CHAPTER 21 Unifying Concepts of Animal Structure and Function

신장은 매일 욕조를 채울 만큼의 피를 여과시킨다 겨울잠을 잘 동안, 다람쥐의 체온은 30ºC 정도 낮아질 수 있다.

사람의 신경세포는 1M까지 되기도 한다. 귀, 코끝을 구부려도 아프지 않은 이유는 연골에 신경과 혈관이 없기 때문이다.

BIOLOGY AND SOCIETY: KEEPING COOL 축구 선수가 방금 격렬한 경기를 마쳤다 몸에선 열이 나지만, 체온은 크게 올라가지 않는다 땀의 증발이 피부를 냉각시킨다 호흡 시 더운 공기가 방출된다 피하 혈관이 확장하며 열기를 내보낸다 극한 상황에서, 그의 신체는 체온 조절 기능을 상실할 수도 있다 이 상태가 일사병(heat stroke)이다

THE STRUCTURAL ORGANIZATION OF ANIMALS 생명체는 유기체의 위계적 단계로서 설명될 수 있다 동물에서는 개개의 세포(cell)들은 조직(tissue)으로 무리 지어진다 조직은 모여서 기관(organ)을 형성한다 기관은 조합되어 기관계(organ system)가 된다 기관계들은 전체 유기체(entire organism)를 구성한다

(b) Tissue level: Cardiac muscle (a) Cellular level: Muscle cell (c) Organ level: Heart (e) Organism level: Multiple organ systems functioning together (d) Organ system level: Circulatory system Figure 21.2

Form Fits Function 생물학적 구조를 분석함으로써 해당 기관의 기능에 대한 단서를 얻을 수 있다. 생물학자들은 해부학(anatomy)과 생리학(physiology)을 뚜렷하게 구분한다 해부학은 유기체의 구조를 다룬다 생리학은 유기체 구조의 기능을 다룬다 Figure 21.3

조직 (Tissues) 대부분의 다세포 동물에서 세포들은 모여서 조직을 구성한다. 조직은 어떤 특정한 기능을 수행하는, 구조적으로 유사한 세포들의 집합체이다.

Epithelial Tissue 상피조직(Epithelial tissue)은 단순히 상피(epithelium)라고도 한다. 신체의 외부를 덮는다 신체의 기관과 내강을 둘러싼다 상피조직은 치밀하게 밀집된 세포들의 층들로 구성되어 있다 세포들은 넓게 이어진 층을 구성하며 고정되어 있다 신체 외부의 상피조직은 계속해서 새 것으로 바뀐다

Organs lined with epithelial tissue: Epithelial cells Organs lined with epithelial tissue: Heart and blood vessels Respiratory tract Digestive tract Epidermis Genitourinary tract Figure 21.4

Connective Tissue 연결조직(Connective tissues)은 세포 외 기질(extracellular matrix)로 채워진 공간 안에 세포들이 성기게 존재한다. 기질(matrix)에는 단백질 섬유(protein fiber)가 포함되어 망상(web) 구조를 형성하고 있다. 연결조직의 구조는 그 기능과 관련 있다 다른 조직들을 연결하고 지지한다.

성긴연결조직(Loose connective tissue)은 가장 널리 분포하는 연결조직이다 상피조직과 그 내부의 조직을 연결 체내 기관들을 제자리에 고정 지방조직(adipose tissue)은 지방질(fat)을 저장한다 에너지 저장의 기능 외부 환경에 대해 충격 흡수 및 보호기능 혈액(blood)은 액체 기질을 포함하는 연결 조직이다 적혈구, 백혈구는 혈장 내에 부유하며 존재한다

섬유성연결조직(fibrous connective tissue) 은 치밀한 구조인 콜라겐(collagen) 기질을 포함한다 힘줄(tendon)과 인대(ligament)를 구성 연골(cartilage)의 기질은 튼튼함과 동시에 탄력이 있다 유연한 골격의 일종으로 기능한다 척추동물(vertebrae)의 척추(spinal column)에서 충격 흡수판을 형성한다 뼈는 탄력 있는 연결조직의 기질이 칼슘의 축적으로 경화되어 존재한다.

(a) Loose connective tissue (under the skin) (b) Adipose tissue Fat droplets Cell Collagen fiber Other fibers Cell nucleus (a) Loose connective tissue (under the skin) (b) Adipose tissue White blood cells Plasma Red blood cell (c) Blood Cell Collagen fibers Central canal (d) Fibrous connective tissue (forming a tendon) Cells Matrix Matrix Cells (e) Cartilage (at the end of a bone) (f) Bone Figure 21.5

Muscle Tissue 근육조직(muscle tissue)은 근섬유(muscle fiber)라고 불리는 가늘고, 길고, 원통형으로 생긴 세포들로 구성된다. 모든 세포는 특화된 단백질이 존재하여 신경 자극에 따라 수축이 가능하게 된다

Unit of muscle contraction Muscle fiber Nuclei Unit of muscle contraction (a) Skeletal muscle Nucleus Junction between two cells Muscle fiber (b) Cardiac muscle Nucleus Muscle fiber (c) Smooth muscle Figure 21.6

평활근(smooth muscle)은 띠의 무늬가 나타나지 않기 때문에 이름 붙여졌다 골격근은 힘줄에 의해서 뼈에 부착된다 자발적 움직임(voluntary movement)에 관련 수축에 관련된 장치는 각 세포, 혹은 각 근섬유 마다 띠의 형태로 존재한다 띠의 무늬가 나타난다 (striated, or striped) 심장근은 심장조직에서만 나타난다 심박(heartbeat)은 심장의 수축으로 인한 것이다 심장근세포(cardiac muscle cell)들은 서로서로 가지치고, 연결되어 있다 평활근(smooth muscle)은 띠의 무늬가 나타나지 않기 때문에 이름 붙여졌다 다양한 내장기관의 벽에서 관찰된다 불수의근이다 (involuntary)

Nervous Tissue 신경조직(nervous tissue)은 감각정보의 전달을 담당한다 감각적 유입(sensory input)은 신경계에 의해서 인식되고, 전환된다 운동 출력(motor output)은 신체의 일부가 반응을 할 수 있도록 신체 각 부분에 전달된다 신경조직은 뇌, 척추에서 발견된다 신경조직의 기본단위는 신경세포 혹은 뉴런(neuronal cell, neuron)이다. 뉴런은 전기신호를 먼 거리까지 신속히 전달할 수 있다

Organs and Organ Systems 기관은 한 가지 기능을 담당하는 두 가지 이상 조직의 모임으로 이루어져 있다 예 : 심장, 간, 위, 뇌, 폐 등 인간과 기타 동물의 기관은 기관계(organ system)로써 규합된다 기관계는 기관들의 모임으로써 신체 생명 활동에 필요한 기능을 함께 수행한다

Small intestine (cut open) Epithelial tissue Connective tissue Smooth muscle tissue Blood vessel Connective tissue Smooth muscle tissue (2 layers) Connective tissue Epithelial tissue Figure 21.7

소화계 (Digestive system) 호흡계 (Respiratory system) Mouth Larynx Trachea Esophagus Bronchus Lung Liver Stomach Small intestine Large intestine Anus (a) Digestive system: breaks down food and absorbs nutrients (b) Respiratory system: exchanges 02 and CO2 between blood and air Figure 21.8a, b

순환계 (Circulatory system) 림프계, 면역계(Lymphatic and immune systems) Thymus Spleen Heart Lymph nodes Blood vessels Lymphatic vessels (c) Circulatory system: transports substances throughout body (d) Lymphatic and immune systems: defend against disease Figure 21.8c, d

내분비계 (Endocrine system) 배설계 (Excretory system) Hypothalamus Pituitary gland Thyroid gland Parathyroid gland Adrenal gland Kidney Pancreas Ureter Ovary (female) Bladder Urethra Testis (male) (e) Excretory system: rids body of certain wastes (f) Endocrine system: secretes hormones that regulate body Figure 21.8e, f

생식계 (Reproductive system) Female Male Penis Seminal vesicles Oviduct Prostate gland Ovary Vas deferens Uterus Urethra Vagina Testis (g) Reproductive system: cooperates in production of offspring Figure 21.8g

근육계 (Muscular system) 신경계 (Nervous system) Brain Sense organ Skeletal muscles Spinal cord Nerves (h) Nervous system: processes sensory information and controls responses (i) Muscular system: moves body Figure 21.8h, i

골격계와 외피계 (Skeletal and integumentary systems) Hair Nails Cartilage Skin Bone (j) Skeletal and integumentary systems: skeleton supports body and anchors muscles; integument protects body Figure 21.8j

EXCHANGES WITH THE EXTERNAL ENVIRONMENT 모든 유기체는 열린계(open system)이다 유기체가 외부 환경과 화학물질, 에너지를 교환함을 뜻한다 생존에 물질교환은 필수적이다

Body Size and Shape 동물의 크기와 모양은 주변 환경과의 물질교환에 영향을 미친다 모든 살아있는 세포들은 물에 둘러싸여 있기 때문에 물질 교환이 일어날 수 있다

환경과의 물질교환은 단세포생물(single-celled organism)에서는 쉽게 일어난다 아메바(amoeba)의 전체 표면은 주변 환경과 맞닿아 있다 Exchange Figure 21.9a

히드라(hydra)는 두 개의 세포층으로 된 체벽을 가지고 있다 두 층 모두 물과 맞닿아 있어서 이를 통해 물질 교환을 한다 Mouth Exchange Exchange Digestive sac Figure 21.9b

복잡한 신체구조를 가진 동물들의 문제점 모든 살아있는 세포들은 액체에 둘러싸여 있어야 한다 모든 세포는 외부 환경에서 필수영양소(essential nutrient)를 받을 수 있어야 한다 복잡한 동물들은 내강벽의 접힌 구조가 극도로 많다 외부 환경과 물질 교환면이 극대화되기 때문이다

폐는 산소와 이산화탄소를 외부공기와 교환한다 폐의 상피세포는 이런 기능을 수행하기 위해 표면적을 극대화시키고 있다 Figure 21.10

외부 환경과 일어나는 물질 교환의 예 External environment Food CO2 O2 Mouth Animal Blood Respiratory system Digestive system Heart Nutrients Circulatory system Excretory system Anus Figure 21.11 Unabsorbed matter (feces) Metabolic waste products (urine)

REGULATING THE INTERNAL ENVIRONMENT 생물체와 비생물체를 구분 짓는 특징 중 하나는 외부 자극에의 반응 여부이다 동물은 환경조건에 어떻게 스스로를 조절하는가?

Homeostasis 항상성(homeostasis)은 외부 환경이 변할 때 신체 내부환경을 일정 수준으로 유지하려고 하는 경향을 말한다 External environment Animal’s internal environment (interstitial fluid) Homeostatic mechanisms Small internal fluctuations Large external fluctuations Figure 21.12

Negative and Positive Feedback 항상성의 많은 부분은 음성피드백(negative feedback)으로 설명된다 어떤 과정의 결과가 다시 그 과정을 억제하게 된다 양성피드백(positive feedback)도 존재한다 어떤 과정의 결과가 그 과정을 더 촉진한다 예 : 출산 시 자궁수축(uterine contractions)

Temperature drops Temperature rises Negative feedback Set point “Too hot!” Set point Heater turned off Temperature drops Control center: thermostat Set point “Too cold!” Heater turned on Temperature rises Negative feedback Figure 21.13

Thermoregulation 체온 조절이란 일정한 범위 안에서 체내의 온도를 유지하는 것이다 변온동물(ectotherm)은 주변환경에서 열을 받아들임으로써 체온을 유지한다 항온동물(endotherm)은 대사과정을 통해 체온을 유지한다 Figure 21.14

인간과 다른 동물들은 체온유지를 위해 여러 가지 장치를 사용한다 Negative feedback (signals via blood) Skin Sweat gland “Too hot!” Blood temperature decreases Heat released from body by Brain Blood vessels dilating Sweating Signals to skin via nerves Blood temperature increases Control center Heat conserved or produced by “Too cold!” Blood vessels constricting Shivering Metabolic rate increasing Skin Negative feedback (signals via blood) Figure 21.15

열(fever)은 체내 온도가 비정상적으로 올라감을 말한다 신체 감염 시 신체가 병원체와 싸우고 있음을 나타내는 반응이다 체온 조절과 관련된 면역반응(immune response)의 일종이다

Osmoregulation 살아있는 세포들은 물과 용질의 균형에 영향 받는다 삼투고정생물 (Osmoconformers) 내부, 외부 환경의 용질 농도가 서로 유사한 유기체 해상 무척추동물(marine invertebrate) 삼투조절생물 (Osmoregulators) 물의 유입, 유출을 능동적으로 조절하는 유기체 담수 수생 동물(freshwater animal), 해상 척추동물(most marine vertebrates) 모든 육상동물(land animal)

Homeostasis in Action: The Kidneys 배설계는 많은 동물들에서 항상성의 중추적 역할을 담당한다 소변(urine)을 형성하고 배설함으로써 체액의 용질과 물의 양을 조절한다 인간의 배설계에서 중심 역할을 담당하는 것은 두 개의 신장(kidney)이다 신장은 여러 미세한 관과, 복잡한 모세혈관계를 가지고 있다.

Water and small molecules enter the tubule. Tubule Blood Capillary Filtration Water and small molecules enter the tubule. Tubule Reabsorption Water and valuable solutes are returned to the blood. Secretion Specific substances are removed from the blood Excretion Urine exits the body Urine Figure 21.16

인간 배설계의 해부도 Renal artery and vein Kidney Ureter Bladder Urethra (a) Excretory system (b) Kidney Figure 21.17a, b

네프론(nephron)은 신장의 기능적 단위(functional unit)이다 네프론의 호르몬 조절은 신체 내부의 물과, 용질 농도에 관여한다 신장 손상은 물리적 충격, 질병 그리고 기타 다른 요소들이 원인이 될 수 있다. 신장 손상에 대한 한 가지 치료법은 투석(dialysis)이다. Tubule Renal artery Renal vein Collecting duct To ureter (c) A nephron and collecting duct Figure 21.17c

Line from artery to apparatus Tubing made of a selectively permeable membrane Pump Dialyzing solution Line from apparatus to vein Fresh dialyzing solution Used dialyzing solution (with urea and excess salts) Figure 21.18

EVOLUTION CONNECTION: HOW PHYSICAL LAWS CONSTRAIN ANIMAL FORM 동물의 외부환경과의 물질교환은 물리법칙에 의해 제한된다 물리적 요건은 자연선택의 결과를 제한한다 물리법칙의 제한은 해상생물의 유사성에 기여한다 수렴진화(convergent evolution)의 예

Figure 21.19

SUMMARY OF KEY CONCEPTS 동물의 구조조직 Visual Summary 21.1

항상성 External Internal Large changes Small changes within an acceptable range Visual Summary 21.2

항상성의 수행 : 신장 Filtration Reabsorption Secretion Renal artery Filtrate Renal vein Capillaries Tubule Excretion Urine Visual Summary 21.3

Figure 21.4x

Figure 21.5x

Figure 21.6x

Figure 21.6x1

Figure 21.6x2

Figure 21.6x3

Figure 21.7x

Figure 21.8x

Figure 21.8x1

Figure 21.8x2