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거리에 모여 있는 비둘기 떼에 한발 다가가자 한꺼번에 푸드득 날아오른다. 약속이라도 한 듯 모두 같은 방향이다. 마치 전체가 한 마리의 거대한 새 같다. 낙동강 하구나 천수만에서 해질녘 일제히 날아오르는 수천 마리의 겨울 철새들. 노을을 뒤로한 채 근처 서식지까지 우아하면서도 일사불란하게 움직이는 모습이 복잡하면서도 섬세한 자연의 경이로움을 느끼게 한다. 그런데 이런 새의 ‘무리짓기’에도 과학적 비밀이 숨어 있다.
 

3무리를 지어 이동하는 모습은 새 말고도 물고기, 소, 메뚜기 등 여러 생물에게서 공통적으로 발견할 수 있다. 즉, 종에 관계 없이 비슷한 패턴을 보이는 생물이 많다는 뜻이다. 과학자 중 물리학자와 컴퓨터공학자들이 이러한 ‘패턴’에 주목했다. 복잡해 보이지만 의외로 간단한 몇 가지 규칙만 이해하면 새가 무리를 짓는 이유를 설명할 수 있기 때문이다.



1986년 미국의 컴퓨터공학자인 크레이그 레이놀즈는 동물의 집단행동을 컴퓨터로 재현하는 ‘바이오드(Biods)’라는 컴퓨터 프로그램을 만들었다. 이 프로그램은 무리짓기를 하는 가상의 컴퓨터 동물을 만든다. 레이놀즈는 여기에 세 가지 간단한 행동 규칙을 입력하면 자연에 존재하는 실제 새떼와 거의 비슷한 무리를 이룬다는 사실을 확인했다.
 

레이놀즈가 세운 세 가지 규칙은 모두 위치와 방향을 결정하는 방법에 대한 것이었다. 첫 번째는 ‘분리의 원칙’으로, 각 동물이 이웃과 충돌하거나 한 곳에 지나치게 모여 붐비는 현상을 피하도록 한다. 두 번째는 ‘정렬의 원칙’으로, 이웃한 동물이 향하는 방향의 가장 평균이 되는 방향으로 움직이도록 하는 규칙이다. 마지막은 ‘응집의 원칙’으로 근처에 있는 동물들의 위치를 분석한 뒤 그 평균 위치를 향해 움직이도록 한다(그림 참조).

무리짓기의 3원칙은 거리에 따라 각각 다르게 작용한다. 무리 중 하나의 개체 A가 있다고 가정해 보자. A에서 가장 가까운 곳에 있는 또다른 개체 B에는 ‘분리의 법칙’이 작동한다. 따라서 A와 B는 서로 밀어내게 된다. 하나의 바이오드가 근처에 있는 이웃과 충돌하거나 한 곳에 너무 복잡하게 모이는 일을 피하기 위해서다. 이는 실제 비둘기나 철새가 근처에 있는 다른 새와 너무 가깝지 않게 일정한 거리를 유지하는 원리와 같다(그림 1).



거리가 좀더 떨어진 중간 영역에서는 두 번째 원칙인 정렬의 원칙이 작동한다. 이 원리는 주위에 있는 다른 개체들이 전체적으로 움직이는 방향과 같은 방향으로 A 개체가 움직이게 해 준다. 이는 비둘기들이 서로 눈치를 보며 다수의 비둘기가 날아가는 방향으로 함께 날아가는 원리를 표현한 것이다(그림 2).



마지막으로 가장 먼 곳에 있는 개체들 사이에는 근처에 있는 이웃과 서로 가까워지려는 인력이 작용한다. 이 성질은 멀리 떨어진 두 무리들이 서로 합쳐져 더 큰 무리를 이루도록 한다. 작은 무리가 커져서 철새나 메뚜기 떼와 같이 규모가 큰 무리가 태어나게 하는 원리다(그림 3).



3원칙은 대단히 단순하다. 하지만 실제로 이 원칙만을 이용해 프로그램을 작동시켜 보면 가상의 동물이 실제 새들과 거의 비슷한 방식으로 무리를 이루는 모습을 확인할 수 있다. 새들도 이 3원칙에서 크게 벗어나지 않는 규칙에 따라 무리를 이루고 이동하는 셈이다. 다만 종에 따라 무리 규모가 약간씩 달라진다. 예를 들어 두루미보다는 거위가 좀 더 큰 무리를 이룬다. 이는 세 번째 원칙인 응집의 원칙에도 불구하고 무리의 크기는 종마다 다르다는 뜻이다. 새가 자신의 위치를 결정할 때 어느 정도 이웃한 새들을 고려하는지도 종 고유의 특징이다. 예를 들어 종달새는 거리와 관계없이 주변 6~7마리의 동료 위치만을 고려해 자신의 위치와 방향을 결정한다.