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우주에서 힘든 9개월을 보낸 후, 국제우주정거장(ISS)에 발이 묶였던 미항공우주국(NASA·나사) 우주비행사들이 마침내 지구로 귀환했다. 그러나 전문가들은 부치 윌모어(59)와 수니 윌리엄스(62)의 계획되지 않은 ISS 체류가 심각한 건강 영향을 미쳤을 수 있다고 경고한다. 우주여행 전후로 바뀐 충격적인 두 사람의 얼굴 모습은 일반인이 우주라는 혹독한 환경(무중력 등) 속에서 몇 달을 보낼 경우 미칠 수 있는 끔찍한 피해를 보여주기에 충분해 보인다.
윌리엄스와 윌모어가 지난 18일(현지시각) 스페이스X 크루 드래곤 지구 귀환 캡슐에서 나왔을 때 의료진이 그들을 들것에 실어 나르기 위해 달려갔다. 이것은 무중력(또는 미소중력·微小重力)상태의 우주에서 돌아온 우주인에게는 정상적인 과정이다. 무중력 상태에 있던 이들의 근육이 약해져서 지구 중력에서는 스스로 걷는 것이 힘들기 때문이다. 두사람은 이제 휴스턴에 있는 나사의 존슨 우주 센터에서 며칠 동안 집중적인 건강 검진을 받을 예정이다. 하지만 이미 건강 전문가들은 이들이 우주선에 9달동안 발묶여 있는 중에 신체적 쇠퇴의 징후를 발견했고 깡마른 외모와 명백한 체중 감소에 대해 우려를 표명했다. 이들은 두 우주비행사가 향후 수년간 ‘닭다리’와 ‘아기 발’ 증세에서부터 암 위험 증가에 이르는 건강 문제에 직면할 수 있다고 경고하고 있다. 이들이 우려를 표명한 것은 크게 9가지의 신체 이상 징후다. 시력 상실, 인지 기능 저하, 근육과 뼈 손실, 체중감소, 체액이동에 의한 부은 얼굴, 심장병, 피부 피폐, 방사선피폭에 의한 더 높은 발암 가능성 등이 그것이다.
두 우주비행사의 9개월 우주 체류기간 중 폭싹 늙어버린 모습을 통해 중력이 거의 없는 우주에서 이들은 어떤 건강상의 위기를 겪었는지, ISS에서 어떻게 건강관리를 하는지, 그리고 귀환후 이들은 건강회복을 위해 나사의 어떤 재활 운동을 거치는지, 통상 우주비행사의 건강회복까지는 얼마나 걸리는지 등에 대해 알아봤다. 18일자 데일리메일, 스페이스닷컴, 영국런던대 생리학교수이자 나사연구원이었던 케빈퐁 의학박사의 저서 ‘생존의 한계’(이충호옮김. 어크로스· 2014) 등을 참고했다. 장차 우주에서 생활하게 될지도 모를 인류에게 이를 극복할 방법이 필요해 보인다.
앞서 우주에서 6개월 만에 귀환한 비행사들에게 무슨 일이?
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나사 연구원이기도 했던 케빈 퐁 박사는 자신의 저서 ‘생존의 한계’에서 ‘6개월 만에 돌아온 우주비행사에게 무슨 일이 일어났나’라는 이야기를 통해 다음과 같이 무중력 생활을 하는 우주비행사들이 겪고 극복해야 하는 고충을 설명하고 있다.
시력 상실과 인지 기능 저하
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머리에 압력이 쌓이면 눈과 시신경을 눌러 우주 비행 관련 신경-안구 증후군(Spaceflight Associated Neuro-Ocular Syndrome·SANS)이라는 것을 유발한다.
SANS는 우주로 가는 모든 우주인의 약 70%에게 시야가 흐릿하거나 불분명하게 보이게 한다.
우주인의 눈은 일반적으로 지구로 돌아오면 정상으로 돌아오지만 나사는 일부 영향은 영구적이라고 경고한다.
나사는 또한 우주비행사가 우주에 머무는 시간이 길어질수록 시력 손상 위험이 커질 것이라고 경고하는데, 이는 윌리엄스와 윌모어의 매우 긴 임무 기간을 감안할 때 우려스러운 일이다.
연구에 따르면 우주비행사는 지구보다 우주에 있는 동안 일부 작업을 상당히 느리게 처리한다.
연구에 따르면 우주비행사는 작업 기억과 주의력이 손상되고 위험 감수 행동이 변한다는 사실도 밝혀졌다.
그러나 현재 우주비행사가 지구로 돌아온 후에도 이러한 변화가 지속된다는 증거는 없다.
근육과 뼈 손실
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우주에서 오랜 시간 보내는 것과 관련된 가장 큰 위험은 무중력에 노출되는 것이다.
지구 중력의 인력에서 벗어나면 우주인의 근육은 일하지 않아 약해지기 시작한다.
미소중력에서 생활하는 데 따른 영향에 대처하기 위해 우주비행사는 ISS에서 하루에 최소 2시간 동안 운동을 한다.
하지만 의사들은 이것으로도 근육과 뼈 손실을 막기에는 여전히 충분하지 않다고 말한다.
데일리메일과의 인터뷰에서 자퀴시 박사는 “미소중력에서 오랜 시간을 보내는 우주비행사는 근육조직을 잃고 뼈(골) 밀도도 잃는다. 인체는 지구의 중력의 인력이 필요하고, 중력이 없으면 많은 것이 제대로 작동하지 않는다”고 말했다.
연구에 따르면 우주에서 6개월을 보낸 30~50세의 우주비행사는 체력의 절반을 잃는다고 한다.
지난 18일 극적인 지구 귀환 착륙 모습에서 봤듯이 우주비행사들은 일반적으로 지구 중력의 엄청난 무게 속에서 걸을 수 없다.
윌리엄스와 윌모어는 ISS에 있는 동안 나사의 엄격한 운동 일정을 따랐음에도 캡슐에서 나올 때 지상 지원팀의 들것의 도움을 받아야 했다.
연구에 따르면 골밀도의 변화는 심각하고 오래 지속될 수 있으며, 이로 인해 뼈 골절이나 골격 문제 발생의 위험이 커진다.
호흡기내과 의사이자 예비역 공군은 비나이 굽타 박사는 우주비행사가 체력을 회복하려면 최대 6주간의 재활이 필요할 수 있으며, 여기에는 안내에 따르는 운동과 영양 계획이 포함될 것이라고 말했다.
케빈 퐁 박사는 이 부분에 대해서도 “그런데 그렇게 사라져가는 것은 뼈뿐만이 아니다. 중력에 저항하는 근육도 아주 빠른 속도로 사라져간다. 우주 여행에 나선 쥐들의 넙다리네갈래근(大腿四頭筋)을 조사한 실험에서 전체 근육량의 3분의 1 이상이 9일 만에 사라졌다. 더욱 흥미로운 사실은, 우주 비행사의 느린연축 근심유(피로에 효과적으로 저항하여 마라톤 선수에게 적합한 종류의 근섬유)가 빠른 연축 근섬유(단거리 주자에게 적합한 근섬유)로 바뀌어 간다는 점이다”라고 말하고 있다.
체중 감소
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무중력의 영향은 우주비행사가 우주에서 체중을 유지하는 데 어려움을 겪기 때문에 더욱 악화된다.
빈번한 메스꺼움과 코에 있는 공기구멍인 부비동(副鼻洞)의 압력으로 인한 후각과 미각 상실로 인해 우주비행사들은 식욕을 잃는다.
데일리메일은 지난해 11월 의사들의 말을 인용, ISS에 있는 윌리엄스가 9월에 찍은 사진에서 말랐고 체중이 줄어든 것처럼 보인다고 말했다. 그 달 말에 이름을 밝히지 않은 나사 소식통이 뉴욕포스트에 자신들은 이들의 “체중 감소를 안정시키고 역전시키기 위해 애쓰고 있다”고 말했다.
이 임무에 직접 관여한 익명을 요구한 나사 직원은 윌리엄스가 ISS에 있는 동안 “우주비행사가 섭취해야 하는 고칼로리 식단을 따라잡을 수 없었다”고 말했다. 이 소식통은 “체중이 녹아내리고 이제 피부와 뼈만 남았다. 그래서 체중 감량을 안정시키고 역전시키는 것이 우선순위다”라고 말했다.
그달 말 윌리엄스는 나사가 공개한 라이브 영상에서 체중 감량 ‘루머’에 반박하며 실제로 근육이 늘었다고 주장했다.
체액 이동···얼굴이 붓는다
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또한 신체는 70%가 물로 구성되어 있기 때문에 이 체액은 중력이 낮을 때 극적으로 이동하는 경향이 있다.
나사는 무중력에서는 마치 거꾸로 매달려 있는 것처럼 5.6리터 이상의 몸속 액체가 신체 위쪽으로 이동할 수 있다고 말한다. 결국 이 체액은 우주인의 얼굴과 머리에 쌓여서 부은 것처럼 보이게 만든다. 어떤 경우에는 나사가 ‘얼굴 붓기 증후군(puffy face syndrome)’이라고 부르는 문제가 실제로 발생해 머리의 조직이 심하게 부어 오른다.
이 이상한 모습은 나사의 우주비행사가 우주에 있는 동안 별로 건강해보이지 않는 데 대한 설명으로 제시돼 왔다.
동시에 신체 아랫부분에서 체액이 빠져나가면 나사에서 ‘닭다리(chicken legs)’와 ‘아기발(baby feet)’이라고 부르는 현상이 발생한다. 이것은 다리가 비정상적으로 작고 약해 보이는 상태이다.
이러한 표면적인 합병증은 일반 중력에서는 약 3일 이내에 사라질 가능성이 있지만, 체액 이동은 심각한 건강 문제로 이어질 수도 있다.
ISS에 있는 승무원의 신체에서 체액이 위쪽으로 이동하면 우주비행사의 혈전 위험도 증가한다. 특히 우주 비행 정맥 혈전증(Spaceflight Venous Thrombosis SVT)이라는 질환이 발병하기 때문이다.
나사에 따르면 SVT를 앓은 우주인 중 일부는 지구로 돌아온 후 완전히 회복됐지만, 다른 우주비행사는 추가 치료가 필요했다.
심장 건강
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근육과 뼈만 타격을 받는 것이 아니다. 미소중력은 심혈관 건강에도 영향을 미친다.
이는 혈액과 기타 체액이 머리 쪽으로 이동하기 때문에 심혈관계가 뇌로 피를 보내는 혈류를 유지하기 위해 열심히 일할 필요가 없기 때문이다.
나사에 따르면 이로 인해 혈액량이 감소하고 심장과 혈관의 기능이 저하될 수 있다.
케빈 퐁 박사는 이와 관련, 자신의 저서에서 “···한편, 심장과 혈관계는 중력을 극복해야 할 필요가 없어지면서 컨디션이 엉망이 되고 만다. 우주 비행은 평소에 잘 운동하던 생리적 계들에게 가만히 앉아 지내는 생활을 강요하여 운동 선수를 소파에서 빈둥거리는 사람으로 바꾼다. 심장혈관계의 경우, 지구에서는 자세 변화에 의해 미세조정되면서 끊임없이 대응하던 반사 작용들이 장기간의 우주 비행 동안 크게 쇠퇴한다. 소파에 누워서 줄근 영화만 보는 자신의 모습을 상상해 보라. 초인종 소리가 울리면, 여러분은 벌떡 일어난다. 그러면 심장혈관계는 갑작스럽게 활동에 변화를 주어야 한다. 누워 있던 자세에서 선 자세로 바뀌었으므로, 몸속의 혈액은 갑자기 다리 쪽으로 쏠려 심장으로 돌아가는 양이 줄어들고, 그 결과로 심장이 뛰는 힘도 약해진다. 게다가 목동맥을 따라 심장과 뇌 사이를 유유히 흘러다니던 혈액은 이제 중력을 뿌리치고 수직 방향으로 올라가야 한다. 이러한 변화들이 결합되면, 뇌는 적절한 혈액 공급을 받지 못해 여러분은 의식을 잃고 바닥에 쓰러질 것이다. 여러분이 그런 운명을 맞이하지 않도록 가로막고 나서는 것은 바로 목동맥의 혈압 감소를 감지하여 뇌에 심장 수축 속도와 힘을 높이고, 그와 동시에 혈압을 높이기 위해 말초 혈관들을 수축시키라고 지시하는 반사이다. 이 원시적인 반사는 아주 중요하다. 이것이 없다면, 여러분은 갑자기 일어설 때마다 구겨진 덩어리가 되어 바닥에 누워 있을 것이다. 우주정거장에서 장기간 임무를 수행하고 돌아오는 우주 비행사들에게 바로 이런 현상이 나타난다. 10분 동안 똑바로 가만히 서 있으라고 하면 상당히 높은 비율의 우주 비행사들은 현기증을 경험한다. 이 증상을 비행후 기립 조절 장애라 부르는데, 똑바로 선 자세를 유지하기 어려운 것을 말한다”고 설명하고 있다.
우주에서 20% 얇아지는 피부 표피
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연구에 따르면 ISS에서 6개월을 보내면 피부도 크게 피폐해진다.
한 연구팀에 따르면 우주인의 표피는 우주에서 20% 가까이 얇아지는데, 이는 중력이 낮아 피부의 성장 및 자체 복구 능력이 조절되지 않기 때문일 수 있다.
또 다른 연구에 따르면 피부 발진은 6개월 ISS 임무 중에 가장 자주 보고되는 임상 증상으로서 지구상의 일반 미국인보다 25% 더 자주 발생다.
이러한 발진은 우주 정거장 내부에서 발견되는 자극물이나 알레르기 유발 물질, 그리고 미소 중이 면역 체계에 미치는 약화 효과로 인해 발생할 수 있다. 나사에 따르면 우주에서의 피부 손상은 치유되는 데도 더 오래 걸린다.
방사선 피해
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데일리메일은 윌리엄스와 윌모어가 늘어난 ISS 임무 동안 극심한 수준의 우주 방사선에 노출됐을 것이라고 쓰고 있다.
ISS에서 단 1주일 동안 우주비행사는 지구에서 1년 동안 노출되는 것과 동일한 방사선에 노출된다.
우주에서 우주비행사가 경험하는 방사선 유형은 지구에서 흔히 볼 수 있는 방사선원보다 더 위험하다.
우주 방사선은 빛의 속도에 가깝게 가속되면서 전자가 벗겨진 원자로 구성돼 있다.
우주비행사는 또한 태양 폭발중 나오는 입자, 은하 우주선, 우리태양계 외부에서 오는 고에너지 양성자 및 중이온 등과 싸워야 한다.
이러한 입자들이 우주인의 몸에 부딪히면 우리 세포의 DNA 사슬을 파괴하고 돌연변이를 유발해 암으로 발전할 수 있다.
나사에 따르면, 이로 인해 암, 중추 신경계 손상, 뼈 손실 및 일부 심혈관 질환이 발생할 위험이 증가할 수 있다.
굽타 박사는 “내가 그들의 담당 의사라면 암 검진을 위한 보다 적극적인 전략을 생각할 것이다. 우리는 그들이 매우 독특한 노출 이력을 가지고 있다는 점을 감안할 때 이 대목에서 다른 접근 방식을 취하고 싶다”라고 말했다.
케빈 퐁 박사는 방사선 문제와 관련, 저궤도 위성에서 활동하는 우주비행사들은 지구자기장 덕분에 안전하다는 입장을 보이고 있다. 하지만 화성까지 여행하고자 한다면 방사선 피폭 문제가 심각할 것이라고 말한다.
그는 ‘생존의 한계’에서 “···그래도 화성 여행에 나서겠다는 생각을 포기하고 싶지 않다면, 이번에는 방사선 위험을 생각해 보라. 지구와 화성 사이를 여행하는 동안 우주 비행사가 노출될 배경 방사선은 안전 수준을 넘어서진 않을 것이다. 단 태양 플레어가 일어나지 않는다면 말이다. 태양 표면에서 일어나는 이 거대한 플라스마 분출 현상은 고에너지 입자를 우주 공간으로 뿜어낸다. 지구 저궤도에서 활동하는 우주 비행사들은 지구자기장이라는 안전한 보호막의 보호를 받기 때문에 큰 문제가 되지 않는다. 태양에서 날아온 대전 입자들은 지구 자기장의 자기력선에 붙들려 그 에너지를 무해한 방식으로 내려놓기 때문에, 우주 비행사들은 안전하다. 하지만 지구 부근을 벗어나 멀리 우주 공간으로 나아가는 우주선은 그런 보호를 받을 수 없다. 태양 플레어는 바로 옆에서 중성자 폭탄이 폭발하는 것과 같다. 고에너지 입자들(헬륨 원자핵[알파] 입자), 중성자, 양성자 등등)은 우주 비행사의 몸을 지나가면서 곳곳을 파괴하고 세포에 돌이킬 수 없는 손상을 입힌다. 이런 방사선에 노출되는 것은 각 세포의 DNA 청사진에다가 포탄을 발사한 뒤에 거기에 남은 정보를 바탕으로 뭔가를 만들려고 하는 것과 같다. 그 결과로 만들어지는 구조는 위험할 정도로 불안정하고 오작동하기 쉽다. 털집(모낭), 피부, 창자 내벽처림 분열 속도가 빠른 세포 집단이 가장 심하게 손상된다. 빠르게 분열하는 골수 세포도 심한 손상을 입는다. 혈액세포들이 죽으면, 빈혈증이 나타난다. 혈액 응고를 돕고 면역계를 강화하는 혈소판이 부족해지기 때문이다. 이것은 머리카락이 뭉텅이로 빠지고, 설사가 나고 피부에 멍이 생기고, 잇몸 출혈이 일어나는 것을 비롯해 급성 방사선 후유증에 걸린 사람에게 혼히 나타나는 증상을 설명해 준다. 보호막이 없으면, 그런 방사선 노출에서 살아남기 어렵다. 설상가상으로 태양 플레어는 산발적으로 일어나기 때문에, 발생 시기를 예측하는 것은 영국 날씨를 예측하는 것만큼이나 어렵다. 그리고 그 효과를 막는 방법도 쉬운 게 없다. 납으로 우주선을 둘러싸 봤자 아무도 도움이 되지 않는다···한 가지 방법은 우주선 안에 일종의 방공호를 만드는 것이다. 즉, 태양플레어에서 날아오는 방사선 폭풍에 저항력이 좀더 강한 구역을 따로 만드는 것이다. 이것은 금속층이 아니라 물로 우주 비행사를 보호한다. 물은 태양에서 날아오는 입자를 약화시키는 데 큰 효과가 있는 것으로 드러났다. 하지만 이 방법은 어디까지나 추측 수준에 머물러 있을 뿐이다. 유인 화성 탐사에서 방사선의 위험에 대해 전문가들의 의견을 묻는다면. 그들은 아직 모든 것을 제대로 알지 못한다고 대답할 것이다···”라고 쓰고 있다.
나사의 귀환 우주인들 회복 프로그램은?
나사는 우주인들의 이러한 우주 장기생활에 따른 영향을 극복할 수 있도록 돕기 위해 우주귀환 비행사들을 위한 전문 재활 프로그램을 가지고 있다.
검사는 지구로 귀환해 착륙한 캡슐에서 나오자마자 시작되며 휴스턴에 있는 나사 존슨 우주 센터의 승무원 숙소로 이동해 며칠 더 정기적인 건강 검진을 받는다.
장기 ISS 임무에서 돌아온 나사 우주비행사는 주 7일, 하루 2시간씩 운동해야 하는 45일 재활 프로그램을 완료다.
나사에 따르면 이 프로그램은 각 우주인의 특정 요구 사항에 맞게 3단계로 조정된다.
▲1단계=나사 우주인의 임무 후 재활 계획 1단계는 근력, 유연성 및 걷는 능력을 회복하는 데 중점을 둔다.
여기에는 빠른 보행 훈련 운동, 관절가동범위 운동 및 장애물 훈련이 포함될 수 있다.
보행 훈련 운동은 걷는 동안 근력, 균형 및 협응력을 개선하도록 설계된 동작이다. 예를 들어 스쿼트, 다리 쭉 뻗어 올리기, 한쪽 다리로 서기 및 쪼그려 걷기 등이 있다.
관절 가동 범위를 개선하기 위해 우주비행사는 발목 펌프(반듯이 누워 발목 까딱이기)를 수행할 수 있다. 여기에는 발을 풀어주면서 앉거나 누워 있는 것도 포함된다. 또한 종아리, 대퇴사두근 및 넓적다리 뒤 근육(햄스트링)을 풀기 위한 스트레칭을 할 수도 있다.
우주비행사들은 협응력을 개선하기 위해 장애물 코스를 탐색하거나 물체를 넘어서거나 돌아야 할 수 있다.
2▲2단계=1단계에서 약간의 개선을 보인 우주비행사는 2단계로 넘어가서 고유 수용성 운동과 심장 강화운동(달리기 등)을 추가한다.
고유 수용성 운동은 신체를 강화하고 신체의 움직임과 위치에 대한 정신의 인식을 개선한다.
예로는 역돌진(리버스 런지), 탄성밴드로 묶인 발 끝으로 공들 터치하기(밴디드 토 탭), 좌우다리 번갈아 들며 스쿼트 하기(스모 스쿼트)가 있다.
이러한 운동 중 일부는 더 복잡하다. 우주비행사는 한쪽 다리로 서서 바닥에서 물건을 집어 올려야 할 수 있으며, 허리를 굽히고 몸을 굽힐 때 균형을 유지해야 한다. 심장 훈련의 경우 우주비행사는 런닝머신, 엘립티컬 또는 고정형 자전거를 사용해 지구력을 비행 전 상태로 되돌릴 수 있다.
▲3단계=가장 긴 단계인 3단계는 기능적 개발 훈련을 통해 우주비행사가 최적의 신체적 성능 수준으로 돌아가게 하는 데 중점을 둔다.
이 훈련은 우주비행사가 업무를 수행하고 일상 생활에 쉽고 효율적으로 참여하는 데 필요한 기술과 능력을 회복하는 데 도움을 준다.
점프 스쿼트, 점프 런지, 마운틴 클라이머스, 플랭크, 데드리프트와 같은 고강도 운동이 포함될 수 있다.
나사에 따르면 대부분의 우주비행사는 45일 후에 임무 재투입 가능 수준의 체력으로 돌아간다.
하지만 일부는 회복하는 데 몇 달 또는 몇 년이 걸릴 수 있으며, 연구에 따르면 많은 우주비행사가 뼈 밀도를 완전히 회복하지 못하는 것으로 나타났다.
생물의학 엔지니어인 존 재키시 박사는 “골형성 하중운동을 사용하면 비행 전 뼈 밀도를 회복할 수 있지만 쉽지는 않을 것”이라고 말했다. 이 운동은 골밀도를 높이기 위해 일반적으로 무게를 지탱하는 활동을 통해 뼈에 충분한 기계적 스트레스 또는 부하를 가하는 과정을 말한다.여기에는 스쿼트, 런지 또는 점프와 같이 뼈에 스트레스를 가해 뼈를 강화하는 운동이 포함된다.
하지만 재키시 박사는 이들의 뼈 성장을 자극하기 위해서 뼈는 체중의 4.2배나 되는 하중을 견뎌야 한다고 말했다. 그는 “스쿼트 세계 기록도 체중의 4배이므로 귀환 우주비행사들이 뼈 성장을 위해 들어야 하는 최소 무게는 세계 기록 보유자보다 더 많야야 한다”고 말했다. 사실상 이 방법으로 골밀도를 높이기는 어려워 보인다.
이재구 기자
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