우리 몸은 어떻게 움직이는 걸까요
인류는 정전기 현상을 통해 전기라는 존재를 발견하게 되면서 오랜 시간 동안 탐구하며 연구하고 또 현실에 적용하며 살아왔습니다
전기라는 존재를 사용할 줄 알게 되면서 인류는 어두움을 다스리는 존재가 되었을 뿐만 아니라 전자의 흐름을 동력으로 사용하며 점점 더 비약적인 발전을 이루어내었습니다
현대 문명의 모든 시스템은 거의 전기의 흐름, 전류로 돌아가고 있는데 사실, 전기는 현대문명이 만들어낸 것이 아니라 우주를 이루고 있는 기본적인 생명현상입니다
물질의 모든 기본입자들은 우주에 떠있는 티끌에서부터 미생물인 대장균이나 곰팡이까지도 전기적인 운동을 하고 있기 때문에 생명이 있다고 할 수 있는 것입니다
우리의 몸도 역시 전기적인 활동으로 움직여지고 있습니다
이 글에서는 생체전기를 발견해나간 인류의 자취와 현재의 생체전기를 위한 연구와 활용분야를 알아보겠습니다
생체전기의 발견
인류가 생체전기를 인식하게된 시기는 아주 오래된 것이라고 합니다
기원전 2000년 경 고대 이집트의 나일강에는 전기메기가 많이 살았다고 합니다
그래서 이집트의 의사들은 전기메기를 직접 사육해서 관절염이나 두통을 치료할 때 사용하기도 하였는데,
이집트 사람들은 이 물고기를 '나일강의 뇌신'이라고 불렀다고 이집트의 고대 문헌에 기록되어 있습니다
그 시대의 이집트 사람들은 물고기에서 번개와 같은 현상이 발생하니까, 많은 신들을 섬겼던 이집트에서 아마도 신적인 능력을 가졌다고 생각했던 것 같습니다
고대 로마의 프리니우스(BC23~79)는 전기뱀장어와 전기가오리에 대해서 그의 저서 '자연사'에 기록해 놓기도 하였는데 이 물고기들은 전기를 발산하고 있는데 그 전기에 닿으면 단 번에 실신할 정도로 충격을 받으며 몸은 마비된다고 기록하였습니다
현대에 들어서면서, 생물의 전기에 관심을 갖기 시작한 것은 1786년 이탈리아의 볼로냐대 교수였던 루이지 갈바니에 의해서입니다 갈바니 교수는 개구리를 해부하기 위해서 개구리를 구리 핀으로 고정시켰습니다 그리고 해부용 칼로 개구리를 해부하려다가 칼이 개구리를 고정시켜 놓은 구리핀에 닿았는데 갑자기 개구리의 다리가 순간적으로 움직이는 현상을 보게 되었습니다
당시는 라이덴 병이 발명된 시기였으므로 사람들은 전기적인 현상에 대해 굉장한 관심을 가지고 있었습니다
갈바니교수도 이 현상을 보고 동물의 뇌에서는 전기가 만들어지는데 이 전기가 신경을 타고 근육에 흘러들어 가 근육에 저장되었다가 움직일 때 사용된다고 주장하였습니다
갈바니의 친구였던 볼타는 그의 실험에 흥미를 느끼고 갈바니와 같은 실험을 하였습니다
처음에 볼타는 갈바니의 주장에 동조하면서 실험을 하였으나 여러 차례 실험을 하는 과정에서 개구리를 고정시켜 놓은 핀과 해부용 칼이 다른 종류이어야만 전기가 흐른다는 것을 알게 되었습니다
그래서 그는 두 종류의 다른 금속과 그 사이에 개구리 대신 개구리의 체액과 같은 소금물을 적신 헝겊을 끼어넣었는데도 전기가 흐르는 것이었습니다
그래서 볼타는 서로 다른 금속을 여러 층으로 쌓고 그 사이사이마다 소금물을 적신 헝겊을 넣어 전류가 흐르는 것을 실험으로 증명하며, 전기가 흘렀던 것은 개구리의 신경에서 나온 것이 아니라, 서로 다른 금속과 전해질 때문이라고 하였습니다 이러한 방식으로 볼타는 세계 최초의 배터리인 볼타 전지를 발명하였습니다
이렇게 볼타에 의해서 자신의 실험에서 개구리가 나타내었던 현상이 두 금속 때문이었다고 검증되며, 그러한 방식으로 자체적으로 계속 흐르는 전지가 발명되었음에도 불구하고 갈바니는 자신의 주장을 철회하지 않으며, 생명현상과 전기는 깊이 연관되어 있다고 생각하였습니다
오히려 그의 조카였던 의사 지오바니 알디니는 유럽을 순회하면서 양이나 소, 말, 개들의 동물의 시체에 축전기와 전선을 사용해 전류를 흘려 근육과 신경에 경련이 일어나는 것을 공개적으로 실험하였으며, 심지어는 죽은 사형수의 시체에 전류를 흘려 사형수의 근육이 뒤틀려지고, 눈이 떠지며 손이 움직여지는 경악할만한 실험을 하기도 하였습니다
당시, 이 실험은 너무나 충격적이어서 사람들은 사형수가 다시 살아나는 것 같은 착각에 빠지기도 하였다고 당시의 신문은 기록하고 있습니다
이 실험은 사람들을 경악하게 하였으나, 또 한편으로는 전기가 사람을 다시 살릴 수도, 만들 수도 있을 거라는 상상을 갖게도 하였는데, 1818년의 소설, 프랑켄슈타인은 이 실험에서 영감을 받아 만들어진 작품이라고 합니다
그렇다면 갈바니의 동물의 신경에 내재되어 있는 전기는 틀린 주장이었을까요
그 당시는 세포에 대한 정확한 인식이 잡혀있지 않은 상황이었기 때문에, 비록 인체에서 전기적인 현상이 나타났다 해도 그것을 증명해 내는 실험을 할 수가 없었기 때문에 과학적으로 검증을 할 수가 없는 상황이었습니다
그러나 이후 세포의 구조가 밝혀지면서 세포의 전기적인 현상이 점점 더 구체적으로 밝혀지기 시작하였고 1939년 영국의 앨런 호지킨과 앤드류 헉슬리, 그리고 1900년대 후반 미국 록펠러대학교의 로더릭 매키넌 교수를 통하여 세포 안에서 전기가 생성되는 이유와 전달 방법이 명확이 증명됨으로써 몸속에 흐르는 전기의 실체가 명확히 드러나게 되었습니다
생체전기가 발생하는 이유
그렇다면 우리 몸에서 전기가 발생하는 이유는 무엇일까요
우리 몸에는 약 50조 개의 세포들이 있는데 이 세포들은 배터리와 비슷한 방식으로 전기를 만들어냅니다
배터리가 두 물질 사이의 전위차에 의해서 전자의 흐름이 발생하듯이, 생체전기도 세포 안 밖의 전위차에 의해서 만들어집니다
즉 우리 몸을 이루고 있는 세포들은 세포막을 중심으로 세포의 안과 밖으로 나누어지는데 세포의 안은 항상 -의 상태를 띠고 있고 세포의 밖은 +상태를 띠고 있습니다
그런데 자극이 들어오면 나트륨 이온만이 통과할 수 있는 나트륨 통로가 열리면서, 세포 안 쪽으로 나트륨 이온들이 들어옵니다 그러면 -이던 세포의 내부는 갑자기 +상태로 바뀝니다 그러면 다시 세포막의 칼륨 통로가 열리면서 칼륨이온들이 세포 내부에서 빠져나갑니다 그러면서 다시 세포는 원상태로 돌아갑니다
이렇게 생체전기는 세포의 내부와 외부의 전위차가 생기면서 이온들의 흐름으로 전류가 발생하게 되는 것입니다
이로써 수 세기동안 사이비 과학으로 취급받던 루이지 알바니의 생체전기는 사실임이 증명되었고 생체전기에 대한 사람들의 관심을 폭발하였으며 이때부터 생체전기에 대한 급격한 인식의 변화가 생기게 되었습니다
의료계에서 생체전기의 활용
특히 의학계에서 생체전기를 적극적으로 활용하여 의료기구들을 만들었는데 가장 대표적인 것이 심전도 측정기, 뇌파검사기등입니다
●심전도 측정기
우리 몸의 심장이 펌프 운동을 할 때는 아주 작은 전기 신호가 발생하는데, 이 전기 신호를 포착하기 위해서 가슴이나 손과 팔에 전극을 부착하여 우리 몸의 전기적인 활동을 측정하여 건강상태를 알아냅니다
●인공심장 박동기
인공심장 박동기는 심장이 제대로 뛰지 않을 때, 심장의 전기적인 성질을 이용하여 심장에 작은 전기쇼크를 주어 심장을 다시 뛰게 하기도 합니다
●통증을 느끼는 신경에 척수자극기로 신경에 전기자극을 주어 통증을 완화시킵니다
●인공보청기
보청기도 전기신호를 이용한 것입니다
인공적으로 달팽이관을 만들어 외부의 소리를 전기신호로 바꾸어 달팽이관 신경에 전달해서 소리가 들리게 합니다
●몸의 체액으로 만드는 인공 장기들의 배터리
우리 몸에서 나오는 땀이나 눈물, 혈액등을 이용해서 전기를 만드는 연료로 사용하기도 합니다
환자들의 몸에 넣어 사용하는 인공 심장박동기나 혈당 센서, 인공 장기 등은 항상 전기가 필요합니다
그래서 인공장기를 삽입한 환자들은 몇 년에 한 번씩 배터리를 교체하는 수술을 해야 하는데, 혈액 속의 포도당을 이용하여 전기를 만드는 기술이 상용화되면 배터리를 교체하는 수술을 할 필요가 없어집니다
●세포와 뼈의 재생
1972년 로보트 베커 박사는 회복의 가능성이 거의 희박하던 대퇴골 골절환자이 골절부위에 전기 자극을 주어서 뼈를 자라게 하는 치료에 최초로 성공하였습니다
뼈가 부러지거나 상처가 나면 전류의 흐름이 단절된다고 합니다 이때 부러진 뼈에 전류를 공급하면 세포와 세포 간의 이온 교환이 활발해져 뼈의 회복이 빨라진다고 합니다
또한 1980년대 미국 뉴욕주립대학 로봇 벡커 교수는 도롱뇽의 잘려나간 꼬리가 어떻게 재생되는지를 연구하였는데, 도롱뇽의 잘려나간 꼬리에 전류가 흐르면 꼬리가 재생됐지만 꼬리에 흐르는 미세전류를 차단하면 꼬리가 재생되지 않았다는 것을 논문으로 발표하였습니다
현대 건강 산업에서의 생체전기
의료뿐 아니라 현대 건강 산업에서도 생체전기에 대한 많은 연구를 하고 있습니다
●피부에 붙여서 혈당을 체크하거나 땀으로 건강을 진단하는 스마트 밴드등은 몸에서 나오는 포도당을 분해하여 -인 전자와 +인 수소이온으로 분해하여 전자의 흐름을 만들어 센서를 구동하게 만들어서 건강을 체크하기도 합니다
●눈물 속의 포도당을 전기로 바꾸어 눈 속에 초소형 센서를 넣어 혈당이나 안압을 실시간으로 측정합니다
●또한 사람이 걷거나 팔을 움직일 때 발생하는 마찰전기를 이용하여 웨어러블 기기에 전기를 발생시키기도 합니다
●이렇게 생체전기는 우리의 인체와 관련된 많은 분야에서 적극적으로 활용되고 있는데, 가장 최근에는 울산 과학기술원 연구팀이 'n형 고체 열갈바닉 전지'라는 인체의 온도와 외부 공기 온도의 차이를 이용해서 전류를 발생시키는 기술을 개발하기도 했습니다
사람의 체온은 약 36 ºC정도이고, 뜨거운 여름을 빼고는 주변 공기는 보통 20~25 ºC정도인데 전지의 한쪽 면은 피부에 닿아 온도를 높이고 다른 한쪽 면은 외부의 공기와 닿아 차갑게 하여 온도 차를 내어 이 온도차로 인하여 전해질 속의 이온을 움직이게 함으로써 전기를 발생시키는 원리입니다
그 전기는 바로 옆의 웨어러블 기기(스마트 워치 센서)로 공급되어서 작동됩니다
전해질은 웨어러블 기기의 전지 칩 안에 들어있고 피부와 공기의 온도 차를 받아서 전기를 만드는 역할을 합니다
생체전기를 활성화시키는 방법
●스마트폰을 작동시키기 위해서는 매일 전기로 충전을 해야 하듯이 세포는 우리가 섭취하는 영양소를 통하여 충전이 되기 때문에 칼슘, 마그네슘, 칼륨과 같은 미네랄이 풍부한 음식물을 섭취해야 합니다
●꾸준한 운동은 세포의 이온 이동을 촉진하여 우리 몸의 전기적 활동을 활성화시킵니다
●스트레스를 잘 다루는 방법을 찾아야 합니다
스트레스는 세포 간의 신호전달을 방훼 하며 전기적 신호를 교란시켜 신체의 균형이 깨지게 하기 때문에 스트레스가 생겼을 때 해소할 수 있는 방법을 사용하여 생체의 리듬이 흐트러지지 않게 해야 합니다
● 미세한 전기자극은 특정한 부위의 신경과 근육을 활성화시키는데 효과적입니다
마무리
이렇게 생체전기는 현대 의료, 건강, 헬스등 여러 분야에서 연구 개발되고 있는데, 만약 갈바니가 이러한 현대의 모습을 보고 있다면 그의 마음을 참으로 벅찬 감격을 느낄 것 같습니다
그가 살아있을 동안에는 인정받지 못하고, 사이비 과학이라는 조롱까지도 받았지만 그가 발견했던 현상으로 인하여 사실은 세계 최초의 배터리가 만들어졌고, 또한 현대의 전기화학과 신경 전도 연구, 생리학, 그리고 현대 의료와 건강산업의 초석이 되었습니다
우리는 모든 것을 증명해야지만 인정해 주는 과학을 맹신하고, 그 외의 통찰력이나 상상력을 때로는 무시하는 경향이 있는데 이 모든 것에 때로는 열린 시각이 필요하다고 생각합니다