다이빙과 산소중독

산소(Oxygen : O2)는 생명을 지탱하는데 필수적인 기체이지만,

한편으로 너무 적은, 혹은 너무 많은 산소는 인체를 죽음에 까지 몰고 가는 손상을 입힐 수도 있다.

 

정상적인 대기압 아래에서 공기는 21%의 산소와 79%의 나머지 기체들로 이루어져 있다.

물론 산소는 여하한 압력하에서도 독성을 가지고 있지만,

놀랍게도 인간의 신체는 정상 압력 아래 에서 산소의 독성을 제어할 수 있는 방법을 발전시켜 왔기 때문에 우리가 보통 숨을 쉴 때는 산소의 독성으로부터 자유로운 것이다.

 

최근의 조사에서는 다이빙과 연관되지 않는 육상의 질병에 있어서도 많은 부분이 산소 중독과 연관되어 있다는 것이 밝혀져서 산소의 독성에 대한 연구의 많은 진보가 이루어지고 있다.

 

호흡된 산소를 혈관 내부로 운반시키는 헤모글로빈이 산소와 결합하는 방법은 매우 효율이 높은 것이어서 산소의 분압이 0.16 이하로 떨어지기 전까지는 분압의 변화가 실제로 혈액으로 전달되는 산소의 양을 크게 변화시키지 않는다.
이는 우리가 비행 혹은, 고산 지대에 오르는 활동을 한다는 점에서 얼마나 다행스러운가?

 

산소 분압이

0.15(약 0.7 대기압)과 힘든 일을 할 때 대개의 사람이 졸림을 경험하고,

0.10 이 되면 가만히 휴식하는 것도 힘들어 진다.

0.10 보다 더 낮은 분압(약 1/2 대기압)은 의식을 잃게 만들고 죽음을 초래한다.

 

폐에 결함이 있는 사람의 경우(예를 들어 10년간 매일 한 갑 이상의 담배를 피운 사람)은 산소가 부족함(hypoxia)에 의해서 생기는 증상이 더욱 강하고 빠른 속도로 진행된다.

 

필리핀 팔라완에서..

<사진: 엉터리>

 

다이버에게 산소의 결핍 상태를 우려해야 할 만 한 일이 있는가?

 

통상적인 상태에서 한 가지 상황이 우려 된다.

공기가 채워진 공기 탱크 안에 수분이 있는 상태에서 장기간 방치해 두는 경우에는  

탱크 내부의 수분이 탱크를 산화시키는데 필요한 산소가 탱크를 부식시키므로 산소를 소모시킨다.

알루미늄과 철제 탱크 모두 산화될 수 있지만,

알루미늄의 경우 산화 코팅으로 탱크 내부가 보호되어 있어 산화를 막고 있다.

철제 탱크는 산화가 진행 됨에 따라 산화된 표피는 일어나고 그 아래 부분이 드러나게 되어 산화의 진행이 계속이루어 진다.

그래서 심지어는 겨울철 내내 탱크를 방치 해 두었다면 산소가 전혀 남아 있지 않게 될 것이다.

외지의 기사에 따르면 전년도에 채워진 탱크를 가지고 다음해 봄에 첫 다이빙을 즐기려던 몇몇 사람들이 산소 결핍으로 사망했다는 뉴스가 있다.

이들은 아마도 하강을 진행하는 과정에서 산소 결핍으로 의식을 잃게 되었을 것이고,

음성 부력을 가진 상태에서 그 진행 속도가 점점 빠르게 하강하여 순식간에 목숨을 잃게 되었을 것이다.

이런 불상사를 막기 위해서는 겨울 동안, 혹은 다른 이유로 장기간 공기 탱크를 방치하였을 경우에는 반드시 새로이 공기를 채워서 다이빙 해야 한다.

 

한편 인간의 신체는 산소 분압이 0.45(약 11m 수심)에서 1.6사이(약 11m에서 66m사이 수심)에서는 그 중독은 폐를 중심으로 일어나게 되는데,

이의 진행은 여러 시간이 걸리므로 인체에서는 별탈없이 지내게 된다.

하지만 이보다 산소의 분압이 높아지거나 낮아질 경우에 독성이 심하게 나타나게 되는데,

1.6 이상의 분압 상태에서의 독성은 뇌를 중심(이런 경우를 CNS라고 함)으로 수분 내에 발전한다.

 

일반 압축공기를 사용하는 스포츠 다이버의 경우 이러한 산소의 독성에 의한 문제는 그다지 우려할 만한 것이 아니다.

왜냐하면 문제가 될 정도의 분압 상태에서 손상을 입을 정도로 긴 시간 노출 될 염려가 없기 때문이다.

그리유는 산소중독이 오기 전에 이미 질소에 의한 마취의 염려 때문에 스포츠 다이빙의 활동 한계를 일반적으로 100피트 이내로 두고 있기 때문이다.

이 수심에서의 산소 분압은 약 0.84 정도로 CNS의 진행은 이루어지지 않는다.

또한 다이버가 짊어지고 들어가서 물속에서 사용할 수 있는 공기의 양은 제한적이어서 폐에서의 중독이 진행되기에도 시간이 충분하지 않다.

 

하지만 최근 들어 재압 과정에서의 잦은 산소의 이용, 그리고 Nitrox(산소 40%와 질소 60%로 된 기체)의 사용이 증가함에 따라 위험의 여지는 증가하고 있으며,

따라서 우리가 산소 중독에 대해 주의깊게 이해를 해야 할 필요성이 높아지고 있다.

 

산소의 공기 부피의 20.9%를 차지하고 있는 무색, 무미, 무취의 기체이다.

이러한 산소가 일으킬 수 있는 독성은 산소의 분압, 시간과 개인적 특성에 따르며,

같은 사람의 경우에도 매번 다른 반응을 보일 수 있다.

 

그러나 기본적으로 이는 세포 조직에 작용하는 산소의 분압에 관련된 문제이며,

긴 시간 동안 높은 분압의 산소에 노출된 세포는 반드시 죽는다.

우리가 물론 살아 있고 숨을 쉬는 동안에도 중독의 영향에 대해 주의를 해야 하는 두 부분이 있는데,

이는 뇌와 허파로,

이에 대한 중독은 다른 부분에 중독에 의한 영향이 미치기 전에 먼저 우리를 무기력한 상태로 몰고 갈 수 있다.

일반적으로 산소의 독성에 대한 세포의 수용 정도는 신진 대사의 속도에 연관된다.

 

산소의 독성은 산소 자체에 의한 것이라기보다는 "산소기(Oxygen radicals)"에 의한 것이다.

산소기는 여러 가지 예가 있는데,

이들은 산소 분자 사이의 충돌이나 신진 대사 과정에서 형성된다.

이것은 언제나 계속적으로 진행되는 과장에 있고 세포들은 이것을 다루는 자체적인 방식이 있지만,

산소의 분압이 지나치게 높아질 경우 산소기의 숫자가 너무 많아지게 되고,

이는 세포의 자체 방어 능력을 저하시켜 손상이 일어나게 된다.

세포에 손상을 입히는 과정에 산소기가 개입되는 화학적인 반응은 수없이 많지만,

크게는 세 가지 경로에 의해 세포에 상처를 입히게 된다.

 

첫째는 효소를 무력화시키는 것이다.

효소는 인체의 정상 체온에서는 일어날 수 없는 반응을 일으키기 위해 촉매의 역활을 수행하는 단백질이다.

이들 효소는 두 개의 분자를 묶어 두고서 반응이 서로에게 바른 방향으로 일어나게 지도한다.

하지만 효소의 형태가 바뀌게 되면 두 분자들이 제대로 된 방향으로 위치하지 못하게 되고 반응은 일어나지 않는다.

산소기는 효소의 형태를 변형시키는 데 개입하는 성질이 있고,

따라서 효소를 무력화시킬 수 있다.

또한 산소기는 세포막을 통과하면서 세포 안팎으로 이온을 운반하는 책임을 지는 단백질을 변형시킨다.

결과적으로 산소기는 세포의 내부를 과산화 상태로 끌고 가게 된다.

산소로 호흡을 하는 동물들의 모든 세포는 산소기를 무력화시키는 동시에 이들에 의해 생긴 손상을 복구할 수 있는 자체적인 시스템을 가지고 있다.

이는 효소를 이용하는 것으로 주로 산소기를 황과 결합시켜 세포를 공략할 기회를 줄이는 것이다.

 

산소가 뇌와 폐에 일으키는 독성에 대해 알아보기로 한다.

이미 밝혀 두었듯이 산소 분압이 0.45에서 1.6에 있을 때 독성의 효과는 주로 폐를 중심으로 일어나고 ,

1.6 이상에 이르면 그 효과는 뇌를 중심으로 진행되게 된다.

 

폐 중독(pulmonary O2 toxicity)의 초기 징후는 목(trachea, 기도) 부위의 가벼운 자극 혹은 염증의 형태로 나타나게 되며,

이 상태는 호흡을 깊게 함에 따라 점차 심해진다.

이어서 가벼운 기침이 나타나게 되며 염증과 진통, 그리고 기침은 점점 강해져서 호흡이 매우 고통스럽게 느껴지며,

기침은 더 이상 참을 수 없는 정도까지 진행이 된다.

만약 이 상태의 사람이 계속 산소에 노출된다면 가슴이 죄어지는 느낌을 받게 되고,

호흡이 힘들어지며 따라서 숨이 가빠지게 된다.

그 이상 긴 시간 동안 노출된다면 산소의 부족으로 죽음에 이르게 된다.

이러한 폐 손상의 진행은 산소가 폐를 통하여 혈액 속으로 진입하는 것을 불가능하게 만든다.

이런 징후가 시작되는 시간은 차이가 크지만,

일반적으로 미약한 징후가 나타나기까지 산소 분압 1.0에서 약 12∼16시간, 1.5에서 8∼14시간, 2.0에서 3∼6시간 정도를 견딜 수 있다.

폐에서 진행되는 산소 독성의 영향을 추적하는 여러 가지 방법이 있지만,

가장 예민하고 정확한 것은 징후의 발전을 통하여 알아내는 것이다.

 

두번째 방법은 폐활량(vital capacity or breathing capacity : 한 번의 큰 들이키는 숨으로 들이킬 수 있는 공기량)을 조사하는 것이다.

폐활량은 폐 중독이 진행되어 감에 따라 감소하게 된다.

약 2%의 폐활량 감소는 미약한 징후에 유추 해석되며,

10%의 감소는 자연적으로는 도저히 산소를 흡수할 수 없는 심각한 손상으로 해석된다.

미약한 징후들은 완벽히 역전이 가능하고 이에 따른 영구한 손상은 없다.

하지만 이보다 심한 손상의 경우 치유하는 데 12일 정도가 필요하게 된다.

폐에 발생하는 산소 중독의 병리학 이론은 이미 과학적으로 확립되어 있다고 할 수 있다.

 

폐 중독을 추적하는 세번째 방법은 산소에 대한 노출을 수치로 따라가 보는 것이다.
이 기법은 폐의 단위 독성 흡수량(UPTD : Unit Pulmonary Toxic Dose)을 계산하는 것이며,

1.0 대기압 하에서 100% 산소를 1분간 흡수하는 것과 같은 효과를 말한다. 예를 들어 일일 615UPTD는 폐활량 2% 감소를 일으키며, 1425단위는 10%의 감소를 유발시킨다.

UPTD를 계산하는 방법에는 여러 가지가 있지만,

개인에 따라 많은 차이가 있기 때문에 징후로 판단하는 것이 여전히 최고의 방법인 것이다.

 

UPTD를 이용하는 것이 매우 유용한 경우는 여러 날 동안 여러 차례의 다이빙을 하면서 모두 다 많은 양의 산소 감압을 해야 할 다이빙을 계획하는 경우이다.

하지만 이러한 경우에도, 다이버에게 폐 중독의 징후가 보일 때에는 즉시 계획을 바꿔야 한다.

폐 중독을 예방하는 최선의 방법은 산소에 대한 노출을 가능한 가장 낮은 분압 하에서 가장 적은 시간 동안으로 제한하는 것이다,

우리가 공기를 이용하여 다이빙을 하고 최대 수심을 130피트로 제한한다면,

산소의 독성이 문제를 일으킬 기회는 거의 없을 것으로 보인다.

폐 중독을 막을 수 있는 또 다른 방법은 "air breaks"(산소로 호흡하는 중간에 공기로 호흡하는 시간을 갖는 것)를 취하는 것이다.

세포에 대한 손상은 누적되는 것이어서,

만약 중간 중간 5분씩 공기 호흡을 하면서, 25분씩 산소에 노출된다 하여도 누적되는 손상에 의해 세포가 망가질 수 있다.

 

경험적인 자료로 볼 때,

산소 호흡에 비례하여 공기로 호흡하는 시간을 계속적으로 늘려 주면 다이버가 산소 중독에 대해 두 배 이상 긴 시간을 견뎌 낼 수 있다.

뇌에 대한 손상은 짧은 시간 동안 높은 산소 분압하에 노출됨으로써 유발된다.

일반 공기로 호흡할 경우,

218피트에 이르기 전에는 산소 분압이 1.6까지 높아지지 않는다.

그러므로 뇌에 대한 산소 중독은 일반 다이빙에는 해당되지 않는다.

하지만 그렇다고 해도 점점 더 많은 다이버들이 Nitrox를 이용하고 있고,

한편으로는 40%로 산소량을 높인 혼합 기체로 호흡할 경우 99피트에서 산소 분압이 1.6에 이르게 되며, 100% 산소를 이용할 경우 단지 20피트만 내려가도 1.6에 다 다르게 된다.

 

따라서 뇌에 대한 산소의 독성은 일부 스포츠 다이버에게 문제가 될 수 있으며,

연구 목적이나 상업적으로 다이빙을 하는 다이버의 경우 치명적인 문제가 된다.

 

산소에 의한 뇌 손상의 최초 징후이며 가장 위험한 징후는 매우 비정상적인 경련, 혹은 발작이다.

산소 손상을 말하는 여러 증세나 징후가 있기는 하지만,

그 어느 것도 발작이 곧 이어 일어날 것이라고 시종일관 경고해 줄 수 있는 것은 없다.

산소가 지나치게 많어져야 발작이 시작되고 일반적인 경련을 동반하는 과산소 상태는 문제될 것이 없기 때문에 산소 독성에 의한 발작이 어떤 영구적인 손상을 만들어낸다고 보이지는 않는다.

하지만 물 밑에서 다이버가 발작을 일으키게 될 경우 익사의 위험이 있으며,

기도가 막힌 상태에서 급상승 하다가 공기색전증(pulmonary barotrauma)에 처하게 될 수도 있다.

 

뇌 손상의 징후가 나타나기 전까지 각 개인이 견디어낼 수 있는 산소의 양은 사람에 따라 많은 차이가 있으며, 그 환경에 따라 큰 차이가 있다.

어떤 다이버가 높은 산소 분압 아래에서 여러 차례 다이빙을 무사히 끝낸 경우 그는 자신이 산소의 독성에 대해 아주 강하다는 그릇된 결론을 스스로 내리는 오류를 범할 수 있다.

그런 다음에 아무런 이유도 없이, 낮은 산소 분압 아래서 행하는 다이빙 도중 갑작스런 산소 중독으로 고통받게 될 수 있다.

 

일반적으로 사람들은 물 속에서보다는 건조한 챔버 안에서 산소를 견디어 낸다.

실제로, 많은 다이버들이 챔버 안에서 2시간 동안 66피트에 해당하는 3기압 하에서 산소를 아무런 문제없이 견디어 냈다.

하지만 수중에서의 연습 도중에는 산소 분압 1.6에도 미치지 않는 상태에서 몇몇 다이버들이 발작을 일으켰다.

한편, 챔버에서의 테스트 중에는 때때로 시야가 터널에서 처럼 보인다든지, 근육 경련이 발생했는데,

이는 수중에서 최초의 징후가 발작인 것과는 차이가 있다.

발작이 시작되면서 의식이 상실되고 근육이 이완된 상태가 약 30초에 걸쳐 진행된다.

그 후 전신의 모든 근육은 약 1분간에 걸쳐 심하게 수축된다.

다이버는 이제 매우 급하게 호흡을 하기 시작하고 그후 수분에 걸쳐 매우 혼란스런 상태에 놓이게 된다.

 

쉽게 상상할 수 있듯이, 다이빙 중에 이런 상태를 당하게 되면 대개는 죽음에 이르게 된다.

특히 앞에서 간략한 여러 징후를 말했었는데,

실제 수중에서는 모든 것이 일어날 가능성이 상존된다.

뇌에 대한 산소 중독의 위험을 가중시키는 몇가지 것들이 알려져 있다.

 

우선 두가지로, 깊이 다이빙하는 것과 물 속에서 과도하게 힘을 쓰는 것이 그 둘이다.

힘을 많이 쓰게 되면 신체 내의 이산화탄소 분압이 상승하게 되고,

이는 뇌로 향하는 혈액의 양을 증가시킨다.

이러한 이산화탄소의 분압을 증가시키는 다른 원인으로는 정상적인 호흡을 참으면서 숨을 쉬거나,

이산화탄소가 많이 포함된 기체를 호흡하는 것이다,

스트레스의 증가, 그리고 아드레날린 , 아트로핀, 아스피린, 암페타인이나 다른 자극제의 증가는 중독의 위험을 높이는 것으로 보인다.

 

CNS를 방지하는 약품은 없다.

동물 실험에서 경련을 방지할 수는 있었으나, 오랜기간 지속된 발작으로 인한 뇌 손상이 발견되었다.

가장 효과적인 방지 방법은 산소 분압의 증가 및 시간을 제한하는 것, 그리고 산소 호흡의 중간에 공기로 숨을 쉬는 시간을 가지라는 것이다.

 

일반적인 지침은 감압 기간중 산소 분압이 2.0을 넘지 않게 하라는 것과

100% 산소로 20피트(산소 분압 1.6) 를 넘지 말라는 것이다.

활동적인 잠수 도중 산소 분압이 1.6을 넘어서는 안 되므로,

1.5에서 1.3까지의 낮은 제한을 두어야 할 것이다.

만약 우리가 높은 산소 분압 아래에서 잠수를 하고 싶다면,

반드시 적합한 교육과 훈련을 받아야 할 것이다.

 

어찌 되었든 모두들 즐겁고 안전한 다이빙을 즐겨야 할 것이며,

우리가 넘어서는 안 되는 선을 의미하는 것이지 "모든 다이빙은 위험하니 하지 맙시다."라고 말하는 것이 아니라는 점을 알아두시기 바란다.

 

[출처] 다이빙과 산소중독|작성자 범고래