정상적인 성장 발달을 위한 근운동역학은?

                         글 / 이해동 (충남대학교  BK21 메카트로닉스 고급인력 양성 산학협동 사업단 연구교수)

식물은 씨앗으로부터 발아하여 뿌리내린 곳에서 토양으로부터 영양분을 섭취하고,
태양빛으로부터 광합성을 통하여 성장하고 생명을 유지한다. 하지만 동물은 생명을
유지하기 위해 걷고, 달리고, 뛰며 먹이를 찾아 끊임없이 움직여야만 한다.
이러한 동물의 능동적인 움직임(voluntary movement)은 동물의 원초적인 특성이며,
이 기능의 수행을 위해서 사용되는 핵심적인 조직이 근육(muscle) 이라고 할 수 있다.
본 칼럼에서는 특히 골격근(skeletal muscle)과 관련된 근운동역학(muscle mechanics)
연구와 응용 분야에 대하여 알아보고자 한다.

David A. Winter (1990)에 의하면 근운동역학은 운동역학 분야에서 가장 흥미 있고
도전해야 하는 연구 분야로 언급되고 있으며, 이 분야의 연구는 근육 자체의 특징적인
미시적-거시적 구조-기능 특성[그림 1]을 바탕으로 근력 발현 메커니즘 및 뼈, 관절,
건조직 등과의 상호 작용을 포함한 생체역학적 특성, 근력 발현에 사용되는 에너지와
생화학적 성분의 생리학적 대사 작용, 그리고 근력 조절과 연관된 신경학적 측면을
두루 포함하고 있다. 따라서 근운동역학은 근-골격-신경 시스템의 신경-생리학적
근수축 조건과 외적으로 나타나는 기계학적인 변인 간의 관계를 규명하는
학문이라고 정의할 수 있다 (Roger M. Enoka, 1994).

그림 1 골격근의 거시적-미시적 구조 특성

                                               그림 2. 근육 내 근섬유의 다양한 배열

                   그림 3. 근육과 관절의 공간적 구조 특성에 의해 나타나는 다양한 형태의 지레 특성

근수축 작용에 의한 인체의 움직임이 일어나는 일련의 과정은 다음과 같이 요약할 수 있다.
중추 신경의 명령은 전기-생리학적 신호의 형태로 척수와 운동 신경을 거쳐 근육에
전달되며, 이 신호에 의해서 근형질세망 (sarcoplasmic reticulum, SR)으로부터
분비된 칼슘이온 (Ca2+)이 액틴 필라멘트의 특정 부위에 결합하면 생화학적
성분인 ATP를 연료로  마이오신 필라멘트가 교차결합(cross bridge)를 형성하게 되고,
이 결합을 통해서 규칙적으로 배열된 마이오신-액틴 필라멘트가 상호 작용을
일으키게 되고, 결과적으로 기계학적인 힘이 발현된다. 이렇게 발현된 힘은 근육과
직접적으로 혹은 건조직을 통해서 연결된 뼈로 전달되며, 이 뼈들이 구성하는 관절에서
“움직임”으로 나타나게 된다.

이와 같은 일련의 과정에 포함된 수많은 현상에 대하여 실험적/이론적 연구가
수행되고 있다. 무엇보다 분자/세포 수준에서 생화학 에너지원을 사용하여
기계학적인 힘을 발현하는 메커니즘 및 근육의 길이와 수축 속도에 따른 근력
발현 특성에 대한 연구가 핵심을 이루고 있으며, 근육의 구조 특성
(즉, 근육 내 근섬유의 배열[그림 2], 근육과 연결된 건조직의 특성과 상호 작용
및 관절과의 공간적인 구조 특성[그림 3])과 기능과의 연관성 대한 연구, 그리고
근육이 가지고 있는 중요한 특성인 부하 환경 적응성에 대한 연구, 더 나아가
우리가 의도한 움직임을 만들어 내기 위한 근신경 시스템의 “환상적”인 조절과
통제와 연관된 많은 연구도 진행되고 있다.

근육은 기계학적 자극에 민감하게 반응하는 것으로 잘 알려져 있다.
따라서 일반인에게 있어서 유소년기의 정상적인 성장 발달, 청장년기의 활발한
운동 기능 유지, 노년기의 삶의 질 확보를 위하여 건강한 근육-신경-골격계에 대한
유용한 정보를 제공하고 있으며, 지난 반세기 동안의 근운동역학의 눈부신
발전으로부터의 방대한 정보는 스포츠 분야에서 크게 활용되고 있다.
근운동역학은 기초 연구와 더불어 스포츠 현장에서 활용할 수 있는 트레이닝
프로그램 및 장비 개발, 운동 수행 능력 향상 등과 같은 응용 연구을 통해 향후 스포츠
과학의 진일보에 크게 기여할 것이다.

 

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