Spaceflight does some weird things to astronauts’ bodies

우주비행을 할 때 우주인의 몸에 생기는 이상한 일들

우주비행사 건강에 대한 이 대규모 연구는 미래의 장거리 우주 임무에서 우리가 무엇을 찾아야 할지에 대한 단서를 제공한다.

우주비행사 스콧 켈리(Scott Kelly)는 340일 동안 국제우주정거장에서 생활하며 근무한 것으로 유명하다. 이는 우주에서 미국인이 보낸 가장 긴 시간이다. 그의 임무는 과학자들에게 궤도에 장기간 머무는 동안 인체에 무슨 일이 일어나는지에 대한 중대한 통찰력을 주었다. 이는 켈리에게 (역시 우주비행사이기도 하고, 이제는 곧 상원의원이 될) 일란성 쌍둥이 마크가 있기 때문이다. 켈리 쌍둥이들은 과학자들에게 흔치 않은 기회를 제공했다. 과학자들은 스콧이 우주에 머무는 한 해 동안 스콧의 몸에 무슨 일이 일어났는지를 연구하면서 마크라는, 지구에 머물렀던 대조군 대상을 얻는 혜택을 얻을 수 있으니까 말이다.

나사(NASA)의 쌍둥이 연구는 우리가 이미 짐작했던 일에 관한 증거를 더 많이 내놓았다. 극미중력 상태에다 장시간 방사선에 노출되어 있는 밀폐된 우주 캡슐 안에서는 면역 체계가 타격을 입고, 눈 기능이 나빠지며, 근육량과 골질량이 꽤 많이 손실된다.

그러나 우리는 몇 가지 의외의 영향도 발견했다. 켈리의 장내 미생물군집이 변했고, 인지 능력이 둔화되었다. 또한 비활성화되어 있던 특정 유전자가 활성화되었고, 염색체들이 구조적 변화를 겪었다.

“쌍둥이 연구는 우주 비행에 대한 인체의 분자학적 반응에 관해서 첫 밑그림을 제공했지만, 우리는 이 윤곽을 채워 넣어야 했다”고 웨일 코넬 의과대학(Weill Cornell Medicine)의 생리학 및 생물물리학 부교수인 크리스토퍼 메이슨(Christopher Mason)은 말한다. 그는 “우리가 본 변화에는 더 많은 맥락과 상호작용이 필요했다”며 “우리는 우주로 가는 다른 우주비행사들과 생물체들에게서 관찰한 변화의 빈도를 파악하기 위해서뿐만 아니라 더 짧은 임무에서도 변화의 정도가 유사한지 확인하기 위해서 후속 연구가 필요했다”고 설명한다.

이 쌍둥이 연구를 기반으로 한 일련의 새로운 연구들이 이어지면서, 일부 원자료를 새로운 기술로 재분석하기도 하고 다른 우주비행사들과 비교하기도 했다. 오늘 여러 다른 저널에 발표된 19건의 연구에서 (아직 동료평가 중인 10건의 출판전 논문과 더불어), (논문 14건의 책임 저자인) 메이슨과 같은 연구자들은 (켈리를 포함해) 56명의 우주비행사에게서 일어났던 생리학적, 생화학적, 유전학적 변화를 연구했다. 이는 지금껏 수행해온 이 분야 연구 중 가장 큰 규모다.

새로운 논문에서는, 최근에야 활용하기 쉬워진 세포 프로파일링(cell-profiling)과 유전자 시퀀싱(gene-sequencing) 기술로 얻은 결과를 통합하여, “인간과, 쥐, 그 외 다른 동물들이 우주로 갈 때 그들 몸에서 일관되게 나타나는 몇몇 특징이 있음을 밝혔다”고 메이슨은 말한다. 그는 “우주비행의 혹독한 환경에 반응하고 적응하는 포유류의 핵심적 기능이 있는 것 같다”고 설명한다.

좋은 일, 나쁜 일, 불가해한 일

연구진은 우주비행 중에 모든 우주비행사에게서 나타나는 6가지 생물학적 변화를 강조한다. 바로 산화스트레스(신체 세포 내의 과도한 활성산소 축적), DNA 손상, 미토콘드리아의 기능 장애, 유전자 조절의 변화, 텔로미어(염색체의 말단으로 나이가 들면서 짧아진다) 길이의 변경, 장내 미생물군집의 변화다.

이 6가지 중에서 과학자들에게 가장 크고 놀라운 변화는 미토콘드리아의 기능 장애였다. 미토콘드리아는 세포, 그리고 더 나아가 조직과 기관의 기능을 유지하는 데 필요한 화학 에너지를 생성하는 데 중요한 구실을 한다. 연구원들은 수십 명의 우주비행사들에게서 불규칙한 미토콘드리아 활동을 발견했고, 새로운 유전체학과 단백질체학 기술 덕에 이런 변화의 특성을 광범위하게 밝혀낼 수 있었다. NASA의 생물정보학자이자 한 연구의 책임 저자인 애프신 베헤슈티(Afshin Beheshti)는 미토콘드리아의 억제가 실제로 (면역 체계 결함, 일주기 리듬 장애, 기관 합병증과 같이) 우주비행사가 겪은 많은 문제들이 총체적으로, 어떻게 서로 관련되어 있는지를 설명하는 데 도움이 된다고 말한다. 왜냐하면 이들 모두가 똑같은 대사 경로에 의존하기 때문이다.

베헤슈티는 “우주에 있을 때 영향을 받는 것은 하나의 기관이 아니라 몸 전체”라며, “우리는 이제 이 점들을 연결하기 시작했다”고 언급한다.

다른 연구는 유전자 수준에서 관찰한 문제에 전념했다. 나사 쌍둥이 연구에 따르면 켈리의 텔로미어가 우주에서는 길어졌다가 지구로 돌아온 직후에는 정상 길이로나 아니면 오히려 더 짧게 줄어들었다. 텔로미어는 나이가 들어감에 따라 짧아진다고 여겨지므로 텔로미어가 길어지는 것은 이해가 잘 가지 않는데, 쌍둥이 연구는 왜 이런 일이 생겼고 또 어떤 영향이 있었는지에 대한 실질적 결론을 내기에 충분한 데이터는 제공하지 않았다.

콜로라도 주립 대학의 텔로미어 연구 전문가이자 여러 논문의 책임 저자인 수전 베일리(Susan Bailey)는 새로운 연구에서 10명의 다른 우주비행사도 임무 기간과 상관 없이 켈리가 겪은 것과 똑같이 텔로미어가 길어졌고, 지구로 귀환해서는 역시 켈리와 똑같이 텔로미어가 줄었다는 것을 밝혀냈다고 말한다.

특히, 한 연구에서는 에베레스트산을 오른 등산가들도 텔로미어의 길이에 영향을 받는다 것을 발견했다. 이 결과는 산화스트레스의 영향으로 텔로미어 길이가 연장될 수 있음을 시사한다. 산화스트레스는 등반가와 우주비행사가 모두 경험하는 것이며 텔로미어 유지를 방해하는 것이다.

우주비행사 아키히코 호시데가 국제우주정거장에서 채혈을 하고 있다. NASA

베일리의 연구팀은 여전히 이런 경로가 어떻게 작동하고 정확히 어떤 결과가 나올지를 규명하려고 노력하고 있다(아마도 장수의 비결은 아닐 것이다). 하지만 베일리는 “이제는 토대를 쌓았다”며, “장기간 [및 심우주] 탐사 임무를 수행할 미래의 우주비행사들에게서 무엇을 찾아야 하고 무엇을 알아야 할지를 우리는 알고 있다”고 말한다.

몇몇 변화는 예상치 못했지만 대부분은 걱정할 필요가 없는 종류다. “놀랄 만한 것은 인간이 우주에 얼마나 잘 적응하는지”를 밝혀낸 것이라고, 이 새로운 연구에는 참여하지 않은 베일러 의과 대학의 우주 의학 센터(Center for Space Medicine) 소장 제프리 서턴(Jeffrey Sutton)은 말한다. 켈리는 우주에 있는 동안 혈액 세포 돌연변이가 감소했다 (메이슨에게는 매우 놀라운 일이었다). 또한 우주비행사들은 노화와 관련된 생체표지자 수준은 감소하고, 방사선 손상과 극미중력에 대한 혈관계 반응을 조절하는 마이크로RNA 수준은 증가했음을 보여주었다. 가장 새로운 발견은 지구로 귀환한 우주비행사들의 장내 미생물군집에 ISS에서 발견했던 우주 미생물도 포함되어 있었다는 점이다.

서턴은 “개별적으로 그리고 집단적으로 수행한 연구들이 아주 인상적”이라며 “이제는 우주 생물의학 연구의 새로운 시대에 접어들었고, 여기서 우리는 인간이 우주에 어떻게 적응하는지 더 잘 이해하기 위해 정밀 및 중개 의학의 접근 방식과 도구도 적용하고 있다”고 설명한다.

장거리 우주여행에 대한 우려

그러나 본질적으로 이 데이터는 아주 건강한 신체조차도 우주임무를 수행하면서 얼마나 큰 피해와 스트레스를 겪는지를 부각한다. 이는 장기 임무 계획에 영향을 미칠 것이다. 스콧 켈리는 “우리가 훈련 받지 않은 사람을 아주 긴 시간 동안 우주에 보낼 것 같지는 않다”고 말한다.

스콧 켈리는 생리학적으로, 사람들이 화성에 갔다 돌아오는 일은 안전할 것이라고 여긴다. 그러나 먼 미래에는 “화성이 아니라 목성이나 토성의 위성에 가게 될 것”이라며 “몇 년 동안 우주에 있을 테고, 그 시점이 되면 우리는 완화책으로써 인공 중력을 면밀히 살펴보아야 할 것”이라고 말한다. “나라면 다른 행성 표면에 도착했을 때 인공 중력이 기능하지 못하는 것을 바라진 않을 것”이라며 “아마 몇 년은 어렵겠지만 1년 정도는 작동 가능할 것”이라고 스콧 켈리는 내다본다.

스콧 켈리가 겐나니 파달카(Gennady Padalka)의 도움으로 경정맥 초음파 영상을 찍고 있다.
이는 우주의 무중력 환경에서 머리 쪽으로 흐르는 체액의 이동을 역전시킬 때 사용하는 하체 음압기(인공 중력 장치의 초기 형태)의 효과를 평가하기 위해서다.
NASA 제공

이런 종류의 위험을 평가할 일은 아직 요원하다. 메이슨과 동료들은 중력이 지구로 귀환하는 우주비행사들의 신체에 미치는 영향을 줄이기 위해서는 약학적 치료 전략을 세워야 한다고 제안한다.

서턴은 정밀 의학이 극미중력과 방사선의 영향으로부터 우주비행사를 보호하기 위해 맞춤 약물 치료를 계획하는 데 있어서 큰 역할을 할 수 있을 것이라고 믿는다. 게다가 우주비행사와 에베레스트산 등반가의 생물학적 공통 반응은, 산화스트레스로부터 익스트림 스포츠 선수를 보호하기 위해 사용하는 몇 가지 해결책이 우주비행사에게도 적용될 수 있음을 시사한다.

우리에게 필요한 것은 더 많은 데이터와, 비교를 위해 사용할 더 많은 모집단이다. 메이슨, 베일리와 그 외 동료들은 더 많은 우주비행사들, 특히 앞으로 일 년에 걸쳐 임무를 수행할 우주비행사들의 세포 및 유전자 프로필을 수집하기 시작했다. 또한 방사선 치료 환자와 조종사, 비행기 승무원 등 어떤 면에서는 우주비행과 유사한 다른 조건들을 경험한 사람들도 연구하고자 한다.

“장기간의 우주비행이 건강에 미치는 영향에 대해 더 많이 알수록 우주비행 중이거나 우주비행을 마친 우주비행사들의 건강과 활동을 유지할 수 있게 더 잘 도와줄 수 있을 것”이라고 베일리는 말한다. 그는 “이런 지식은 지구에 있는 우리들에게도 도움이 된다”며 “우리는 모두 나이 들고 병드는 것에 대해 염려하기 때문”이라고 덧붙인다.

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