생체시계의 비밀, 미분방정식이 해결했다

누가 가르쳐 주지 않았는데도 사람들은 날이 밝으면 잠에서 깨고, 어두워지면 잠을 잔다. 마치 사람의 몸속에 시계가 들어있는 것처럼 말이다. 

이와 같이 규칙적인 수면 주기가 유지되는 이유는 생체리듬에 관여하는 멜라토닌(melatonin) 때문이다. 보통 밤 9시 경에 분비되기 시작해, 아침 7시쯤에 멈추는 이 호르몬 때문에 사람들은 매일 일정한 시간에 잠을 자고 기상하게 되는 것이다. 

잠뿐만이 아니다. 위장에는 소화를 돕는 효소가 존재하는데, 이 효소가 배출되는 시점도 시계처럼 정확하다. 바로 아침과 점심, 그리고 저녁 식사를 앞두고 조금씩 배출되기 시작한다. 밥을 먹고 난 다음에 효소가 나오면 소화를 제대로 시킬 수 없기 때문에, 식사를 할 때쯤이 되면 우리 몸이 미리 음식을 소화시킬 효소를 준비해 놓고 기다리고 있는 것이다. 

이처럼 사람의 몸은 24시간을 주기로 일정하게 움직이는 신체리듬을 갖고 있는데, 이를 ‘생체시계(biological clock)’라 부른다. 이 시계는 사람의 신체가 하루 종일 누워 있거나 어둠속에 머물러 있는 등 평소와 다른 상태가 되더라도, 예전의 주기적으로 움직이던 상태를 기억해 때가 되면 신체 상태를 변하도록 만들어 준다. 

생체시계를 눈으로 확인할 수는 없지만, 장시간 비행기를 타고 외국으로 갔을 때 겪게 되는 ‘시차’를 통해 우리는 생체시계에 대한 존재를 파악할 수 있다. 시차로 고생하는 까닭은 우리 몸의 현재 시각이 언제인지를 알려주는 ‘생체시계’와 ‘현지의 시각’이 일치하지 않기 때문이다. 

■ 생체시계가 중요한 이유는 건강과 직결되기 때문 

생체시계가 중요한 이유는 사람의 건강과 직결되기 때문이다. 잠을 제대로 자지 못하거나 끼니를 제 때 챙기지 못하면 평소의 리듬을 잃어버리면서 생체시계가 교란을 일으킨다. 물론 하루나 이틀 정도는 평소와 다른 리듬을 보여도 큰 문제가 되지는 않는다. 사람의 신체는 그렇게 약하지 않기 때문이다. 

하지만 리듬이 깨지는 경우가 만성적으로 이어진다면 상황이 달라진다. 생체시계 교란이 만성화되면 그동안 균형을 이루던 신체 조화가 깨지면서 각종 질병에 걸릴 확률이 높아지게 되는 것이다. 비교적 규칙적인 수면과 식사 시간이 가능했던 과거와는 달리 요즘은 24시간 깨어있는 시대다. 밤에도 대낮같이 환한 조명시설 덕분에 교대근무나 야간근무를 하는 사람이 많다. 따라서 만성적인 생체시계 교란도 높아지고 있다고 볼 수 있다. 

그렇다면 잠을 자거나, 일을 하는데 있어 신체에 가장 적합한 시간대가 있을까? 사람에 따라 차이는 있지만, 평균적으로 오전 10시에서 오후 2시 사이에는 집중력과 논리적 추론 능력이 극대화되는 것으로 알려져 있는 시간대다. 따라서 공부나 중요한 업무를 하는데 있어 적합한 시간이라는 것이 전문가들의 의견이다. 

반면에 오후 6시에서 8시 사이의 초저녁은 심폐기능이 우수하고, 근력이나 유연성이 높아지는 시간대다. 따라서 걷기나 달리기 등 운동을 하기에 가장 좋은 시간이라 할 수 있다. 그렇지만 24시간 돌아가는 현대 사회에서 모든 사람이 낮에만 일할 수는 없는 노릇이다. 이런 사람들의 경우는 어떻게 해야 할까? 이에 대해 전문가들은 “낮에 잠을 자야 하는 사람은 침실환경을 바꿔 자신의 신체를 속여야한다”고 강조하며 “검은 커튼을 달거나 안대를 착용하는 등 비록 낮이지만 밤처럼 환경을 조성해야한다”라고 조언한다. 

■ 수학이 생물학 분야 난제 해결에 기여해 

체내에 생체시계가 존재한다는 사실을 알게 된 것은 지난 1954년 무렵이다. 생체시계가 당시 과학자들의 주목을 끈 이유는 바로 환경이나 온도와는 상관없이 일정한 리듬을 갖고 있다는 점이었다. 보통 온도가 오르게 되면 다른 생체반응은 빨라지는 데 반해, 생체시계의 반응은 이와는 대조적인 현상이었기 때문이다. 

그 후 생체시계로 인한 신체 리듬이 어떻게 모든 사람에게 공통적으로 나타나는지를 규명하기 위해 전 세계의 과학자들은 생체시계 원리를 밝히려 노력했다. 하지만 최근까지 60여 년간 베일에 가려져 있었다. 

그러던 생체시계의 원리가 최근 국내 연구진에 의해 밝혀졌다. KAIST 수리과학과의 김재경 교수가 미분방정식을 이용한 수학적 모델링을 통해 온도 변화에도 불구하고 생체시계의 속도를 유지하는 원리를 발견한 것. 
 

그림 1. 인산화 스위치와 그 과정에서 사용된 수학 방정식(출처: KAIST)



KAIST 연구진은 이 같은 이유를 ‘피리어드2(Period2)’라는 핵심 단백질에서 찾았다. 온도가 올라감에 따라 피리어드2 단백질에 있는 ‘인산화 스위치(phosphoryltion switch)’가 피리어드2의 분해속도를 천천히 일어나게 함으로써, 비록 온도가 올라가도 생체시계가 일정한 속도로 진행될 수 있도록 해주는 것이다. 
 

그림 2. Period2 단백질이 인산화 스위치에 의해 낮은 온도에서 분해되는 속도가 더 빨라진다는 것을 보여주는 실험
(출처: KAIST)



이에 대해 김 교수는 “체온이 오르면 생체시계의 분침도 다른 생체 반응처럼 빨리 가려고 하는 것은 똑같다”라고 전제하며 “이렇게 빨리 가려고 하는 생체시계를 조절하는 것이 바로 피리어드2라는 단백질”이라고 설명했다. 

김 교수의 설명에 따르면 체온이 올랐을 때, 피리어드2 단백질이 생체시계의 태엽을 풀어서 빨라지는 분침을 천천히 가도록 늦추기 때문에 일정 속도를 유지한다는 것이다. 반대로 체온이 떨어져 생체시계의 분침이 느리게 가면, 이 단백질이 태엽을 감아 빨리 가도록 조정해 주는 역할을 한다. 

KAIST 연구진은 이 같은 모델링 가설을 토대로 듀크-싱가폴 국립 의과대학의 데이비드 벌쉽(David Virshup) 교수와 공동 실험을 진행했고, 그 결과가 최근 저명 학술지인 ‘몰리큘라 셀(Molecular Cell)’에 게재돼 주목을 끌고 있다. 

김 교수는 “앞으로 피리어드2 단백질을 조절하는 약물을 개발하면, 생체시계의 시간을 인위적으로 늦추거나 빠르게 할 수 있을 것”이라고 예측했다. 어렵고 복잡하게만 생각했던 수학으로 생물학의 난제를 해결한 사례로, 앞으로도 많은 문제를 수학적으로 해결할 수 있길 기대해 본다. 

글 : 김준래 과학칼럼니스트 

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늦잠 자는 이유, 당신 탓이 아니다

겨울철 아침은 늦잠과의 싸움이다. 날씨가 추워질수록 아침에 눈을 뜨는 게 고역이다. 일찍 잠들기, 강력한 알람 맞춰 놓기 등 아침형 인간이 되기 위해 고군분투해 보지만, 안간힘을 써 봐도 잘 되지 않는 사람들이 있다. 이런 사람들은 게을러서일까? 아니면 선천적으로 잠이 많아서일까? 지금부터 늦잠 자는 이유를 과학적으로 파헤쳐보자.

우리 몸에는 시계 역할을 하는 유전자가 있다. 이 유전자들은 잠이 들고 깨는 시기, 필요한 수면의 양 등을 결정한다. 초파리에서는 per, tim, clock, cyc 유전자가 그 역할을 한다. per는 시기를 뜻하는 period, tim은 영원하다는 뜻의 timeless, cyc는 주기를 나타내는 cycle의 줄임말이다. 이름에서부터 생체 시계라는 느낌이 묻어난다.

이 유전자들은 어떻게 우리 몸에게 시간을 알려줄까. 유전자 per, tim, clock, cyc는 각각 단백질을 만들어 낸다. 네 가지 단백질들이 많아졌다 적어졌다를 반복하면서 우리 몸에 시간을 알려준다. PER와 TIM 단백질이 많아지면 각성효과가 생기면서 잠에서 깨고, 줄어들면 잠이 온다. 보통 오전 6시부터 단백질 수치가 점점 높아졌다가 정오부터 낮아져 오후 3시가 되면 가장 낮아진다. 어김없이 낮잠이 몰려오는 시간이다. 그러다 조금씩 높아져 저녁 9시에 최고점을 찍고 다시 양이 줄어든다.

생체 시계 유전자들의 조절에 따라 사람들은 저마다 다른 24시간 주기의 생체곡선을 갖는다. 대개 아침형은 늦은 아침부터 정오까지 per와 tim단백질의수치가 올라가면서 주의력이 높다. 반면 저녁 6시가 넘어가면 단백질 수치가 떨어지면서 주의력도 급격히 떨어진다. 저녁형은 그 반대다. 오후부터 집중력이 높아져 오후 6시 이후에 가장 활발하게 활동한다.

늦잠을 자는 이유도 특정 유전자에서 찾을 수 있다. 늦잠꾸러기는 두 종류로 나눌 수 있다. 첫 번째는 수면시간은 다른 사람과 비슷하지만 아침잠이 유독 많은 경우. 저녁이면 정신이 맑아져서 밤늦게 잠자리에 들고 이 때문에 아침에 늦게 일어나는 것이다. 영국 서레이대 사이먼 아처 교수의 연구결과에 따르면 per3 유전자가 짧은 사람이 대게 이런 성향을 보인다고 한다.

faxl3 유전자도 늦잠에 관여하는 유전자다. 이 유전자에 돌연변이가 일어나면 우리 몸은 하루를 길게 인식한다. 쥐로 실험한 결과, 정상 쥐는 하루를 23.6시간으로 인식했지만 faxl3 유전자에 돌연변이가 일어난 쥐는 하루를 27시간으로 인지했다. 쉽게 말해 밤 12시를 오후 9시쯤으로 인식하고 오전 7시를 새벽 4시쯤으로 느끼는 것이다. 따라서 일찍 침대에 누워도 잠이 오지 않고 아침이면 일어나는 게 힘들 수밖에 없는 것이다.

두 번째는 평균 수면시간인 8시간보다 더 많은 시간을 자야만 하는 특정 유전자를 가지고 있는 경우다. ‘모나리자’, ‘최후의 만찬’으로 유명한 이탈리아의 화가 레오나르도 다빈치는 4시간 일하고 15분씩 자는 방법으로 하루에 여섯 번 잠을 잤다고 알려져 있다. 그는 하루 90분의 짧은 수면시간에도 결코 피곤함을 느끼지 않았다고 한다. 영국의 수상 처칠도 같은 방법으로 하루 4시간 이하로 잤고, 나폴레옹과 발명왕 에디슨도 하루에 4시간 이상 자지 않았다. 반면 아인슈타인은 매일 11시간씩 잤던 늦잠꾸러기로 유명하다. 이렇게 짧게 자고도 괜찮은 사람이 있는가 하면, 긴 시간을 자야만 괜찮은 사람이 있다.

수면을 늘리는 대표적인 유전자로 ABCC9가 있다. 유럽에서 7개국 4,251명을 대상으로 연구한 결과, 이 유전자를 가진 사람은 그렇지 않은 사람보다 필요한 수면량이 30분에서 한 시간 정도 더 많은 것으로 밝혀졌다. 즉, 이 유전자를 가진 사람은 최소 8시간 반에서 9시간은 자야 아침에 일어날 때 개운하다고 느낀다는 것이다. 초파리를 이용한 추가 연구에서도 이 유전자를 가진 초파리가 평균 3시간 정도 더 잤다.

그 이유는 칼륨 이온 통로에 있었다. 신경세포는 이 통로를 통해 신경정보를 뇌로 전달하는데, ABCC9 유전자가 이 통로를 망가뜨려 신경정보를 제대로 전달하지 못하기 때문에 수면량에 변화가 생기는 것이다. 변이가 일어난 셰이커 유전자도 칼륨 이온 통로를 망가뜨린다. 하지만 ABCC9 유전자와는 반대로 수면 시간을 줄여준다. 미국 위스콘신대 키아라 치렐리 박사가 초파리 9,000마리를 대상으로 조사한 결과, 평균 수면시간(800분)의 3분의 1만 자고도 정상적으로 활동하는 초파리들을 발견했다. 사람으로 치면 하루에 3~4시간만 자고도 멀쩡한 것이다. 이 초파리들의 유전자를 분석한 결과 셰이커 유전자의 아미노산 하나가 다른 것으로 나타났다.

‘잠을 적게 자고도 멀쩡하니 얼마나 좋을까’ 라고 생각했다면 오산이다. 대신 이들의 수명은 보통 초파리에 비해 짧았기 때문이다. 인간에게도 셰이커와 같은 기능을 가진 유전자가 있다. 초파리로 잠 유전자를 연구하는 최준호 카이스트 교수는 “잠은 항상성이 있기 때문에 어떤 방법으로든 평균 수면시간을 채우려는 경향이 있다”며 “유전자에 문제가 생겨 항상성이 충족되지 못하면 반대급부로 수명이 단축되는 경우가 많다”고 설명했다.

참고로 노인이 되면 잠이 없어진다고 하는데, 과학적으로 근거가 있는 말일까? 이는 나이가 들면서 수면 패턴이 변했기 때문이다. 노인의 수면 패턴은 넓은 U자형으로, 조금씩 자주 잠을 자서 평균 수면시간을 채운다. 반면 아이들의 수면 패턴은 좁은 U자형으로, 평균 수면시간을 밤에 몰아서 푹 자는 것이다.

지속적으로 잠을 못잔 것도 늦잠의 이유가 된다. 못잔 잠은 고스란히 빚으로 남는다. 사람마다 조금씩 다르지만 8시간을 평균 수면시간으로 보는데, 전날 5시간을 잤다면 그 다음날은 빚진 3시간을 합해 11시간을 자야 다음날 피곤함 없이 정상적으로 깨어 있을 수 있는 것이다. 때문에 전날 잠을 설치면 우리 몸은 수면 빚을 갚기 위해 더 늦게까지 자려고 한다.

다른 계절에는 그렇지 않은데, 유독 겨울이면 늦잠을 이기지 못하는 경우도 있다. 그렇다면 일조량의 변화 때문일 가능성이 크다. 잠을 오게 하는 호르몬인 멜라토닌은 밤이 길어질수록 분비되는 시간이 길어진다. 때문에 밤이 긴 겨울에는 멜라토닌이 아침 늦게까지 남아있어 늦잠을 자게 되는 것이다.

글 : 이화영 과학칼럼니스트

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봄이 되면 어김없이 찾아오는 춘곤증. 황사와 더불어 봄의 불청객이다. 일반적으로 1~3주가 지나면 춘곤증은 저절로 사라진다지만 시도 때도 없이 몰려드는 낮잠은 참기 힘들다. 춘곤증은 계절의 변화를 신체가 따라가지 못해 일시적으로 생기는 생리적 부적응 현상으로, 일종의 계절병이다.

그러나 봄에만 생기는 춘곤증과 달리 계절에 상관없이 늘 잠을 많이 자도 졸리고, 아무리 저녁 일찍 잠을 청해도 아침에 일어나기 힘겨운 사람들이 있다. 아시아 수면연구학회의 조사에 따르면 대만, 필리핀, 태국 등 아시아인 44%는 아침에 깬 뒤에도 졸리고, 60% 이상은 점심때면 졸리는 것이 일상생활의 한 부분이 되고 있다고 한다. 왜 그럴까.

사람은 누구나 생체리듬을 갖는다. 하루 24시간을 주기로 정해진 리듬에 따라 자고, 일어나고, 먹고, 배설하며 살아간다. 인체는 그런 주기에 따라 호르몬을 분비하고 체온을 유지하며 감성과 인지기능을 작동시킨다. 이런 일정한 리듬을 살려내는 활동은 체내의 생체시계 때문이다. 밤이 되면 졸리고 아침이 되면 깨는 것 또한 생체시계가 우리 몸을 관리하고 있기 때문이다.

그런데 사람에 따라서는 밤늦게까지 왕성하게 활동하는 대신 아침에 일어나기 힘들어 시끄럽게 울어대는 휴대전화 알람 소리를 꺼버리고 다시 잠에 취하는 사람이 있는가 하면, 일찍 자고 일찍 일어나는 사람이 있다. 또한 저녁에 일찍 자도 아침에 깨기 힘든 사람도 있다. 이것은 생체시계가 자신의 생활 유형에 아직 적응하지 못했기 때문이다. 저녁에 일찍 자도 아침에 깨기 힘든 사람은 자신의 생체시계가 늦게 자고 늦게 일어나는 데 맞춰져 있기 때문일 수 있다.

또한 일상생활 패턴이 개인의 수면시간과 잘 맞지 않는 경우도 있다. 예컨대 직장인의 경우 근무시간이 일러 일의 능률이 오르지 않거나, 학생의 경우 수업 시작 시간이 빨라 밀려오는 졸음 때문에 학습 효율이 올라가지 않는 것은 자신의 활동시간과 생체시계가 어긋나 있기 때문이다. 수면장애 전문가인 뉴욕의 진 매트슨 박사에 따르면, 인간의 선천적인 생체리듬은 일상생활의 일과와 어울리지 않는 경우가 많다고 한다. 이처럼 생체시계와 일상생활 패턴이 일치하지 않는 현상을 ‘수면위상지연 증후군 (Delayed Sleep Phase Syndrome, DSPS)’이라고 한다.

수면위상이란 하루 중 잠을 자는 시기다. 보통 사람은 11시경에 취침하여 다음날 7시경에 일어난다. 하지만 수면위상이 지연된 사람은 밤 1~2시가 되어야 잠에 들고, 아침에 깨기가 매우 힘들다. 취침시간이 늦어지면 리듬 자체가 깨질 수 있다. 1시경 잠이 들어 오전 9시에 일어났을 때 외형상 수면시간은 8시간이지만, 중간에 햇빛이 숙면을 방해하기 때문에 잠의 질이 떨어지고 실제 수면시간도 5∼6시간에 불과하다. 잠을 많이 자도 졸리는 경우 또한 밤에 코를 심하게 골거나 하여 대부분 수면의 질이 나쁜 게 원인이다. 숙면이 충분히 이루어지지 않으면 아무리 오래 자도 피로가 풀리고 않고 기억력이 떨어지며 신경이 예민해진다. 반대로 수면위상이 너무 빨라지면 저녁부터 졸리고 새벽에 너무 일찍 깨게 된다.

일반적으로 생체시계는 뇌의 시상하부에 위치하는 교차상핵에 의해 조절된다. 교차상핵의 내부는 약 1만 개의 신경세포로 가득하다. 이 1만 개의 신경세포 하나하나가 대략 24시간 주기로 변화하는 전기신호를 내보낸다. 즉 1만 개의 세포가 모여 우리 몸 전체 세포의 시간을 제어한다. 시상하부 교차상핵은 우리 몸의 생체시계를 깨우는 환경요인에 반응한다. 가장 대표적인 환경요인은 아침 햇살이다. 시신경으로부터 들어온 빛의 정보에 기초해서 약 24시간의 생체리듬을 꾸준히 만들어낸다.

아침에 눈을 떠 눈이 햇빛을 인식하면 생체시계는 이것을 아침 시보(時報)로 받아들인다. 이때부터 몸이 12시간 정도 활동모드를 유지하고 혈압이나 체내 온도가 올라간다. 그리고 이 생체시계 탓에 낮과 밤의 구분이 몸 안에서 자연스레 일어난다. 빛은 생체시계를 재설정한다. 그래서 시간대가 다른 나라를 가면 생체시계가 새롭게 맞춰질 수 있다. 이외에도 계절에 따른 온도변화도 생체시계를 깨운다.

그렇다면 ‘밤형’ 생활 사이클을 아침에 일찍 일어나는 ‘아침형’으로 바꾸어 부지런한 사람이 될 수는 없는 것일까. 쉽지는 않겠지만 꾸준히 노력하면 가능성은 있다. 아침형 인간이 되기 위해서는 무엇보다 주중, 주말 모두 항상 일정한 시각에 자고 아침 일찍 일어나는 습관이 중요하다. 만일 평일에는 아침 일찍 일어났다가 일요일 아침은 늦게까지 잠을 자게 되면 주중의 수고가 물거품이 된다. 생체시계가 느려져 신체가 다시 과거 상태로 돌아갈 수 있고, 그렇게 되면 월요일 아침 일찍 일어나는 것이 한층 힘들어진다. 특히 휴일의 낮잠은 더욱 그러하다. 오후 3시가 지나서 낮잠을 자면 야간 수면에 영향을 미치기 때문이다. 월요일뿐 아니라 휴일 다음날 아침 일찍 일어나고 싶다면 전날 밤에 빨리 자는 것보다도 전날 아침에 빨리 일어나 생체시계를 재조정해 둬야 한다.

우리 생체시계는 눈을 뜨고 아침 햇살을 인식한 시간부터 14~16시간 뒤에 잠이 오도록 프로그램화되어 있기 때문에 일찍 일어나는 습관을 들이면 잠을 잘 잘 수 있다. 오전에 햇볕을 쬐면 생체시계의 바늘을 빨리 가게 할 수 있다. 그 수정 능력은 강한 햇빛일수록 효과가 크다. 반대로 오후 특히 저녁때부터 밤까지 쬔 빛은 생체시계의 바늘을 느리게 가게 한다. 햇빛의 수정 효과는 오전에 생체시계를 빨리 진행시키는 작용보다 오후에 지연시키는 작용 쪽이 더 강하다. 따라서 저녁 시간에 컴퓨터 화면이나 텔레비전, 스탠드 조명 등의 빛을 접하게 되면 뇌가 낮으로 착각하여 쉽사리 잠을 청하기 어려워진다. 그러므로 밤형을 아침형으로 바꾸고 싶다면 오전 중에 강한 빛을 계속 쬐면 된다.

월요일 아침, 상쾌한 기분으로 한 주를 시작하고 싶은가? 그렇다면 눈을 뜨자마자 몸에 아침 신호를 보내 생체시계를 고쳐 나가자. 우선 커튼을 젖히고 방안 가득 들어오는 밝은 햇볕을 쬐어 몸에 ‘아침의 신호’를 될 수 있는 한 많이 보내자. 햇볕에 반응한 생체시계가 지구의 자전주기에 맞춰 활동을 시작할 것이다.

‘째깍, 째깍’ 당신의 생체시계는 지금 몇 시 몇 분을 가리키고 있는가!

글 : 김형자 과학칼럼니스트


ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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