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[우주생명과학 시리즈 18] 이웃집 한스가 화성(Mars)으로 비행한다면 어떤 일이?

아폴로 11호가 Saturn V 로켓에 실려 플로리다 케네디 우주센터를 출발한 시기는 1969년 7월 16일입니다. 나흘 뒤인 7월 20일, 닐 암스트롱과 버즈 올드린은 차례로 달 착륙선에서 내려와 월면에 발을 내디뎠습니다. 인류 역사 상 외계 천체에 첫 발을 디딘 대사건이었습니다. 그후 아폴로 프로그램은 계속 이어졌고, 1972년 12월 7일 - 19일간 17호 비행을 끝으로 달 탐사 계획은 마감하게 됩니다.[1] 아폴로의 달 탐사 여정은 약 45년 뒤인 2017년 아르테미스 프로그램(Artemis Program)으로 돌아왔습니다.[2,3] 아르테미스는 그리스 신화에서 아폴로의 쌍둥이 누나이자 달의 여신으로 나옵니다. 이 계획에는 NASA를 비롯해 ESA, JAXA 등의 우주 기구들이 참여하고 우리나라도 2021년 5월부터 10번째 참여국으로 합류했으며, SpaceX, 블루오리진과 같은 민간기업들도 참여하고 있습니다. 이 사업의 핵심 중 하나는 2026년까지 우주인 장기 체류...
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[우주생명과학 시리즈 17] 장기간 우주 체류를 가능하게 할 인공중력 기술

미래 우주 시대를 활짝 열려면 무부하 상태에서 발생하는 뼈소실과 근위축을 비롯한 의과학적 문제들을 선결해야 합니다. 무엇보다 화성 탐사와 같은 장거리/장기간의 왕복 임무를 완수하려면 신체에 나타날 근본 문제들을 반드시 해결해야 할 것입니다. 이에 NASA와 ESA를 비롯한 각국 우주 기구들은 운동 체계 및 다양한 약제 활용에 거의 모든 역량을 기울이고 있습니다. 그러나 앞선 연재에서 보았듯, 지구 환경을 떠난 상태에서는 운동+약리적 요법이 신체기능 유지에 충분치 못하다는 결과들을 밝히고 있습니다. 따라서 장기간 우주 체류를 위한 근본 대안으로 인공중력(artificial gravity) 기술을 개발하려는 계획이 국제적 협력 하에 적극 모색되고 있는 상황입니다 (그림 1,2).[1-4] 마이크로중력 환경에서 인공중력을 제공해 줄 수 있다면 우주인의 신체 여건(신경-근-골격, 심혈관 기능 등)을 목적지의 중력에 맞춰 대비하도록 하중 부하(weight loading) 세기를 조정할 ...
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[우주생명과학 시리즈 16] 우주 여행 중의 뼈소실과 근위축을 막으려면 - 1

본 연재의 최근 기고에서는 우주 여행 중 피할 수 없이 발생하는 뼈소실(시리즈 11 – 12)과 근위축(시리즈 13 – 15)에 대해 세포/조직의 변화에서부터 분자 기전에 이르기까지 다양한 측면에서 정리했었습니다. 이 같은 연구들은 미래 우주시대를 무탈하게 열기 위한 의과학적 대비책 마련의 일환이 될 것입니다. 이번 글을 포함해 향후 이어지는 연재에서는 '골격-근 강화'를 위한 그동안의 의약학적 연구 성과들을 정리해 보고자 합니다. 먼저, 운동은 가장 편리하게 접근할 수 있는 골격-근 강화 방법입니다. 앞서 살펴보았듯, 무부하 상태에서는 뼈소실이 주로 하체 골격에서 나타나는 것으로 확인된 바 있으며, 이를 억제하기 위해서는 충격 가력(impact loading) 운동이 정적 운동(static loading)보다 더 효과적인 것으로 보고되어 있습니다.[1] 예를 들어 역도나 체조와 같은 운동이 단순 달리기나 수영보다 뼈소실을 막는데 더 효과적인 것으로 알려져 있습니다.[1,2] ...
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[우주생명과학 시리즈 14] 우주 여행 중의 불청객: 골격근 위축-2

이번 글에서는 지난 연재에 이어 우주 여행에서 만나게 되는 골격근 위축(muscle atrophy)의 발생 기전과 근력에 미치는 영향에 대해 실험 자료들을 근거로 소개해 보고자 합니다.[1] 근위축 연구가 필자의 전문 분야이기도 하여 본 글에 소개할 자료들은 본인의 과거 연구 결과들을 위주로 정리해 보겠습니다. 본 연재물의 시리즈 10에서 소개한 것처럼, 동물을 대상으로 지상에서 수행하는 근위축 연구에는 하지현수 모델이 주로 사용됩니다. 그림 1A 사진에서 보듯, 흰쥐(Sprague Dawley rat)의 꼬리를 위로 잡아 올린 채 3주간(U3w) 유지하며, 동일 기간 동안 대조군(C3w)도 함께 준비하게 됩니다. 무부하 3주를 보낸 개체들 중 상당 수는 꼬리를 풀어주어 재부하 1시간(R1h), 5시간(R5h), 1일(R1d), 2주일(R2w) 실험을 이어갑니다. 총 7개 그룹에 대해 체질량(body mass, Mb) 대비 가자미근(soleus muscle) 질량(muscle ...
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[우주생명과학 시리즈 13] 우주 여행 중의 불청객: 골격근 위축-1

이번 연재부터는 우주 여행 중 가장 큰 문제로 부각되어 온 ‘근위축(muscle atrophy)’ 발생과 그 대응 방안에 대해 알아보겠습니다. 여기서 근육은 골격근(뼈대 근육 skeletal muscle)을 의미하며, 연재 내용이 제법 길고 전문 용어들이 자주 등장하므로 몇 차례 나누어 가능한 쉽게 풀어 쓰겠습니다. 우리가 간이나 콩팥을 각각 기관으로 다루듯 각 골격근도 하나의 기관으로 보고 있습니다. 인체에는 해부학적 이름을 가진 골격근들이 좌우 대칭으로 약 320쌍이 있습니다. 숫자로 보면 총 640 여개 기관이 있는 셈이지요.[1] 각 근육은 많은 근다발(근주)로 이루어져 있고, 각 근다발은 수많은 근세포들로 채워져 있으며, 각 근세포는 엄청난 수의 근원섬유들로 구성되어 있습니다(그림 1).[1] 각 근원섬유는 궁극적으로 미오신-액틴 필라멘트들로 정교하게 채워져 있으며 이 필라멘트들의 활주운동(sliding movement)으로 근수축을 일으키게 됩니다. 대뇌에서 출발한 ...
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[우주생명과학 시리즈 12] 하중 부하와 골격계의 변화-2

'집을 나서면 고생'이라는 말이 있습니다만, 우리가 지구를 벗어나는 건 고생 정도가 아니라 생존의 문제가 될 것입니다. 지난 시리즈-11의 후속 편으로 이번 연재에서는 우주 무부하 상태에서 겪게 되는 골밀도 감소 기전에 대해 좀 더 자세히 들여다 보고자 합니다. 장기간 우주 체류가 우주인의 골밀도를 감소시킨다는 사실은 지난 반세기에 걸쳐 충분히 밝혀져 왔습니다.[1,2] 그리고 골밀도 감소를 억제하기 위해 운동-재활 의료를 비롯해 근-골격계 강화를 위한 다앙햔 의약학적 노력이 수행되어 왔습니다. 이러한 결과들은 미래 장거리 우주탐사 시대에 발맞춰 지상과 우주 연계 신산업들에도 새로운 전기를 마련해 주고 있으며, 무엇보다 지구인의 건강 관리(예, 운동계의 퇴행성 노화 방지)에도 선순환 효과를 높여줄 전망입니다.[2] 우리의 관심사는 우주 체류로 인해 발생하는 뼈소실은 얼마나 심각한지 그리고 그 과정에는 어떤 기전이 관여하는지 밝히려는 것입니다. 이런 노력을 통해 궁극적으로는 골밀...
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[우주생명과학 시리즈 11] 하중 부하와 골격계의 변화-1

이번 연재부터는 무부하/무체중 상태에서 나타나는 근골격계의 형태-기능적 변화에 대해 알아보겠습니다. 앞선 연재에서 소개했듯 오랜 침상 생활이나 우주 마이크로중력 환경에 있게 되면 우리 신체는 에너지대사, 근골격계, 심혈관계 등의 기능 감소를 겪게 됩니다. 아래 그림 1A에서 보듯, 지상에서는 우리가 어떤 활동을 하든 지구 중력(1 G)의 영향을 받게 됩니다. 그러나 우주 마이크로중력에 노출되면 뼈와 근육에 가해지던 하중 부하가 사라지기 때문에 뼈기질이 점점 줄어드는 골다공이 발생하고, 근수축에 필요한 단백질들이 줄어들어 근질량과 근력이 감소하는 근위축이 일어납니다(그림 1B).[1-3] 따라서 인류가 미래 우주시대를 성공적으로 열어가려면 근골격계에 나타날 문제들을 해결할 방안을 모색해야 할 것입니다. 이번 연재에서는 부하 변화가 뼈밀도에 미치는 영향에 대해 구체적으로 알아 보고자 합니다.먼저 인체 골격의 특성에 대해 살펴보겠습니다. 우리 골격계는 머리뼈-척추뼈-갈비뼈-가슴뼈로 ...
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[우주생명과학 시리즈 7] 자유낙하와 무부하: 몸에서 체중이 빠져나가는 기분이란!

외계로 나가면 진공이나 기압-온도 변화와 같은 극한 환경을 만나게 됩니다. 우주인들은 이러한 요인들을 잘 갖춰진 우주선과 우주복으로 해결할 수 있습니다. 하지만 우주탐사 자체가 지구중력에 적응된 우주인들을 중력 변화에 노출시키기 때문에, 장기적으로는 신체 기능에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 중력 변화를 지속적으로 예측하고 의과학적 대응책을 마련하지 않으면 외계 임무 수행에 차질을 빚을 수 있을 것입니다. 이번 연제물부터는 생체 기능에 영향을 줄 수 있는 무부하(unloading; 무하중/무체중) 또는 고부하(hypergravity) 상태를 지상과 대기권에서 구현하는 기술들을 살펴보고, 이들의 의생물학적 활용성을 알아보고자 합니다. (1) 낙하탑(drop tower): 지구중력에 끌려 자유낙하 하는 동안 무부하 상태를 구현하는 시설입니다.[1]-[2] 아래 그림 1A에서 보듯, 자이로 드롭(gyro drop)은 자유낙하를 직접 체험할 수 있는 놀이기구입니다. 1994...
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[우주생명과학 시리즈 6] 참 마이크로중력과 무체중 그리고 공중 부양

앞선 연재물 [시리즈 5]에서는 지구중력(1 G)을 기준으로 태양계 내 일부 천체들의 고중력(예, 목성)과 저중력(달, 화성) 상태를 살펴보았습니다. 그렇다면 마이크로중력(10^-6 G) 상황은 어디에서 만날 수 있을까요? 다음과 같이 두 경우로 나누어 정리해 보겠습니다. (1) 참 마이크로중력(true microgravity): 우리가 우주선을 타고 지구 반지름의 1,000배 만큼 먼 우주로 비행한다고 가정해 보겠습니다. 우주선이 지상에 있을 때 받는 중력은 1 G이지요. 앞서 보았듯, 중력은 물체간 거리의 제곱에 반비례하기 때문에[중력 = C(m1 x m2)/d^2], 우주선이 지구 반지름의 10^3배로 멀어지면 중력은 10^-6 G인 마이크로중력권에 들어간다고 하겠습니다. 지구 평균 반지름이 6,371 km이므로 지구에서 약 6,370,000 km까지 날아가면 참 마이크로중력권으로 들어가는 것이지요. 참고로, 지구에서 달까지의 평균 거리가 384,400 km이므로, 달까지...
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[우주생명과학 시리즈 5] 무중력-마이크로중력-저중력-(지구)중력-고중력

모든 생명체는 서식하는 행성 표면에서 생활하고 있습니다. 반중력(anti-gravity)의 힘을 쓰지 않는 한 중력에 끌려 행성에 붙어 사는 셈입니다. 아이작 뉴턴의 중력이론은 여러분들에게 친숙한 ‘만유인력의 법칙’에 기초한 이론입니다. 질량을 가진 물체들은 서로 끄는 힘(=인력)을 가지는데(그림 1A), 이를 풀어 쓰면, 중력(F)은 두 물체 질량1과 질량2의 곱을 두 물체의 거리 제곱으로 나누고 여기에 중력상수를 넣어 얻는 값이 되겠습니다. 다음으로 자유낙하와 중력가속도 g에 대해 알아보겠습니다 (“g”는 소문자 이탤릭체로 씀). 자유낙하는 물체가 중력에 의해 그 방향으로 끌려가는 운동을 말하며, 낙하 중에는 언제나 가속운동을 하게 됩니다. 고층 건물에 올라서서 물체를 떨어뜨리면 쉽게 관찰되는 운동이지요(그림 1B). 만약 이 물체가 낙하하는 동안 동일한 속도로 이동한다면 이 물체는 등속 운동을 하고 있다고 할 것입니다. 그러나 현실적으로 이 물체는 지구 중력에 끌려 가속운...
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