'산소와 건강' (1)

도시에 살고 있는 사람들은 참 불쌍하다. 어쩌다 산이나 바다나 시골에 가게 되면 이구동성으로 제일 먼저 하는 말이 “공기 참 좋다”다. 그만큼 탁한 공기 속에서 일상생활을 하고 있다는 반증이다. 살기 좋은 갖가지 문명의 이기속에서 편한 삶을 누리고 있지만, 실은 자연이 주는 혜택을 제대로 받지 못하고 있는 것이 현대인의 삶이다. 산업의 발달은 거꾸로 현대인들 특히 도시인들의 환경의 질을 퇴보시키고 있다. 맑은 공기, 신선한 공기, 쾌적한 공기, 시원한 공기, 깨끗한 공기 등 여러 표현이 있지만 과연 좋은 공기란 무엇인가? 대답은 간단 하다. 그건 공기 속에 “산소”가 얼마나 적절히 포함되어 있는가에 달려 있다. 그러나 불행하게도 이런 사실을 알고 있는 사람들이 생각보다 많지 않은 것 같다. 

노벨화학상을 수상한 미국의 제라시(C. Djerassi, 1923~)교수와 호프만(R. Hoffmann, 1937~)교수가 공동 집필한 과학연극 [산소]가 국내에서도 수 차례 성공적으로 공연된바 있다. 이 연극은 노벨상 100주년이 되는 2001년에 노벨상이 시상되기 이전에 화학분야에서 이루어졌던 가장 중요한 업적을 찾아 ‘거꾸로 노벨상’을 수상하기로 하고, 대상 업적과 수상자를 선정하기로 한 것으로 시작된다.

노벨상위원회는 산소 발견을 수상 업적으로 한다는 것에는 쉽게 동의한다.

그러나 누구를 산소 발견자로 할 것인가에 대해서는 의견 일치를 보지 못한다. 연극은 산소 발견 당시 상황으로 돌아가 발견의 공로를 차지하기 위한 과학자들의 노력과 경쟁을 전개한다.

왜 산소 발견이 노벨상 시상 이전에 화학 분야에서 이루어진 가장 중요한 업적인가? 산소 발견의 과정이 연극의 소재가 될 만큼 복잡하고 극적인가? 산소의 성질은 어떤 것이며, 어디에 이용되는가? 공기의 20.95%를 차지하는 산소에 대해 알아보고자 한다.

모든 질병은 “산소결핍”으로부터 시작된다  - 노구찌히데오(일본/의학박사)

산소는 1772~1774년에 셸레(C. Scheele, 1742~1786)와 프리스틀리(J. Priestley, 1733~1804)에 의해 각각 독립적으로 발견됐다.

셸레는 1772년에 산화 수은(HgO)이나 여러 질산염들을 가열하여 무색, 무취의 기체를 얻었으며, 이 기체가 일반 공기보다 연소를 더 잘 촉진시킴을 발견했다. 그는 이 기체를 ‘불 공기(fire air)’라 불렀는데, 이 발견을 기술한 책의 원고를 1775년에 출판사에 보냈으나 책은 1777년까지 출판되지 않았다.

프리스틀리는 1774년에 산화 수은에 빛을 쪼여 산소를 얻었으며, 산소의 여러 성질을 조사하고 그 결과를 1775년에 논문으로 발표했다.

그는 이 기체를 당시 유행했던 화학이론인 플로지스톤(Phlogiston)설에 적용해, ‘탈플로지스톤 공기’라 불렀다. 발견은 셀레가 먼저 였지만, 프리스틀리가 먼저 발표했기 때문에 산소 발견의 공적은 보통 프리스틀리에게 주어진다.

라부아지에(A. Lavoisier, 1743~1794)는 물질이 타는 것과 금속이 녹슬고 재로 변하는 것은 모두 산소와 반응하는 것이고, 이 과정에서 반응 전후의 질량 변화가 없다는 것을 발견했다.

이렇게 연소과정이 명확히 밝혀져 플로지스톤설은 폐기되었다. 라부아지에는 음식물의 소화 과정에서도 이런 연소가 천천히 일어난다는 사실을 알아냈으며, 일반 공기는 연소와 호흡에 필수적인 ‘생명의 공기(vital air: 산소)’와 그렇지 않은 ‘무생명의 공기(azote: 질소)’가 혼합된 것임을 밝혔다.

1777년에 그는 ‘생명의 공기’를 산(酸: acid)의 독특한 맛인 신맛(oxys)을 만들어 내는 것(genes)이란 뜻으로 oxygen(산소)이라고 다시 명명했는데, 이는 산소가 모든 산의 구성 성분인 것으로 잘못 알았기 때문이다.

산소와 생명 현상 

산소는 녹조류, 남조류, 식물의 산소성 광합성 과정에서 생성된다.

지구상에서 남조류에 의한 산소 생성은 약 25억년 전에 시작되었으며, 이에 의해 대기 중에 산소가 축적되었다. 산소가 생성, 축적됨으로써 지구 대기는 환원성에서 산화성으로 변하게 되었다.

지구에서 생성되는 산소의 약 70 %는 해양 조류 및 식물에 의해 생성된다. 모든 호기성 생명체의 세포 호흡에는 산소가 필수적이다. 호기성 세포 호흡에서는 광합성 과정의 역반응이 일어나며, 이때 빛 대신 많은 양의 에너지(포도당 1g 당 16kJ)가 방출된다.

이 에너지는 고에너지 화합물인 ATP로 저장되고, ATP는 다른 생체 내 반응을 일으키는 에너지원으로 이용된다. 생물계의 조개 껍질, 치아, 뼈의 주성분도 산소 화합물이다. 산소는 또한 단백질, 핵산, 지방, 탄수화물 등 생체 구조를 이루는 거의 대부분 분자의 구성 성분이다.

생명체에서는 과산화 이온이나 과산화 수소와 같은 반응성이 큰 활성 산소가 생성되는데, 이들은 효소에 의해 분해된다. 고등 생물의 일부 면역계에서는 과산화물, 초과산화물, 단일항 산소 등을 만들어 침입된 유기체를 파괴하기도 한다.

물 분자는 이에 포함된 산소의 동위원소에 따라 질량이 다르다. H2 16O는 H2 18O보다 가볍고, 따라서 보다 빠르게 증발되며 극 지역으로 이동한다. 증발 속도의 차이는 온도가 낮을수록 크다.

따라서 지구의 온도가 낮을수록, H2 18O 분포는 바닷물에서 많아지고, 대기 중에는 적어진다. 고기후학에서는 해양 퇴적물이나 빙산 깊숙이 있는 얼음의 산소 동위원소 비를 구하여 과거의 지구 온도를 알아내기도 한다.  <출처 : 박준우 이화여대 명예교수(화학) >

산소와 건강

“산소”는 사람들이 숨쉬고 있는 공기 중에 약 21%를 구성하는 무색, 무미, 무취의 기체로 인간이 숨을 쉬는 것 또한 공기중의 산소를 이용하기 위한 것이다. 산소가 부족해(20.5% 이하)지면 두통 및 무기력증이 유발되고 저산소환경(18% 이하)에 장시간 노출될 경우 인체의 뇌에 심각한 손상을 초래할 수 있다.

현대인들은 하루 24시간 중 약 80%이상을 한정된 공간 혹은 밀폐된 공간에서 생활한다. 때문에 지속적으로 공기를 순환시켜주지 않을 경우 낮은 산소농도를 가지는 오염된 공기로 인해 건강을 크게 해칠 수 있다. 갈수록 밀폐화되어가는 생활환경 속에서 오염된 공기를 정화시키고 공기 중 산소의 농도를 높이기 위해서는 고순도의 산소를 실내로 공급해 주어야 한다.

암의 원인인 산소결핍, 가설 검증
세포내 산소결핍 환경과 암

산소결핍이 암의 원인이라는 가설을 세워놓고 이 가설이 과연 맞는지, 혹 다른 논리는 없는지 알아보기 위해, 관련 서적을 찾아보았다. 그 가운데 암의 원인이 산소라는 논리를 펼친 바로부르크라는 과학자가 있었다.

그의 암에 대한 논리는 필자의 판단과 너무나도 정확하게 일치했다.(암의 무 산소 생존, 포화지방의 발암여부 등 필자와 견해가 다른 몇 가지의 논리가 있었는데 아마도 그의 일부 판단오류를 범한 것 같다) 그는 1931년 세포에 산소가 35% 부족하면 예외 없이 암이 된다는 사실을 밝혔다.

바로부르크의 산소결핍에 의한 암 유발 논리의 사실성 여부는 미국에서 1953년에서 1955년까지 많은 실험을 통해 검증되었다. 그 외에도 산소를 직접 언급하지는 않았지만, 면밀하게 분석해 보면 산소결핍이 암을 유발한다는 사실을 알 수 있는 실험 결과들이 적지 않다. 산소결핍이 암을 유발하다는 논리를 뒷받침하는 실험 결과도 나왔다.

1958년 서머우드는 “핏덩이가 제거되면 암으로 인한 사망건수가 80%이상 감소한다”고 밝혔다. 그는 또한 “혈류가 개선되면 암의 확산은 현저히 감소된다”고 했다.

여기서 핏덩이는 중한 어혈(흐르지 않고 정체된 피)을 말하며, 핏덩이를 제거했다는 것은 혈액순환 장애를 개선하여 산소결핍을 해소했다는 것이다.

1997년 로스흔은 그의 저서 ‘21세기 건강과 생존’에서 “핏덩이의 부재가 암으로 인한 사망을 극적으로 감소시켰다”고 밝히고 있다. 여기서 그가 언급한 ‘핏덩이의 부재’라는 상태는 혈액순환이 원활한 상태를 말하며, 곧 산소공급이 잘 이루어지면 암이 없어진다는 것이다. 이 역시도 산소결핍이 암을 유발한다는 논리를 뒷받침하는 실험 결과다.

캐나다의 마이클스 박사는 “핏덩이가 형성되지 않도록 하면 원발성 종양으로부터 전이는 일어날 수 없고 또 원발성 암만 지닌 사람들은 훨씬 더 안전한 상황에 놓인다”고 말했다.

그는 혈액순환을 위해 “영구적으로 항응고제 치료를 받는 수많은 신장병 및 뇌졸중 환자들의 진료기록을 확인했는데 암 전이로 사망한 예가 한 건도 없었다”고 밝혔다. 이 내용 역시도 세포에 산소공급이 원활해지면 암에 걸리지 않는다는 사실을 말하고 있다.

산소결핍이 암을 유발한다는 동물실험 결과도 있다. 바로부르크는 세포배양 실험에서 쥐에게 대기권 산소량의 60~70%로 산소를 줄였더니 48시간 이후 세포들은 병들기 시작했다. 어떤 세포들은 죽었고, 어떤 세포들은 암세포와 같은 형태로 변형되었다.

경희대 최원철 교수는, 암환자의 경우 혈액 속에 많은 어혈(혈전)이 존재한다고 밝혔다. 그는 “병원에서 치료를 포기한 환자(4시, 말기)들을 대상으로 어혈 상태를 관찰해 본 결과 어혈 8단계(중증 어혈)에 해당하는 환자였다”고 밝혔다.

또 넥시아라는 옻나무 추출물로 어혈을 제거한 결과 암이 치료되었다. 이 임상결과에서 어혈이 암을 유발한다는 논리가 성립된다. 어혈은 정체되어 흐르지 못하는 혈액을 말한다.

최 교수가 산소를 언급하지 않았지만 혈전이나 어혈은 노폐물로써 혈류를 방해하여 세포에 산소결핍을 불러온다. 이 경우 산소부족으로 세포의 에너지 대사가 제대로 이루어지지 못한다. 즉, 산소결핍이 암을 유발한다는 사실을 역설적으로 증명한 실험결과다.      〈출처 :‘암’산소에 답이 있다(윤태호 저) 〉
<자료제공 : (주)오투옥서스 송원중 본부장>

<정리=김종현 기자> todida@ilyoseoul.co.kr