폴 버트와 존 스캇 할데인 : 감압 이론의 선구자
이 페이지에는 폴 버트와 존 스콧 할데인에 대한 배경 정보가 포함되어 있습니다. 두 사람은 감압병의 원인과 치료에 대한 확고한 과학적 기반을 구축한 두 사람입니다.
출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Paul_Bert
폴 버트(Paul Bert :1833 – 1866)
폴 버트는 1833년 오셰르(Auxerre)에서 태어났습니다. 엔지니어가 되겠다는 생각으로 파리의 에콜 폴리테크니크(the Ecole Polytechnique)에 입학했다가 마음을 바꿔 법학을 공부한 후 생리학을 전공했습니다. 1863년 파리에서 의학박사, 1866년 이학박사로 졸업한 후 보르도(1866)와 소르본(1869)에서 연이어 생리학 교수로 임명되었습니다. 1870년 혁명 이후 정치에 참여하기 시작하여 1874년 하원의원에 당선되어 극좌파 의원으로 활동했고, 1876년에는 하원의원에 당선되었습니다. 1881년에는 교육 및 예배부 장관이 되었습니다. 1886년 초 그는 인도차이나로 파견되어 안남(Annam)과 통킹(Tonkin)의 상주 총독으로 임명되었습니다. 5개월 후인 1886년 11월, 버트는 53세의 나이로 하노이에서 갑자기 이질로 사망했습니다.
폴 버트는 정치가나 행정가보다는 과학자로 더 많이 기억됩니다. 그의 고전적인 저서인 ‘La Pression barometrique(1878)’은 고기압과 저기압 모두에서 기압의 생리적 영향에 대한 지식의 토대를 마련했습니다.
폴 버트는 낮은 기압이 산악 등반가와 열기구 조종사에게 초래하는 문제에 관심을 갖게 되었습니다. 이를 계기로 그는 다이버들이 기압이 높아졌을 때 겪는 문제도 연구하게 되었습니다. 그는 이 분야에 대한 최신 연구 보고서를 검토했습니다. 그는 특히 알폰스 갈 박사(Dr. Alphonse Gal)가 그리스에서 다이빙을 하면서 겪은 경험에 큰 충격을 받았습니다. 갈 박사는 수중에서 신체가 어떻게 반응하는지 연구하기 위해 실제로 다이빙을 한 최초의 의사였습니다. 폴 버트는 갈 박사의 다이빙 경험과 부상 또는 사망한 다이버들에 대한 그의 보고서를 연구했습니다.
폴 버트는 연구와 실험을 통해 압력이 신체적으로 영향을 미치는 것이 아니라 혈액 내 산소 비율을 변화시켜 화학적으로 영향을 미친다는 결론을 내렸습니다. 산소가 너무 적으면 산소 결핍이 발생하고 너무 많으면 산소 중독이 발생합니다. 그는 고압의 순수한 산소가 치명적일 수 있음을 보여주었고, 오늘날까지 중추신경계(CNS) 산소 독성은 ‘폴 버트 효과’로 알려져 있습니다.
아마도 그의 가장 중요한 발견은 고압 하에서 질소가 미치는 영향이었으며, 이는 처음으로 감압병을 설명했습니다. 감압병의 원인을 조사하는 과정에서 폴 버트는 24마리의 개를 7~9기압(수심 87.5msw 또는 290fsw에 해당)의 압력에 노출시키고 1~4분 만에 급속히 감압했습니다. 그 결과 21마리가 사망했고, 한 마리만이 아무런 증상을 보이지 않았습니다. 9 기압의 압력에서 장치가 터진 한 사례에서는 사망이 즉각적으로 이루어졌고, 오른쪽 심장에 가스가 가득 차면서 몸이 엄청나게 팽창했습니다. 그러나 그는 또한 비슷한 압력에 적당한 기간 동안 노출된 개가 1~1.5시간 내에 서서히 압력이 완화되면 아무런 악영향을 받지 않는다는 사실을 발견했습니다.
그는 관찰된 증상이 혈액과 조직에 기포가 형성되었기 때문이라고 판단했습니다. 그는 또한 기포를 생성하는 기체로 질소를 확인했습니다. 그는 이어서 질소의 분압이 증가하여 질소가 신체 조직에 용해되고, 이후 압력이 감소하면 질소가 용액에서 나와 기포를 형성하게 된다고 설명했습니다. 이 연구 결과, 폴 버트는 다이버와 케이슨 작업자가 감압을 천천히 일정한 속도로 해야 한다는 결론을 내렸는데, 이는 혈액의 질소가 빠져나갈 시간뿐만 아니라 조직의 질소가 혈액 속으로 들어갈 시간도 허용해야 하기 때문입니다.
그는 또한 심해 잠수 후 감압하는 동안 잠수부를 수면의 중간 지점에서 멈출 것을 제안하여 현재 딥 스톱으로 알려진 개념을 최초로 제안했습니다.
폴 버트는 증상이 나타난 후 압축 공기 질환을 치료하는 방법에 대해 여러 가지 실험을 진행했습니다. 그의 실험에 따르면 일단 증상이 나타나면 케이슨이나 터널의 압축 공기 환경으로 되돌아간 다음 환자를 천천히 감압하면 증상이 완화될 수 있었습니다. 이것은 감압 질환을 치료하는 가장 효과적인 방법으로 밝혀진 재감압 치료의 시작이었습니다. 그는 또한 순수 산소를 호흡하는 것이 감압 질환의 증상을 완화하는데 매우 효과적이라는 것을 보여주었습니다. 동물 실험 중 하나에서 그는 다음과 같이 언급했습니다: “산소의 긍정적인 작용은 … 분명했다; 몇 차례 (산소를) 흡입한 후 고통스러운 증상이 사라졌다.”
이후 글에서 폴 버트는 산소가 효과가 있는 이유를 설명하려고 시도했습니다. 피실험자에게 질소가 없는 가스, 예를 들어 순수한 산소를 흡입하게 하면 확산이 훨씬 더 빠르게 일어나고 아마도 혈액에서 모든 가스(질소)가 사라질 정도로 빠를 것이라고 생각했습니다.
이것이 바로 산소가 감압 질환 치료에 매우 유용한 이유입니다. 버트는 산소 재압박 치료의 개념을 최초로 제안했지만, 실제 시행은 수년이 지난 후에야 이루어졌습니다.
출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/John_Scott_Haldane
존 스캇 할데인(John Scott Haldane : 1860-1936)
스코틀랜드의 생리학자 존 스콧 할데인은 현대 감압 이론의 아버지로 여겨집니다. 할데인은 감압 예측에 과학적 접근법을 적용한 최초의 과학자이며, 그의 방법은 대부분의 현대 감압 이론의 기초를 형성하고 있습니다.
할데인은 에든버러(Edinburgh)에서 유명한 집안에서 태어났습니다. 그는 에든버러 대학교(the University of Edinburgh)에서 의학 교육을 받고 1884년에 졸업했습니다. 졸업 후 그는 던디(Dundee)의 퀸즈 칼리지(Queen’s College : 당시 세인트 앤드루스 대학교의 일부)로 옮긴 후 옥스퍼드 대학교(Oxford University)로 편입했습니다. 옥스퍼드에서 그는 의학 강의를 하고 의학 연구를 수행했습니다. 1906년 존 길리스 프리스틀리(John Gillies Priestley 1880~1941)와 공동으로 호흡 반사가 산소 부족이 아니라 혈액 내 이산화탄소 과잉에 의해 유발된다는 사실을 발견했습니다.
말년에 할데인은 폐질환이 산업 노동자에게 미치는 영향에 대한 권위자가 되었고, 1912년에는 돈캐스터에 있는 광산 연구소 소장(the Mining Research Laboratory in Doncaster)으로 임명되었습니다. 할데인은 또한 저널 오브 하이젠(Journal of Hygene)을 창간했으며, 이 출판물을 통해 최초의 잠수 감압 테이블이 발표되었습니다. 할데인은 생전에 유기체와 환경(1917), 호흡(1922), 생물학자의 철학(1936)도 출간했습니다. 할데인은 1936년 폐렴으로 사망했습니다.
특히 다이버들 사이에서 가장 널리 기억되는 할데인의 업적은 감압에 관한 연구입니다. 1905년 할데인은 영국 해군의 심해 잠수 위원회로부터 잠수 작업의 여러 측면에 대한 연구를 수행해 달라는 제안을 받았습니다. 이 작업의 가장 중요한 측면은 당시 널리 알려진 ‘케이슨병’을 피할 수 있는 방법을 찾는 것이었습니다.
케이슨으로 알려진 가압식 교량 및 터널 건설 현장에서 일하는 남성들은 관절에 페인트가 끼는 증상을 호소하는 경우가 종종 있었습니다. 작업 깊이가 깊어지고 케이슨 내부의 압력이 증가함에 따라 증상의 심각성도 커졌습니다. 많은 사람들이 전신 마비를 겪었고 사망하는 경우도 빈번하게 발생했습니다. 연구와 실제 관찰 결과, 작업자들이 압력을 받고 호흡한 가스가 체내 조직으로 확산되고, 이 가스가 체내에 기포 형태로 나오면서 케이슨병, 즉 현재 우리가 감압병(DCS)이라고 부르는 병에 걸린 것으로 나타났습니다.
고압의 공기를 호흡하는 다이버들에게도 같은 증상이 나타났습니다. 다이버들은 처음에는 천천히 올라갔다가 수면에 가까워질수록 더 빠르게 상승하여 이러한 위험을 최소화하라는 지시를 받았습니다. 할데인의 연구 덕분에 우리는 이 방법이 잘못되었고 잠재적으로 위험하다는 것을 알게 되었습니다.
할데인은 쉽게 구할 수 있고 인간과 비슷한 크기의 염소를 대상으로 실험을 시작했습니다. 그는 염소의 신체가 명백한 부작용 없이 일정량의 과도한 가스를 견딜 수 있다는 사실을 발견했습니다. 2기압(10m/33fsw)의 압력을 받은 케이슨 작업자들은 아무리 오래 일해도 아무런 문제가 없었습니다. 마찬가지로 50msw(165fsw)까지 포화된 염소도 주변 압력의 절반으로 감압해도 DCS가 발생하지 않았습니다.
할데인은 기포의 형성은 분명히 질소가 있는 체액의 과포화 상태의 존재 여부에 달려 있다고 썼습니다. 그럼에도 불구하고 대기압의 과잉이 약 1/4기압을 초과하지 않을 때, 압축 공기에 노출된 시간이 얼마나 길었는지, 그리고 얼마나 빠른 감압을 했는지에 관계없이 기포로 인한 증상으로부터 완전한 면역이 있다는 풍부한 증거가 있었습니다. 따라서 과포화 상태가 총 압력 2.25기압에서 총 압력 1기압(즉, 지구 표면에 일반적으로 존재하는 압력)이상의 감압에 해당하지 않는 한 질소의 기포는 체내에서 방출되지 않습니다.
이러한 관찰을 설명하기 위해 할데인은 신체를 서로 다른 속도로 가스를 흡수하고 방출하는 조직 그룹으로 간주할 것을 제안했습니다. 즉, 모든 조직이 주변 압력에서 호흡 가스에 동시에 노출되지만 각 조직은 가스 압력에 다른 방식으로 반응한다는 뜻입니다. 그런 다음 그는 각 조직이 가스를 흡수하고 방출하는 방식을 설명하는 수학적 모델을 제안하고 조직이 견딜 수 있는 과압의 양에 제한을 두었습니다.
할데인은 혈액 내 질소 흡수와 방출을 모델링하기 위해 하프타임이라는 개념을 도입했습니다. 하프타임은 특정 조직이 기체로 절반 포화 상태가 되는 데 필요한 시간입니다. 그는 반감기가 5분, 10분, 20분, 40분, 75분인 5개의 조직 구획을 제안했습니다.
그는 또한 감압이 가장 가까운 곳에서 가장 위험하다는 것을 증명했습니다. 할데인의 연구에서 핵심적인 요소 중 하나이자 오늘날에도 여전히 중요한 것은 절대적인 깊이 변화보다는 상대적인 압력 차이가 중요하다는 것을 밝혀냈다는 점입니다. 우리가 잘 알고 있듯이, 60m에서 상승하는 다이버는 수심 25m까지 35m를 이동해야 절대 압력이 절반으로 줄어들지만(7bar에서 3.5bar로), 20m에서 같은 결과를 얻기 위해서는 수심 5m까지 15m만 상승하면 됩니다(3bar에서 1.5bar로). 따라서 4기압에서 2기압으로, 또는 6기압에서 3기압으로 급격히 압력을 낮추는 것이 2기압에서 1기압으로 낮추는 것만큼이나 안전할 것 같다고 그는 썼습니다. 이 경우 단계별 감압 시스템이 가능하여 다이버가 균일한 속도로 올라올 때보다 훨씬 더 빠르게 폐를 통해 과잉 질소를 제거할 수 있습니다. 고압에 노출되는 시간도 해저에서 작업할 수 있는 기간을 단축하지 않고도 매우 단축할 수 있었습니다.
할데인은 또한 자신의 연구를 바탕으로 다이버가 수면에 접근할수록 상승 속도가 느려지는 실용적인 다이빙 테이블을 개발했습니다. 이 연구 결과와 할데인의 다이빙 테이블은 1908년 의학 저널에 발표되었습니다(Boycott, A.E., Damant, G.C.C., and Haldane, J.S. “The Prevention of Compressed Air Illness,” Journal of Hygiene, Volume 8, (1908), pp. 342-443.).
해군성 심층 잠수 위원회의 보고서에 따라 위원회의 결론을 대중에게 공개할 수 있는 청서 형태로 발표하기로 결정했습니다. 이 결론은 보편적으로 받아들여졌고 영국과 해외의 모든 잠수 작업의 기초가 되었습니다. 1912년 미 해군은 보이콧, 데만트, 할데인이 발표한 표를 채택했고 이 표는 1956년까지 모든 미 해군 다이버들이 사용했습니다.