근육—설계의 걸작품

생명은 움직임을 통해 유지됩니다. 예를 들어, 숨을 쉴 때마다 가슴은 오르락내리락하며, 심장은 규칙적으로 고동쳐서 생명을 유지시켜 줍니다. 이러한 움직임이 일어나게 하는 것은 무엇입니까? 근육입니다!

근육은 질기고 신축성 있는 조직으로, 신체 부위들이 기능을 발휘하게 하고 생각이나 느낌을 행동으로 표현할 수 있게 해 줍니다. 미소 짓고, 소리내어 웃고, 울고, 말하고, 걷고, 달리고, 일하고, 놀이를 하고, 책을 읽고, 먹는 등 어떤 행동을 하든지 근육이 관련되어 있습니다. 우리가 하는 일 가운데 근육이 관련되어 있지 않은 일을 생각해 내기란 쉽지 않습니다.

우리 몸에는 약 650개의 근육이 있습니다. 가장 작은 근육은 귀에 있는 가장 조그만 뼈에 붙어 있습니다. 가장 큰 근육은 엉덩이에 있는 둔근으로 다리를 움직이는 근육입니다. 근육은 남자의 몸무게의 절반가량과 여자의 몸무게의 3분의 1가량을 차지하며 일을 하도록 설계되어 있습니다. 근육은 “생물에 내장되어 있는 엔진”으로 여겨지며, ‘자동차를 포함하여 인간이 만든 엔진을 모두 합친 것보다도 많은 양의 에너지를 매일 동작으로 변환시킨다’고, 생체 공학 교수인 제럴드 H. 폴랙은 말하였습니다.

심지어 휴식을 취하고 있을 때에도 근육은 항상 준비가 되어 있습니다. 행동하라는 부름에 응할 준비가 되어 있는 것입니다. 어느 때나 각 근육에 있는 일부 섬유는 수축되어 있습니다. 이처럼 약간이라도 수축되어 있지 않으면, 턱은 힘 없이 벌어지게 될 것이며 신체 내부의 기관들에는 지지해 주는 것이 거의 없게 될 것입니다. 심지어 서 있거나 앉아 있을 때에도 근육은 약간씩 조정을 하여 자세를 유지하게 하거나 의자에서 떨어지지 않게 해 줍니다.

근육의 유형

우리 몸의 근육에는 세 가지 유형이 있습니다. 유형에 따라 제각기 다른 기능을 수행합니다. 그 중 하나로 심장을 박동하게 하는 심근이 있습니다. 심장 근육은 수명의 절반이 휴식 상태인데, 매번 수축을 한 후 다음 번 수축할 때까지는 근육을 이완시켜야 하기 때문입니다.

다른 한 가지 유형은 평활근입니다. 평활근은 혈관을 포함하여 내부 기관의 대부분을 둘러싸고 있습니다. 자동으로 움직이는 심장 근육처럼, 평활근도 의지에 따라 움직일 수 있는 근육이 아닙니다. 평활근은 신장과 방광으로 액체가 지나가게 하고, 음식물을 밀어서 소화관을 통과하게 하며, 혈관을 통과하는 혈액의 흐름을 조절하고, 눈의 수정체를 조정하며, 빛이 들어오는 동공을 확장시키는 것과 같은 매우 중요한 기능을 수행합니다.

650개의 근육 중 대부분은 골격근입니다. 이 근육은 우리가 의도적으로 하는 동작을 수행합니다. 우리는 태어나면서부터 이 근육을 움직이는 법을 배웁니다. 예를 들어, 아기는 팔다리를 움직이는 법을 배워서 걷고 균형을 잡을 수 있게 됩니다. 근육은 어떤 기능을 수행할 때 단지 수축만 할 수 있기 때문에 골격근은 짝을 이루어 일합니다. 한 근육이 수축되면 다른 근육은 이완됩니다. 이처럼 공동 작업이 이루어지지 않으면, 머리를 긁을 때마다 중력을 이용해서 팔을 내려야 할 것입니다. 그러나 그렇게 하는 대신, 이두근의 짝이 되는 근육인 삼두근이 수축하여 팔을 빨리 펼 수 있게 해 줍니다.

근육은 크기와 모양이 다양합니다. 어떤 근육은 다리에 있는 슬와근처럼 길고 가느다랗습니다. 그런가 하면, 엉덩이에 있는 둔근처럼 무겁고 굵은 근육도 있습니다. 모든 근육은 우리가 움직일 수 있도록 설계되어 있습니다. 갈비뼈 사이의 틈을 메우고 있는 근육이 없다면 흉곽은 뻣뻣해질 것입니다. 이 근육은 흉벽이 마치 아코디언처럼 움직일 수 있게 하여 우리가 숨을 쉬는 데 도움이 됩니다. 복근은 합판의 나무층과 매우 비슷하게 서로 다른 각도로 겹겹이 배열되어 있어서 복부에 있는 기관들이 바깥으로 빠져 나오지 않게 해 줍니다.

근육과 힘줄의 협력

뼈를 잡아당기고 있는 근육은, 힘줄이라고 하는 하얀 끈과 같은 질긴 조직에 의해 뼈와 붙어 있습니다. 힘줄은 근육 속까지 깊숙이 뻗어 있으며 근섬유를 둘러싸고 있는 결합 조직과 연결되어 있습니다. 결합 조직은 근육 내부에서 생성된 힘이 힘줄을 잡아당겨 뼈를 움직일 수 있게 해 줍니다. 가장 강력한 힘줄인 아킬레스 힘줄은 종아리에 있는, 우리 몸에서 가장 강한 근육 중 하나에 붙어 있습니다. 종아리 근육은 몸의 충격 흡수 장치 역할을 합니다. 우리가 걷거나 뛰거나 점프를 할 때 종아리 근육은 1톤 이상의 압력을 견디어 냅니다.

다재다능한 손은, 근육과 힘줄의 협력을 보여 주는 또 다른 예입니다. 팔뚝에 있는 20쌍의 근육은, 손목에 있는 섬유질로 된 띠 밑을 지나가는 긴 힘줄에 의해, 많은 관절이 있는 손과 손가락 뼈에 붙어 있습니다. 손은 이 근육과 함께 손바닥과 손가락에 줄지어 있는 다른 20개의 근육 덕택에, 정교한 시계 내부에 있는 섬세한 부품들을 조립하거나 도낏자루를 쥐고 나무를 찍는 일을 놀랄 만큼 능숙하게 해낼 수 있게 됩니다.

30개가 넘는 얼굴 근육

얼굴은 몸의 다른 어떤 부위보다도 우리의 개성을 잘 표현합니다. 창조주께서는 매우 다양한 표정을 지을 수 있도록 얼굴에 전부 합쳐 30개가 넘는 많은 근육을 집중적으로 만들어 놓으셨습니다. 단지 미소를 짓는 데만도 14개의 근육이 필요합니다!

턱에 붙어 있는 근육과 같은 일부 얼굴 근육은 강한 힘이 있는데, 턱은 음식을 씹을 때 75킬로그램의 힘을 가할 수 있습니다. 하루에 2만 번 이상 눈을 깜박거려서, 먼지와 세균을 씻어 내는 액체로 눈을 씻도록 눈꺼풀을 조종하는 근육처럼 섬세하지만 내구성 있는 근육도 있습니다.

놀랄 만한 설계

각각의 근육은 부드럽게 수축되도록 설계되어 있습니다. 골격근은 깃털을 주울 때 10킬로그램짜리 물건을 들어 올릴 때와 같은 양의 힘이 사용되지 않도록 수축을 조정해야 합니다. 어떻게 이 일이 이루어집니까? 함께 살펴봅시다.

모든 근육은 개개의 세포들로 구성되어 있습니다. 근세포는 길쭉하기 때문에 섬유라고 불립니다. 섬유 중에는 빛깔이 옅은 것도 있고 짙은 것도 있습니다. 옅은 빛깔의 섬유는 빨리 수축되는 섬유 즉 빨리 움직이는 섬유입니다. 이 섬유는 무거운 짐을 들거나 100미터 달리기를 할 때처럼 짧게 한꺼번에 힘을 쓸 필요가 있을 때 사용됩니다. 빨리 움직이는 근섬유는 강한 힘이 있으며 당분인 글리코겐이 그 근섬유에 연료를 공급하는 에너지원입니다. 하지만 그 근섬유는 빨리 지치며 젖산이 축적되어 심지어 경련이나 통증을 일으키기까지 할 수 있습니다.

짙은 빛깔의 근섬유는 천천히 수축되는 섬유 즉 천천히 움직이는 섬유이며 산소의 대사 작용에 의해 움직입니다. 천천히 움직이는 섬유는 빨리 수축되는 섬유보다 공급받는 혈액의 양과 산소를 통해 얻는 에너지의 양이 더 많기 때문에, “지구력을 발휘하는 조직”입니다.

또 다른 형태의 섬유는 빨리 수축되는 옅은 섬유보다 약간 더 짙은 빛깔의 섬유입니다. 이 섬유는 빨리 수축되는 섬유와 비슷하지만 피로를 잘 견딥니다. 이러한 형태의 섬유는 당분과 산소를 모두 쉽게 연료로 이용하기 때문에 아마 지속적으로 격렬한 일을 할 때 사용될 것입니다.

이러한 형태의 섬유들은 각 사람 내부에, 그리고 여러 근육 속에 섞여 있습니다. 예를 들어, 장거리 육상 선수는 다리 근육의 평균 80퍼센트가 천천히 움직이는 섬유일지 모르지만, 단거리 육상 선수는 다리 근육의 평균 75퍼센트 이상이 빨리 움직이는 섬유일 수 있습니다.

신경에 의해 움직임

모든 근섬유는 신경에 의해 움직입니다. 신경에서 근육으로 자극을 보내면 근육은 그에 대한 반응으로 움직입니다. 즉 수축합니다. 하지만 특정 근육에 있는 모든 근섬유가 한꺼번에 수축하는 것은 아닙니다. 그런 것이 아니라, 근섬유는 운동 단위로 조직되어 있습니다. 운동 단위에서 하나의 신경은 여러 가닥의 섬유에 붙어서 그 섬유들을 조종합니다.

다리 근육에 있는 것과 같은 일부 운동 단위는 신경 하나당 2000개 이상의 섬유로 이루어져 있습니다. 하지만 눈에 있는 운동 단위는 각각의 신경이 조종하는 섬유가 3개밖에 되지 않습니다. 하나의 운동 단위에 들어 있는 섬유의 수가 적을수록 그리고 하나의 근육에 속해 있는 운동 단위가 많을수록, 바늘에 실을 꿰거나 피아노를 연주할 때처럼 더욱 정밀함과 협조가 요구되는 동작을 할 수 있게 됩니다.

깃털을 주울 때는 단지 몇 개의 운동 단위만이 수축합니다. 무거운 물건을 들어 올릴 때는 근섬유에 있는 특별한 감각기에서 번개 같은 속도로 뇌에 신호를 보내 더 많은 운동 단위가 행동하게 함으로, 짐을 들어 올리는 데 더 많은 힘을 들이게 됩니다. 우리가 천천히 걸을 때는 단지 몇 개의 운동 단위만 움직이지만, 달리기를 할 때는 더 많은 운동 단위가 더 자주 자극을 받게 됩니다.

심장 근육은 근육 전체가 수축되든지 이완되든지 둘 중에 하나라는 점에서 골격근과는 다릅니다. 심장 근육에서 한 세포가 자극을 받으면 그 신호는 모든 세포에 퍼지며, 모든 세포는 즉시 자극을 받아서 1분에 72회가량 전체 근육이 수축되었다가 이완됩니다.

평활근도 심장 근육과 거의 같은 방식으로 움직이는데, 일단 수축이 시작되면 전체 기관이 수축됩니다. 하지만 평활근은 심장 근육보다 더 오랫동안 지치는 일 없이 수축된 상태를 유지할 수 있습니다. 평활근은, 때때로 배고픔을 느끼거나 아기를 낳을 때처럼 강력한 수축이 일어나는 경우가 아니면 그 근육이 있다는 사실조차 알기가 어렵습니다.

근육을 건강한 상태로 유지하려면

「근육: 동작을 일으키는 신비스러운 힘」(Muscles: The Magic of Motion)이라는 책에서는 이렇게 말합니다. “운동은 몸 전체에 안팎으로 도움이 된다. ·⁠·⁠· 정기적으로 운동을 한 근육은 모든 면에서 일을 더 잘할 수 있다.” 운동을 하면 내장을 더 잘 지지하고 근육이 쉽게 피로해지지 않는 데 도움이 되는 적절한 근긴장 상태가 이루어집니다.

각기 다른 두 가지 형태의 운동을 하는 것이 근육에 유익합니다. 매일 잠깐씩 무거운 물건을 들어 올리는 무산소 운동은 근육을 강화시켜 줍니다. 근육이 강해지면 더 많은 당분과 지방산을 저장할 수 있을 뿐만 아니라 더 효율적으로 이 연료들을 연소시킬 수 있기 때문에 근육이 쉽게 피로해지지 않는 데 도움이 됩니다.

조깅, 수영, 자전거 타기, 힘차게 걷기 등과 같이 산소 소비량이 많은 형태의 운동은 건강을 전반적으로 향상시킵니다. 지구력을 기르는 이러한 종류의 운동은 근육으로 더 많은 피가 흘러 들어가게 하고 미토콘드리아를 증가시키는데, 미토콘드리아는 근육이 수축하는 데 필요한 에너지 화합물인 ATP를 생성시킵니다. 이런 형태의 운동은 특히 심장에 유익하며 심지어 심장 발작을 예방하는 데도 도움이 될 수 있습니다.

격렬한 운동을 하기 전에 근육을 구부렸다 펴주는 체조를 하면, 삐는 일이나 그 밖의 근육 손상을 예방하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그처럼 몸을 풀어 주는 운동을 하면 근육의 온도가 상승하여 더 많은 피가 근육에 공급되며, 그 결과 효소들이 더 많은 에너지를 생성하는 데 도움이 되어 근육이 더 잘 수축할 수 있게 됩니다. 운동을 시작할 때 했던 것과 같은 운동을 하면서 몸을 식히면 축적된 젖산이 제거되어 통증과 뻣뻣한 느낌을 예방하는 데 도움이 됩니다.

하지만 특히 훈련을 받지 않은 경우, 너무 힘이 많이 드는 운동을 하면 골격근이 손상될 수 있다는 사실에 유의해야 합니다. 또한, 무거운 짐을 천천히 내려놓거나 내리막길을 달릴 때처럼, 근육이 수축된 상태를 오래 유지하는 일이 되풀이되다 보면 근육이 너무 많이 긴장하게 되어 근섬유가 파열될 수 있습니다. 심지어 근육 긴장으로 인해 근섬유가 조금만 파열되어도 고통스러운 근육 경련과 염증이 생길 수 있습니다.

근육을 잘 관리하십시오. 적당한 운동과 휴식을 통해서 근육이 우리 몸에 있는 ‘최상의 원동기’로서, 잘 설계된 엔진과 같이 계속 우리를 위해 일할 수 있게 하십시오.

[20면 삽입]

우리 몸에는 약 650개의 근육이 있다. 가장 큰 근육은 엉덩이에 있는 둔근으로 다리를 움직이는 근육이다

[24면 네모]

근육과 영양 섭취

근육을 건강하게 유지하는 데 매우 중요한 요소는 적절한 영양 섭취이다. 유제품처럼 칼슘이 풍부한 식품과 바나나처럼 칼륨이 풍부한 식품뿐만 아니라 감귤류 식물과 말린 과일, 녹황색 채소, 견과, 씨 등도 근육의 수축을 조절하는 데 도움이 된다. 정백하지 않은 곡물로 만든 빵과 곡물식은 철분과 비타민 B 복합체, 특히 비타민 B₁을 공급해 주는데, 비타민 B₁은 탄수화물과 단백질과 지방을 근육이 필요로 하는 에너지를 만들어 내는 연료로 변환시키는 데 매우 중요하다. 많은 양의 물을 마시면 전해질의 균형을 유지하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 근육의 기능에 지장을 줄 수 있는 젖산을 비롯한 노폐물도 제거된다.

[22, 23면 네모와 도해]

경탄스러운 근육의 수축 작용

근육의 움직임은 단순해 보일지 모른다. 하지만 그 수축 과정은 외경심을 자아낸다. 제럴드 H. 폴랙 교수는 이렇게 말한다. “나는 자연의 설계의 아름다움에 외경심을 느끼게 되었다. 화학 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 과정이 너무나 절묘해서, 지성을 아주 잘 반영하는 것이라고 말하고 싶을 정도이기 때문에 경탄하지 않을 수 없게 된다.”

전자 현미경을 이용하여 근육의 복잡한 수축 작용을 살펴보면서 창조주께서 설계하신 이 걸작품에 대해 더 많은 점을 배워 보도록 하자.

사실 각각의 근세포 즉 근섬유는, 평행하게 배열된 근원(筋原) 섬유라는 작은 섬유들의 다발이다. 각각의 근원 섬유에는 더욱 가는 수많은 근세사(筋細絲) 즉 근필라멘트가 들어 있다. 근필라멘트 중에는 굵은 것도 있고 가는 것도 있다. 굵은 근필라멘트에는 미오신이 들어 있고, 가는 근필라멘트에는 액틴이 들어 있는데, 이 단백질들은 근세포가 수축하는 데 도움이 된다.

근섬유마다 표면에는 움푹 팬 곳이 있다. 척추에서 갈라져 나온 신경 섬유가 그곳에 이르러 움푹 팬 곳에 끼워져 있다. 근육은, 뇌에서 명령을 내리고 그 신호가 중추 신경계에 있는 수많은 신경 세포를 거쳐 전달되어 신경 종말에 이르면 움직이게 된다. 각각의 신경 종말이 자극됨에 따라 100개가 넘는 조그만 주머니들이 갑자기 열려서 화학 물질을 흘려 보내는데, 이 화학 물질이 근세포의 막에 닿으면서 신경 충격을 증폭시킨다. 이로 인해 전체 근세포를 흥분시키는 일련의 전기적 작용이 일어나서 세포의 막에서 충전된 칼슘 이온이 방출되는데, 이 칼슘 이온이 기계적인 수축 과정을 유발시킨다.

칼슘 이온은 이제 미세한 관으로 된 망상(網狀) 조직을 통해 전체 근섬유로 퍼져서 여러가지 단백질과 접촉하게 된다. 어떤 방법으로인가 그 칼슘이 이 단백질들에 미치는 영향으로 인해 가느다란 액틴 필라멘트 줄기를 따라 있는, 단백질을 감싼 부위들이 열리거나 노출된다.

그와 동시에, 끝부분에 많은 에너지를 내는 ATP라는 화합물이 달려 있고 굵은 미오신 필라멘트에서 돌출되어 나온 둥근 돌기가 쌍을 이루어 움직인다. 미오신 필라멘트의 머리 부분에 달린 돌기 중 하나는, 이제 노출된 액틴 필라멘트의 활성 부위 가운데 하나에 붙어서 연결교를 형성한다. 다른 한 돌기는 ATP를 분해하여, 미오신 필라멘트 옆이나 위에 있는 액틴 필라멘트를 연결교가 잡아당기거나 미끄러지게 할 만한 에너지를 방출한다. 마치 여러 사람이 양손을 번갈아 가면서 내밀어 밧줄을 잡아당기듯이, 미오신 필라멘트의 머리 부분들은 붙잡았던 것을 놓고 액틴 필라멘트 줄기를 따라 더 나아가 다시 붙어서 액틴 필라멘트가 미오신 필라멘트의 중심을 향해 계속 다가오게 한다. 이러한 동작은 수축이 끝날 때까지 반복된다. 그 전체 연쇄 반응이 일어나는 시간은 수천분의 1초 정도밖에 되지 않는다!

수축이 끝나면 칼슘은 원래 있던 곳인 근세포의 막으로 돌아가며, 액틴 필라멘트 줄기를 따라 있는 노출된 부위들은 또다시 덮이고, 근섬유는 다시 자극을 받을 때까지 이완된다. 그렇다. ‘우리는 두려움을 불러일으키도록 놀랍게 만들어졌다!’—시 139:14, 「신세」.

[도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

근육은 사실은 섬유 다발들이 층층이 겹쳐 있는 것이다

가는 근필라멘트와 굵은 근필라멘트 (크게 확대한 모습)

근원 섬유

근원 섬유 다발

근섬유

근육

[21면 삽화]

(2배로 확대한 모습)

가장 작은 근육은 귀에 있는 가장 조그만 뼈에 붙어 있다

[21면 삽화]

미소를 짓는 데만도 14개의 근육이 필요하다!

[21면 삽화]

근육으로 인해 하루에 2만 번 이상 눈을 깜박이게 된다

[24면 삽화]

심장 근육은 1분에 72회가량 수축과 이완을 반복한다. 바꾸어 말하면 평균 수명 동안 26억 회 수축과 이완을 반복하는 것이다

[24면 삽화]

무산소 운동

[20면 사진 자료 제공]

사람, 20면; 눈, 21면; 심장, 24면: The Complete Encyclopedia of Illustration/ J. G. Heck