I love bugs. I think of them as nature’s tiny engineers because they come up with the most extraordinary and incredible solutions to life’s problems. And I just love observing them because they're so full of surprises and curiosities.
저는 곤충을 정말 좋아해요. 제 생각에 곤충들은 자연의 작은 공학자들이에요. 왜냐면 곤충들은 삶 속에서 가장 독창적이고 놀라운 문제 해결 방법을 생각해 내거든요. 저는 곤충들을 관찰하는 걸 너무 좋아해요. 곤충들은 놀랍고 흥미로운 점 투성이거든요.
During my career, I studied spiders that use their webs as a slingshot to capture prey deep in the Amazon rainforest, worms that tangle up with each other and form knots to form these shape-shifting blobs to survive in harsh environments such as sewers and caves, and tiny aquatic beetles that bring their own scuba gear when they dive, on their butts.
저는 일을 하면서 아마존 열대우림에서 먹잇감을 사냥하기 위해 거미줄을 새총처럼 사용하는 거미를, 하수구나 동굴 등 혹독한 환경 속에서 살아남으려 서로 뒤엉켜서 이렇게 다양한 모양으로 변하는 덩어리를 만들어내는 벌레들을, 그리고 잠수할 때 엉덩이에 스쿠버다이빙 장비를 달고 들어가는 조그만 수생 딱정벌레들을 연구했습니다.
But today, I'm going to tell you a story about one of nature's most extraordinary engineers that pushes the limits of fluid mechanics and bioengineering and, arguably, solves their number one problem -- how insects pee.
하지만 오늘은 자연 속 가장 뛰어난 한 공학자 이야기를 들려드릴 텐데 그들은 유체 역학 및 생명 공학의 한계를 확장시키며 가장 중요하다고 할 수 있을 바로 이 문제를 해결하고 있죠. ‘곤충은 어떻게 오줌을 싸는가?’
A few years ago, my student, Elio Challita, and I observed this tiny insect having a private moment in our own backyards in Atlanta, and we couldn't believe our eyes. This insect was peeing for hours, and it was so quick we could barely see it. And we were blown away -- we had never seen anything like this. We had never seen an insect pee.
몇 년 전, 제자 엘리오 찰리타와 저는 이 조그만 곤충이 볼일을 보는 모습을 아틀란타에 있는 저희 뒤뜰에서 관찰했습니다. 두 눈을 믿을 수가 없었어요. 이 곤충은 몇 시간 째 오줌을 싸고 있었는데, 너무 빨라서 잘 보이지도 않을 정도였어요. 완전 충격받았죠. 이런 건 한 번도 본 적이 없었거든요. 한 번도 곤충이 오줌을 싸는 걸 본 적이 없었어요.
So today, I'm going to tell you how insects pee, why they pee so much and in this way, and finally, why you should care about insect pee.
그래서 오늘은 곤충들이 어떻게 오줌을 싸는지, 왜 오줌을 그렇게나, 이런 식으로 싸는지, 마지막으로 왜 여러분이 그걸 아셔야하는지 말씀드리겠습니다.
(Laughter)
(웃음)
So sit back and relax -- you're in for a treat.
자 편안하게 앉으세요, 좋아하실 걸요.
(Laughter and applause)
(웃음, 박수)
(Laughs) So one of the first things we had to discuss is "Wait a second -- insects pee?" And it turns out that almost all insects pee, in one form or another. It's a closed system -- what goes in must come out.
(웃음) 저희가 가장 처음 논의해야 했던 것 중 하나는 ‘잠깐, 곤충들도 오줌을 싼다고?’라는 질문입니다. 알아보니 대부분의 곤충이 어떤 형태로든 오줌을 쌉니다. 곤충은 닫힌 계예요. 들어간 것은 나와야만 합니다.
But the protagonist of today's story, Homalodisca vitripennis, or a glassy-winged sharpshooter -- isn't it gorgeous? You can see where it gets its name from, it's got these transparent wings. This insect specializes in feeding on xylem fluid from plants. It’s a sapsucker. But I think of it as a plant's mosquito. And just after a mosquito sucks your blood, it leaves behind a parting gift -- so do these sharpshooters that spread bacteria into these plants, and it causes devastating and deadly diseases in plants, killing them. This is a huge problem in agriculture, including here in California, where it caused millions of dollars in damage to vineyards.
하지만 오늘 이야기의 주인공, 호말로디스카 비트리펜니스 혹은 유리 날개 샤프슈터는, 아름답지 않나요? 이름이 어디에서 왔는지 보실 수 있죠. 날개가 투명하죠. 이 곤충은 식물 목질부 수액을 빨아먹는 데 최적화되어 있습니다. 딱따구리처럼 수액을 먹어요. 저는 이 녀석을 식물 세계의 모기라고 생각해요. 모기는 피를 빨고 나서 우리에게 선물을 하나 남겨주고 가죠. 샤프슈터 역시 마찬가지인데 박테리아를 번식시켜 파괴적이고 치명적인 병을 일으켜 결국 식물을 죽이고 맙니다. 농업에 커다란 골칫거리이죠, 여기 캘리포니아에서도 샤프슈터들은 포도 농가에 수 백만 달러 손실을 초래했습니다.
And you can appreciate what they lack in size, they make up in numbers. This is what millions of insects feeding and peeing looks like. If only this woman knew where that water was coming from.
그리고 보시다시피 크기가 작은 대신 샤프슈터는 숫자로 승부해요. 샤프슈터 수백만 마리가 먹이를 먹고 오줌을 싸는 모습은 이렇습니다. 여성 분이 물의 정체를 알았더라면 어땠을까요.
(Laughter)
(웃음)
Now, don't worry, this insect's pee is just water. And so for the first time, I'm going to show you this behavior, slowed down with our high-speed cameras, and this is what we discovered. We realized that this insect forms a droplet of pee, and then it flings them at extreme accelerations, of 40 g-forces. That's 40 times faster than the sprint of a cheetah. These insects are really packing a punch from their butts.
자, 걱정하지는 마세요, 샤프슈터의 오줌은 그냥 물입니다. 자 그럼 최초로 곤충이 오줌을 싸는 모습을 슬로모션으로 보여드리겠습니다. 저희가 발견한 건 다음과 같습니다. 저희는 샤프슈터가 조그만 오줌 방울을 만들어낸 뒤 중력 가속도의 40배에 달하는 엄청난 속도로 튕겨낸다는 사실을 깨달았습니다. 치타의 전력 질주보다 40배 빠르죠. 이 녀석들 엉덩이에 엄청난 힘을 숨기고 있군요.
And we wanted to under-- (Laughs) We wanted to take a closer look at this flicker, so we put this insect and took a look under a microscope at its business end, and this beautiful structure has a scientific name: it's called a butt flicker.
그리고 저희는 이해하고 싶...(웃음) 저희는 이 튕기는 기관을 더 자세히 보고 싶었기 때문에, 샤프슈터를 두고 현미경을 통해 은밀한 부위를 관찰했어요. 아름다운 이 기관은 생물학 용어로 ‘엉덩이 떨이’라고 합니다.
(Laughter)
(웃음)
And this is what we discovered. We realized that this insect had evolved springs and latches, just like a catapult, so that it could efficiently hurl its droplets of pee, repeatedly, at these high accelerations.
저희가 발견한 것은 다음과 같습니다. 저희는 이 곤충이 용수철과 걸쇠를 진화시켰음을 알아냈습니다. 투석기 같은 구조로, 조그만 오줌방울을 효과적으로 던져낼 수 있죠. 반복적으로, 이 엄청난 가속도로요.
Now, we wanted to measure the speed at which this flicker was moving, and the droplets, so we measured the speed of both the droplets and the flicker. And this is where we made a puzzling observation. The speed of the droplets in the air was faster than the flicker. So if you take a ratio of that, we were expecting it to be 100 percent, but turns out that the speed of the droplets are about 150 to 200 [percent] faster than the flicker itself.
여기서 저희는 이 기관이 움직이는 속도를 재 보고 싶었어요. 오줌 방울 속도도요. 그래서 오줌 방울과 기관의 속도를 모두 측정했어요. 그런데 여기서 이해하기 힘든 것을 발견합니다. 날아가는 물방울의 속도가 기관이 움직이는 속도보다 더 빠른 거예요. 그러니까 비율로 계산해보면 100퍼센트라고 예상하고 있었는데 알아보니 물방울의 속도가 튕기는 기관의 약 150에서 200퍼센트 더 빨랐단 거죠.
This is why this is counterintuitive: imagine a Yankees baseball player throwing a ball at 100 miles an hour. At some point during that throw, their hands and fingers are moving at 100 miles an hour. Say an amateur ballplayer throws a ball at 50 miles an hour, and if you measure the speed of the ball and it's 100 miles an hour in midair, we’d be surprised -- where would that extra speed come from, right? This is exactly what these insects are doing.
이 사실이 왜 직관적이지 않냐면, 뉴욕 양키스 야구 선수가 공을 시속 100 마일로 던진다고 상상해보세요. 공을 던지는 중 어느 시점에서는 그 선수의 손과 손가락은 시속 100 마일로 움직이겠죠. 한 아마추어 야구 선수가 공을 시속 50 마일로 던졌다고 해 보죠, 그 공이 날아가는 속도를 재 보니 시속 100 마일이었다는 겁니다. 다들 놀라겠죠, 추가 속도가 대체 어디서 나온 거지? 그게 이 곤충들이 하고 있는 일이라는 말이죠.
So to solve this puzzle, we went back and looked at our videos. And we’ll play this a couple of times -- see if you can figure this out.
이 수수께끼를 풀기 위해서, 저희는 다시 영상을 봤습니다. 그리고 몇 번이고 다시 영상을 돌려 봤습니다. 여러분도 한번 잘 관찰해보세요.
Did you catch it? Let me grab a frame.
눈치채셨나요? 정지 화면으로 보여드릴게요.
We realized that unlike a baseball that’s rigid ... due to surface tension, these tiny droplets are squishy, and we had an “aha” moment. We were wondering if this insect is storing energy due to the surface tension just before launch. And to test this, we did, naturally, what any of us would do -- we converted our kitchen tables into a lab to test this.
저희가 알아낸 건, 딱딱한 야구공과는 달리 이 물방울들은 표면장력 때문에 찌그러질 수 있다는 거였어요. 그리고는 ‘아하’ 하고 깨달았죠. 저희는 샤프슈터가 발사 직전 표면 장력을 이용해 에너지를 저장하는 건 아닐까 생각했어요. 그걸 실험하기 위해, 저희는 당연히, 누구라도 그렇게 하듯이, 저희 집 식탁을 이렇게 실험실로 개조했어요.
So now, we're going to place droplets on a speaker, to squish them at high speeds, and this is what we discovered. We realized that water that flows in our faucets like a liquid, at these tiny scales, due to surface tension, with the right timing, can get a kick, store energy, and if you time it just right, you can launch these off at extremely high speeds, just like a child on a trampoline. And to test this idea of timing, we even built a catapult. Our should I say a "cata-pee"?
조그만 물방울을 빠른 속도로 찌그러뜨리기 위해 스피커 위에 올려뒀습니다. 저희가 발견한 사실은 다음과 같습니다. 물이 수도꼭지에서는 평범한 액체로 흐르더라도 이렇게 조그만 크기일 때는 표면 장력을 이용해 타이밍을 잘 맞춰 튕기면 물방울에 에너지를 저장할 수 있어요. 타이밍을 잘 맞추면 물방울을 엄청나게 빠른 속도로 날려보낼 수 있다는 겁니다. 트램펄린 위에서 뛰는 아이처럼요. 이 타이밍이라는 아이디어를 실험하려고 저희는 심지어 투석기를 만들었습니다. 아니, 차라리 ‘투뇨기’라고 해야 할까요?
(Laughter)
(웃음)
And it reinforced this idea: too slow, the droplets don’t go off, and then if you move at the right speed, you've flung this.
직접 만들어보니 더 확실해졌죠. 너무 느리면 물방울이 날아가지 않았고, 적절한 속도로 움직인다면, 이렇게 날아갑니다.
So I've told you today how these insects use this catapulting structure to store energy and surface tension and throw these droplets at record-breaking speeds to be, really, number one ... at number one. (Laughs) But why have these insects evolved this remarkable ability? And there are two reasons for this.
지금까지 말씀드린 건 어떻게 샤프슈터들이 새총 모양 기관을 가지고 에너지와 표면 장력을 저장해 물방울을 세계 기록을 세울 속도로 쏘는지에 관해서였습니다. 일등 중에서도 일등을 할 수준으로요. (웃음) 그런데 왜 샤프슈터들은 이런 놀라운 능력을 가지게 됐을까요? 두 가지 이유가 있습니다.
Number one is they are on a zero-calorie diet. These tiny bugs are feeding from the xylem fluid that comes up through the roots, through the soil, and goes to the rest of the plant. It's very, very poor in nutrients -- it's just water and some minerals. This is unlike the phloem fluid, which is rich in sugar, coming through photosynthesis at the leaves and going through the rest of the plant. This is akin to a human purely sustaining themselves on a diet of diet lemonade. Very low energy source -- you'd have to constantly drink, but you'd have to constantly pee as well.
첫 번째는 이 녀석들이 0칼로리 다이어트 중이라는 겁니다. 샤프슈터들은 흙에서 출발해 뿌리를 거쳐 올라와 식물 전체로 뻗어나가는 목질부 수액을 먹고 삽니다. 목질부 수액은 영양 성분이 아주 형편없죠. 물과 무기질 조금이 다거든요. 목질부 수액은 잎에서 광합성을 통해 생산돼 식물의 나머지 부분으로 향하는, 당분이 풍부한 체관 수액와는 다릅니다. 마치 사람이 다이어트 음료만 먹으며 살아가는 것과 비슷합니다. 정말 비효율적인 에너지원이에요. 그래서 계속해서 마셔야 하고, 동시에 계속 오줌을 싸야 할 겁니다.
This still doesn't explain why these insects pee in droplets, and not in jets, like you and I would, if you were to take a bio break. Let's take a look at cicadas. These are the cousins of these sharpshooters. They're also xylem fluid feeders ... and they pee in jets.
그럼에도 여전히 왜 이 곤충들이 저희처럼 물줄기 형태가 아니라 조그만 물방울 형태로 오줌을 싸는지 설명이 안 됩니다. 매미를 한번 봅시다. 샤프슈터들의 사촌뻘인 곤충입니다. 매미 역시 목질부 수액을 먹고 살아가는데, 물줄기 오줌을 싸죠.
(Laughter)
(웃음)
I love this video. This shows cicadas doing two of their favorite things when they come out of hibernation -- singing at the top of their lungs and peeing in the wind.
제가 너무 좋아하는 영상이에요. 겨울잠에서 깬 매미들이 제일 좋아하는 두 가지 일을 하고 있는 모습이거든요. 목청이 터져라 노래를 부르고 바람에 오줌을 흩날리는 거요.
(Laughter)
(웃음)
And the second reason why these insects pee in droplets is size -- these things are tiny, they're smaller than my pinky. In fact, the surface tension that enables them to store energy in these droplets to launch is actually an impediment, because gravity doesn't matter, and surface tension sticks these droplets to their bodies. So they actually have to flick these droplets away -- it's actually very difficult for these tiny bugs to pee. And that's why I just love studying bugs.
이 곤충이 물방울 오줌을 싸는 두 번째 이유는 크기 때문입니다. 이 곤충은 작거든요, 제 새끼 손가락보다도 작아요. 사실, 표면 장력이 있어서 물방울에 에너지를 저장해서 발사할 수 있지만 표면 장력은 실제로는 장애물입니다. 왜냐하면 중력은 상관 없고, 표면 장력 때문에 물방울들이 몸에 붙거든요. 그래서 이 곤충은 물방울을 튕겨 내야 합니다. 사실 이 조그만 곤충들이 오줌을 싸는 건 정말 어려워요. 그래서 저는 벌레를 연구하는 것을 좋아합니다.
This tiny engineer has figured out how to survive on barely just water through the xylem fluid. And it’s figured out to do so, it has to drink a lot, and pee a lot. In that sense, it's not so different from other engineers I know on a Friday night at a bar.
여기 조그만 공학자들은 목질부에 있는 수액 속 수분만으로 생존하는 법을 알아냈어요. 결국 방법을 찾아냈죠, 엄청 마시고 엄청 싸는 겁니다. 그런 점에서 금요일 밤 술집에 있는 제 동료 공학자들과 크게 다르지 않네요.
(Laughter)
(웃음)
But to do so, it’s figured out it had to evolve this catapulting structure and fling these droplets at high speeds. And that’s why I always tell my students when we explore new bugs, "It's not a bug, it's a feature."
하지만 그렇게 하기 위해서 여기 있는 투석기 구조를 발전시켜 빠른 속도로 물방울을 날려야 한다는 사실을 깨달았습니다. 그래서 저는 새로운 곤충을 탐구할 때 항상 학생들에게 이렇게 말합니다. “버그(오류)가 아니야, 기능일 뿐이야.”
(Laughter)
(웃음)
(Applause)
(박수)
OK, so why should you care about insect pee, and what’s the practical application of this work? Maybe, maybe one day, these ideas, these principles could help us design more efficient water-ejector systems for our smartphones, our watches and hearing aids.
그럼 왜 여러분이 곤충 오줌에 관심을 가져야 하느냐고요? 그리고 이 연구를 어디에 적용할 수 있냐고요? 어쩌면, 어쩌면 언젠가 이런 아이디어가, 이런 원리가 스마트폰, 손목시계, 보청기에 들어갈 더 효율적인 수분 배출 시스템을 설계할 때 도움이 될지도 모르겠어요.
But I have to be honest, that's not really why I've obsessed over insect pee for the last four years. I do this because when I share my work with kids, it ignites their curiosity. When I talk about insect pee, it makes their eyes light up. They laugh, they run around in their backyards, looking at bugs and asking questions. It reminds them and us that we can discover marvelous in the mundane, even in our own backyards. We just have to look closely.
하지만 솔직하게 말씀드리자면 제가 지난 4년 간 곤충 오줌에 집착한 이유가 그런 것 때문은 아니에요. 제가 이 연구를 하는 이유는 아이들에게 제 이야기를 들려줄 때 호기심을 자극하기 때문이에요. 곤충 오줌에 대해 얘기하면 아이들 눈이 초롱초롱 빛납니다. 웃으면서 뒤뜰로 가서 뛰어다니며 곤충들을 관찰하고 질문을 하죠. 아이들과 우리는 거기서, 일상 속에서도 놀라운 발견을 할 수 있음을 배웁니다. 심지어 집 뒤뜰에서도요. 조금 더 주의 깊게 봐야 할 뿐인 거죠.
Thank you so much.
정말 감사합니다.
(Cheers and applause)
(환호성, 박수)
I've got to go pee.
오줌 누러 갑니다.