블루 모르포 나비의 날개는 왜 색소 없이도 파랗게 보일까?

블루 모르포 나비의 날개는 멀리서도 금속처럼 선명한 파란빛을 낸다. 그런데 그 파랑은 파란 물감을 칠한 결과가 아니다. 날개를 덮는 작은 비늘의 나노 구조가 백색광 가운데 특정 파장의 빛을 강하게 되돌려 보내기 때문에 우리의 눈에는 파랗게 보인다. 이런 색을 구조색이라고 한다. 비눗방울이나 공작 깃털의 반짝임처럼, 물질의 화학적 색소보다 빛이 지나가는 길과 구조의 간격이 색을 결정하는 경우다.

나비 날개는 얇은 막 위에 기와처럼 겹쳐진 수많은 비늘로 덮여 있다. 모르포류의 일부 비늘에는 능선에서 옆으로 뻗은 얇은 판들이 층층이 배열된다. 키틴과 공기층이 번갈아 놓인 이 구조의 간격은 가시광선 파장과 비슷한 크기다. 빛이 각 경계에서 반사되면 어떤 파장은 서로 보강되고 다른 파장은 약해진다. 파란빛 부근의 반사가 특히 보강되면, 흰빛을 비춘 날개도 파랗게 빛난다.

이 현상은 단순히 작은 거울이 파란빛만 골라 반사하는 것보다 더 섬세하다. 반사된 빛의 색과 밝기는 비늘의 층 수, 두께, 간격, 굴절률 차이, 빛이 들어오는 각도와 보는 각도에 따라 달라진다. 그래서 모르포 나비는 날갯짓할 때 파랑이 번쩍였다가 사라지는 것처럼 보일 수 있다. 관찰 위치가 달라지면 반사가 가장 강한 방향도 바뀌며, 어떤 각도에서는 파란색 대신 어둡거나 갈색에 가깝게 보일 수 있다.

구조색이 있다고 해서 색소가 전혀 없다는 뜻은 아니다. 많은 나비는 검은색이나 갈색 색소를 함께 써서 원하지 않는 빛을 흡수하고, 구조가 만든 파랑의 대비를 높인다. 블루 모르포의 대표적인 파랑도 복잡한 비늘 구조가 주된 원인이지만, 날개 아래쪽의 어두운 층과 다른 비늘의 조합이 보이는 색을 더 또렷하게 만든다. 따라서 ‘색소냐 구조냐’는 두 선택지보다, 구조와 색소가 함께 어떻게 빛을 다루는지를 보는 편이 맞다.

나비마다 구조색을 만드는 방법도 다르다. 단순한 얇은 막의 두께만 조절하는 종이 있는가 하면, 여러 겹 능선, 구멍이 난 층, 또는 3차원 광결정 같은 복잡한 구조를 이용하는 종도 있다. 최근의 비교 연구는 나비 비늘에서 수백 가지 광학 나노구조가 발견됐다고 정리한다. 특히 파란색을 만드는 구조는 여러 계통에서 독립적으로 나타났지만, 긴 파장의 선명한 빨강 구조색은 훨씬 드물다. 생물의 색은 진화와 물리 법칙이 함께 남긴 설계 기록이다.

구조가 정확히 반복될수록 한 가지 색을 날카롭게 고를 수 있을 것 같지만, 모르포의 눈부심에는 적당한 불규칙성도 중요하다. 비늘의 능선과 판이 완벽한 격자만 이루면 반사가 아주 좁은 방향에만 모일 수 있다. 실제 날개에는 미세한 높이와 간격의 차이가 있어, 파란 반사가 일정한 폭의 각도로 퍼진다. 덕분에 나비가 날아가도 관찰자는 짧은 순간 파란 섬광을 보기 쉽다. 생물이 만든 구조는 실험실의 완벽한 격자와 달리, 신호를 보낼 환경에 맞춘 균형일 수 있다.

파랑이 어떤 생태적 기능을 하는지도 종과 상황에 따라 다르다. 눈에 띄는 반사는 짝짓기 상대에게 신호가 될 수 있지만, 포식자에게도 보일 수 있다. 나비의 눈과 새의 눈은 사람과 다른 파장 범위를 감지하므로, 사람이 보는 파랑만으로 신호의 효과를 판단할 수 없다. 날개 윗면의 파랑과 아랫면의 갈색 무늬가 다른 이유도 비행 중 신호와 앉아 있을 때의 위장처럼 서로 다른 요구를 동시에 만족시키기 위해서일 수 있다.

이 미세 구조는 공학자에게도 흥미롭다. 색소를 덜 쓰고도 색을 낼 수 있는 표면, 보는 각도에 따라 신호가 달라지는 위조 방지 표시, 화학 센서, 저에너지 디스플레이에 영감을 준다. 다만 나비 비늘을 그대로 복사한다고 제품이 되는 것은 아니다. 자연의 구조는 매우 가볍고 작은 면적에서 성장하며, 산업은 넓은 면적에 같은 간격을 오랫동안 유지해야 한다. 또한 각도에 따라 색이 달라지는 성질은 어떤 제품에는 장점이지만 화면이나 페인트에는 단점일 수 있다.

모르포 나비의 파랑은 ‘파란 물질’보다 ‘파란빛을 만드는 구조’에 가깝다. 날개에 담긴 수많은 공기와 키틴의 경계는 빛의 파도를 맞춰 파랑을 증폭하고 다른 빛을 줄인다. 그래서 비늘이 손상되거나 젖어 공기층의 조건이 바뀌면 색도 달라질 수 있다. 나비가 보여 주는 것은 작고 연약한 비늘 하나가 아니라, 눈에 보이지 않는 길이 규모에서 빛을 설계하는 생물학의 정교함이다. 그 파랑은 색의 이름이 아니라 빛과 구조가 맺은 결과이며, 환경에 따라 달라지는 아주 살아 있는 광학 신호다.