤충을 유인할 수 있도록 하였다. 사육기간중 날씨가 좋지 않은 기간에는 인위적으로 밀웜(Mealworm)을 공급하 여 사육하였다. 포획된 성체는 6월 28일부터 30일 사이에 모두 출산하였다. 1개체는 2마리의 새끼를 출산하였으며, 나머지 2개체는 각각 1개체의 새끼를 출산하였다.
2.초음파 녹음
총 4개체의 갓태어난 문둥이박쥐 새끼가 음성녹음에 이 용되었다. 야생상태에서 출산된 문둥이박쥐 새끼의 경우 생 후 30일경부터 근거리 비행이 가능한 것으로 확인되었다. 그러나 사육중인 박쥐의 경우 야생 상태보다 성장이 느린 경향이 있기 때문에(Buchler, 1980; Moss et al., 1997) 본 연구에서는 생후 1일차부터 40일차까지 10일 간격으로 녹음 하였다. 음성녹음은 헤테로다인 시스템(Heterodyne system) 과 시간확장 시스템(Time-expansion system)이 결합된 초 음파 탐지기(D-240, Pettersson Elektronic AB, Uppsala, Sweden; sampling frequency = 307 kHz, resolution = 8 bits)를 트라이포드에 연결하여 챔버로부터 약 30㎝ 거리에 설치한 후 녹음하였다. 새끼가 발산하는 음성의 녹음시에는 사육장 챔버내 새끼가 혼자 남겨졌을 때 수행하였다. 매 녹 음시에는 연속적으로 10분간 녹음 후 새끼의 수유 또는 개 체에 대한 스트레스를 최소화 하기 위해서 장비를 회수하였 으며, 같은 방법으로 매 두시간마다 반복적으로 수행하였 다. 최대한 자연스러운 발성음 확보를 위하여 모든 녹음은 일몰후 야간에 이루어졌으며, 일출전 종료하였다.
3음성 시그널 분석
새끼 박쥐의 녹음된 음성 시그널은 음성분석 프로그램 (BatSound v.4.0, Pettersson Elektronic AB, Uppsala, Sweden, sampling rate of 44.1 kHz, with 16-bit resolution) 을 이용하여 디지털화 하였다. 일반적으로 박쥐의 발성음에 서는 첫번째 하모니가 가장 많은 에너지를 포함하고 있다 (Konstantinov and Makarov, 1987; Siemers et al., 2001; Sterbing, 2002). 따라서 본 연구에서는 첫 번째 하모니를 대상으로 펄스 지속시간(pulse duration, PD), 펄스 간격 (pulse interval, PI), 최고 진동수(peak frequency, PF), 시작 주파수(maximum frequency, FMAX), 종료 주파수(minimum frequency, FMIN), 대역폭(bandwidth, BW)에 대해서 측정 하였다. PD와 PI는 오실로그램(oscillogram)을 이용하여 분 석하였으며, PF는 파워 스펙트럼(power spectra) 그리고 FMAX, FMIN, BW는 스펙트로그램을 이용하여 분석하였다 (1024-point FFT in conjunction with a Hamming window). 또한 각각의 분석 항목이 새끼 박쥐의 연령 증가에 따라서 유의적으로 변화하는지 파악하기 위해서 Regression analysis 를 수행하였으며, 분석에는 SPSS 18.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하였다.
결과 및 고찰
새끼 박쥐의 음성 시그널은 연령의 증가에 따라서 생후 1일에서 40일차까지 다양하게 변화했다(Figure 1). 생후 1 일차에는 하모니의 수가 많았고 비록 첫 번째 하모니의 시그 널 형태가 FM-CF 패턴을 보이긴 했지만 대부분의 하모니는 FM-upward tail(UP tail) 형태를 보였다(Figure 1a). 특히 생후 1일차에 확인된 새끼의 음성은 4가지 형태의 패턴이 확인되었는데 가장 일반적인 패턴으로 FM-UP tail 패턴이 었고(Figure 2a) 그 외 FM–quasi constant frequency(QCF)– UP tail (Figure 2b), sinusoidally frequency modulated (SFM) tail(Figure 2c), FM 패턴이 확인되었다(Figure 2d). 생후 10일차에는 여전히 많은 수의 하모니를 포함하고 있었 다. 그러나 생후 1일차와 비교해서는 하모니의 수가 감소하 였다. 생후 10일차에는 네 번째 이상의 하모니에서의 QCF 부분은 말단부가 아래로 향하는 경향이 있었지만 첫 번째 하모니는 명확하게 FM–QCF 형태를 보였다(Figure 1b). 생 후 20일차에는 FM 시그널의 경사도는 매우 급하게 변화하 였다. 이 시기에는 생후 1일차와 10일차에서 확인되었던 CF 패턴은 보이지 않았다(Figure 1c). 하모니의 수는 생후 10일차와 유사했다. 그러나 FM 시그널의 대역폭은 주파수 중복이 발생하였으며, PD는 1일차 및 10일차와 비교해서 짧아졌다. 생후 30일차에는 20일차에서 확인되었던 FM 시 그널과 유사한 형태를 보였고 CF 시그널도 확인되지 않았 다. 또한 30일 이전에 녹음되었던 시그널과 비교해서 하모 니의 수가 더 감소했으며, 특히 100 kHz 이상의 주파수를 보이는 하모니가 감소하는 것으로 나타났다(Figure 1d). 생 후 40일차의 음성은 성체의 발성 음성과 유사한 패턴을 보 였다(Figure 1e). 해당 기간에서는 100 kHz 이상의 하모니 는 확인되지 않았고, 생후 30일과 비교해서 PD도 명확하게 더 짧아지는 특징을 보였다(Figure 3).
PD, PI, PF, FMAX, FMIN, BW는 연령이 증가할수록 명확 하게 변화하였다(Table 1). PD와 PI는 연령이 증가할수록 감소하였고 반면 PF, FMAX, FMIN, BW는 증가하였다(Figure 3). 생후 1일차의 PD는 139.65 ± 24.30 ms 였으나 생후 40일 경에는 6.29 ± 1.02 ms로 감소하였다(R2=0.925, P<0.001). 유사한 형태로, PI도 점차 감소하였는데, 195.35 ± 26.09 ms 에서 123.27 ± 41.00 ms (R2=0.364, P<0.001) 로 감소하였다. PF는 생후 1일부터 40일까지 13.04 ± 1.14 kHz 에서 31.48 ± 4.00 kHz (R2=0.684, P<0.001)로 증가하 였고, BW도 14.80 ± 2.77 kHz 에서 22.80 ± 2.91 kHz (R2=0.534, P<0.001)로 증가하였다. FMAX 는 26.64 ± 2.89 kHz 에서 43.30 ± 2.48 kHz (R2=0.689, P<0.001)로 증가하 였고, FMIN 는 11.84 ± 0.94 kHz 에서 20.50 ± 0.95 kHz (R2=0.774, P<0.001)로 증가하였다.
분석 항목 가운데 박쥐의 진동수와 관련된 PF(paired t test: t=47.031, df=34, P<0.001), FMAX(paired t test: t=69.795, df=36, P<0.001), FMIN(paired t test: t=27.509, df=36, P<0.001), BW(paired t test: t=29.265, df=36, P<0.001)는 생후 10일에서 20일 사이에 가장 급격한 변화 가 있는 것으로 확인되었다(Table 2).
일반적으로 어린 박쥐는 성체가 발산하는 것보다 낮은 주파수의 복합적인 하모니를 발산하는데(Monroy et al., 2011), 본 연구에서도 새끼 문둥이박쥐는 복합적인 하모니 와 다양한 패턴의 낮은 주파수를 발산하였다. 특히 새끼가 성장함에 따라서 어미와 유사한 음성을 발산하기는 하였으 나, 생후 초기의 펄스 패턴은 FM-UP tail, FM-QCF-UP tail, SFM, FM 형태를 나타내는 것이 확인되었다. 새끼 박쥐의 발성은 연령 증가에 따라서 진동수가 증가하고 시간은 짧아 지는 패턴을 보였으며, 이는 선행된 연구와 유사한 결과라고 볼 수 있다(Gould, 1971; Brown et al., 1983; Habersetzer and Marimuthu, 1986; Rubsamen, 1987; Jones et al., 1991; Moss et al., 1997; Zhang et al., 2005).
본 연구에서는 이러한 변화는 발성과 관련된 기관의 발달 에 따른 것이라고 판단된다. 왜냐하면 애기박쥐과 박쥐의 발성 중에서 진동수와 발성의 지속 시간은 후두부 주변 윤 상연골의 수축과 이완에 의해서 컨트롤되며(Moss et al., 1997), 새끼 박쥐에 의해서 발산되는 다양한 패턴의 음성은 이러한 근육의 발달과 관련이 있기 때문이다(Liu et al., 2007; Monroy et al., 2011). 본 연구에서도 새끼 박쥐의 펄스 패턴은 연령이 증가함에 따라서 점차 규칙적인 형태로 변화하였으며, 성체의 패턴과 유사해지는 결과를 보였다. 이러한 펄스 패턴의 연령 의존적인 변화는 후두부 근육의 발달, 연골강도, 힘줄의 발달 등과 같은 발성 조직의 발달과 관련이 있다고 볼 수 있다(Vater et al., 2003; Jin et al., 2011).
본 연구에 이용된 문둥이박쥐의 새끼는 생후 10일에서 20일 사이에 가장 급격한 발성음의 변화를 보였으며, 특히 진동수와 관련된 측정항목의 변화가 큰 것으로 나타났다. 새끼의 발성음 변화와 관련된 이전의 연구에 따르면 big brown bat (Eptesicus fuscus)의 새끼는 생후 3주경에 어미 와 유사한 톤의 음성을 발산하는 것으로 나타났으며(Moss, 1988), 진동수의 피크도 이 시기에 발산하는 것으로 확인되 었다(Monroy et al., 2011). 또한 greater horseshoe bats(Rhinolophus ferrumequinum)의 어린 새끼도 해당 시 기에 어미와 유사한 발성을 시작하는 것이 확인되었으며 (Liu et al., 2007), little brown bats(Myotis lucifugus)의 음 성발성 또한 생후 첫 3주동안 가장 급격한 변화를 보이는 것으로 보고되었다(Moss et al., 1997). 새끼 박쥐에 의해서 발산되는 소리의 주파수는 근육의 수축에 의해서 컨트롤 된다(Moss, 1988). 따라서 선행 연구결과 및 본 연구에서 확인된 진동수의 변화 시기를 감안해 볼 때 발성 발달과 관련된 근육의 컨트롤 능력은 이 시기에 가장 급격하게 발 달하게 된다고 생각된다.
비록 PF, FMAX, FMIN, and BW가 생후 10일에서 20일 사이에 가장 큰 변화를 보였지만 PD의 경우 생후 30일에서 40일 사이에 가장 큰 변화를 보였다. 애기박쥐과 박쥐가 발산하는 음성발성의 PD는 후두부 윤상연골 근육의 이완 에 의해서 컨트롤 된다(Moss et al., 1997). 근육의 점차적인 이완은 아래로 떨어지는 형태의 FM 시그널을 만들게 되고 이완의 정도는 FM 시그널의 스펙트럼 경사도를 결정하게 된다(Suthers and Fattu, 1982; Moss et al., 1997). 이는 PD 의 감소는 FM 경사도의 증가와 관련이 있다는 것을 보여주 는 것이라 할 수 있다. 따라서 비록 생후 20일경 발성발달과 관련된 근육의 수축을 컨트롤 하는 능력이 발달한다고 하더 라도 근육의 이완능력은 생후 30일에서 40일 사이에 가장 발달하는 것으로 판단된다. 결과적으로 새끼 박쥐의 발성은 연령이 증가하면서 점차 변화했으며, 이러한 변화는 생후 10일 단위로 측정한 결과 기간별로 서로 다르게 나타났다. 따라서 새끼 박쥐의 신체적인 발달과 발성 조직의 발달은 매우 밀접한 것으로 생각되며, 특히 후두부 근육의 수축능 력과 관련이 있는 발성음의 진동수는 생후 10일에서 20일 사이에 가장 발달하게 되고 근육의 이완 능력은 생후 30일 에서 40일 사이에 증가하는 것으로 보여진다.
본 연구의 목적중 하나는 새끼 박쥐의 음성발성이 비행행 동의 발달과 함께 이루어지는가를 파악하는 것이다. 본 연 구에서 어린 박쥐의 발성 발달은 비행 능력이 완성되는 시 기에 함께 완성될 것이라고 가정했다. 왜냐하면 비행 능력 은 새끼 박쥐에게 있어서 음성발성의 발달과 매우 밀접한 관련이 있으며(Moss et al., 1997), 어린 박쥐가 비행중에 성공적으로 먹이를 포획하기 위해서는 적절한 반향정위 시 스템을 필요로 하기 때문이다. 본 연구에서 야생 상태에서 출산한 새끼 박쥐들은 생후 약 30일이 되었을 때 근거리를 비행하는 것이 확인되었다. 그러나 사육 상태의 본 연구에 이용된 개체들은 생후 40일이 될 때까지 비행이 확인되지 않았다. 비록 사육상태의 박쥐는 야생상태와 비교하여 성장 이 느려지는 경향이 있기는 하지만(Buchler, 1980), 생후 40일차에도 비행이 확인되지 않는 점은 본 연구자들의 예상 보다 더 늦은 것이다. 그러나 비록 새끼 박쥐가 생후 40일차 까지 비행을 하는 것이 확인되지는 않았지만 어린 문둥이박 쥐 새끼들은 어미와 유사한 음성발성을 하는 것으로 확인되 었다. 결과적으로 사육상태에서 이루어진 본 연구에서 비행 이 이루어지지 못하고 있음에도 새끼가 발산하는 발성음이 어미와 유사하게 나타난 것은 새끼박쥐의 음성 발달은 비행 행동의 발달 또는 비행행동과 관련된 근육의 발달이 음성발 성의 발달을 위한 전제 조건이 되지 않을 수 있음을 보여주 는 결과라 판단된다.
