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38장 동물의 기체교환(호흡)
호흡과 세포호흡
▶ 동물이 필요로 하는 산소를 얻는 과정을 호흡(breathing) 또는 숨쉬기라 하는데, 과정을 통해 기체교환이 이루어진 다.
▶ 기체교환으로 세포호흡(cellular respiration)에 필요한 산 소가 세포에 공급되고 이산화탄소는 배출된다. 흡수된 산 소는 미토콘트리아에서 생체에너지인 ATP를 생산하는 산화적 반응에서 최종 전자수용체로 사용된다.
38.1 호흡, 기체교환이란?
호흡매개체와 호흡표면
▶ 호흡매개체인 공기는 또 다른 호흡매개체인 물보다 40배 정도 높은 농도의 산소분자를 포함하고 있다.
▶ 산소는 물속보다 공기 중에서 빨리 확산된다. 공기는 물 보다 밀도가 낮고 점도가 낮아서 기체교환 표면을 지나는 데에 필요한 에너지가 상대적으로 적다.
▶ 수생동물에서의 호흡매체는 물이고 육상동물에서의 호 흡매체는 공기이다.
▶ 육상동물은 호흡표면이 마르는 것을 방지하도록 습한 호 흡표면을 지니게 적응되었다.
▶ 호흡표면은 한 층의 상피세포로 형성되는데, 몸과 호흡 매체 사이의 경계면을 이룬다.
▶ 호흡표면은 매우 얇아 확산율을 증진시키고 표면적이 넓 어서 확산할 수 있는 면적이 늘어나 호흡매체로부터의 O2 가 효과적으로 호흡표면을 가로질러 들어가고 CO2는 효 과적으로 방출된다.
기체교환을 위한 호흡계의 특징
▶ 기체교환은 호흡표면 바깥 면에서 일어나는 호흡매체의 흐름이다.
▶ 호흡표면 내부에 혈액 또는 여러 액체들이 끊임없이 흘 러 내부와 외부 사이에 O2와 CO2의 확산이 지속된다.
▶ 대부분의 동물은 호흡표면적을 증가시켜서 교환되는 기 체의 양을 증가시킨다. 폐의 경우, 수많은 폐포를 지니고 각 폐포에는 또한 수많은 주름들이 있어 호흡표면적이 매 우 넓다.
38.2 동물은 종에 따라 호흡을 위해 각기
다른 적응 장치를 갖는다
아가미
▶ 아가미로 호흡하는 수중동물은 피부로 호흡하는 동물보 다 효과적으로 기체교환한다.
▶ 내부아가미 vs. 외부아가미
- 내부아가미를 갖는 동물인 오징어, 상어, 연체동물, 대 부분의 갑각류, 조개류 등은 덮개로 아가미를 보호할 수 있어 다양한 서식지에서 산다.
- 보호덮개가 없는 외부아가미를 가진 수중동물인 환형 동물, 연체동물 등은 비교적 잘 보호 받을 수 있는 수생 환경에서만 제한적으로 산다.
▶ 역류교환
- 내부 아가미를 갖고 있지 않은 많은 동물들은 역류흐름 을 이용하여 기체교환을 최대화한다.
- 물에 녹아 있는 O2가 아가미를 통해 흐르면서 이와 반 대방향으로 흐르는 탈산소화된 혈액으로 O2가 확산된 다.
- 역류교환을 통해서 아가미 위를 흐르는 물의 O2 양 중 80~90%가 흡수된다.
곤충의 기관계
▶ 곤충은 기관계를 통해 기체를 교환한다.
▶ 기관들은 동물의 외부 상피세포의 함입으로서, 곤충의 외골격 물질인 키틴으로 둘러싸여 강화되고 보호된다.
▶ 기관은 몸 표면에서 시작하여 동물 내부로 광범위하게 가지를 치고 있다.
▶ 기관계에서 밖으로 통하는 기문이라는 구멍을 통해 공기 가 출입한다.
▶ 기문은 기낭을 압축 또는 팽창시켜 공기를 기관계 안팎으 로 펌프하는 몸운동을 통해 열리고 닫힌다.
▶ 기관의 미세한 가지들을 기관세지라 하는데, 이것이 곤 충의 호흡표면을 형성한다.
▶ 공기는 기관세지의 끝 부분까지 수송되고 기체교환은 이 말단부에 접촉하고 있는 세포들의 원형질막을 가로질러 일어난다.
폐를 통한 기체교환
▶ 폐는 몸 안에 위치해 있으며 함입된 구조를 갖는다.
▶ 양서류, 조류, 포유동물의 폐는 수많은 주머니와 주름을 가지고 있어 호흡표면적이 넓고 호흡표면에 조밀한 모세 혈관망이 있다.
▶ 포유류의 경우 코를 통해 들어온 공기는 후두와 인두를 지나 기도, 기관지, 소기관지 그리고 기체교환이 일어나 는 장소인 폐포까지 이동한다.
▶ 각 기관의 역할과 특징은 다음과 같다.
- 내쉬는 공기가 후두에 있는 한 쌍의 성대를 통해 나간 다.
- 후두로부터 C자형 연골로 둘러싸인 기도로 공기가 이 동
- 기도는 2개의 기관지로 나뉘어 좌우로 연결된다.
- 소기관기는 좀 더 가는 기관지이다.
- 폐포는 소기관지 끝부분의 공기주머니이다.
숨쉬기의 방식
▶ 폐어와 양서류는 입에 공기 압력을 형성하고 기도를 통 해 집어넣는 양압을 이용하여 폐를 환기시킨다.
▶ 파충류와 포유류는 체내 공간에 음압을 형성하여 숨을 쉰다.
▶ 새들은 폐 외에도 8~9개의 공기주머니가 있어 폐에 공기 가 계속 흐르도록 한다. 공기는 폐를 한 방향으로 흐르기 때문에 매번 공기를 들이마실 때마다 폐에는 새로운 공기 가 들어차게 된다.
38.3 숨쉬기, 폐의 환기
포유동물의 호흡계
▶ 코에는 콧털과 점막, 입에는 점막이 있어 공기 안에 있는 먼지나 이물질을 가두어둔다.
▶ 안쪽에 체온과 습기로 인해 공기가 따뜻하고 습해지게 된다.
▶ 그 이후로 공기는 인두 → 후두 → 기관지 → 소기관지
→ 폐포로 이동하게 된다.
▶ 비근육성 관인 인두, 기관, 기관지 등은 링 모양 연골이 있어서 압축으로부터 보호받는다.
▶ 코, 인두, 기관, 기관지 내면의 상피조직은 섬모를 지니 고 점액을 분비하는 세포들이 있다. 이런 점액은 박테리 아, 먼지, 꽃가루 같은 이물질을 고정하여 섬모의 박동에 의해 목구멍 위로 이동시키는 역할을 한다.
인간의 호흡 역학
▶ 공기를 들이마실 때에, 횡격막이 아래로 수축하고 갈비 뼈 사이에 있는 외늑간근의 수축으로 인해 갈비뼈를 바깥 쪽과 위쪽으로 끌어당겨 폐의 공기압을 대기의 공기압보 다 낮춰 대기의 공기가 폐로 들어가게 된다.
▶ 내쉴 때에는 횡격막과 갈비뼈 사이에 있는 근육이 이완 되어 폐의 탄력성 반동으로 공기가 방출된다.
▶ 일회호흡량은 호흡 시 폐에 들어가고 나오는 공기의 양 으로 사람의 경우 대개 500 mL 정도이다.
▶ 폐활량은 운동이나 흥분에 의해 몸의 산소 요구량이 늘어 날 때 일회호흡량으로 폐가 최대로 채워진 후 뱉어낼 수 있는 최대부피이다.
▶ 정상 호흡 후에 폐에 공기가 남아 있게 되는데 이 공기의 부피를 잔기량이라 한다.
호흡조절중추, 연수와 뇌교
▶ CO2의 증가, H+, 매우 낮은 O2 농도 등에 이들 중추의 민 감한 화학수용기가 자극을 받는다.
▶ O2와 CO2는 폐포와 혈액 사이에서 확산으로 교환된다.
기체의 압력이 확산의 방향과 속도를 결정한다.
▶ 기체혼합물에서 각 기체는 마치 하나의 기체만 있는 것 처럼 분압을 나타낸다.
기체교환과 수송 메커니즘
▶ 기체교환은 분압의 차이에 의해 일어난다.
▶ 대기압은 760 mmHg이고 대기 중의 O2의 비율이 21%이 면 O2의 분압(pO2)은 760 × 21/100 = 160 mmHg이다.
▶ 폐로 가는 탈산소화된 혈액의 O2 분압은 폐에 있는 CO2 의 분압보다 항상 낮고, CO2는 그 반대이다. 따라서 O2는 폐에서 혈액으로 CO2는 혈액에서 폐로 이동한다.
38.4 호흡색소와 기체분자의 수송
O 2 는 체액에 용존되는 정도가 낮아 확산만으로 체액을 통해 이동하려면 매우 비효율적이다.
▶ O2와 기체의 수송을 효율적으로 수행하는 것이 호흡색소 의 역할이다.
▶ 기체분자는 호흡색소에 결합하여 이동한다.
▶ 호홉색소는 기체분자의 수송을 도와주고 pH 변화에 대 한 완충 역할을 한다.
▶ 대부분의 절지동물과 연체동물들이 구리를 함유한 헤모 시아닌, 척추동물과 여러 무척추동물들이 철을 함유한 헤 모글로빈을 가지고 있다.
헤모글로빈(Hb)
▶ 적혈구에 Hb이 존재한다.
▶ Hb에는 4개의 헴(heme)그룹이 있고 헴그룹에는 O2와 가역적 으로 결합할 수 있는 철분자가 있다. 따라서 Hb 한 분자는 4개 의 O2와 가역적으로 결합할 수 있다.
▶ pH가 떨어지면 Hb의 O2에 대한 친화도가 떨어지는 현상인 보 어효과를 나타난다.
▶ Hb은 CO2의 수송도 일정 부분 담당한다.
호흡의 달인들
▶ 가지뿔영양은 많은 양의 O2를 사용할 수 있어서 장시간 빠른 속도로 달릴 수 있는 능력이 있다.
▶ 공기로 숨을 쉬는 잠수동물들은 한번에 많은 양의 공기 를 마시고 천천히 소모한다.
