과학기술/기타

Nikkei Science_2017.6 요약 (p80-85)

● 신경과학 “Deep-Space Deal Breaker”
화성 여행의 장벽 -- 우주 방사선이 뇌 장애 일으킬 수도
Charles L. Limoli / 캘리포니아 대학 뇌신경 과학자, 방사선 생물학자

[ Key concepts ]
예상보다 유해하다
▶ 우주비행은 항상 위험하지만, 우주 방사선이 예상 이상으로 뇌에 나쁜 영향을 준다는 사실이 최근 연구에서 나타났다.
▶ 우주 비행사가 몸으로 받는 우주 방사선을 모의로 만들어 하전입자(荷電粒子)를 실험 쥐에 조사(照射)한 결과, 행동이 느려지고 뇌신경이 손상되었다.
▶ 향후 인류가 우주에서 활동해 나가기 위해서는 우주선과 우주복의 방사선 방호를 높이는 것 외에도, 뇌를 보호하는 약이 필요하게 될 것이다.

몇 천년 전부터 인류는 밤하늘을 올려다보며 우주로의 여행을 꿈꿔왔다. 유인 달 착륙 및 우주스테이션에서의 생활이 실현된 지금, 인류가 언젠간 화성을 비롯한 태양계의 다른 행성뿐만 아니라 그보다 더 먼 우주공간으로 나아갈 것이라는 것이라고 누구나 생각하고 있다. 이러한 꿈은 많은 문화 속에 공통적으로 존재하고 있어, 각국의 우주개발기관은 이를 실현하기 위해 고분분투하고 있다.

그러나 우주는 위험한 장소이기도 해, 우주 비행사는 우주비행 때마다 극한과 진공, 미소중력(Microgravity), 방사선 피폭에 직면하게 된다. 지금까지는 이러한 위험들은 극복 가능하다고 생각되어왔다. 예상 범위 내의 단순한 기술적 문제이고, 과감한 우주비행사라면 충분히 해결할 수 있는 위험이라고. 그러나 우리들의 새로운 연구에서는, 우주방사선은 예상보다도 훨씬 위험한 것으로 인간에게 매우 중요하지만 취약한 기관인 뇌에 특히 해를 가한다는 사실이 밝혀졌다. 방사선이 우주 공간에 퍼져있는 사실은 수 십 년 전부터 알려져 있었지만, 이것이 뇌에 심각한 영향을 미친다는 사실과 그것이 어느 정도로 길게 지속되는가가 판명된 것은 최근의 일이다.

우리들은 실험 쥐에 방사선을 조사해, 중대하고 지속적인 인지장애가 발생하는 것을 측정해 확인했다. 이것은 인간에게도 해당되는 것으로 보여, 앞으로의 우주 미션 성공 여부에 영향을 미칠 가능성이 있다. 비교적 낮은 괘도를 비행하는 국제우주스테이션의 우주비행사는 지구 대기권 상층부의 안전 지대에 있어 최악의 위험은 피할 수 있다고는 하지만, 인지장애의 위험에는 노출되어 있다. 그러나 화성이나 그보다 더 먼 우주까지 항해할 경우, 그 위험성은 대단히 크다.

현재, 이러한 위험성에 대한 대처법은 한정되어 있다. 우주선 보호막을 강화한다면 일부 방사선은 막을 수 있지만, 지금까지 알려진 물질을 사용할 경우 무게가 너무 무거워져 비현실적이다. 체내에서 방사선의 영향을 완화하는 약물은 아직 개발 초기 단계에 있다. 이에 대한 해결책을 찾지 않는다면, 태양계는 물론, 태양계 밖을 지향하는 우주여행의 꿈은 영원히 인류의 꿈으로 남을 수도 있을 것이다.

-- 퍼져있는 고(高)에너지 입자 --
우주방사선은 볼 수도 만질 수도 없지만, 텅 비여 보이는 우주 구석구석까지 퍼져있어, 인간의 몸 조직에 심각한 손상을 초래한다. 그 중에서도 우주비행사에게 최악인 것은「은하우주선(銀河宇宙線, GCR)」이다. 이것은 광속에 가까운 속도로 퍼져 있는 하전원자핵(荷電原子核)으로, 초신성의 폭발 잔해가 발생원이라고 알려져 있다. 우주 공간에는 항상 존재하는 은하우주선뿐만 아니라, 태양이 방출하는 다양한 에너지 양자(전이 수소)가 있다. 양자는 우주방사선의 대부분을 차지하고 있지만, 질량이 비교적 낮아 중입자(重粒子)에 비해 인체에 해가 되는 작용은 상당히 낮다.

그러나 무엇보다 중요한 것은 이러한 입자들이 모두 우주선의 선체 및 우주비행사의 신체를 충분히 관통할 수 있는 고에너지라는 점이다. 지구를 둘러싼 자장이 이러한 우주방사선의 대부분의 궤도를 피할 수 있게 해줘 지표면 사는 생물은 보호받고 있지만, 자기권 밖으로 나가면 바로 피폭되어 신체 구조가 다치게 된다.

우주방사선 문제는 방사선입자가 인체를 통과할 때 일부 에너지를 사용해 신체 조직의 원자를「이온화」한다는 점이다. 다시 말해, 원자에서 전자가 발생, 그 전기를 통해 중성 원자에서 전하를 가진 이온으로 변화한다. 이 하전입자는 계속해서 다른 원자와 충돌해 전자를 생성, 손상을 확대해 나간다. 방사선 입자가 무거우면 무거울수록 보다 많은 원자가 이온화된다.

-- 우주방사선을 지상에서 재현 --
우주는 하전입자로 가득 차 있지만, 연구를 위해 지구상에서 같은 종류의 우주방사선을 재현하는 것은 상당히 어려운 과제이다. 우주방사선의 모의 실험을 실시할 수 있는 장소 중 한 곳이 미국항공우주국(NASA)과 미국 브룩헤이븐 국립 연구소(BNL)가 2003년에 뉴욕 주 롱아일랜드에 설치한 NASA 우주방사선연구소설비이다. 여기서는 대형 입자 가속기를 통해 다양한 질량의 이온을 가속화시켜, 우주방사선을 재현하고 있다. 방사선의 경로에 표적(우리의 경우, 실험 쥐)을 놓고 그 영향을 측정한다. 이러한 실험을 통해 어느 정도의 피폭량이 어떤 방식으로 생체 조직에 영향을 미치는 가를 알 수 있게 된다.

-- 사라지는 뉴런의 수상돌기 --
우리들은 공동 연구원들과 함께 피폭된 실험쥐의 뇌를 행동 실험 후에 촬영했다. 뇌를 통과하는 고에너지 하전입자는 뇌신경 회로에 중대한 변화를 초래할 가능성이 있다. 관찰된 행동 변화에 관련된 것으로 보이는 어떤 구체적인 생체 조직의 손상을 찾아내는 것이 촬영의 목적이다. 이를 위해, 실험쥐의 유전자를 조작, 일부 뉴런(뇌신경 세포)이 형광 기능을 갖게 해 고해상 현미경으로 관찰할 수 있도록 했다. 이를 이용해 뇌의 특정 영역을 다양한 심도의 형광 영상을 촬영∙합성, 뇌의 3차원 영상을 제작했다.

촬영 결과, 뉴런의「수상돌기」라는 부분에 의미 있는 변화가 포착되었다. 수상돌기는 뉴런 본체에서 튀어나온 손가락과 같은 돌기로, 다른 뉴런으로부터의 화학 신호를 수신한다(축삭돌기는 신호를 송신한다). 우리들은 이전 연구 때부터 이온화가 적은 (저(低)LTE의) X선과 감마(γ)선이 수상돌기의 길이 및 영역, 분기를 10~30일 동안 상당히 감소시킨다는 사실을 알고 있었다.

우리들은 이러한 변화를 총칭해「수상돌기복합성의 감소」라고 부르고 있다. 수상돌기복합성은 수목의 분지에 해당하는 중요한 파라미터(Parameter)이다. 우리들이 2015년의 Science Advances지에 발표한 최근 연구에서는 하전입자를 가진 극히 적은 양의 방사선 조사만으로 수상돌기복합성의 상당한 감소 현상이 영구적으로 발생할 수 있다는 것도 판명되었다.

-- 우주 진출 전망은? --
인간의 태양계로의 여정에는 험난한 벽이 가로막고 있다. 화성이나 태양계 내 다른 천체에 도달하기 위해서는 지금보다도 크고 강력한 로켓이 필요하고, 도달 후에는 생존을 위해 거주지를 설치, 현지의 자원을 이용해 물과 로켓 연료를 만들지 않으면 안 된다. 이러한 과제 외에도 방사선 방어를 추가할 필요가 있을 뿐만 아니라, 이것이 최대의 난관이 될 수도 있다.

우선 생각할 수 있는 대응책은 방사선이 해를 미치지 못하도록 하는 보호막을 우주선 및 거주지, 우주복 및 의류에 장착해야 할 것이다. 현시점에서 방사선을 차단할 수 있는 것은 흑연 등 무거운 물질로 만든 두꺼운 벽 밖에는 없다. 이것은 차단은 가능하지만 매우 무거워, 우주로 발사하기 위해서는 대량의 로켓 연료가 필요하기 때문에 비현실적이다. 우주선 선체의 특정 영역에 보호막 기능을 높일 수 있는 차폐(遮蔽)재료 및 제어 기술 연구가 추진 중이다. 태양 활동이 활발할 때에는 이러한 우주선 내의 방어 영역으로 대피하고, 우주선 밖에서의 활동뿐만 아니라, 취침 시에도 방사선 피폭으로부터 몸을 보호하기 위한 헬멧 및 우주복을 착용해야 할 것이다. 단, 현존하는 어떠한 물질보다도 더욱 방어력이 우수해야 할 필요가 있다.

방사선이 뇌에 미치는 악영향을 완화하는 약물이나 식품 개발도 추진되고 있다. 정기적 복용 및 대규모 태양풍 등에 의한 급성 방사선 피폭 후에 복용하는 것을 상정한 것으로, 예를 들어 항산화 약품이 우주방사선과 비슷한 방사선을 조사한 실험 쥐의 일부 손상을 억제할 수 있을 가능성이 나타났다. 또한 뇌가 손상을 입어도 기능을 유지할 수 있도록 뇌신경 회로를 보강하는 화학물질 개발도 진보하고 있다.

그러나, 이 모든 것은 아직 초기 단계일 뿐만 아니라, 만능약이 될 가능성은 없다. 희망할 수 있는 것은 손상을 없애는 것이 아닌, 감소시키는 것이다. 또한 우주방사선이 미치는 영향에 대한 연구를 뇌 이외의 기관에도 확대시켜, 장기 피폭에 따른 단기 및 장기적 건강 위험성을 완전히 파악할 필요가 있다. 

우리의 연구 결과는 필시 다른 위험성에 비해 경시되어 온 심(深)우주여행의 문제점을 지적하고 있다. 우주방사선 피폭은 인류의 최대 도전과제를 해결하기 위해서는 피해 갈 수 없는 시련의 하나인 것이다.

  -- 끝 --