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한여름에는 자외선의 광도가 점점 세진다. 일명 화학선이라 불리는 자외선은 인간을 비롯한 동식물의 생태계에 어떤 영향을 미치는 것일까.

인간을 포함하여 지구상에 존재하는 모든 생물들은 태양빛에 노출되어, 그 생리대사와 병리현상이 태양빛에 의해 민감하게 영향을 받는다는 사실은 이미 고대 이집트나 희랍시대에서부터 그 근원을 찾을 수 있다. 예를 들면 고대 이집트인들이 태양빛을 아톤라(Aton Ra, 태양신)라고 묘사하여 인간의 생명을 주관하는 것으로 믿은 것이나, 고대 희랍 철학자인 헤로도투스가 "건강을 증진시키고자 하는 자들에게는 태양에의 신체 노출이 반드시 필요하다"라고 갈파한 사실들은 바로 고대인들도 태양광과 생명현상에 대한 밀접한 관계를 인지했음을 잘 나타내고 있다.

그밖에도 기원전 30년 경에 이미 비트루비우스가 빛에 의한 식물성 색소들의 탈색을 발표했다는 기록이 있는 것으로 미루어 보아 고대인들도 이미 빛이 생명현상과 밀접한 관계가 있다는 광생물학적 지식과 물질의 성질 변화에도 밀접한 관계가 있다는 광화학적 지식을 가졌음을 알 수 있다. 그러나 빛과 물질계의 상호작용은 물론 빛 자체의 성질에 대한 지식의 결핍 때문에 본격적인 광생물학과 광화학적 연구는 18세기말과 19세기초 사이에 허셀과 리터가 각기 가시광선 외에도 자외선이 존재하는 태양광 스펙트럼을 발견하고서부터 시작되었다.

지표 도달 자외선 태양광의 8%

태양은 그 생성 이래 지구상의 모든 생명체에 대한 자유에너지 공급원으로서 지구표면에 매분 단위면적(㎠)당 8.4J 정도의 광선을 쪼여주어 왔다. 이것을 연간 전 지구 표면에 쪼이는 태양광의 광도로 환산하면 총 5.61×${10}^{24}$ J에 달하는 엄청난 에너지에 해당된다. 이렇게 태양으로부터 직접 방출되는 광선은 1백80nm와 1천8백nm 사이의 여러 파장별로 분포되는데 이를 태양광 스펙트럼이라고 한다.

이중 1백80nm와 4백nm 사이의 광선을 자외선(Ultraviolet, 보통 UV라 함)이라고 하며 4백nm와 8백nm의 광선은 가시광선, 8백nm와 1천8백nm 사이의 광선을 적외선이라고 한다. 특히 자외선의 경우에는 3백20nm 부터 4백nm사이는 UV-A, 2백80nm부터 3백20nm사이는 UV-B, 그리고 1백80nm로부터 2백80nm사이의 자외선은 UV-C라고 구분하여 일컫는다.

이러한 자외선과 가시광선은 지구의 대기권에 도달되면 오존(${O}_{3}$)층에 의해 다소 흡수 되므로 지구상에 도달되는 태양광의 대부분은 주로 가시광선과 적외선에 의한 기여라고 할 수 있다. 특히 자외선중 UV-C는 오존층에 의해 효율적으로 흡수되어 지구표면에 도달되기 전에 차단된다. 따라서 지구상에 도달되는 자외선은 총 태양광의 8%이하에 불과하다. 그렇지만 이와 같은 적은 양의 자외선이라도 태양과 지구표면 사이의 거리, 구름 또는 대기오염 등에 의해 민감하게 변화하면서 인간과 생물계에 지대한 영향을 미치고 있다.

1877년에 다운스와 블런트가 박테리아 활동이 자외선에 의해 저해된다는 사실을 처음으로 발견하면서부터 자외선은 인간과 생물계에 좋은 영향보다는 나쁜 영향을 미치고 있는 것으로 알려져 있다. 자외선이 유일하게 생체에 좋은 영향을 미치는 것으로는 인체내에서 비타민 D를 광합성시킨다는 점이다. 비타민 D는 뼈의 대사나 창자로부터의 칼슘(Ca)전달에 중요한 인자로서 어린이들의 구루병과 어른들의 골다공증 예방에 필수적인 비타민이다. 이 비타민 D는 다른 비타민류와는 달리 피부속에 있는 말피지안(Malpighian) 세포 내에서 자외선을 흡수하여 광화학 반응을 함으로써만 합성되므로 일상생활에서 적당한 자외선을 쪼여야할 필요가 있다. 이러한 사실은 헤로도투스가 갈파한 건강증진과 태양광과의 관계를 입증하는 한 예라고 할 수 있다.

따라서 자외선 광도가 센 여름에는 많은 사람들이 바닷가 등에서 선텐(suntan)을 즐기는데 이러한 선텐은 피부속에서 티로신(tyrosine)과 도파(Dopa)의 효소반응을 통해 생성되어 있는 멜라닌 색소가 광산화(photo-oxidation)됨으로써 피부가 검게 되는 것이다. 사람들은 이를 보통 건강의 상징으로 여긴다. 그러나 이러한 선텐도 지나치게 하면 오히려 겉 피부의 화상과 다른 종류의 심각한 피부질환을 유발시킬 수 있으므로 주의가 요청된다.

노화 촉진 유발

자외선이 우리들의 인체에 악영향을 미치는 가장 큰 이유로는 인체 세포의 기본인자인 DNA와 같은 핵산(nucleic acid)과 단백질(protein)이 2백60nm와 2백78nm의 자외선을 최대로 흡수한다는 사실을 들 수 있다. 즉 이 파장과 일치하는 UV-B 영역의 자외선을 효과적으로 흡수하여 세포의 광산화 반응을 통해 노화를 촉진시킨다.

다행히도 지구의 대기권에는 오존층이 형성되어 있어 태양에서 직접 방출되는 UV-C와 UV-B를 효율적으로 흡수하겨 각기 그 광도를 ${10}^{40}$-${10}^{17}$분의 1 정도로 감소시킨다. 그 결과 생체 세포를 자외선에 의한 파괴로부터 보호해주는데 크게 기여하고 있다. 일반적으로 정상적인 대기권에서는 산소(${O}_{2}$)의 자외선에 의한 광분해반응을 통해 생성과 분해의 평형상태가 유지되기 때문에 일정량의 오존이 일정한 두께를 형성한다.

물론 계절과 위도에 따라 광화학 반응조건이 변화되기 때문에 생성되는 오존층의 두께는 월별로 변화한다. 대체로 7월 중순부터 9월 사이에 오존층의 두께가 가장 감소하는데 이에 맞춰 지구표면에 도달되는 UV-B의 광도도 연중 최대가 된다. 따라서 여름철 태양에 겨울철과 같은 시간 동안 피부를 노출시켜도 겨울철보다 쉽게 검어지거나 홍반이 유발된다.

더욱이 오늘날 대기권의 오존층이 비정상적으로 파괴되고 있어 지구상의 인간을 위시한 모든 생명체는 자외선 광도 증가에 수반되는 악영향으로부터 심각한 위협을 받고 있는 실정이다. 일반적으로 오존층의 두께가 10% 파괴되면 2백90nm의 빛이 오존층을 투과하는 정도는 1백15% 증가된다. 이는 대기권의 오존층이 미량 파괴되어도 지표상에 도달되는 자외선의 광도는 대단히 크게 증가함을 나타낸다.

오존층 파괴에 의해 가장 민감하게 증가하는 자외선은 2백80-3백20nm 사이의 UV-B다. 이 자외선은 인체의 피부홍반을 유발시키는 최대 파장 영역이므로 오존층 파괴는 우선 피부홍반의 위험성을 급증시킬 것으로 예상된다. 이러한 피부홍반은 피부세포막의 파괴에 기인하는데 이는 주로 세포막 단백질의 구성 아미노산 중의 하나인 트립토판이 UV-B를 흡수함으로써 광화학 반응을 일으키기 때문인 것으로 알려져 있다. 즉 트립토판의 광화학 반응에 의해 NFK와 같은 새로운 물질이 생성되는데, 이 NFK 유도체는 연쇄적으로 다른 세포막 성분인 지질의 광산화를 촉진시켜 염증의 요소인 프로스타글란딘(prostaglandine)을 만든다. 이러한 지질의 산화는 노화를 촉진시키는데 크게 기여하는 것으로 알려져 있다. 이외에도 NFK 유도체들은 DNA와 직접 반응하여 DNA를 변형시킴으로써 암을 유발케 한다는 보고도 있다.

따라서 악성 피부홍반은 피부암으로도 발전되어 치명적 결과를 초래한다. 실제로 한 보고에 따르면 과거 20년 사이에 미국에서는 5%의 오존층 파괴에 의해 평소보다 8천명이나 더 많은 피부암 환자가 발생하였고 3백명 이상이 더 사망했다고 한다.

동물들의 면역기능 저하

최근에는 동물실험 등을 통해 UV-B의 광도 증가에 의해 특정 면역세포가 파괴되어 정상적인 면역기능이 저하된다는 사실이 관찰됐다. 이러한 면역기능의 저하는 자외선에 의한 동물들의 피부암과 기타 질병들의 유발을 촉진시키는 것으로도 알려져 있다. 물론 현재까지는 이러한 자외선에 의한 동물의 면역 기능 저하 현상이 인간에게는 확실히 관찰되지 않고 있지만 오존층 파괴에 의한 자외선 광도의 증가가 지속되는 경우에는 인간에게도 자외선에 의한 면역기능의 저하 효과는 심각해질 것으로 많은 학자들이 예상하고 있다.

실제로 최근에는 자외선이 사람들의 입술이나 생식기의 포진(헤르페스)발생을 촉진함이 관찰되었다. 한 보고에 따르면 지난 1980년부터 헤르페스 바이러스가 계속해서 증가하고 있다는 사실은 오존층 파괴에 의한 자외선 세기의 증가와 결코 별개의 문제가 아닌 것으로 파악하고 있다.

이상의 자외선에 의한 위험성은 자외선을 차단할 수 있는 피부색소인 멜라닌의 양에 의존한다. 백인들에게는 동양인들에 비해 멜라닌 색소가 풍부하지 못하여 자외선의 위협이 상대적으로 크다고 할 수 있다. 즉 한국인과 같은 유색인(有色人)들은 백인들에 비해 피부에 멜라닌 색소를 다량 함유하고 있어서 백인들에 비해서는 세포성분이 흡수할 UV-B를 보다 효과적으로 차단하여 자외선에 의한 피부암이나 기타 질병유발의 위험성이 상대적으로 적은 것으로 나타나고 있다. 그러나 대기오염에 의한 지속적 오존층파괴로 자외선 광도가 급증하기 때문에 결코 한국인들도 안심할 일은 아니다.

따라서 요즘과 같이 대기오염이 심각한 시대에는 자외선 광도가 가장 센 여름철의 경우에는 되도록이면 태양빛에의 직접적인 노출을 피하여야 한다. 직접적 노출이 요구되는 경우에는 반드시 자외선 차단제를 피부에 바르거나 자외선 차단복을 착용하여야 한다. 자외선 차단제나 차단복은 자외선을 최대로 흡수하면서도 해가 되는 광화학반응을 하지않는 유기화합물 내지 고분자 물질로 자외선이 피부에 흡수 침투되는 것을 방지해준다.

그러나 장기적으로 볼 때 자외선의 위험으로부터 인류의 건강을 보호하는 것은 무엇보다도 오존층의 파괴를 방지하는 것이다. 오존층의 파괴는 주로 태양광에 의해 대기중의 염소(Cl)와 산화염소(ClO) 사이의 순환반응 때문에 나타나는 오존의 환원에 기인한다. 대기중의 염소는 주로 냉동용으로 사용되는 프레온가스(C${Cl}_{2}$${F}_{2}$ 또는 C${Cl}_{3}$F) 등이 자외선에 의해 광분해됨으로써 방출되고 있다. 따라서 지표상의 자외선 광도를 일정하게 유지하기 위해서는 우선 냉동용 기체를 대체할 수 있는 물질을 개발해야 하고 대기오염을 방지하는 것이 인류의 가장 시급한 과제의 하나로 생각된다.

눈에 치명적

최근의 많은 역학조사들에 따르면 UV-B 자외선은 인간의 눈도 손상시킨다는 사실이 입증되었다. 예를 들어 오랫동안 바다를 항해하는 배의 선원들을 대상으로 한 연구에 따르면 조사대상 선원들의 40%가 각막(cornea)에 백내장 증세를 나타냈는데 백내장 증세의 정도는 각자의 눈의 UV-B 노출 정도와 직접적인 관계가 있음이 밝혀졌다. 즉 눈이 UV-B에 노출되는 정도가 두배 증가하면 백내장 발생률이 1.6배 증가되는 것으로 알려져 있다. 이러한 백내장은 피부의 홍반 발생의 경우와 같이 각막의 단백질성분인 트립토판이 자외선을 흡수하여 광화학반응을 일으켜 단백질을 변형시키기 때문이다.

또한 자외선 중에서 UV-A는 눈의 각막을 투과할 수 있으므로 높은 광도(6 J/㎠ㆍ초) 의 UV-A에 장시간 눈을 노출시키면 수정체도 크게 손상을 받는다. 이는 수정체에 있는 SH기 화합물의 광산화에 기인하는 것으로 알려져 있다. 그밖에도 아직은 논란의 대상이 되고는 있지만 눈에 자외선의 노출이 축적되면 망막도 손상을 받을 수 있다는 연구결과들이 보고되고 있다. 따라서 건강한 눈의 보호를 위해서는 외출시 선글라스나 모자를 착용함으로써 자외선에 눈을 직접 노출시키지 않도록 조심해야 한다.

일반적으로 안경에 사용되는 유리렌즈는 UV-B자외선을 84.4% 플라스틱렌즈는 99.8% 차단하므로 안경을 착용하면 자외선에의 직접노출은 크게 방지된다. 그러나 콘택트렌즈는 UV-B를 거의 차단하지 못하므로 콘택트렌즈를 낀 경우에는 선글라스나 모자의 착용이 부수적으로 필요하다.

자외선 광도의 증가는 기타 생물에도 많은 악영향을 미치기 때문에 이로 인해 인간생활에도 간접적인 영향을 미친다. 일반적으로 곤충들은 근자외선 영역(UV-A)에서 민감한 인지 감각반응을 나타낸다. 즉 3백-4백nm의 근자외선 광도가 증가하면 꽃들의 색조가 변화된다. 그 결과 상대적으로 꽃으로부터의 근자외선 반사에 변화가 생겨 벌과 같은 곤충들의 인지 감각을 혼동시켜 그들의 생태를 변화시킬 수 있다. 예를 들어 자외선의 광도는 지구의 위도에 따라 다르므로 곤충들은 일정 위도의 지역에서 적응되었던 자외선의 광도가 갑자기 증가되면 인지감각의 혼동을 피하기 위해 본래 자외선 광도가 나타나는 위도의 새로운 지역으로 이동하려는 경향을 나타낼 수 있다. 약 20년 전에 아프리카 지역에 서식했던 소위 범벌(killer bee)이라는 벌들이 남아메리카로 옮긴 경우가 바로 그것이다.

개화시기에도 영향

태양광 스펙트럼의 자외선 영역의 변화에 의한 악영향은 식물의 세계에서도 예외가 될 수 없다. 식물들은 종류에 따라 각기 다른 정도로 UV-B 광도변화에 민감하게 영향을 받는다. 식물의 키 내지 잎의 면적 및 배축(胚軸)의 길이와 같은 식물성장은 UV-B광도가 증가함에 따라 감소된다. 예로서 오이에 일조량(日照量)을 증가시키면 줄기의 길이, 잎의 면적, 클로로필(chlorophyl) 및 카로티노이드(carotenoid)의 함량이 감소하는데, 이는 자외선 광도의 증가 때문으로 밝혀졌다. 6년에 걸쳐 메주콩에 대해 실시한 한 모의연구에 따르면 오존층의 25% 감소에 해당되는 UV-B 광도 증가에 의해 메주콩의 수확이 급격히 감소됨이 확인됐다.

그밖에 많은꽃들의 개화(開花)도 UV-B광도의 증가에 따라 민감하게 저해되는데 이는 광화학반응을 통한 지베르산(gibberellic acid)의 함량감소에 기인하는 것으로 밝혀졌다. 이와 같이 자외선의 악영향으로 인해 꽃의 개화시기에 변동이 생기면 꽃가루를 운반하는 곤충들의 형태도 혼동이 생겨 자연 생태계의 변화에 중요한 결과가 초래될 수 있다.

한편 이상의 하등 재배식물에 대한 자외선의 악영향과는 달리 대부분의 고등식물의 경우에는 UV-B를 오랫동안 쪼이면 자외선을 잘 흡수하는 새로운 물질들이 생성되어 잎의 표면에 축적됨으로써 자외선에 의한 악영향으로부터의 자체 보호기능을 나타낸다. 이렇게 생성되는 자외선 차단 물질들은 독성을 띠어 식물의 병충해 예방에도 일조하고 있다.

한편 자외선은 질병치료의 한 수단인 광요법(phototherapy)내지 광화학요법(photochemotherapy)에 유용하게 이용되기도 한다. 닐스 핀센은 1903년에 피부결핵의 치료를 위해 자외선을 이용한 광요법을 확립한 공로로 노벨의학상을 수상하였다. 그 이후 백반증(vitiligo) 건선(psoriasis) 및 단순포진(herpes simplex) 등과 같은 주요 피부질환 치료에 자외선을 이용한 광화학요법이 개발되어 널리 활용되고 있다. 적당한 광도의 UV-B를 환부 주위에 쪼여줌으로써 질병유발의 원인인 악성세포를 직접 파괴하기도 하지만 일반적으로는 광증감제(photosensitizer)를 환부에 바른 뒤에 단백질의 흡광영역이 아닌 UV-A를 쪼여주는 방법을 흔히 사용한다. UV-A를 흡수한 광증감제는 악성 세포의 DNA와 효과적으로 결합함으로써 악성 세포의 증식을 저해시킨다.

이밖에도 1백90nm의 원자외선을 내는 엑시머(excimer)레이저를 이용한 근시 치료도 훌륭한 광요법의 하나이다. 이러한 자외선의 광요법에의 응용은 오늘날 가시광선 레이저와 특정 광증감제(예, 포르피린 유도체 등)를 사용하는 뇌종양의 미세수술과 같은 새로운 의료기술 개발에도 기초를 제공해 소위 광의학(photomedicine)발전의 시금석이 되고 있다.

결국 전쟁의 승리를 위해서는 적을 잘 파악하여야 하듯이 자외선이 생체에 미치는 영향을 정밀하게 탐구하는 것은 그 악영향을 극복할 뿐만 아니라 자외선을 이용하여 오히려 건강유지를 꾀할 수 있다는 측면에서 대단히 중요하다고 생각된다.