하루週期리듬 (circadian rhythm) 또는 活動日週記 (活動日週期, sleep-wake circadian cycle) 또는 一周율 또는 日週期리듬 또는 一日週期리듬 은 植物, 動物, 菌類, 甚至於 박테리아까지 包含하는 地球 上의 生命體들에서 生化學的, 生理學的, 또는 行動學的 흐름이 거의 24時間의 週期로 나타나는 現象이다. 生物에서 하루, 助手, 週間, 季節, 그리고 一 年과 같이 時間에 따른 리듬을 硏究하는 學問을 時間 生物學(chronobiology)라고 한다. 生體 리듬은 體內에서 發生하지만 一週忌 生體 리듬은 빛, 어둠, 氣溫과 같은 外部의 要因들에 依해 環境에 알맞게 동기화하는데 이를 차이트게버(Zeitgeber, 獨逸語 ‘時間 寄與者’)라고 한다. 차이트게버 中에서도 빛은 가장 큰 影響力을 가진다.

歷史 [ 編輯 ]

最初에 生體 時計에 對해 考慮된 것은 紀元前 4世紀頃으로 알렉산더 大王 麾下의 船長이 낮 동안에 콩과 植物(tamarind)의 잎의 움직임을 觀察하면서였다. 現代에 이르러 18世紀 프랑스 科學者 드 메랑(Jean-Jacques d’Ortous de Maran)은 Mimosa pudica 라는 植物이 持續的인 어둠 속에서두었을 때도 24時間을 週期로 繼續해서 잎이 움직인다는 것을 發見하였다. ^[1] 한 世紀 後에는 스위스의 박물학자 드 캉돌(Augustin Pyramus de Candolle)은 自然賞에서는 미모사의 잎이 24時間을 週期로 움직이지만 不規則하게 照明을 주었을 때는 20-28時間을 週期로 움직임을 알아내었다. ^[2] 一週忌 生體 時計에 對한 硏究는 植物뿐만 아니라 動物에서도 이루어졌다. 1894年에 明暗이 주어지지 않은 狀態에서 節肢動物의 持續的인 色의 變化를 키셀이 觀察하였다. 브래디는 바퀴벌레를 비 週期的인 環境에 두면 外部의 刺戟 要因 없이도 一週忌로 리듬이 維持되지만 完璧하게 24時間에 맞지 않으며 週期的 環境에 다시 둘 境遇 元來의 리듬을 回復함을 實驗을 통해 밝혀냈다. 또한 醋파리는 繼續 빛이 供給되는 環境에서도 700世代에 걸쳐 一週忌 生體 리듬이 維持되었으며 ^[3] 메추라기는 實驗的으로 빛을 除去하였을 때 行動뿐만 아니라 生理的으로도 리듬이 維持된다는 것이 알려져 있다. ^[4]

植物에서의 一週期 生體 리듬 [ 編輯 ]

植物의 生體리듬은 季節이 어떠한지, 꽃이 水分하기 위해 昆蟲을 誘惑하는데 가장 最高의 時期는 언제인지를 알려준다. 이는 잎의 움직임, 成長, 發芽, 氣孔을 通한 氣體交換, 酵素 活性, 光合成 作用, 香氣의 噴出 等을 包含한다. ^[5] 主로 빛을 利用하고, 植物의 內部에서 發生하며, 獨立的이고, 相對的으로 周圍의 溫度에 關係없이 일정하다. 또한 植物에서의 生體 리듬은 戰士過程에서의 피드백 루프, PAS 蛋白質의 存在, 서로 다른 빛 條件에서 微細하게 時計를 調節할 수 있는 광수容器로 特徵된다. 環境 變化에 對해 豫測하는 것은 植物에게 生理的 狀態를 변화시킴으로써 適應하는데 유리하게 作用할 수 있다. ^[6]

生體 時計는 빛, 溫度, 影響狀態와 같은 外部 要因에 依해 調整된다. 그 結果, 植物 內部의 時計는 一般的인 時間의 흐름과 一致하게 된다. 빛은 다양한 광수勇氣에 依해 認識된다. 붉은 빛이나 푸른 빛은 各各 피토크롬(phytochrome)과 크립토크롬(cryptochrome)을 통해 吸收된다. 特히 크립토크롬(cry) 遺傳子는 빛에 依해 生體 리듬에 關與하는 重要한 要因 中 하나이다. 크립토크롬 1-2는 모든 빛에 對해 時計의 週期를 維持시켜준다. ^{[5] [6]}

生體 리듬이 獨立的으로 일어나는데 主로 作用하는 要因은 CCA1, LHY, 그리고 TOC1라는 遺傳子들이다. 一般的으로 CCA1과 LHY가 아침에 作用한다면, TOC1은 이른 저녁에 作用한다. 이는 CCA1과 LHY의 發現과 TOC1의 發現은 서로 陰性的인 피드백 關係에 있다. ^[6]

動物에서의 一週期 生體 리듬 [ 編輯 ]

24時間을 週期로 하는 生體 리듬은 人間을 包含한 動物들에서 睡眠과 攝食에 關與한다. 뿐만 아니라 體溫, 腦波活動, 호르몬 生成, 細胞 再生性 等과 같은 生物學的 活動의 패턴에도 關與한다. 게다가 낮의 길이에 따른 光週期性은 植物에서만 나타나는 것이 아니라 動物에서도 生理學的으로 매우 重要한 役割을 한다.

極地方의 動物들 [ 編輯 ]

노르웨이의 한 硏究陣은 一部 極地方 動物에서 한 해 中에서 日出과 日沒이 있는 때에만 日週期 生體 리듬이 나타난다고 보고하였다. 馴鹿에 對한 한 硏究에서는 北緯 70도 地域에서 生體 리듬이 여름에 나타나지 않았으며 北緯 78度 地域에서는 가을과 봄에만 리듬이 나타났다. 硏究陣은 極地方의 여름에는 繼續 밝고, 겨울에는 繼續 어둡기 때문에 이 같은 現象이 보여지는 것이라고 推測하였다. ^[7]

하지만 北部 알래스카에서의 또 다른 硏究에서는 땅다람쥐와 포쿠파인에서 82日間 낮이 持續되는 동안에도 一週忌 生體 리듬이 正確히 維持됨이 나타났다. 이들은 이 두 작은 哺乳類가 하루에 한 番 太陽과 水平線의 距離가 가장 짧아지는 것을 信號로 하여 生體 리듬을 調整하는 것으로 보인다. ^[8]

生體 리듬의 期作 [ 編輯 ]

哺乳類에서 生體 時計가 維持되는데 가장 重要한 役割을 하는 것이 視床下部에 位置한 視覺交叉 位核 (suprachiasmatic nucleus, SCN)이다. SCN의 損傷이 生體 리듬에 對한 타이밍을 破壞한다는 事實이 밝혀진 것은 1970年代이다. ^[9] 1990年에 이르러 햄스터를 利用한 實驗에서 SCN에 日間 週期를 調節하는 因子가 있다는 事實이 實驗을 통해 立證되었다. ^[10] SCN이 제 機能을 하지 못하면 規則的인 睡眠과 氣象에 關聯된 리듬이 完全히 사라지게 된다.

SCN은 눈을 통해 빛에 對한 情報를 받는다. 網膜은 視覺에 關與하는 一般的인 광수勇氣일 분만 아니라 狂 敏感性을 가지는 神經節 細胞(photosensitive ganglion cells)를 包含한다. 이 細胞들은 멜라놉新(melanopsin)이라고 불리는 光受容體를 包含하고 있으며 이를 통해 빛을 認知한다. 認知된 빛은 網膜視床下部(retinohypothalamic tract, RHT)를 통해 SCN으로 傳達되어 生體 리듬에 影響을 미치게 된다. 卽, SCN은 網膜으로부터 낮과 밤의 길이에 對한 情報를 받아들이며 이를 解釋하고 視床下部에 있는 松果腺으로 信號를 보낸다. 松果샘에서는 멜라토닌을 分泌하는데 밤에는 最高에 到達하고 낮에는 分泌量이 減少한다. 卽, 멜라토닌이 밤의 길이에 對한 情報를 提供한다고 할 수 있다.

一週忌 生體 週期 測定 狀態 指標 [ 編輯 ]

一般的인 生體 리듬의 週期를 測定하기 위한 狀態 指標는 다음과 같다. ^[11]

• 松果體에서의 멜라토닌 分泌
• 心府 體溫 ^[12]
• 코르티솔(副腎 皮質 호르몬)의 血漿 水準

멜라토닌은 낮 時間 동안에는 아예 나타나지 않거나 거의 確認되지 않는다. 저녁 9時頃에 멜라토닌의 分泌가 始作되는데 (dim-light melatonin onset, DLMO) 이는 血液이나 침에서 測定할 수 있으며 이는 모두 生體 리듬의 마커로 使用되어 왔다. 하지만 最近의 硏究 結果에 依하면 멜라토닌이 사라지는 쪽을 測定하는 것이 더 믿을 만한 마커人 것으로 나타나고 있다. 한 硏究에서는 멜라토닌 狀態 마커는 體溫보다 睡眠하는 時期와 더 安定的이고 높은 相關關係를 가짐을 發見하였다. 그들은 水面에서 깨어나는 것과 멜라토닌의 分泌가 멈추는 것이 잠이 드는 것을 測定하는 것보다 더 다양한 狀態指標들과 높은 相關關係를 보임을 나타냈다. 뿐만 아니라 멜라토닌 水準의 減少하는 狀態는 멜라토닌의 生成이 正確히 中止되는 것을 測定하는 것보다 더 믿을 만하고 安定的인 마커가 될 수 있는 것으로 나타났다. ^[12] 멜라토닌의 生成이 除去되는 것을 測定하는 또 다른 方法은 아침에 分泌된 小便 샘플에서 멜라토닌의 代謝作用으로 인해 生成된 aMT6s (melationin metabolite 6-sulphatoxymelatonin)을 測定하는 것이다. 이 方法을 利用하여 健康한 靑少年에서 種種 生體 리듬의 週期가 늦춰지는 것을 發見하였다. ^[13]

멜라토닌 外에 正常的인 사람의 體內 일看做氣는 範圍가 매우 넓은데 成人을 基準으로 普通 習慣的으로 깨어나기 2時間 前인 새벽 5時頃에 가장 體溫이 낮아지는 것을 利用하여 生體 時間을 測定한다. 副腎皮質의 血漿 水準이 最大가 되는 時期를 測定하는 것 또한 人間의 生體 時間을 測定하는데 마커로써 利用된다. 하지만 위의 세 가지 方式으로 生體 週期를 測定하여 比較한 한 硏究 結果에서는 멜라토닌의 測定이 다른 두 가지 마커보다 相當히 믿을 수 있을 것으로 보았다. ^[11]

빛과 生體 리듬 [ 編輯 ]

앞서 言及하였듯이 빛은 一週間 生體 리듬에 가장 큰 影響을 주는 자이트게버이다. 大體로 動物들은 外部의 影響을 받지 않고 自體 內에서 생기는 리듬을 維持하는데 이를 自由稼動(free-running)이라고 한다. 地下에서 平生을 보내는 장님쥐( Spalax sp. )와 같은 哺乳類도 빛에 依한 外部 刺戟이 完全히 없는 것으로 보이는 狀態에서도 體內의 時計를 維持할 수 있다. 그들은 形象을 構成하는 눈은 없지만 빛受容氣는 如前히 機能을 하고 있기 때문에 週期가 나타나는 것으로 보인다. ^[14]

一般的으로 自由稼動을 하는 大部分의 有機體들은 基本的으로 類似한 位相 反應 曲線 (phase response curve, PRC)을 갖는다. 一週忌 生體 리듬의 週期가 正確히 24時間이 아니기 때문에 빛이 주어지지 않은 狀態에서는 位相의 變化가 일어나면서 그 다음 날의 活動 리듬이 앞당겨지거나 或은 遲延된다. 빛은 漸次 變化하는 生物學的 時計를 再調整한다. 時點에 따라 빛은 生體 주기를 더 빠르게 하거나 늦춤으로써 24時間의 週期를 맞출 수 있다. ^[15] 사람을 對象으로도 位相 反應 曲線의 變化에 對해 실험된 바 있으며 모든 環境이 固定된 孤立 狀態에서 週期가 24時間으로 維持되지 않는 것이 나타났다. ^[16] 이 같은 事實은 時計의 分子 成分들의 相互 作用을 통한 同調 메커니즘을 說明하는데 利用된다. 夜行性 齧齒類가 人間보다 時計를 調節하기 위하여 적은 量의 빛을 必要로 하는 것처럼, 種에 따라서 PRC와 必要한 빛의 量은 다르다.

人間의 境遇, 리듬에 影響을 주는 빛의 水準은 室內의 人工的인 빛보다는 普通 더 높다. 한 硏究에 依하면 生體 週期 體系를 刺戟하는 빛의 世紀는 網膜을 刺戟하는 1000lux 程度라고 한다. 빛의 方向 또한 生體 週期에 影響을 미칠 수 있는 것으로 보인다. 하늘과 같이 위에서부터 오는 빛은 아래에서 눈으로 오는 빛보다 더 强한 影響力을 미친다고 한다. ^[17]

빛의 世紀뿐만 아니라 빛의 波長 또한 體內 時計의 同調의 要因 中 하나이다. 멜라놉신은 硏究에 따라 조금씩 다르지만 푸른 빛의 一部인 420-440nm의 빛에서 가장 效果的으로 刺戟을 받는다. ^[18] 이러한 푸른 波長은 事實上 거의 모든 빛에 存在하므로 이 빛을 除去하기 위해서는 붉은 빛이 나는 필터를 使用하거나 매우 특수한 빛이 必要하게 된다.

最近의 硏究에 따르면 日光은 生體 리듬에 直接的인 影響을 미치며 結果的으로 行動이나 健康에도 影響을 줄 수 있다고 한다. 硏究陣은 아침에 照明 方式에 問題를 經驗한 學生들이 睡眠 패턴에 混亂이 나타날 수 있다고 하였다. 睡眠 패턴의 變化는 學生의 行動이나 覺醒度에 否定的인 影響을 줄 수 있다. 아침에 週期的인 빛을 除去하면 DLMO가 하루에 6粉飾 늦어지며 5日이 지나면 總 30分이나 늦어지게 된다. ^[19]

生體 時計의 分子 要因 [ 編輯 ]

生體 時計 (biological clock)에 對한 基本的인 理解는 原核生物人 시아노 박테리아에서 始作되었다. 最近 硏究에서는 synechococcus elongatus 에서 生體 리듬에 關與하는 카이( kai ) 遺傳子 덩어리(kaiA, kaiB, kaiC)를 發見하였다. kaiA는 아침에 發現하여 나머지 두 遺傳子의 發現을 誘導하며 세 種類의 遺傳子들 間의 피드백 모델을 통해 生體 리듬을 維持한다. 이 遺傳子들은 生體 週期에는 影響을 미치는 生存에는 全혀 關與하지 않는다고 한다. ^[20]

1971年, 코나카(Ronald J. Konoka)와 벤저(Seymour Benzer)가 醋파리를 모델 生物로 하여 最初로生物學的 時計의 遺傳的 要素를 밝혀내었다. 이들은 日刊週期가 짧아지거나 길어지는 非正常的인 行動이 나타내는 세 個의 突然變異 形態를 찾아냈으며 이 突然變異들은 모두 한 遺傳子의 變異에 依해 發生했음을 알아냈다. 이 遺傳子는 “ period ” 또는 “ per ”라고 命名되었다. ^[21] 1988年에는 랄프와 메나커가 一般的인 24時間 週期가 아닌 22時間의 週期를 가진 한 수컷 햄스터로부터 日刊주기에 關與하는 tau 遺傳子 發見하였다. 이 遺傳子가 非正常인 境遇, 한 雙 모두 正常일 때보다 日刊週期가 짧아지는 것으로 나타났다. ^[22] Period (PER) 遺傳子와 그 蛋白質이 一週間 生體 주기에 어떤 方式으로 影響을 미치는지에 關한 모델은 꾸준히 硏究되어 1994年에 쥐를 對象으로 하여 clock 이라고 하는유전자가 發見되었다. clock (CLK)은 日刊週期 運動 出力 體系가 破損된 遺傳子 (Circadian Locomotor Output Cycles Kaput) 라는 意味라고 한다. ^[23] 醋파리에서도 쥐의 clock 에 該當하는 遺傳子가 밝혀졌으며 여기에서 生成된 蛋白質은 特定한 暗號를 가진 또 다른 蛋白質과 結合한다. 이 暗號를 指定하는 遺傳子는 cycle 이라고 불린다. 現在 가장 認定받고 있는 醋파리에서의 分子時計 모델은 同調 經路까지 包含하여 나타내고 있다. ^[24] 哺乳類에서는 cry 遺傳子와 per 遺傳子가 다이머(dimer)를 形成하고 分解됨으로써 分子 時計의 自動 調節 陰性 피드백 回路를 構成하고 이를 통해 日刊週期를 維持한다. ^[25]

사람의 一週期 生體 리듬 [ 編輯 ]

人間의 實際 生體 리듬은 地球의 24時間보다 微細하게 짧거나 길다. 매우 制限된 環境 下에서 最近의 硏究에 依하면 平均的으로 成人에서 24時間보다 若干 生體 週期가 더 길게 나타난다고 한다. 하버드의 한 硏究陣은 最近 人間은 적어도 23.5時間에서 24.65時間 週期를 가지고 있음을 밝혀냈다. ^[26]

生體 리듬 異常에 依한 遺傳的 疾病 [ 編輯 ]

家族性 前進性 睡眠位相 症候群(FASPS: familial advanced sleep-phase syndrome)을 가진 사람은 一般的인 睡眠/氣象 사이클이 正常人보다 3~4時間 짧게 나타난다. 따라서 저녁 7時 以後에 잠이 들고 새벽에 起牀하게 된다. 이 障礙는 遺傳性이며 大體로 2番 染色體 相議 Per2 遺傳子에 突然變異가 發見되었다. 이 遺傳子에서 發現되는 hPer2 蛋白質의 異常은 日刊週期 리듬의 길이를 維持하는 過程이 원활하게 이루어지는 것을 妨害한다. 그러나 FASPS를 앓는 사람들이 모두 이 遺傳子에 以上을 가진 것은 아니며, 나머지 사람들의 境遇에는 멜라토닌 리듬과 關係 있는 遺傳子들이 關與했을 수도 있는 것으로 보인다. ^[27]

不眠症으로 인하여 願하는 時間에 잠들거나 깨어나지 못하고 恒常 過度한 졸음에 시달리는 사람들도 있다. 이는 支燃性 睡眠位相 症候群 (DSPS: delayed sleep-phase syndrome)이다. ^[28] 이 症候群의 原因은 正確히 알려진 것은 없으나 FASPS와 같이 日刊週期 리듬 位相이 持續的으로 異常이 생김으로써 나타나는 것으로 보인다. 그러나 靑少年期에 DSPS가 나타나는 境遇 10臺를 벗어나면서 自然스럽게 克服되는 境遇도 있으므로 ^[29] 遺傳的인 原因에 依한 FASPS와는 다르게 接近하는 것이 必要하다.

一週忌 生體 時計와 健康 [ 編輯 ]

英國에서는 約 3퍼센트가 가을이나 겨울에 季節性情緖障礙(SAD: seasonal affective disorder)를 겪는다고 한다. 이 疾病은 봄이 되면 症狀이 好轉되는데 이 症狀은 動物들이 冬眠할 때 에너지를 切感하는 現象과 類似하다. 이는 人間의 日間週期 速度調整者는 季節에 따른 낮 길이의 變化를 感知하는 能力을 只今까지 保存하고 있음을 보여준다.

時差가 큰 地域으로 旅行을 다녀오게 되면 모든 生體 리듬이 現地와 同調하지 못하고 混亂에 빠진다. 時差症은 判斷 能力, 意思疏通 能力, 記憶力, 注意力 等 많은 部分에 있어 매우 큰 影響을 미칠 수 있다고 한다. 一般的으로 東쪽에서 西쪽으로 移動할 때보다 西쪽에서 東쪽으로 移動할 때 時差症은 더욱 甚하게 나타난다. ^[30] 時差症이 危險한 理由 中 하나는 SCN은 適應이 比較的 빠른 反面 다른 機關들은 더 오래 걸리기 때문이다. 特히 肝은 週期가 變化하기까지 2週에 가까운 時間이 걸린다. ^[31]

빛에 同調하지 못하거나 一週忌 生體 리듬을 맞추지 못하는 境遇 化學的 治療劑인 멜라토닌을 利用하기도 한다. 멜라토닌은 天然 호르몬이므로 無作爲的으로 服用이 이루어지고 있다. 하지만 멜라토닌을 適切하지 못한 時間에 投與하게 되면 오히려 生體 리듬이 더욱 破壞되어 否定的인 效果를 얻을 수 있다. ^[32]

같이 보기 [ 編輯 ]

• 時間生物學
• 後成遺傳學
• 生體時計 (老化) ( en:Biological clock (aging) )
• 松果腺
• 詩交叉 詳覈
• 멜라놉新
• 內在的인 感光性 網膜 神經節 細胞 (intrinsically photosensitive retinal ganglion cell)

參考 文獻 [ 編輯 ]

1. 러셀 포스터, 레오 크라이츠먼, 《바이오클락: 世上 모든 生命體를 支配하는 生體시게의 祕密을 찾아서》, 김한영, 황금부엉이, 2006
2. 한상신, 《바이오 리듬의 糾明과 應用: 生命의 時計》, 아카데미書籍, 1993
3. 알랭 랭베르, 《生體 時計란 무엇인가?》, 곽은숙, 민음사, 2006
4. 장혜진, 《健康 潛在力, 生體時計의 祕密》, 知識채널, 2009

各州 [ 編輯 ]

外部 링크 [ 編輯 ]

• (英語) 活動日 週期 - Curlie