1. 개요
活動日週期 / Sleep-wake circadian cycle생물의 체내에서 기원하는, 생물의 행동과 생리작용을 조절하는, 대략 24시간을 따르는 주기로서, 지구상의 거의 모든 생물에서 발견된다.[1] 활동일 주기는 주변 환경에 맞춰 적응이 가능하지만, 기본적인 틀은 유전적인 요소를 따라간다. 생물의 체내에서 기원하지 않는 24시간 주기는 Diurnal Rhythm으로 Circadian Rhythm과는 다르다.
유사과학인 바이오리듬과는 다르다. 이쪽은 인간이 모두 일정한 리듬이 있으며 이 리듬에 따라 인생이 결정된다는 유사과학으로, 이 리듬에 의해 기분이나 컨디션, 지능 등이 달라지고 심지어는 운세나 복, 우주의 기운(...), 삶과 죽음까지 결정된다는 완전히 사이비 같은 소리다. 당연히 말이 안 된다. 물론 더 복잡한 내용이 있긴 하지만 기본적으로 생체리듬은 밤에 자고 아침에 일어나고 아침, 점심, 저녁을 일정한 시간에 먹는 그냥 누구나 겪어본 지극히 당연한 것이다. 가끔 두 말을 섞어 써서 바이오리듬이 과학적으로 입증됐다는 헛소리를 하는 경우가 많으니 주의해야 한다.
2. 특징
간단히 말해 낮엔 깨있고 밤엔 자고 때가 되면 배가 고픈 이유. 또 다른 말로는 개일리듬, 일주현상, 생체시계(生體時計, Circadian rhythm)로도 불린다.활동일 주기는 생물이 자신이 처한 환경에 따라 자신의 행동과 생리작용을 조절함으로써 나타나는대, 대략 24시간쯤 되는 주기를 가지고 있으며 활동일 주기에 영향을 주는 차이트게버(Zeitgeber)를 따라 조정되며 생체 내의 기작으로 나타나는 현상이다.
활동일 주기는 다양한 체내 기작을 통해 조절되는데, 활동일 주기의 조절이 없더라도 활동일 주기가 나타나며, 이 주기는 차이트게버를 따라 조절되지 않는 경우[2] 이미 있던 주기가 그대로 유지된다. 사람이 아무 빛도 없는 곳에 있더라도 기존에 자고 깨는 패턴이 그대로 유지되는 것이 이런 이유 때문이다.
활동일 주기는 여러가지 기작을 통해 차이트게버에 반응하여 조절되지만, 한번에 조절할 수 있는 범위에 한계가 있다. 장거리를 갑자기 이동하여 시차가 생길때 발생하는 "시차 적응증"은 바로 신체가 활동일 주기를 바로 큰 시차에 맞춰 조절할 수 없기 때문에 발생하며, 특이하게도 동쪽[3], 즉, 해가 지는 방향이 아니라 해가 뜨는 방향으로 이동할때 더욱 심하게 발생한다.
활동일 주기는 기본적으로 유전자의 지배를 받으며, 다세포 동물의 경우, 모든 세포가 자체적인 활동일 주기를 개별적으로 가지고 있다. 간단히 말해서, 만약 우리 몸의 세포를 떼어내여 접시 위에 배양해도 그 세포의 생체 시계는 세포가 살아있는 한 작동한다!! 실제 전 세계 실험실에서 수십년 넘게 계대배양되어온 실험용 세포주(cell line)들도 24시간 주기로 일정하게 활성이 변화하는 생체 시계 기구를 가지고 있다.Balsalobre A et al, 1998, Cell 93:929-37. 단, 모두가 그렇지는 않고 특히 실험에 많이 사용되는 암세포들 같은 경우에는 생체 시계 기능을 잃어버린 세포가 대부분인데, 이 때문에 세포가 종양화되는 원인 중의 하나로 생체 시계의 기능이 망가졌기 때문이라는 주장도 있다. 실제로 생체 시계 기구와 세포 주기 조절 기구는 서로 밀접하게 연관되며, 밤과 낮에 세포 분열 속도나 항암제의 약효 등이 차이가 나는 등 유력한 증거들이 많이 발표되었다. 가설이긴 하지만, 단세포 시절에 가지고 있던 생체 시계 유전자의 기본적인 원리를 다세포로 진화하고 나서도 계속 유지하고 있다고 볼 수 있으며, 이는 기능적으로 중요한 유전자들이 진화적으로 보존되는 현상에 속한다고 볼 수 있다.
하지만 이 개별적인 활동일 주기는 생물에 따라 여러 기작을 통해 "동기화" 되며, 포유류의 경우, 뇌 시상 하부의 시교차상핵(Suprachiasmatic Nucleus, SCN)에 존재하는 신경세포들이 이 동기화를 지배하고 있다. 다만, SCN을 통해 차이트게버에 즉각적으로 반응하는 뇌와 달리, 나머지 장기들은 조절된 주기와 완전히 동기화되는대 상당한 시간을 필요로 한다. 인간의 경우 간의 활동일 주기 변화 적응이 가장 느린 것으로 알려저있으며, 간이 활동일 주기 변화에 완전히 동기화되기 위해서는 대략 2주 정도가 필요한 것으로 알려저있다.
상술했듯이, 차이트게버가 없거나, 혹은 차이트게버에 반응하지 못하는 경우 그냥 기존의 주기가 유지되기 때문에, SCN에 이상이 생기더라도 활동일 주기는 여전히 나타난다. 하지만 각각의 세포의 개별적 활동일 주기가 동기화되지 못하고 서로 따로 주기를 따르기 때문에, 개체 수준에서는 주기성을 잃어버린 것처럼 행동하게 된다.
반대로 SCN이 아닌 세포의 개별적 활동일 주기를 지배하는 유전자에 이상이 있는 경우, 세포의 개별적 활동일 주기가 전혀 나타나지 않지만, SCN이 정상작동 하기 때문에, SCN이 차이트게버에 반응하여 활동일 주기를 생성하여 강제로 그에 맞추게 된다.
생쥐를 이용한 실험에서는, 활동일 주기 유전자가 손상된 생쥐는 별다른 차이트게버가 없을 경우 수면과 각성이 뒤죽박죽이 되어, 야행성이 전혀 나타나지 않지만, 12시간동안 빛에 노출시키고, 남은 12시간동안 빛을 차단하는 식으로 차이트게버를 만들어주면 그에 맞춰 행동하는 모습을 보인다.
생체시계 전문가이자 팟캐스트 Reason & Wellbeing의 호스트인 그렉 포터에 따르면 몸에 맞는 무엇을 하기에 좋은 시간이 따로 있다고 한다.
- 오전 7시~8시: 테스토스테론과 에스트로겐과 같은 성 호르몬 수치가 높아서 성관계를 하기 가장 좋은 시간이다. 특히 성 호르몬 중에서 테스토스테론의 수치가 높다.
- 오전 7시~9시: 기상 시각 오전 7시 기준 일어난 지 2시간 이내에 외출하면 생체시계를 자연광에 맞출 수 있다.
- 오전 8시: 기상 시각 오전 7시 기준 일어난 지 1시간이 지난 뒤라면 아침 식사를 하기에 좋은 시간이다.
- 오전 10시~11시: 뇌 집중 주의력이 높은 시간대 중 하나이며, 기상 시각 오전 7시 기준 일어난 지 3시간이 지나면 집중력이 최고에 달하기 때문에 이때 중요한 업무를 하면 장기적인 뇌 건강에 좋다. 오전 11시에는 스트레스 수치가 크게 늘어나기 시작한다.
- 오전 11시~오후 3시: 생식력이 최고에 도달하기 때문에 아이를 갖기에 최적인 시간이다.
- 오후 12시: 점심 식사를 하기에 좋은 시간이다.
- 오후 4시~5시: 뇌 집중 주의력이 높은 시간대 중 하나이며, 이때 새로운 것을 배우면 노화로 인한 뇌 인지력 저하를 예방할 수 있다.
- 오후 5시~6시: 운동하기에 좋은 시간이다.
- 오후 6시: 저녁 식사하기에 좋은 시간이다.
- 오후 10시~11시: 스트레스 호르몬인 코르티솔의 수치가 낮고, 멜라토닌의 분비량이 늘어나기 때문에 잠자기에 좋은 시간이다.
3. 활동일 주기가 존재하는 이유
밤과 낮의 차이는 빛의 양, 온도, 습도 등 여러 환경 조건이 크게 변하는 현상이며, 극히 일부를 제외한 지구상의 대부분의 생물체는 이러한 환경 변화에 노출된다. 또한 비록 계절과 지역마다 차이는 있으되, 밤과 낮의 변화는 지구상 대부분의 지역에서 주기적으로 찾아온다. 따라서 생명체가 밤과 낮에 생리적, 행동적 적응 방법을 다르게 취하는 것은 개체의 생존성을 크게 높일 수 있는 장치이며, 이로 인해 지구상의 대부분의 생물이 내재적인 생체 시계를 가지도록 진화하게 된 것이다. 그 결과 지구상의 생물체들은 박테리아부터 동식물에 이르기까지 광범위하게 생체 시계라고 분류될 수 있는 기작과 생체 시계 유전자들을 가지고 있게 되었다고 본다.특이하게도, 일부 생체 시계 유전자들 사이에서는 놀라울 정도의 유사성이 발견되는데 이는 진화적인 연관성이 있음을 뜻한다.
4. 생체 시계의 재설정과 교란
생체 시계는 체내에서 자기 스스로 약 24시간의 주기를 유지하는 능력을 가지고 있지만, 외부의 입력에도 영향을 받는다. 이러한 효과를 가진 외부 신호 중에서 가장 강력한 신호는 빛이며, 광주기는 다른 어떤 신호보다도 생체 시계를 재설정하는 데에 큰 효과를 가진다. 그러나 빛 이외에도 온도나 양분의 섭취도 마찬가지로 영향을 미치며, 인간에서는 노동이나 유희 활동과 같은 사회적인 활동(social activity)도 생체 시계를 변화시키는 효과가 있다고 한다. 정상적인 상황에서 이러한 외부 자극에 의해 체내의 생체 시계가 변화하는 것은 계절의 변화나 주거 환경의 변화 등을 인식하여 신체의 반응을 적절하게 조절하여 생존성을 높이기 위한 장치로서 기능한다.그러나 인간, 특히 현대 사회에서는 생체 시계에 영향을 줄 수 있는 자극이 너무 많아서 문제가 된다. 당장 도시에서 생활하면 야간에도 낮이나 다름 없는 밝기의 빛에 거의 매일 노출되고 있으며 야근이나 야식을 하는 사람들도 매우 흔하다. 단기간에는 약간 피로하거나 소화가 잘 안되는 정도지만 장기간 계속될 경우에는 여러가지 질병의 위험이 높아진다. 당뇨, 비만 등 대사성 질환은 물론 심혈관계 질환에서 암까지. 이른바 성인병이나 현대인 병이라고 불리는 질병들이 여기 많이 속하는데, 생체 시계가 교란되기 쉬운 현대 사회의 환경과 무관하지 않다고 볼 수 있다. 때문에 이러한 교란된 생체 시계를 원래대로 돌리거나 안좋은 영향을 줄이려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
참고로 야식을 먹게 되면 시상하부 신호와 별개로 말단 세포 및 장내세균의 생체 주기를 초기화시키기 때문에 진짜 생체 리듬
[1] 외부의 일정한 자극이 없으면 24시간보다 느리거나 빠르게 된다.[2] 차이트게버가 아예 없거나(...) 생체 기능이 이상으로 차이트게버에 반응하지 못하는 경우.[3] 시간을 앞당겨 올라가는 경우