화성 꿈꾸는 인류…우주비행사 '동면'에 다가가는 과학자들

아르테미스2호 임무 전문가 크리스티나 코크가 달을 향해 비행하는 오리온 우주선 주 객실 창문 너머로 지구를 바라보고 있다. NASA 제공

인류의 영역을 달을 넘어 화성까지 넓히는 시도가 이뤄지고 있다. 장기간 우주 여행은 인간의 건강에 치명적이다. 강한 방사선 노출은 물론 미세중력 상태에서 발생하는 신체 손상은 이미 잘 알려져 있다. 좁은 공간에서 수개월에서 수년간 생활하는 것은 심각한 심리적 문제를 초래할 수도 있다.

14일(현지시간) 영국 일간지 가디언은 이같은 인류의 장기 우주 여행의 치명적인 문제를 해결할 열쇠로 ‘동면’에 주목하며 동면의 메커니즘을 파헤치는 과학자들의 노력을 집중 소개했다. 공상과학(SF) 영화에서 종종 확인할 수 있는 우주 비행사들의 수개월간 동면이 현실화할 수 있을지 관심이 모인다. 

● 동면, 생존을 위한 생리적 전략

학계에 따르면 동면은 포유류, 조류, 어류 및 기타 동물들이 자원이 극도로 부족한 상황에서 생존하기 위해 2억 5천만 년 전부터 활용한 생리적 전략이다. 

동면에 들어가면 동물은 신체 기능을 거의 완전히 정지시킨다. 먹지도 마시지도 움직이지도 않는다. 무엇보다 중요한 점은 배고픔이나 갈증을 느끼지 않고 추위로 인한 고통도 겪지 않는다는 것이다. 

선행 연구를 통해 동면은 방사선 노출이나 미세중력에 의한 골밀도 및 근육량 감소를 포함해 장기 우주 비행이 초래하는 여러 건강 위험으로부터 신체를 보호할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

특히 장기간 여행에 필요한 식량과 물의 양을 획기적으로 줄여 우주선의 탑재 중량을 낮출 수 있다. 결국 우주비행사가 더 짧은 시간에 목적지에 도달하고 지구로 귀환할 수 있게 해준다.

문제는 인간이 동면을 하는 동물이 아니라는 점이다. 일부 곰, 박쥐 등 여러 종과는 달리 인간은 자원이 부족할 때 신진대사율을 급격히 낮추는 방향으로 진화하지 않았기 때문이다. 

● 인간의 동면 가능할까…방법 찾는 과학자들

전세계의 과학자들이 인간의 안전한 동면을 유도할 수 있는 방법을 찾고 있다. 유럽우주국(ESA)와 미항공우주국(NASA)은 과학자들을 지원하고 있다. 과학자들은 동면하는 동물들이 어떻게 신체 기능을 일시적으로 정지시켰다가 다시 재개하는지, 그 과정에서 수개월간 음식과 물 섭취나 운동 없이도 어떻게 아무런 부작용을 겪지 않는지를 규명하고 있다.

우선 강력한 우주 방사선 피해를 동면이 억제하는 것으로 연구 결과 확인됐다. 지구에서는 대기가 대부분의 방사성 입자를 차단하지만 우주 공간에서는 직접 노출된다. 전문가들은 아직 효과적인 우주 방사선 차폐 수단이 없다고 본다. 

연구 결과에 따르면 동면이 방사선 피해를 막아주는 것으로 밝혀졌다. 동면 상태에서 동물은 대사 활동을 줄이고 산소 소비를 최소화하며 DNA 가닥을 밀집된 형태로 응축시킨다. 이러한 모든 과정이 방사선으로 인한 손상을 방지하는 데 도움을 주는 것으로 확인됐다. 

미국 중서부와 캐나다에서 주로 서식하는 ‘13줄무늬 땅다람쥐’도 동면을 연구하는 데 빠지지 않는 동물이다. 이 동물은 겨울이 되면 심장 박동수가 몇분에 한번만 뛸 정도로 떨어지고 체온은 4도까지 내려간다. 

엘레나 그라체바 미국 예일대 생리학 교수 연구팀은 13줄무늬 땅다람쥐가 어떻게 최대 8개월 동안 물 없이도 생존할 수 있는지 연구중이다. 연구팀은 동물이 생리 메커니즘을 연구하며 물 없이 생존하는 과정을 조절하는 것으로 보이는 뇌 부위인 ‘뇌궁하기관(SFO)’을 확인했다. 이 부위는 인간을 포함해 동면하지 않는 동물에게도 발견된다는 점에서 흥미롭다. 

켈리 드류 알래스카대 북극생물학연구소 생화학 교수 연구팀은 북극 땅다람쥐 연구를 통해 동면 중 핵심 근육 단백질인 ‘미오신’이 에너지 사용 방식을 근본적으로 바꿔 저온에서도 손상 없이 생존할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 

다양한 동물을 인위적으로 휴면 상태로 유도하는 데 성공한 사례도 나오고 있다. 마테오 체리 이탈리아 볼로냐대 생리학 교수 연구팀은 체온와 에너지 사용을 조절하는 데 핵심적인 역할을 하는 뇌 부위를 표적으로 연구를 진행하고 있다. 

시니샤 흐르바틴 미국 매사추세츠공대(MIT) 신경과학 연구원 연구팀은 신진대사와 체온 조절에 중요한 역할을 하는 뇌의 또다른 영역을 확인하고 햄스터를 대상으로 일시적 저대사 상태인 ‘토포’ 상태를 유도하고 체온을 15도까지 낮추는 데 최근 성공했다. 아직 동료 평가를 거치지 않은 연구결과다. 

연구팀은 “다양한 동물들을 동면과 유사한 상태로 유도할 수 있음을 시사하는 대목”이라며 “이를 활용해 대사 과정을 조절할 수 있을 것으로 보고 있다”고 밝혔다. 

일부 과학자들은 이미 사람을 대상으로 실험을 진행하고 있다. 클리프턴 캘러웨이 미국 피츠버그대 연구원은 건강한 성인에게 5일간 '덱스메데토미딘(dexmedetomidine)'이라는 진정제를 투여했다. 그 결과 대사율은 20%, 전체 칼로리 소모량은 30% 감소했다. 미미한 수준이지만 이 정도의 변화만으로도 우주 비행사가 겪을 수 있는 위험 중 일부를 배제할 수 있다고 본다.

캘러웨이 연구원은 “화성까지 여행을 하려면 우주비행사 한 명당 왕복 기준으로 약 300kg의 식량이 필요하다”며 “만약 그 양을 4분의 1 이상 줄일 수 있다면 전체적으로 상당한 절감 효과를 거둘 수 있을 것”이라고 말했다. 
 

[김민수 기자 reborn@donga.com]