공기마이너스이온의 임상 및 생리학적 효과 琉子友男 교수 / 동경도립대학 대학원 이학연구과 신체적응과학분야 Ⅰ. 머리말 공기이온의 생체에 미치는 영향에 관한 연구는 주로 독일, 러시아, 일본, 및 미국에서 20세기초부터 시작되었다. 그러나 이 분야의 연구는 제2차 세계대전 때문에 부득이 중단되어 중요한 논문이 다시 세상에 나오기는 1950년대이다. 또한 1961년에는 미국에서 최초의 국제이온공기이온학회가 개최되었는데 이것을 계기로 미국, 러시아, 이스라엘, 네덜란드, 이탈리아 및 프랑스 등의 연구자를 중심으로 많은 논문이 발표되었다. 한편 일본 내에서의 연구는 세계대전 전에 북해도대학 의학부와 慶應대학 의학부를 중심으로 동경慈惠의과대학, 일본의과대학 및 九州대학 의학부 등이 가세하여 왕성하게 이루어졌으나 전후 이들 대학에서 이루어진 흔적은 없다. 그러나 최근에는 北海道대학 의학부나 구주대학 의학부에서 이 분야의 연구 부활의 조짐이 보이기 시작하고 있다. 이 원고는 우리가 지금까지 연구 해온 것에 덧붙여 주로 구미제국에서 발표되었던 연구를 개괄적으로 설명하였다. Ⅱ. 기후변화와 공기이온 공기의 이온화는 중성의 원자 또는 분자가 무엇인가의 에너지에 의하여 전자를 방출함에 따라서 생긴다. 공기 중의 물질이 플러스로 대전하는가 마이너스로 대전하는가는 전자의 방출(산화) 또는 획득(환원)에 의하여 결정된다.(그림1) 공기를 이온화하는 자연계의 에너지원은 토양으로부터의 방사선, 우주선 및 자외선이고 그 외에 표고(산소농도), 기압, 기류 및 강수 등이 포함된다. 또는 초승달 다음 24~72시간 사이 보름달일 때는 공기의 이온화가 증대된다. 더욱이 공기를 이온화하는 인위적인 에너지로써 대기오염, 연기, 가스 공조장치로부터 방열, 전자기기로부터 나오는 전자파 및 인공섬유의 마찰 등을 들 수 있다. 1950년대에는 인공적으로 마이너스이온을 발생시키는 코로나방전이 개발되고, 생체에 미치는 영향이 실험실에서 관찰되었다. 그 뒤 코로나방전과 달리 오존이나 질소산화물을 발생시키지 않는 전자방사 방법이나 레나르트방식(물파쇄방식)이 개발되고, 이 장치를 이용한 연구도 왕성하게 이루어지고 있다.(그림2) 기후변화에 동반하는 공기이온이 생체반응에 관계되는 사실이 과학적으로 입증한 것은 Steffen(1910)이다. 그는 관절염의 악화가 “winter winds”라고 부르는 기후변화에 의하여 발생하는 플러스이온에 의한 것이라고 보고하였다. 그 뒤 알프스에서 Foehn, 태평양 북서부의 Chinook, 아르헨티나의 Zonda, 캘리포니아 Santa Ana, 이탈리아의 Sirocco 및 이스라엘의 Sharav 등의 기후변화가 플러스 이온을 많이 발생시키는 사실이 밝혀지게 되었다. 또한 그 플러스이온은 기후에 민감한 사람들(weather-sensitive individuals, 인구의 약 30%)에게 불면, 신경과민, 과긴장상태 및 위통 등을 야기시킨다. 나아가 역학적인 조사에서는 자살, 사고 그리고 범죄 등이 증가한다고 한다. 그 뒤 Sharav병환자의 증상이 중뇌에 세로토닌을 과잉으로 축척하고 있을 때와 유사하다는 사실, 환자의 오줌에 대량의 세르토닌저해제를 투여하던가, 또는 코로나방전에 의한 대량의 마이너스이온 노출이 효과가 있다고 보고 있다. Ⅲ. 마이너스이온의 생리학적 효과 1. 마이너스이온과 세로토닌 일반적으로 세르토닌은 필수아미노산인 트핍토판으로부터 생합성된다. 트립토판은 장점막의 크롬친화성 세포나 뇌 속으로 받아들여 트립토판수산화효소 및 아미노산탈탄산효소에 의하여 세르토닌으로 변환된다. 말초에서 세르토닌은 장이나 혈관 등의 평활근 및 자율신경에 작용한다. 예컨대 소화기계에서는 세르토닌이 장의 평활근이나 신경절을 자극하여 장관의 운동을 제어하고 있다. 또한 호흡기계에서는 세로토닌이 경동맥동(頸動脈洞)이나 대동맥의 화학수용기에 작용하여 호흡을 촉진시키거나 천식환자에서는 기관지근(氣菅支筋)에 직접 작용하여 기관지를 수축시킨다. 나아가 심혈관계에서는 심장의 작용을 조절하고 있는 교감신경에 세르토닌이 직접 작용하여 심박수를 증가시키는 것으로 알려져 있다. 마이너스이온과 세르토닌의 관계를 실험적으로 처음 밝힌 것은 Krueger와 Smith(1960)이다. 이들은 마이너스이온 노출 하에서 모르모트를 사육하고, 오줌 속의 5-하이드록시인아세트산(5-HIAA)을 정량한 결과, 통상의 환경 하에서 사육 것보다도 증가한 것과 기관에 존재하는 세르토닌이 감소하였다고 보고하였다. 이 사실로부터 그들은 마이너스이온이 세르토닌대사에 관계하는 모노아민산화효소의 활성을 높여 세로토닌으로부터 5-HIAA로의 대사를 촉진시킨다고 결론지었다. 또한 실리콘 처리한 사람의 정맥혈을 플러스이온에 노출하면 세르토닌이 통상의 정맥혈에 비교하여 피 속에서는 40%, 혈장에서는 90%, 적혈구에서는 50%, 혈소판에서는 240%나 증가하였다. 한편 마이너스이온에 노출되면 세르토닌이 피 속에서는 30%, 혈장에서는 42.5% 적혈구에서는 41.7%, 혈소판에서는 72.3%나 감소하였다. 또한 성인남자 10명을 대상으로 60분간 자전거 타기 운동(중등 정도의 부하)을 실시하고 회복과정의 혈중 세르토닌 농도를 마이너스이온 환경인 쪽이 비노출 환경인 쪽에서 비교하여 세르토닌 농도가 유의하게 낮다는 결과가 얻어졌다.(그림3) 이들 사실로부터 세르토닌니 마이너스 이온에 의하여 영향을 받는 것은 확실한 듯 하다. 2. 마이너스이온과 자율신경계 및 혈압 Ju와 Kubo는 본태성 고혈압 랫트를 마이너스이온 노출하와 비노출하에서 8주간 사육하고 자율신경계나 혈압을 두 무리 사이에서 비교하였다. 비노출된 쪽에 비하서 마이너스이온에 노출된 쪽이 교감신경은 억제되고, 부교감신경은 항진되어 있었다. 또한 수축기와 확장기의 혈압도 저하되었다. 이들 사실은 안정시, 운동 중 및 회복시에 마이너스이온 노출시와 미노출시의 심박진동을 조사한 결과와 일치하고 있다. 즉 회복시의 교감신경계는 마이너스이온 노출 쪽이 비노출시에 비교하여 전반적으로 억제되어 있다. 또한 부교감신경계는 회복 30분까지는 항진되는 경향을 나타내었다. 더욱이 마이너스이온 노출시의 확장기 혈압이 비노출시에 비교하여 유의하게 낮은 값을 나타내었다. 혈관의 수축이나 확장의 조절에는 자율신경계, 신경전달물질 및 부신피질 호르몬 등이 관여하고 있다. 따라서 앞서 나타내었던 확장기의 혈압의 저하는 마이너스이온 노출에 의한 교감신경의 억제, 세로토닌 등의 신경전달 물질농도의 변화 및 코르티졸 등의 부신피질 호르몬농도의 변화가 원인일 것이다. 3. 마이너스이온과 활성산소 Kosenko팀(1997)은 랫트의 적혈구에 120만개/cc의 마이너스이온에 노출시키면 약 2배나 SOD활성이 증가(1.191±39U/㎖에서 2.330±212U/㎖)하는 사실을 보고하고 있다. 그들은 마이너스이온이 활성산소를 분해하여 없애기 때문이라고 보고하고 있다. 또한 SOD활성의 항진은 마이너스이온인 활성산소를 분해하여 없애기 때문이라고 보고하고 있다. 또한 SOD활성의 항진은 적혈구 속의 H₂O₂가 증가하기 때문이라고 설명하고 있지만, H₂O₂의 증가가 왜 SOD활성을 항진시켰을까에 관하여는 명확하게 설명하지 않았다. 또한 Temnov팀은 마이너스이온으로 전처리한 용매에 호모지네이트(homogenate)시킨 간조직을 넣으면 분산되어 있던 간장의 미토콘드리아가 재빠르게 응집되는 사실을 보고하고 있다. 그들은 마이너스이온의 생리효과 발현에는 미토콘드리아가 관여하는 것과 미토콘드리아의 응집에는 O₂로부터 생성되었던 H₂O₂가 관여한다고 서술하고 있다. 더욱이 Goldstein과 Arshavkaya(1997)는 포유동물에 대한 이온결핌 영향을 관찰하였다. 마이너스와 플러스이온이 각각 0개/cc, 77±18개/cc인 아크릴제 장 속에서 사육한 마우스(21.0±1.6g부터 사육) 및 랫트 (173.5±7.3g부터 사육)는 마이너스 및 플러스 이온이 각각 482±128개/cc, 660±148개/cc인 석영유리 장 속에서 사용한 것에 비교하여 빨리 죽었다.(이온결핍 미우스와 랫트의 수명은 각각 16.2±0.9일과 23.0±1.1일) 또 빨리 죽은 랫트 및 마우스의 하수체선부腺部와 후엽의 신경성 부분에 전현電顯레벨(electron microscopy)에서의 병리적 변성이 인지되었다. 이러한 사실들로부터 그들은 공기이온 상실과 동반하는 신경전달물질의 농도변화 및 하수체 부전不全이 동물의 죽음을 결정하는 사실, 또 마이너스이온과 활성산소에 관한 연구는 시작일 뿐으로 앞으로 더욱 검토가 필요하다고 생각된다. 4. 마이너스이온과 작업능력 마이너스이온과 작업능력에 관한 연구가 많지만 작업능력의 지표로써 psychomotor tasks(심리운동과제)를 쓰고 있다. 예컨대 Hawkin와 Barker(1978)는 성인남자 45명을 마이너스, 플러스 및 통상환경의 세 그룹으로 나누고, 각각의 환경 하에서 행한 경면묘사鏡面描寫테스트, 추종동작테스트, 시작반응시간 등으로서 영향을 관찰하였다. 그들은 마이너스이온 하에서는 그들의 모든 능력이 통상환경하에서 비교하여 유의하게 향상되었지만, 플러스이온 하에서는 아무런 효과도 인지되지 않았다고 보고하고 있다. 그렇지만 Tom팀(1981)은 마이너스이온이 반응시간이나 무드에는 효과 있었지만, 추종동작테스트에는 효과가 없었다고 보고하고 있다. 이와 같이 심리운동과제의 종류에 따라서 마이너스이온의 효과가 이식되지 않는다는 보고도 있어 일치한 결과는 얻어지지 않는다. 성인남녀 16명을 대상으로 60분간의 자건거타기운동(중등 정도의 부하)을 실시시키고, 회복과정의 반응시간을 마이너스이온 환경 하와 비노출 환경 하에서 비교하였던 연구에서는 마이너스이온 환경 하에서 반응시간 쪽이 유의하게 빨리 안정수준으로 돌아간다는 결과를 얻었다.(그림4) 일반적으로 지속적 운동후의 반응시간은 피로가 원인으로 연장되는 것이 알려져 있지만 이 결과는 마이너스이온이 반응시간의 구성요소인 중추 및 말초신경에 무엇인가 좋은 효과를 갖고 있음을 시사하고 있다. 반응시간에 대한 마이너스이온의 회복효과는 스포츠경기에서 성적 향상에 작용하는지도 모른다. Ⅳ. 마이너스이온의 의학적 효과 1. 마이너스이온과 정신신경질환 스트레스에 대한 저항력은 신체적 반응을 조절하는 시스템, 즉 ‘시상하부-하수체-부신계’에 의하여 조절되고 있다. 생체가 스트레스를 받으면 시상하부로부터 코르티코트로핀방출인자(CRF corticotropin reiease hormone)가 분비된다. 이것을 받아서 뇌하수체로부터는 부신피질 자극호르몬(ACTH)이 분비되고 나아가 혈액으로 운반되어온 ACTH에 의하여 부신은 코르티졸(hydrocortison, 스테로이드호르몬)을 분비한다. 코르티졸은 우리들의 몸을 ‘투쟁’이나 ‘도주’로 반응시키는 물질이다. 그 때문에 식욕이나 성욕은 억제되지만 집중력이나 긴장상태는 높아지고 수면장애를 동반하는 과긴장상태로 만든다. 이와 같은 상태의 만성화는 우울증 원인의 운동야의 코하쿠산 탈수소효소를 측정하였다. 그 결과 마이너스이온에 노출시켜서 가둔 쥐는 비노출하에서 가둔 쥐에 비하여 혈압의 상승이 인지되지 않고 더구나 호박산 탈수소효소 농도도 증가하지 않았다. 이 결과는 마이너스이온이 구속스트레스를 완화하는 효과를 갖고 있음을 시사하고 있다. 우리들은 마이너스이온 노출 하에서 8주간 사육한 랫트의 시상하부에서 신경전달물질 농도를 통상의 환경 하에서 사육한 랫트와 비교하였다. v-아미노산(GABA) 및 아스파라긴산은 마이너스이온 하에서 사육한 랫트의 쪽이 통상 환경하에서 사육한 것보다도 증가하였다(그림5) 억제계의 신경전달물질인 GABA가 마이너스이온 하에서 사육한 랫트에서 증가하였다는 사실은 마이너스이온이 CRF의 분비를 억제하는 가능성을 시사한다. 또한 아스파라긴산의 증가는 발달기의 동물에서 학습이나 기억, 신경의 발달 및 신경회로의 형성촉진에 관계가 있다고 말하고 있다. 이 GABA 및 아스파라긴산의 결과 미로실험에서 마이너스이온 하에서 사육한 랫트 쪽이 통상환경하에서의 것과 비교하여 뇌에 다다르는 시간이 빠르다는 결과나 마이너스이온이 스트레스를 완화한다는 결과를 지지하는 것이다. Misiaszek팀은 8명의 躁病 환자를 대상으로 마이너스이온이 증상에 개선 효과가 있는지 여부를 임상실험으로 조사하였다. 마이너스이온 노출 전에 회화장해, 불안흥분, 주의산만, 앙양감, 수면장애 및 과대망상 등의 증상을 인지한 8명의 환자 가운데 7명이 1시간에서 1시간반 동안 마이너스이온 노출에 의하여 졸림을 느끼거나 진정된 상태나 집중할 수 있는 상태로 회복되었다. 그 진정한 상태는 노출 후 1시간 지속되었다고 보고하고 있다. 또한 Terman부부(1995)는 계절성 정서장해(winter depression)인 환자 25명을 마이너스이온 소량노출군(1,000개/cc)과 대량노출군(270만개/cc)으로 나누어 20일간에 걸쳐 이른 아침 30분간씩 마이너스이온에 노출시켰다. 증상의 빈도나 강도가 반으로 경감된 상태를 효과가 있다고 할 때 대량노출군에서는 환자의 58% 소량노출군에서는 15%가 항우울 효과가 인지되었다. Terman팀(1988)은 158명의 계절성 정서장애 환자를 대상으로 bright light(1만 룩스, 30분/일)와 마이너스이온 노출(27만개/cc, 30분/일)의 치료효과 비교를 실시하였다. 우울증의 개선에 대하여 광노출은 저녁보다 이른 아침 쪽이 효과적이었다. 마이너스이온 노출은 이른 아침 광노출과 같은 정도의 효과가 있었다. 일반적으로 기상시의 광노출은 대뇌에서 송과체로부터의 멜라토닌 분비를 촉진하고 생체시계를 조절하는 작용을 갖고 있다. 또 멜라토닌은 세르토닌으로부터 합성되는 물질이고 시교차상핵에서 유래하는 각성신호를 억제하여 수면을 이루게 한다고 생각된다. 이와 같은 사실로부터 계절성 정서장애환자에 대한 마이너스이온이나 이른 아침 광노출의 항우울 효과는 뇌내 세르토닌이나 멜라닌농도의 변화에 의한 것이라고 생각된다. 금후의 이 방면에서 연구가 발전될 것으로 기대된다. 2. 마이너스이온과 호흡기계 질환 Jones팀은 7명의 기관지 천식환자에 대하여 야간에 마이너스이온을 8주간 노출하였을 때의 폐활량이나 최대 호흡량 등을 실내 공기노출과 비교하였다. 다음날 아침에 측정하였더니 7명의 환자 가운데 4명에게서 그들 수치가 유의하게 개선되었다고 보고하였다. 또 Ben-dov(1983)은 21명의 운동유발성 천식인 어린이를 마이너스이온 노출 하에서 자전거타기운동을 실시한 군과 히스타민투여군으로 나누어 마이너스이온의 천식에 대한 효과를 관찰하였다. 마이너스이온에 노출시키면서 운동을 실시한 11명의 어린이들 가운데 10명에게서 운동에 의한 천식의 발현이 적고 더구나 운동 후의 1초율(폐활량 측정항목의 하나<%로 표시>, 폐활량을 100으로 하여 1초간에 호흡할 수 있는 공기의 양)이나 폐활량의 저하율이 낮게 억제되었다. 그러나 Larsen팀(1994)은 성인천식환자 19명을 2군으로 나누어 각각 4주간 마이너스이온과 실내공기에 노출시고 초기와는 반대로 4주간 노출을 시켜 폐활량, 최대 호기속도, 항 천식약의 사용량, 증상 등을 조사하였다. 두 기간에 이들 수치 사이에는 유의한 차이가 인지되지 않았다는 사실을 밝히고, 미아너스이온을 쓴 치료는 기관지 천식환자에는 효과가 없다고 보고하였다. 또 Warnarer팀(1993)은 알레르기성 천식인 아이들 20명을 대상으로 6주간은 마이너스이온 노출 후에 6주간은 실내공기노출이라는 방법을 써서 표현진드기 알레르겐(acarid allergen)농도, 최대 호흡속도, 천식증상 등을 측정하였다. 마이너스이온 노출에 의하여 실내의 알레르겐농도의 천식에 대한 효과에 대하여 아직 명확한 결론을 얻지 못하고 있는 것이 현실이다. Ⅴ. 결론 공기이온에 관한 연구의 실태를 1966년부터 현재까지 조사하여 보면 Medline에 게재되어 있는 것만도 단행본이 17권, 논문수가 약 400편에 이른다. 많은 연구자가 마이너스이온은 생체에 유익하다고 보고하고 있지만 그 가운데에는 효과가 인지되지 않았다고 하는 보고도 있다. 오래된 논문으로부터는 온·습도에 대한 배려가 부족한 사실 등이 발견되었다. 이 사실로부터 환경조건의 불일치 등의 논문에 따라 일치된 결과를 얻지 못한 원인이 아닐까 생각한다. 또한 공기 마이너스이온이 어떠한 물질인가를 정의하는 것은 현대 과학수준을 동원하더라도 곤란하다고 이야기되고 있다. 이 사실이 이 분야에서 연구의 발전을 막고 있는 원인의 하나라고 생각된다. 코로나 방전에 의하여 만들어진 마이너스이온은 CO₄(H₂O)n 나 O₂(H₂O)n 로 추측되고 있었지만 최근의 연구에서는 O₂(H₂O)n 에 덧붙여 CO₃(H₂O)n, NO₃(HNO₃)m(H₂O)n, C₃H₃O₄, CH₃SO₃등도 후보로 들고 있다. 그렇지만 우리들이 실험에 쓰고 있는 물파쇄식에서 발생하는 마이너스 이온은 대부분이 산소분자에 물분자 몇 개가 부착된 구조, 즉 O₂(H₂O)n 으로 생각하고 있다. 탄소나 질소와 달리 산소는 쌍전자 2개를 갖고 있기 때문에 전자를 받아들이기 쉬운 사실에 의한다. (이 논문은 ‘한·일 음이온과 원적외선 심포지엄’에서 발표된 논문입니다.) 그림1. 대기의 이온화 그림2. 인공적인 마이너스이온의 발생방법 그림3. 혈중 세로토닌농도의 상대적 변화 그림4. 단순반응시간의 추이 □:비노출 사육후 ■:마이너스이온 노출 사육후의 평균치와 표준오차 *:p<0.05(unpaired t-test) 그림5. 랫트 시상하부의 신경전달물질 농도