우주에서 1년 이상을 보내면 인체에 어떤 영향을 미치나요?

NASA의 우주비행사 프랭크 루비오(Frank Rubio)가 ISS를 타고 371일간의 기록적인 우주 체류를 마치고 막 돌아왔습니다. 하지만 그 여행으로 인해 그의 근육, 뇌, 심지어는 내장에 서식하는 박테리아가 바뀌었을 수도 있습니다. 

몇 번의 악수, 간단한 사진 촬영, 손 흔들기를 통해 NASA 우주비행사 Frank Rubio는 지난 371일 동안 그의 집 이었던 미국 축구장 크기의 모듈 및 태양광 패널 컬렉션에 작별을 고했습니다 . 그가 국제우주정거장(ISS)을 떠나 지구로 돌아온 것은 지금까지 미국인으로서는 가장 긴 단일 우주 비행의 종말을 의미합니다.

이전 미국 기록인 355일 연속을 뛰어넘은 그의 궤도 체류 시간은 그와 그의 동료들이 집으로 돌아갈 예정이었던 우주선에서 냉각수 누출이 발생한 후 3월에 연장되었습니다. 우주에서 몇 달 더 머물면서 루비오는 지구 주위를 도는 총 5,963개의 궤도를 돌며 2억 5,330만km(1억 5,740만 마일)를 이동할 수 있었습니다. 그러나 이는 여전히 인간이 우주에서 가장 오랫동안 비행한 기록( 1990년대 중반 미르 우주정거장에서 437일을 보낸 러시아 우주비행사 발레리 폴리야코프)보다 두 달 정도 부족하다는 것을 의미한다.

얼굴에 활짝 웃으며 루비오는 소유즈 MS-23 우주선이 카자흐스탄 대초원의 Zhezkazgan 마을 근처 먼지 구름 속에서 지구로 안전하게 돌아온 후 운반되었습니다. ISS의 저중력 환경에서 너무 많은 시간을 보내면 그의 몸에 큰 타격이 가해지기 때문에 복구팀이 그를 캡슐에서 꺼내야 했습니다.

그러나 그의 우주 여행은 인간이 장기간의 우주 비행에 어떻게 대처할 수 있는지, 그리고 그것이 초래할 수 있는 문제에 가장 잘 대응할 수 있는 방법에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 것입니다. 그는 제한된 체육관 장비를 사용하여 운동하는 것이 인체에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 조사하는 연구 에 참여한 최초의 우주비행사입니다  .

인간이 태양계 더 깊은 곳을 탐험하기 위해 승무원을 파견하는 데 목표를 세울 때 이는 매우 중요한 정보입니다. 예를 들어 화성으로의 왕복 여행은   현재 계획에 따르면 약 1,100일(약 3년) 이 걸릴 것으로 예상됩니다 . 그들이 여행할 우주선은 ISS보다 훨씬 작을 것입니다. 즉, 더 작고 가벼운 운동 장치가 필요할 것입니다.

하지만 건강을 유지하는 문제는 제쳐두고 우주 비행이 인체에 어떤 영향을 미칠까요?

근육과 뼈

우리 팔다리에 지속적인 중력이 가해지지 않으면 근육과 뼈의 질량이 공간에서 빠르게 감소하기 시작합니다. 가장 큰 영향을 받는 것은   등, 목, 종아리 및 대퇴사두근의 자세를 유지하는 데 도움이 되는 근육 입니다. 미세 중력에서는 더 이상 열심히 일할 필요가 없으며 위축되기 시작합니다. 단 2주만 지나면  근육량은 20%까지 감소할 수  있으며, 3~6개월의 장기간 운동에서는 30%까지 감소할 수 있습니다.

ISS에서 지구로 돌아가는 여정은 부스터와 낙하산으로 인해 하강 속도가 느려지긴 하지만 꽤 험난할 수 있습니다. (제공: Nasa/Getty Images)

마찬가지로, 우주비행사들은 지구의 중력을 받을 때처럼 뼈에 기계적 긴장을 가하지 않기 때문에 뼈도 탈염되고 힘을 잃기 시작합니다 . 우주 비행사들은 우주에서 보내는 매달 골량의 1~2%를 잃을 수 있으며 , 6개월 동안 최대 10%까지 잃을 수 있습니다(지구에서는 노인 남성과 여성이 매년 0.5%~1% 의 비율로 골량을 잃습니다. ). 이는 골절 위험을 증가시키고 치유하는 데 걸리는 시간을 증가시킬 수 있습니다. 지구로 돌아온 후 뼈의 질량이 정상으로 돌아가는 데 최대 4년이 걸릴 수 있습니다 .

이에 맞서기 위해 우주비행사들은 ISS 궤도에 있는 동안 하루 2.5시간의 운동과 강도 높은 훈련을 받습니다. 여기에는 ISS의 "체육관"에 설치된 저항성 운동 장치를 사용하는 일련의 스쿼트, 데드리프트, 로우 및 벤치 프레스와 런닝머신 및 운동용 자전거에 묶인 정기적인 시합이 포함됩니다. 또한 뼈를 최대한 건강하게 유지하기 위해 다이어트 보조제를 섭취합니다 .

그러나 최근 연구에 따르면 이러한 운동 요법만으로는 근육 기능과 크기의 손실을 예방하는 데 충분하지 않은 것으로 나타났습니다 . 저항 운동과 고강도 인터벌 트레이닝에서 더 높은 부하가 이러한 근육 손실을 막는 데 도움이 될 수 있는지 테스트하는 것이 좋습니다.

몸을 잡아당기는 중력이 부족하다는 것은 우주비행사들이 ISS에 머무는 동안 척추가 약간 늘어나 키가 조금 더 커진다는 것을 의미할 수도 있습니다 . 이로 인해 우주에 있는 동안 허리 통증이 발생하고 지구로 돌아오면 디스크가 미끄러지는 등의 문제가 발생할 수 있습니다. 지구로 돌아오기 전 ISS에서 브리핑을 하는 동안 루비오 자신은 자신의 척추가 자라고 있으며 우주비행사가 우주선에서 크레인을 내려 땅에 부딪힐 때 겪을 수 있는 일반적인 목 부상을 피하는 데 도움이 될 것이라고 말했습니다. 무슨 일이 일어나고 있는지 보기 위한 좌석.

"제 생각에는 척추가 좌석 라이너에 갇힐 정도로 충분히 확장되었기 때문에 전혀 움직이지 말아야 할 것 같습니다."라고 그는 말했습니다.

 

체중 감량

궤도에 있는 동안 무게는 거의 의미가 없지만, 미세 중력 환경은 인간의 신체를 포함하여 묶여 있지 않은 모든 것이 ISS 서식지 주위를 자유롭게 떠다닐 수 있음을 의미합니다. 궤도에 있는 동안 건강한 체중을 유지하는 것은 어려운 일입니다. NASA는 우주비행사들이 최근 우주정거장에서 재배한 몇 가지 샐러드 잎을 포함하여 다양한 영양가 있는 음식을 섭취할 수 있도록 노력하고 있지만 여전히 우주비행사의 신체에 영향을 미칠 수 있습니다. 쌍둥이 형제가 지구에 머무르는 동안 ISS에 340일 동안 머물면서 장기 우주 비행의 영향에 대한 가장 광범위한 연구에 참여한 NASA 우주비행사 스콧 켈리는 궤도에 있는 동안 체중의 7%를 잃었 습니다 .

ISS 여행 후 스콧 켈리(Scott Kelly)를 조사한 연구원들은 그의 내장에 살고 있는 박테리아와 곰팡이가 우주로 비행하기 전과 비교하여 크게 변했다는 것을 발견했습니다.

시력

지구에서는 중력이 우리 몸의 혈액을 아래쪽으로 밀어내는 동시에 심장이 혈액을 다시 펌핑하는 데 도움이 됩니다. 그러나 우주에서는 이 과정이 엉망이 되고(신체는 다소 적응하지만) 혈액이 평소보다 머리에 더 많이 축적될 수 있습니다 . 이 체액 중 일부는 눈 뒤쪽과 시신경 주변에 고여 부종을 일으킬 수 있습니다. 이는 선명도 감소 및 눈 자체의 구조적 변화와 같은 시력 변화로 이어질 수 있습니다 . 이러한 변화는 우주에서 단 2주 후에 발생하기 시작할 수 있지만 시간이 지날수록 위험이 증가합니다. 시력 변화 중 일부는 우주비행사가 지구로 돌아온 지 약 1년 이내에 역전되지만 다른 일부는 영구적일 수 있습니다 .

은하계 우주선과 에너지가 풍부한 태양 입자에 노출되면 다른 눈 문제가 발생할 수도 있습니다. 지구의 대기는 이러한 것으로부터 우리를 보호하는 데 도움이 되지만 일단 ISS 궤도에 진입하면 이러한 보호는 사라집니다. 우주선은 과도한 방사선을 차단하는 데 도움이 되는 차폐 장치를 탑재할 수 있지만, ISS에 탑승한 우주비행사들은 우주선과 태양 입자가 망막과 시신경에 부딪힐 때 눈에 빛이 번쩍이는 것을 목격했다고 보고했습니다 .

 

신경 셔플링

그러나 ISS에 장기간 체류한 후 Kelly의 인지 능력은 거의 변하지 않았으며 지상에 있는 그의 형제와 비교적 동일하게 유지된 것으로 나타났습니다. 그러나 연구원들은 켈리의 인지 능력의 속도와 정확성이 그가 착륙한 후 약 6개월 동안 감소했다는 사실을 발견했습니다. 아마도 그의 뇌가 지구의 중력과 고향에서의 매우 다른 생활 방식에 재조정되었기 때문일 것입니다 .

2014년 ISS에서 169일을 보낸 러시아 우주 비행사에 대한 연구에서도 궤도에 있는 동안 뇌 자체에 일부 변화가 일어나는 것으로 나타났습니다. 운동 기능 , 즉 움직임과 관련된 뇌 부분과 우리 자신의 움직임에 대한 방향, 균형 및 인식에 중요한 역할을 하는 전정 피질의 신경 연결 수준에 변화가 있음을 발견했습니다 . 우주에 있는 동안 무중력 상태가 된다는 독특한 특성을 고려할 때 이는 아마도 놀라운 일이 아닐 것입니다. 우주 비행사는 중력 없이 효율적으로 이동하여 무엇이든 고정하고 위아래가 없는 세상에 적응하는 방법을 배워야 하는 경우가 많습니다.

스콧 켈리(Scott Kelly)의 340일간 ISS 여행을 통해 연구원들은 지구에 있는 그의 쌍둥이 형제와 비교하여 우주가 그에게 어떤 영향을 미쳤는지 연구할 수 있었습니다(제공: Nasa/Getty Images)

보다 최근의 연구에서는 장기 우주 임무 중에 발생할 수 있는 뇌 구조의 다른 변화에 대한 우려가 제기되었습니다. 우측뇌실과 제3뇌실 (뇌척수액 저장, 뇌에 영양분 공급, 노폐물 처리 담당)로 알려진 뇌의 충치는 부풀어올라 정상 크기로 돌아가는 데 최대 3년이 걸릴 수 있습니다 .

친절한 박테리아

최근 몇 년간의 연구를 통해 건강의 중요한 열쇠는 우리 몸 안팎에 살고 있는 미생물 의 구성과 다양성이라는 것이 분명해졌습니다 . 이 미생물군은 우리가 음식을 소화하는 방식에 영향을 미치고, 우리 몸의 염증 수준에 영향을 미치며, 심지어 우리의 뇌가 작동하는 방식을 바꿀 수도 있습니다 .

ISS 여행 후 켈리를 조사한 연구원들은 그의 내장에 살고 있는 박테리아와 곰팡이가 그가 우주로 비행하기 전과 비교하여 크게 변했다는 것을 발견했습니다. 그가 먹는 매우 다른 음식과 함께 보낸 사람들의 변화를 고려하면 이것은 아마도 전혀 놀라운 일이 아닐 것입니다(우리 는 함께 사는 사람들로부터 끔찍한 양의 장 및 구강 미생물을 얻습니다 ). 그러나 방사선 노출, 재활용된 물의 사용, 신체 활동의 변화도 모두 영향을 미쳤을 수 있습니다 . ( 운동이 장내 미생물에 어떤 영향을 미치는지 자세히 알아보세요 .)

 

피부

현재 5명의 NASA 우주비행사가 궤도에서 300일 이상을 보냈지만, 궤도에 있는 동안 그의 피부가 어떻게 변했는지에 대한 통찰을 주신 Kelly에게 다시 한 번 감사드립니다. 그의 피부는 우주정거장에서 돌아온 뒤 약 6일 동안 민감성이 높아지고 발진이 나타나는 것으로 나타났다 . 연구원들은 임무 중 피부 자극이 부족하여 피부 질환이 발생한 것으로 추측했습니다.

ISS의 미세 중력 환경은 인간이 태양계를 더 멀리 탐험할 때 인체에 심각한 영향을 미칠 수 있으며 이는 도전이 될 수 있습니다(제공: Nasa)

유전자

Kelly의 장기간 우주 여행에서 발견된 가장 중요한 발견 중 하나는 그것이 그의 DNA에 미친 영향이었습니다. DNA의 각 가닥 끝에는 텔로미어라고 알려진 구조가 있는데, 이는 우리 유전자를 손상으로부터 보호하는 데 도움이 되는 것으로 생각됩니다. 나이가 들수록 이러한 길이는 짧아지지만 Kelly와 다른 우주비행사에 대한 연구에 따르면 우주 여행으로 인해 이러한 텔로미어의 길이가 바뀌는 것으로 나타났습니다 .

"그러나 가장 놀라운 것은 우주 비행 중에 훨씬 더 긴 텔로미어가 발견되었다는 것입니다 ."라고 Kelly와 그의 형제를 연구하는 팀의 일원이자 콜로라도 주립 대학의 환경 및 방사선학 보건 교수인 Susan Bailey는 말했습니다. 그녀는 약 6개월의 짧은 임무에 참여한 다른 10명의 관련 없는 우주비행사들과 별도의 연구를 수행했습니다. "또한 예상치 못한 점은 모든 승무원이 지구로 돌아올 때 텔로미어 길이가 급격히 단축된다는 것입니다. 특히 장기적인 건강 및 노화 궤적과 관련이 있는 우주 비행사들은 일반적으로 우주 비행 후 이전보다 더 많은 짧은 텔로미어를 가졌습니다."

정확히 왜 이런 일이 일어나는지는 아직 밝혀지지 않고 있다고 그녀는 말합니다. "우리는 몇 가지 단서를 갖고 있지만 우주에서 1년을 보낸 루비오와 같은 추가 장기 승무원은 이 반응과 잠재적인 건강 결과를 실제로 특성화하고 이해하는 데 매우 중요할 것입니다."

한 가지 가능한 원인은 우주에 있는 동안 복잡한 방사선 혼합에 노출되었을 수 있습니다. 궤도에 있는 동안 장기간 노출을 경험한 우주비행사는 DNA 손상의 징후를 보인다고 그녀는 말합니다.

우주비행사들은 근육량과 골밀도를 유지하기 위해 ISS에서 하루 최대 2.5시간을 운동할 수 있습니다. (제공: Nasa)

또한 켈리에게서 볼 수 있는 유전자 발현 (DNA를 읽어 세포에서 단백질을 생성하는 메커니즘)에도 약간의 변화가 있었는데 , 이는 그의 우주 여행과 관련이 있을 수 있습니다. 이들 중 일부는 DNA 손상, 뼈 형성 및 스트레스에 대한 면역 체계의 반응에 대한 신체 반응과 관련이 있습니다. 그러나 이러한 변화의 대부분은 그가 지구로 돌아온 지 6개월 이내에 정상으로 돌아왔습니다.

 

면역 체계

Kelly는 우주 여행 전, 여행 중, 여행 후에 일련의 백신을 접종받았으며 그의 면역체계는 정상적으로 반응하는 것으로 나타났습니다 . 그러나 베일리의 연구에 따르면 우주 비행사들은 궤도에 있는 동안 받는 방사선량에 따라 백혈구 수가 약간 감소하는 것으로 나타났습니다.

그러나 우주 여행이 지구에 살기 위해 진화한 두 발로 걷는 큰 뇌 종에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대해서는 여전히 대답해야 할 질문이 많이 있습니다. 루비오가 우주에서 371일을 보낸 후 회복하는 동안 연구자들은 의심할 바 없이 그의 의료 검사, 혈액 샘플 및 스캔을 검토하여 더 많은 정보를 얻을 수 있는지 알아볼 것입니다.