생물의 몸 속에 있는 작은 자석은 지자기와 균형을 이루면서 생물의 생존에 유익하게 이용되어 왔다. 그러나 기술혁신이 낳은 텔리비전을 비롯한 수많은 인공자장은 그 균형을 유지시켜 갈 수 있을 것인가.
인류가 안전하게 살아가는데 라디오 텔리비전등의 인공자장(人工磁場)이 어떤 영향을 미칠것인가. 이 분야에 대한 생물학적 연구가 이제 막 시작되었다.
자기 생물학의 시작
잘 훈련된 통신비둘기(일명 전서구)는 멀리 떨어진 곳에서도 둥지를 정확하게 찾아간다. 그것은 태양의 방향을 이용하여 비행코스를 찾아내기 때문이라고 알려져있다. 그러나 실제로는 구름이 끼인 날에도 둥지가 있는 방향을 잘못 찾는 일이 없다. 해가 보이지 않는 날은 지자기(地磁氣)를 이용하여 날기 때문이다.
지구는 하나의 자석과 같은 것이다. 그때문에 지표에는 자속밀도(磁束密度)0.5~0.6가우스(gauss·電磁단위)의 자장이 있다.
생물이 태양의 방향, 낮과 밤, 계절변화, 해수의 간만, 중력, 기압, 밀도 등 주위의 여러 조건에 모두 적응하거나, 또는 이런 것을 적극적으로 이용하여 살아가고 있음은 이미 잘 알려진 사실이다. 그러므로 자기(磁氣)는 어떤 방식으로든 생물에 이용되고 있다고 생각해도 이상할 것이 없다.
그러나 생물과 자기가 어떻게 상호작용하는가를 밝히려는 연구의 시작은 다른 분야에 비하여 대단히 늦었던 셈이다. 본격적인 추구가 시작된지 겨우 20년쯤 되었을 뿐이다. 지금은 여러가지 데이타가 모여 그 데이타가 상호관련되는 내용도 밝혀져 가고 있어 차츰 학문으로서의 바탕이 이루어져 가고 있다.
따라서 생물과 자기의 관계를 종합적이고 통일적으로 살펴 본다는것은 지금단계로서는 아직 문제가 많다. 그래서 여기서는 각국에서 이루어진 최근의 실험례의 일부를 소개하고 이에 대한 정리를 시도하면서 앞으로 '자기생물학'이라는 분야가 어떻게 전개되어갈 것인가를 미루어 더듬어 보았다.
먼저 자기와 자장에 대하여 조금 살펴보자.
국민학교때의 실험을 통해 이미 잘 알고 있는 것처럼 쇠가루를 평면위에 놓고 그 중심에 막대자석을 놓으면 쇠가루는 자석주변에 선을 그리면서 늘어선다(그림1). 쇠가루를 늘어서게 하는 힘이 바로 자기이며 자기에 의해 생기는 장소가 자장이다. 그리고 자석은 자기가 축적되어 있는 물체이다. 철분이 늘어서 있는 선을 자력선 또는 자속선이라 하며 자장의 강도는 자속의 많고적음(자속밀도 ; 단위는 가우스)으로 나타낸다. 자석에는 반드시 두개의 극(極·N,S)이 있다.
이밖에 자장의 강도가 변하지 않는 영구자석과는 달리 그 강도가 시간에 따라 주기적으로 변화하는 교대자장이나 펄스자장이 있으므로 생물을 대상으로 한 연구에서는 이런 인공자장을 쓴 예가 상당히 많음도 알아둘 필요가 있다.
지자기로 방위를 알아내는 벌과 비둘기
전선을 감은 코일(Helmholtz 코일이라한다)에 전류를 통하면 인공자장을 만들 수가 있는데 이 코일과 전지를 비둘기의 머리에 얹어 0.6가우스의 자장을 발생시키는 실험이 있었다. N S 방향이 머리에서 꼬리로 향하는 것과 그 반대방향인 것의 두가지로 하여 잔뜩 흐린날을 골라 날려보니 그 비행 코스가 자장의 방향을 따라 두 방향으로 나누어졌다는 것이다.
꿀벌실험에서도 같은 사실이 나타났다. 꿀벌은 꿀이 있는 곳을 찾아내면 벌통속에서 엉덩이를 흔들며 꿀이 있는 방향을 동료들에게 알리는 습성이 있다. 이때 옆에 자석을 놓아두면 엉덩이를 흔드는 방향이 변해버린다.
들쥐를 사용한 정밀 실험이 있었다.
①빛을 차단한 기밀성(氣密性)의 가늘고 긴 관(管)과 이 관을 고정시킬 상자를 준비한다. ②상자속에 헬름홀츠코일과 전지를 세팅, 관과 평행으로 자력선을 갖는 자장(지자기와는 반대로 향하는 0.5가우스)을 만든다. ③들쥐소굴 부근에서 사로잡은 야생쥐를 상자 속에 넣어 북쪽으로 40m 옮긴다(소요시간4분). ④거기서 자장을 자연상태로 되돌리고 원형의 우리(직경70㎝)속에 넣어 쥐가 어느쪽으로 향하는가를 살핀다(그림2)
실험에 쓰인 들쥐는 33마리. 16마리는 인공자장에 쪼이게 하고 나머지는 대조되는 무리로 자연자장에 두었다. 그결과는 (그림3)으로 나타났다. 대조무리 17마리가 향한 방향은 원래살던 들쥐소굴의 방향에서 평균 14도 어긋나 있었는데 인공자장의 16마리는 평균 131도나 방향이 벌어져 그 차 117도는 통계적으로 의미가 있다는 결론이 내려졌다.
그러나 이 실험에서 태양광이 보이게하면 자장방향을 인공적으로 거꾸로하여도 소굴을 향하는 방향이 틀리지 않았다. 동물이 방향을 알아내는데는 태양광과 자장이 모두 필요하며 통상의 상태에서는 태양이 우선하고 태양광이 없을 때는 지자기가 이용된다고 생각할 수 있다.
미소한 자석이 체내에 있었다
이런 사실은 철새나 어류의 회유 등 현상에도 지자기가 관여하고 있다는 것을 강력히 시사해준다. 그러나 그 실험적인 증명은 아직 없다.
철분을 자석에 흡작시켜 평면상에서 떼면 얼마동안은 철분끼리 달라붙어 있는다. 철분 스스로가 작은 자석이 되었기 때문이다(자석의 강도는 전자단위로 나타낸다). 동물의 머리속에 자기를 느끼는 것이 있다면 자석을 가까이 댔을때 비슷한 현상이 일어날 것이다.
비둘기의 머리에 대해 이런것을 조사한 보고가 두가지 있다. 하나는 머리나 목에 7백가우스와 2천가우스의 자석을 가까이 대본 결과 두개골과 뇌의 외막사이에 ${10}^{-6}$~${10}^{-5}$전자단위의 자성을 나타내고 있음이 발견되었다는 것이었다. 그 성분을 떼어내 X선등으로 분석해 보니 자성을 나타내는 것은 영구자석을 만드는데 쓰이는 성분의 일종인 마그네타이트(Fe₃O₄)와 꼭 닮은 것이었다.
또하나의 보고는 검고작은입자가 두개골 전체와 목의 근육에 넓게 존재해있다는 것이다. 이 보고에서의 검은 입자도 마그네타이트였다.
꿀벌에서는 복부에서 철을 함유한 옅은 오랜지색 내지 붉은색의 담백질상 물질이 분리되었다. 이를 가열시키자 580도C에서 자성이 급격히 줄어든 점 등으로 보아 이것도 마그네타이트인것 같다.
붉은 들쥐에서의 자성물질분리는 아직 성공한 예가 없으나 자성을 띤 부분은 전두부의 후각기능에 관련되는 영역 가까이라는 것이 확인되었다.
여러가지 동물이 자성물질을 지니고 있음은 분명해졌다. 그러나 전기뱀장어처럼 자기에 응답은 하지만 자성물질이 발견되지 않는 동물도 있어 결론을 내리기는 아직 이른 것 같다. 자성물질을 지닌 동물들이 어떻게 하여 '북쪽'을 감지하는가도 현단계에서는 설명다운 설명이 나와있지 않다. 다만 다음에 서술하는 미생물의 예에서 극히 초보적인 추찰은 될 것 같다.
「북쪽」만을 바라보는 미생물
1975년, 미국 매사추세츠주의 바다 진흙에서 북쪽 방향만 향해 움직이는 미생물이 발견되었다. 자세히 살펴보니 이 미생물은 세포안에 마그네타이트의 미립자, 즉 미소자석을 함유하고 있음이 드러났다. 비슷하게 생긴 미생물이 계속하여 오스트레일리아, 뉴질랜드 등지의 바다, 강, 호수에서 발견되었고 그 종류가 구균, 간균 등 여러가지임도 밝혀졌다. 이런것들을 '주자성미생물' (走磁性微生物)이라 총칭하고있다(그림4).
그 공통점을 정리하면 ①한방향(북반구에서는 북, 남반구에서는 남)으로만 향한다. ②어느것이나 마그네트솜이라는 길이 0.14미크론, 직경0.1미크론의 마그네타이트 미립자를 함유하는 작은 세포 10~40개가 고리상으로 나란히 존재한다 ③편모(鞭毛·원생동물이 가진 꼬리털같은 운동기관)가 있으며 자력으로 유영(遊泳)한다 ④혐기성(嫌氣性·산소를 싫어하는 세균의 성질)이고 물밑바닥의 진흙속에 파고들어가 생활하고 있다는 점 등이다.
이런 미생물은 마그네트솜의 고리가 지자기를 감응하여 남북방향을 따라 정열할 때 균체 자체도 남북으로 향하는 것이 아닌가 생각된다. 그렇다고 하면 이런 미생물이 북쪽 또는 남쪽만 향해 유영하는 것은 당연한 것이다.
비둘기와 벌도 마찬가지로 마그네타이트 미립자가 항상 남북방향으로 고리상태로 정열하고 있다고 가정해보자(그림5). 동물이 여러 방향으로 향방을 바꿔 움직여도 그 고리는 향방이 변하지 않는 것이므로 결과적으로는 고리가 주위의 신경을 자극하게 되는 것은 아닐까. 대단히 매력적인 설명이라고 생각되나 이것은 어디까지나 가설이며 그것을 확인하는 것이 앞으로의 커다란 과제이다.
주자성미생물을 교대자장(혹은 교류자장)에 쪼이게 하면 처음엔 북쪽지향이었던 균의 일부가 남쪽지향으로 변하고 이윽고 북쪽지향과 남쪽지향의 것이 대등한 숫자로 공존하도록 되는 것이라는 것도 확인되었다. 그반대로 되는 경우도 가능하다. 균은 원래 양쪽것이 다 존재해도 이상할 것이 없는 것이다.
그러나 현실로는 북반구에는 북쪽지향의 것 밖에 없다. 그것은 이런 균이 어느것이나 혐기성에 가까운(微好氣性)점으로 설명된다.
예를 들면 북위 43도의 매사추세츠에서는 지자기의 방향이 수평선과 평행하지 않고 물밑 바닥쪽으로 기울어있다. 북쪽지향의 균은 북방향으로 수평 이동하는 것이 아니고 북쪽의 바다밑 방향(즉 서식에 적합한 환경의 방향)으로 헤쳐가게 된다.
한쪽 남쪽지향의 균은 수면을 향하여 헤쳐간다. 산소가 충분히 녹아 있는 방향, 즉 혐기성에 가까운 균에 있어서는 살수 없는 환경으로 향하는 것이다. 결국 북반구에서는 북쪽지향의 것만이 살아갈 수 있었다는 결론이 나온다.
사람 주변의 인공자장
지금까지는 주로 자연의 자장에 관한 것을 살펴왔다. 좀 더 강한 인공자장에서는 생물이 어떤 행동을 나타낼까. 라디오나 텔리비전, 자기카드, 자기테이프, 냉장고 등등 우리주변에는 실로 많은 인공자장이 있다. 장래 인류가 안전하게 살아가기 위해서도 '자기가 생물에 미치는 영향'을 잘 살펴 볼 필요가 있다.
기술혁신에 의해 인공적으로 10가우스 정도의 강한 자장을 얼마든지 만들 수 있게 되었고 그속에서 생물을 사육하며 성장을 관찰할 수 있게 되었다. 실험용으로는 작으면서 성장(변화)이 빠르고 세대교체가 빠른 생물이 쓰인다.
새앙쥐의 수직방향 강자강(4.2×${10}^{3}$가우스)사육이 백혈구수에 어떤 영향을 미치는가가 실험되었다. 14일이 지나 채혈하여 살펴본 결과 생후 40주의 쥐에서는 28.7%, 9주의 것은 47.9%의 백혈구 감소가 인정되었다. 그러나 어느 경우나 자장밖에 내놓자 다시 늘어나기 시작했고 18주가 지나자 거의 원래상태로 돌아갔다.
일상생활속에서 강한 자장에 계속 쪼이고 있으면 혈전증에 걸리기 쉽다는 견해가 있는데 마르모트를 이용한 실험으로 검토되었다. 50~3천 가우스의 자장에 하루 1시간씩 6주간 계속하여 쪼이자 2주 뒤에는 혈소판(血小板·출혈때 파괴되면서 응고 반응에 중요한 역할을 하는 물질을 방출하는 불규칙한 무핵체)증가가 일어나고 혈액응고가 빨라졌다. 즉 자장에 쪼이면 혈전증을 일으키기 쉽다는 것은 일단 옳다는 것이 확인되었다.
그러나 실험을 계속하자 40일 뒤에는 혈소판의 양이 줄어 혈액응고가 어렵게 되었다. 환경적응이라고도 생각될수 있겠으나 그동안에 혈청속의 단백질이 점점 줄어갔다는 점을 함께 생각해보면 간장에 병리적 변화가 생겼을 가능성도 있다고 보겠다.
이밖에도 몇가지 실험을 통해 자기가 생물에 영향을 미친다는 것은 사실인것 같다. 그렇다면 생체의 어느 부분이 자기를 느껴 생리적 변화를 가져오게 되는 것일까.
강약과 방향변화의 중요성
그림6은 척추동물의 뇌를 모식적(模式的)으로 나타낸 것이나 그속의 송과체(松果體·Pineal body·뇌하수체와 함께 간뇌에 부속해 있는 기관. 7세까지 발달하다 퇴화되어 석회염류와 마그네슘 염류가 함유된 종유석모양의 응고물이 괸다)를 잘살펴보자. 이것은 어류, 양서류, 파충류 등의 경우 빛의 수용에 관계하는 기관이라 알려져 있다. 자율신경을 거쳐 내분비계에 영향을 미쳐 생물의 24시간 주기의 개일리듬(槪日·Circadian rhythm·생물체에 원래 갖춰진 대개 1일을 주기로한 리듬·생물시계)을 만들어낸다.
만약 자장이 이 송과체를 자극한다고 하면 내분비계에 변화가 나타날 것이다. 송과체에는 마그네타이트가 존재하지 않으므로 자장의 작용은 신경계의 막전위(膜電位) 영향일 것이라 예상된다.
0.5가우스의 자장에 놓은 마르모트의 뇌 배면을 노출시켜 전극을 꽂고 전기신호(스파이크)의 수를 측정하는 실험을 했다(그림7). 확실히 스파이크수의 변화가 일어났으나 같은 송과체일지라도 장소에 따라 변화가 생기는 곳과 생기지 않는 곳이 있어 자장에 응답하는 특정세포의 존재가 추정되었다.
생리적변화의 내용을 좀더 상세히 알기 위해 쥐를 써서 송과체속의 생식선기능억제 호르몬(멜라토닌)의 농도를 주야측정하는 실험이 있었다.
0.62가우스의 자장에 일정시간 쪼인 쥐를 처리직후 바로 송과체를 들어내 분석한 것이다.
그 결과 ①자장의 강도나 NS의 방향이 변하지 않으면 자장에 쪼이는 시간이 아무리 길어도 멜라토닌 농도에 변화는 없다 ②NS의 방향을 역전시키면 약 2시간은 멜라토닌 농도가 감소된 상태가 되며 그대로 자장변화가 없으면 그뒤 멜라토닌이 다시 늘어간다-는 점등이 밝졌다. 생리적 영향은 자장의 변화에 의한 것인 것 같다. 이런 점에서 볼때 세포에의 자극은 정자장(靜磁場) 보다는 교대자장이나 펄스자장쪽이 더 큰효과가 기대될 것같다.
그 한 예로 펄스간격 0.2㎜초, 극성반전시간 18.5마이크로초의 저주파 펄스자장을 토끼의 췌장랑게르한스섬(islet of Langerhans · 췌장속에 섬모양으로 보이는 인슐린을 내는 원형의 분비선조직)에 쪼인 실험을 소개해 두자. 랑게르한스섬은 췌장에 산재한 내분비선 세포의 집단으로 혈당치를 낮추는 호르몬인 인슐이 여기서 합성되어 글루코스의 자극으로 혈중에 방출된다. 실험결과 18×${10}^{-3}$모르/리터의 글루코스 존재 아래서 칼슘이온 양은 26%, 인슐린 방출은 35%의 저하가 인정되었다.
자장의 자극으로 막전위가 변화하여 칼슘이온의 막에 결합하는 상태가 변하여 인슐린이 세포밖으로 방출하는데 영향을 미친 것이 아닌가 해석된다.
핵심부분 접근은 지금부터
호르몬은 극미량으로 존재하면서 큰 생리변화를 일으키는 물질이다. 그것은 이런 물질이 일련의 효소계 활성화를 연쇄적으로 일으켜 일종의 '증폭작용'을 일으키는 방아쇠 역할을 하기 때문이라고 알려져있다. 에너지적으로는 대단히 작은 자장이긴 하나 이상에서 보아온 것 같이 그런 호르몬 분비에 영향을 미치기 때문에 생물의 생리를 생각할 때는 무시할 수가 없다는 것이 현단계에서의 결론이다.
생물과 자기의 문제에 대하여 성급하게 개관한 것 같으나 그런대로 어느정도 이해되었으리라 생각된다. 아직 '불확실'하고 밝혀지지 않은 부분이 많은 분야이지만 그런만큼 지금부터의 진전이 더욱 기대되기도 한다.
