꿈꾸는 책꽂이 2

소수매미의 수수께끼 : 13년, 17년에 한 번 나타나는 이상한 매미 이야기

요시무라 진 글, 이시모리 요시히코 그림, 장미화 옮김, 서울과학교사모임 감수 | 파란자전거
소수매미의 수수께끼
정가
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출판정보
발행일 : 2007년 06월 15일 | 페이지 : 144쪽 | 크기 : 15 x 22.5cm
ISBN_13 : 978-89-89192-71-8 | KDC : 470
독자 평점
전문가 평점 | 판매지수 440 | 독자 서평(0)
교과관련
6학년 과학 2학기 공통
6학년 과학 1학기 공통
수상&선정
열린어린이 2007 여름 방학 권장 도서
도서정보
이 도서는 절판 입니다.
매미는 참 별난 곤충입니다. 우리나라에 흔한 말매미는 6년 동안 캄캄한 땅속에 있다가 땅 위로 올라와 탈피하고 성충이 됩니다. 그리고 땅속에서 보낸 몇 년의 시간이 무색할 만큼 짧은 시간, 여름 한 철 힘껏 울어 짝짓기를 합니다. 시끄러운 수컷 매미의 울음소리는 짧은 시간 동안 암컷과 짝짓기를 하려는 필사적인 노력이라 할 수 있겠지요. 여름마다 도심에서 시끄럽게 우는 천덕꾸러기 매미에게 이런 사연이 있음을 알고 나니 딱한 마음이 듭니다.

이 책에는 이런 매미들과는 많이 다른 별종 매미가 나옵니다. 미국 남·동부에만 사는 이 매미는 13년 혹은 17년마다 나타납니다. 게다가 매미의 수는 얼마나 많은지, 언론에선 ‘매미 떼 대거 발생’ ‘매미 50억 마리 출현’ 등 너도나도 호들갑을 떱니다. 평균 10㎡ 당 400마리 정도가 모인다고 하니 그 빽빽한 정도와 매미가 내는 시끄러운 소음은 상상을 초월할 정도입니다.

2004년 워싱턴 D.C 근교에는 매미 떼가 찾아와 주민들이 잠을 못자고 전화 소리가 들리지 않을 정도였을 뿐 아니라 도로마다 매미가 차 바퀴에 깔려 터지는 소리가 가득했다고 합니다. 한 과학자는 매미 무리 속에서 몇 분간 일을 했더니 그 후 여러 시간 동안 귀가 들리지 않았다는 논문을 발표하기도 했지요. 올해 매미가 찾아오는 시카고 지역의 한 동물원은 그동안 동물들에게 주던 귀뚜라미나 지렁이 간식을 없애고 매미로 대신할 예정이고, 103년의 역사를 가진 시카고의 음악 축제는 이미 매미의 소음을 피해 올해 개최 일정을 연기했다고 합니다.

이 매미의 정체는 무엇일까요? 왜 그토록 오랜 시간에 걸쳐 성충이 되고, 한꺼번에 같은 장소에 나타나는 것일까요? 왜 13년 혹은 17년일까요? 저자는 이들 매미를 둘러싼 수수께끼를 설득력 있는 이론으로 설명해 냅니다. 이 책은 1996년 과학 잡지 『아메리칸내추럴리스트』에 실린 저자의 논문 「빙하기를 통한 주기매미의 진화적 기원」을 어린이 눈높이에 맞추어 풀어쓴 것입니다.

이 수수께끼를 풀기 위해선 빙하기로 거슬러 올라가야 합니다. 땅속에서 나무뿌리의 양분을 먹고 자라는 매미의 애벌레는 날씨가 따뜻하면 나무뿌리의 양분이 풍부해져 성장이 빨라지고, 반대로 추우면 성장이 느려지지요. 빙하기에 북미 대륙까지 빙하가 성장하자 추위 때문에 매미의 주기는 미국 남부에서는 12~15년, 북부에서는 14~18년으로 길어졌습니다.

빙하기를 거치면서 매미에게는 또 다른 성질이 굳어졌습니다. 태어난 장소에서 계속 사는 것, 즉 이동하지 않는 성질이지요. 성충의 수명이 2주에 불과한 이 매미들은 너무 멀리 떨어져 있으면 서로 만날 수가 없었습니다. 다른 무리들과 가까운 곳에 있지 않으면 짝짓기할 기회가 없으니 번식할 수가 없었지요. 여러 곳에서 매미들은 멸종되어 갔고 고향을 벗어나지 않고 무리 속에 남아 있던 매미들만 자손을 남길 수 있었습니다.

그럼, 이제 마지막 수수께끼를 풀어 볼까요? 매미의 주기가 13, 17이라는 소수인 이유는 무엇일까요? 빙하기 동안 이들 매미의 주기는 미국 남부에선 12~15년, 미국 북부에선 14~18년으로 길어졌습니다. 그런데 주기가 다른 매미들끼리 만나면 자손은 주기가 불규칙하게 바뀌어 버렸습니다. 즉 다른 주기를 가진 매미와의 교잡은 자손이 줄어드는 결과를 낳았던 것입니다. 이는 소수를 주기로 하는 매미들에게 유리했습니다. 소수는 1과 자기 자신으로만 나누어지는 수입니다. 이는 다른 수와 만날 확률이 훨씬 적다는 뜻이지요. 해를 거듭할수록 다른 주기 매미들은 멸종되어 갔고, 소수를 주기로 하는 매미들만 살아남아 오늘날의 소수매미가 되었던 것입니다.

이상하고도 재미있는 이들의 생활 모습은 알고 보니 살아남기 위한 치열한 생존 전략이었습니다. 온힘을 다해 생명을 이어가는 작은 생물, 매미에게서 작지만 위대한 생명력이 느껴집니다. 여름 한 철 잠시 살다 가는 매미에게 이렇듯 이상하고도 재미있는 비밀이 숨겨져 있었다는 사실이 새삼 놀랍습니다. 앞으로도 주위에서 만나는 작고 하찮은 것 속에 감추어진 위대한 힘을 발견할 수 있기를 기대해 봅니다.

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13년과 17년이라는 소수(素數)를 주기로 집단적으로 한꺼번에 날개를 가진 곤충으로 바뀌는 미국의 주기매미가 있습니다. 이 책은 그들의 모습을 보며 ‘왜 한꺼번에 같은 장소에서 집단 발생하는 것일까? 왜 이렇게 오랜 시간에 걸쳐 성충이 될까? 왜 13년 혹은 17년일까?’라는 의문에서 출발하여 매미들의 습성을 소수의 특성을 이용해 수학적으로 설명하는 과학책입니다.

더불어 지구 탄생 이후, 기후 변화와 같은 다양한 환경 변화에 가장 효과적으로 생물이 적응해 온 진화 과정을 통해서도 설명하고 있습니다. 청소년 이상을 대상으로 하고 있지만 풍부하게 담겨진 재미있는 그림과 도표, 흥미롭게 이끌어가는 상세한 설명 등이 6학년 정도의 어린이들도 흥미롭게 접근할 수 있게 할 것입니다.
요시무라 진(Yoshimura Jin)
1954년에 태어났습니다. 시즈오카대학 교수, 브리티시컬럼비아대학 연구원, 임페리얼칼리지 개체군생물학 센터 연구원, 치바대학 객원교수 등을 역임했습니다. 현재 시즈오카대학 공학부 교수 및 뉴욕주립대학 겸임교수로 있습니다. 수리생태학을 전공하고 진화 이론에 대한 연구를 꾸준히 하고 있으며, 매미 이외에도 다른 여러 동물의 행동을 진화적 수리모델로 해석하여 많은 연구논문을 발표하고 있습니다.
이시모리 요시히코(Ishimori Yoshihiko)
1958년 일본 도쿄에서 태어났습니다. 어렸을 대부터 곤충소년이라 불릴 만큼 곤충에 관심이 많아 지금은 벌레나 동물을 전문적으로 그리고 있습니다. 쿠와자와 디자인 연구소 그래픽디자인 연구과를 졸업했고, 현재「과학 친구」에 주위에서 흔히 볼 수 있는 곤충을 관찰한 ‘우리 주변에 있는 것들’을 연재하고 있습니다. 템페라화, 판화 등도 제작하며, 많은 개인전과 그룹전을 가졌습니다.
장미화
한양대학교 국제학(일본학) 박사. 삼성경제연구소 일본 연구실에서 13년간 일했고, 인천대학교 등에서 일본 역사와 일본어를 강의했습니다. 현재 일본어 번역가로 활동하고 있습니다.
서울과학교사모임
딱딱한 과학 수업을 재미있게 풀기 위해 모인 수도권 지역 과학 선생님들의 모임입니다. 1986년에 출범하여 수업지도안들을 공동 개발하고, 전국과학교사 연수를 개최하면서 여러 도서들도 펴 냈습니다. 그동안 엮은 책으로는『숨은과학』『빛, 사고력을 기르는 과학 아카데미』, 번역서『즐거운 화학학교』등이 있습니다. 여기 속한 과학 선생님들은 모든 어린이들이 과학의 눈과 마음을 가지는 데 도움을 주기 위해 지금도 열심히 가르치고 연구하고 계시다고 합니다.
올여름, 미국 중서부를 뒤흔들 사랑의 찬가!
굉음에 가까운 수십억 마리 매미 떼가 불러대는 사랑의 찬가! 6월 초 미국 중서부 지역을 덮칠 매미 떼의 기습 현장은 상상만으로도 가히 공포영화를 방불케한다. 17년, 13년에 한번 미국의 일정한 지역에 나타나는 주기매미, 이들이 바로 문제의 주인공이다. 그리고 바로 올여름이 1990년 이래 잠자고 있던 매미가 땅위로 올라오는 해다.

이 책은 미국에 정기적으로 나타나는 매미 대집단의 기이한 습성을, 진화론과 수학의 개념을 사용해 완벽하게 설명하고 있는 과학책이다. 1996년 세계적으로 권위있는 과학잡지「아메리칸 내추럴리스트」에 발표하여 전 세계 과학자들의 주목을 받은 저자의 논문「빙하기에 있어서 주기매미의 진화적 기원氷河期における週期ゼミの起源」을 아동·청소년은 물론 일반인이 과학에 쉽게 접근할 수 있도록 세밀하고 익살스러운 일러스트와 많은 도표를 이용해 재구성했다. 흥미로운 매미의 생활사를 통해 누구라고 과학의 새로운 재미를 경험하게 될 것이다.

학문의 경계는 없다! - 수학, 지질학, 생태학, 진화로 풀어보는 주기매미의 수수께끼
매미는 생애의 대부분을 땅속에서 보낸 뒤 땅위로 올라와 약 2주 동안 자손을 남기고는 죽어버린다. 우리 주변에서 볼 수 있는 매미가 2-3년 주기이고 나타나는 지역이 한정되어 있지 않는 반면 미국의 매미는 13년, 17년 주기이고 각각의 해마다 나타나는 장소가 한정되어 있다. 『소수매미의 수수께끼』는 17년매미의 3가지 기이한 습성에 초점을 맞춰 이야기를 풀어나간다. 왜, 그렇게 오랜 시간에 걸쳐 성충이 될까? 왜, 동시에 같은 장소에 집단으로 발생할까? 왜, 13년과 17년일까? 저자는 지구의 역사를 돌이켜보며 그곳에 살았을 매미의 모습을 집요하리만치 섬세하게 과학적으로 짚어나간다.

모든 생물은 환경 변화에 적응하며 진화하게 된다. 이때 그들은 ‘얼마나 자손을 잘 남기는가’라는 문제에 당면한다. 매미 또한 예외일 수 없다. 북미 각지가 빙하기를 맞아 기온이 내려가자 성충이 되는 데 오랜 시간이 걸리게 되고, 머지않아 그 성질이 몸에 배게 되었다. 또 빙하기를 잘 견뎌낸 매미가 성충이 되어 땅위로 올라왔을 때 짝을 쉽게 찾을 수 있도록 일정한 지역에 집단으로 발생하는 성질이 생기게 되었다. 그러나 왜 하필 13년, 17년일까? 여기서 저자는 13년, 17년에 한 번 나타나는 매미를 ‘소수매미’라 부른 이유에 대해 기가막인 논증을 펼친다.

13과 17은 소수素數이고 두 주기매미가 같은 해에 만나는 것은 최소공배수의 해로 이 경우 221년에 한번이 된다. 그러나 6과 8을 주기로 하는 매미는 24년에 한번 만나게 되어 훨씬 자주 주기가 다른 매미와의 교잡이 일어난다. 그 결과 부모와 다른 여러 주기의 자손이 태어나 짝을 만날 수 없게 되므로 자손을 남기지 못하고 멸종한다는 것이다. 소수의 특성을 매미의 주기로 바꾸어 검증해 본 결과, 소수주기매미는 주기가 다른 매미와 교잡 확률이 적어서 같은 주기의 매미가 지금까지 살아남았다는 것! 작은 생물체가 지구의 오랜 역사와 함께 진화의 극한까지 나아가는 모습은 감동인 동시에 자연 섭리의 합리성을 그대로 반영한 대장정이다. 그 가운데서 수학적 규칙을 적용해 탁월한 논증을 펼치는 저자의 독창적인 발상은 우리를 다시 한번 놀라게 할 것이다.

과학적 사고의 독창성이 주는 통합 학습의 현장
우리가 한 사건이나 사물을 받아들일 때 자신이 직접 생각하고 풀어내 얻은 답이 아닌데도 아무렇지도 않게 받아들이는 것들이 있다. 예를 들면 1+1=2라든가 ‘매미는 곤충’이라든가 하는 명제. 그러나 저자는 이러한 것들마저도 근본부터 자신이 직접 생각하고 계산한 뒤 이해하는 것과 있는 그대로를 받아들이는 것이 얼마나 큰 차이를 가져오는지, 또한 통합적이고 과학적이고 독창적인 사고를 하는 데 얼마나 중요한 기초학습이 되는지 이 책을 통해 확실히 보여주고자 했다. 생물의 생애와 습성을 바라봄에 생물학은 물론 지질학, 생태학, 수학 등 다양한 학문과 개념을 이용하고 있다는 점이 그것이다.

이 책의 내용은 저자도 이미 밝히고 있는 바 과학적 사고를 바탕으로 구성된 공상과학책이다. 그러나 저자는 우리가 현재 마주하고 있는 사물과 사건을 받아들이기 위해 46억년이라는 지구의 역사에 자그마한 생물의 역사를 견주어보고 여기에 수학 이론을 접목시키는 창의성을 발휘하였다. 그리고 문제를 해결해나가는 과정에서도 모든 것을 미루어 짐작함 없이 하나하나 계산하고 확인하는 절차를 게을리하지 않았다. 결과가 아니라 이 일련의 과정들을 “스스로 생각하고 해결해나감으로써 논리적 접근, 과학적 분석력, 창의성이 더해져 통합적 사고로 이어지는 것이고, 그것이 과학적 사고의 첫걸음”이라고 저자는 말한다.
감수의 글
추천의 글
한국어판을 펴내며

제1장 미국에 사는 기이한 매미
불가사의한 생물, 매미
50억 마리의 매미

제2장 작은 매미의 비밀
미국은 온통 매미 투성이?
수수께끼를 푸는 열쇠, 기온
얼음 천국 ‘빙하기’

제3장 매미의 역사를 찾아서
조상매미의 수난
불행 중 다행 ‘레퓨지아’
기이한 성질의 시작

제4장 소수의 위대한 힘
13과 17의 비밀
‘소수매미’의 등장
불가사의한 마법의 수

제5장 그리고… 현대로
긴 여행 끝에
진화, 그 장대함에 대하여
그렇다면 5와 7의 최소공배수를 살펴볼까요? 5와 7의 최소공배수와 6과 8의 최소공배수 중 어느 쪽이 더 클까요? 5와 7은 각각 6과 8보다 작은 수이므로 얼핏 보면 6과 8의 최소공배수가 더 크다고 생각할지 모릅니다. 그런데 사실은 그 반대입니다. 6과 8의 최소공배수는 24이지만 5와 7의 최소공배수는 35거든요.

게다가 두 조합의 주기를 비교해 보면 좀 더 재미있는 사실을 발견하게 됩니다. 그렇습니다. 6과 8의 주기는 곧 만나는데 5와 7의 주기는 좀처럼 만나지 않습니다. 이것은 아래의 표로도 확실히 알 수 있지요.

이것을 매매의 주기로 고쳐서 생각해 볼까요? 6년 주기매미 무리, 8년 주기매미 무리, 5년 주기매미 무리, 7년 주기매미 무리가 있다고 가정해 봅시다. 그러면 6과 8의 조합은 우화하는 해가 자주 겹치는 데 비해, 5와 7의 조합은 우화하는 시기가 좀처럼 겹치지 않습니다.

6과 8, 5와 7. 이 조합의 차이는 무엇일까요? 그것은 5와 7이 ‘소수’라는 사실입니다. 소수끼리가 아니더라도 수의 조합에 소수가 들어 있으면 최소공배수는 커지는 성질이 있습니다. 이 점을 꼭 기억해 두세요!
(본문 102~104쪽)
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