물벼룩의 심장은 얼마나 빨리 뛸까

물벼룩 심장은 1초에 서너 번 뛴다. 눈으로 15초 동안 세고 4를 곱하는 전통적인 방법은 세는 사람마다 값이 다르고, 빨라질수록 놓치는 박동이 늘어난다. 이 프로그램은 영상을 대신 본다. 영상은 서버로 가지 않고 브라우저 안에서만 읽힌다.

어떻게 재는가

심장이 수축하면 그 자리의 밝기가 미세하게 바뀐다. 박스로 지정한 심장 영역 안에서 시간에 따라 가장 크게 흔들리는 픽셀만 골라 가중 평균을 내면, 박동마다 오르내리는 한 줄짜리 신호가 된다. 물벼룩이 조금 움직여도 박스가 따라가도록 프레임마다 위치를 다시 맞춘다.

그 신호에서 1~9 Hz, 곧 분당 60~540회 사이의 성분만 남긴다. 느린 흔들림과 빠른 잡음을 걷어내는 것이다. 남은 신호가 스스로와 얼마나 비슷한 간격으로 반복되는지를 재면 한 박동의 주기가 나오고, 60초를 그 주기로 나누면 분당 박동수다. 한 번에 재지 않고 영상을 겹치는 여러 구간으로 나눠 각각 잰 뒤 서로 얼마나 일치하는지를 신뢰도로 표시한다. 일치도가 낮으면 영상이 흔들렸거나 심장이 박스 밖으로 벗어난 것이다.

촬영이 절반이다

박동을 놓치지 않으려면 한 박동 안에 프레임이 충분히 들어가야 한다. 분당 300회는 초당 5회이므로 초당 30프레임 영상에서는 한 박동에 여섯 장뿐이다. 주기는 잴 수 있지만 정밀도가 떨어진다. 휴대전화의 슬로모션(초당 120~240프레임)으로 찍으면 한 박동에 스무 장 넘게 들어와 결과가 안정된다.

초점이 심장에 맞아 있어야 하고, 물벼룩이 헤엄치지 않도록 물을 아주 조금만 두거나 솜 한 가닥으로 살짝 고정한다. 영상 아래의 구간 막대로 흔들림 없는 부분만 잘라 분석하면 같은 영상에서도 값이 또렷해진다. 분석에는 3초 이상, 되도록 10초 이상이 필요하다.

무엇을 바꿔 볼까

물벼룩은 변온동물이라 몸의 대사 속도가 물 온도를 따라간다. 실온보다 차가운 물에서는 심장이 느려지고 따뜻한 물에서는 빨라진다. 생리 범위 안에서는 온도가 10 ℃ 오를 때 속도가 대략 두 배가 된다는 경험 법칙이 잘 맞는다. 다만 너무 뜨거우면 더 빨라지는 것이 아니라 멈춘다. 10~30 ℃ 사이에서만 실험하고 끝나면 원래 물로 돌려보낸다.

카페인이 든 물에서는 심박이 빨라지고, 묽은 에탄올에서는 느려진다. 어느 쪽이든 농도를 아주 낮게, 노출 시간을 짧게 두어야 한다. 실험의 목적은 변화를 보는 것이지 물벼룩을 다치게 하는 것이 아니다.

숫자를 읽을 때 조심할 것

대조군과 실험군의 차이가 곧 원인의 효과는 아니다. 영상 하나씩이면 표본이 하나씩이다. 같은 물벼룩이라도 시간에 따라 심박이 오르내리고, 개체마다 기준값이 다르다. 차이가 신뢰도 표시의 오차 범위 안에 있다면 "달라졌다"고 말하기 어렵다. 결론을 내리려면 개체를 여럿 두고 반복해야 하고, 그것이 실험 설계를 배우는 자리다.

두 영상을 모두 재면 조작 변인을 적어 AI 비교 리포트를 받을 수 있다. 리포트는 측정값만 가지고 가설·결과·해석·한계·결론의 순서로 초안을 쓴다. 표본이 하나뿐이라는 점과 상관이 인과를 보장하지 않는다는 점을 반드시 적도록 되어 있고, 신뢰도가 낮은 값은 불확실하다고 표시한다. 리포트는 정답지가 아니라 토론의 출발점이다.

측정은 브라우저가 하고, 해석은 사람이 한다.

교실에서

한 모둠이 대조군을, 다른 모둠이 실험군을 찍어 오면 수업 시간 안에 비교가 끝난다. 결과를 모으면 모둠 수만큼의 반복 측정이 되므로, 개별 값의 흩어짐과 평균의 차이를 함께 보여 줄 수 있다. 눈으로 센 값과 프로그램이 잰 값을 나란히 놓고 어느 쪽이 왜 더 믿을 만한지 묻는 것도 좋은 출발이다.

자주 묻는 질문