25. 체내 환경의 조절

겨울잠(hibernation) : 체온이 상당히 내려가고 쉽게 깨어나지 않는 비활동적 상태가 지속 됨(예; 다람쥐, 개구리). 휴면(dormancy) : 체온은 몇도 정도만 떨어지고 쉽게 깨어남 (예; 곰 – 휴면 중에도 체내 온도를 좁은 범위내에서 유지하는 체온조절을 지속) 정온동물(내온동물, endotherm) : 체열의 대부분을 대사작용을 통해서 얻음(포유류, 조류와 어류의 일부, 곤충 등) 변온동물(외온동물, ectotherm) : 주위의 열을 흡수하여 자신의 몸을 따뜻하게 함(무척추동물, 어류, 양서류, 도마뱀, 뱀, 거북 등)

서론

항상성(homeostasis)원리 신체는 늘 일정한 수준의 산소, 이산화탄소, 포도당을 혈액 속에 유지하게 하며, 혈액의 pH 와 체온을 일정하게 유지 (몸의 다양한 기관계의 작동상태를 추적하여 변형함으로써 일정한 내부환경을 유지하는 과정.) 동물의 외부환경은 크게 변하지만 동물의 내부 환경은 내부 환경을 조절하는 항상성 기작 때문에 거의 변동이 없게 된다. 항상성이란 역동적인 상태로서 내부 환경을 변화시키려는 외부의 힘과 이러한 변화에 대항하는 내부 조절 기작 사이의 상호작용을 말한다. 동물의 항상성 조절계는 생명체의 대사 과정이 일어날 수 있는 일정한 범위 안에서 내부 조건을 유지한다.

그림 20.13B

25.1 열의 획득과 손실은 4가지 방법으로 일어난다 전도(conduction) : 직접 접촉한 물체 사이에서 열이 전달되는 것으로, 동물이 주변의 물체에 물리적으로 접촉했을 때 일어남(열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전도 됨). 대류(convection) : 체표면을 지나는 공기나 액체의 이동에 의해 열이 전달되는 과정(바람에 의한 열소실). 복사(radiation) : 전자파를 방사하는 것. 증발(evaporation) : 액체 표면에서 액체 분자가 기체 상태로 전환되면서 열이 소실 되는 것.

그림 25.1

25.2 체온조절은 열의 획득과 손실 사이에서 균형을 유지하도록 적응되어왔다(적응기작). 25.2 체온조절은 열의 획득과 손실 사이에서 균형을 유지하도록 적응되어왔다(적응기작). 대사에 의한 열 생산 : 몸을 많이 움직이거나 떨면 뼈대근육 수축의 대사 부산물로 나오는 열이 생성. 단열 : 털, 깃털 또는 지방층 등을 이용하여, 따뜻한 피부 바로 위에 공기층을 만들어 단열기능을 증가. 순환계의 적응 : 열 손실은 피부에 흐르는 혈액량에 의해 조절될 수 있다(혈관이 수축하면 따뜻한 몸의 중심에서 체표면으로 혈액이 적게 흐르고 열 손실이 감소 됨). 증발에 의한 냉각 : 헐떡거림(panting), 땀을 흘림, 온몸에 침을 발라서 몸을 냉각. 행동을 통한 반응 : 조류나 나비의 계절에 따른 이동, 더울 때는 시원하고 습기찬 곳이나 땅굴을 찾음, 목욕으로 열을 식힘.

20.14 항상성은 음성되먹임에 의해 조절된다. 음성되먹임(negative feedback) : 어떤 변화가 같은 방향으로 계속 발생했을 때 그 변화를 억제하기 위한 조절 기작을 작동시키는 것. 예) 자동온도조절기 설정온도 이하로 온도가 떨어지는 자극(stimulus)을 받아들이는 이 감지기 : 수용기(receptor) 반응(열, response)을 발생시키는 난방기 : 효과기(effector) 수용기로부터 받은 정보를 진행시켜 반응을 나타냄. 조절기: 조절중추(control center) 동물의 경우 조절중추는 대부분 뇌에 위치해 있다.

그림 20.14

역류열교환기(countercurrent heat exchanger) 근접한 두 개의 혈관에서 따뜻한 혈액과 차가운 혈액이 서로 반대방향으로 흐름. 나란히 위치한 혈관 전체에서 따뜻한 혈액에서 차가운 혈액으로 열이 전달되며, 그 결과 돌아오는 혈액이 중심만큼 따뜻해져 있어, 열의 손실이 최소화 됨. 예) 거위의 다리, 돌고래의 지느러미발(flipper)

그림 25.2B

25.3 대사율과 체온을 낮춰 에너지를 절약한다 정온동물 : 먹이에서 얻은 에너지의 대부분을 열을 생산하는 데 사용 – 추운 날씨에도 활발하게 움직일 수 있다. 먹이 공급이 줄어들고 주위의 온도 변화가 심해지면 일부 정온동물은 에너지 절약을 위해 대사율을 낮출 수 있다. 휴면(torpor) : 체온과 대사율이 떨어져 활동이 저하된 상태. 겨울잠(동면, hibernation) – 추운 날씨에 오랫동안 유지되는 휴면의 한 형태(여름잠;estivation). 대사율이 매우 높은 대부분의 작은 포유류와 조류는 매일 휴면을 취함.

북미의 회색나무개구리는 겨우내 얼어 있는 상태로 지냄. 대사활동을 거의 하지 않으며, 에너지 소모도 거의 없다. 항동결물질(동결방지제, cryoprotectants)이 얼음 결정으로 인해 세포가 파괴되는 것을 막아 줌.

25.4 삼투조절 : 모든 동물은 물과 용질의 출입을 조절한다 25.4 삼투조절 : 모든 동물은 물과 용질의 출입을 조절한다 삼투조절(osmoregulation) : 물과 용질(소금(NaCl) 및 다른 이온들)의 획득과 손실로 일어남. 삼투현상(osmosis) : 물이 용질을 따라 이동(용질의 조절로 이루어짐) 저장액(용질의 농도가 상대적으로 낮은 용액) 고장액(용질의 농가가 상대적으로 높은 용액) 삼투순응자(osmoconformer) : 바다에 사는 일부 수중동물의 체액은 용질의 농도가 바닷물과 같다 (물의 순이동이 없다, 바다에 사는 대부분의 무척추동물). 삼투조절자(osmoregulatotor) : 체액의 용질농도가 주위 환경과 다르므로, 물의 획득과 손실을 조절하는 데 에너지를 사용 (민물동물과 육상동물, 대부분 바다에 사는 척추동물).

그림 5.17

그림 25.4A

육상동물(절지동물과 척추동물) : 물의 손실을 줄이는 방향으로 적응, 진화됨. 절지동물(곤충) : 방수성 왁스로 덮인 겉뼈대를 가지고 있다. 대부분의 척추동물 : 물에 저항력이 있는 여러 층의 죽은 세포로 된 외피를 가지고 있다. 수정란 및 발생 중인 배가 마르지 않도록 보호하는 방향으로의 적응 – 곤충(습기차고 수분이 많은 곳에 알을 낳음), 육상척추동물(양막주머니 안에서 발생)

25.5 하루에 물을 8잔 마셔야만 하는가? 남자들에게는 하루에 평균 3.8L 가 적당하고, 여자는 약 2.6L 정도가 필요. 미국 남자 평균 3.1L, 여자는 평균 2.1L 를 대부분 음료에서 섭취(과일이나 야채 0.5~0.7L 얻음). 운동선수들이나 더운 지역 사람들은 더 많은 양의 물을 필요로 함. 격심한 운동을 하는 동안에는 땀으로 배출되는 체액이 1시간에 2L 가 넘으며, 운동 전과 하는 동안, 후에 물을 마시는 것은 수분균형을 유지하는데 매우 중요. ‘하루에 물 8잔’ 이라는 주장은 과학적인 사실에 근거한 것이 아니며, 대부분의 사람들은 목마를 때에 마시거나 먹어서 충분한 수분을 섭취한다.

그림. 체내의 수분함량

뇨 변 대사수 땀 폐 음식 음료 배설 공급 그림. 인체의 물의 균형 유지

섭취량 배설량 그림. 인체의 물 섭취량과 배설량 대사수 10% 250ml 200ml 땀8% 변4% 100ml 750ml 피부와 폐를 통한 불감손실 28% 식품 30% 1500ml 1500ml 음료 60% 뇨 60% 섭취량 배설량 그림. 인체의 물 섭취량과 배설량

25.6 동물은 질소노폐물을 처리해야 한다 노폐물의 배설은 항상성 유지를 위해 수분과 용질의 균형을 유지하는 것 만큼 중요 – 대부분의 노폐물은 물에 녹아 있는 상태로 체외로 배출되어야 하기 때문에 수분균형에 큰 영향을 준다. 물질대사로 인해 유독성 노폐물, 특히 단백질과 핵산의 분해과정에서 만들어진 질소(질소함유) 노폐물이 생성되는데, 반드시 배설해야 한다. 암모니아(ammonia) : 대부분의 수생동물의 배출 형태(물에 잘 용해되고 세포막을 통해 빠르게 확산) . 요소(urea) : 포유류와 대부분의 양서류, 상어 등(물에 잘 녹고, 독성이 암모니아의 약 10만분의 1 정도 – 농축액으로 저장 될 수 있으며, 수분을 많이 잃지 않으면서 배설할 수 있다) 요산(uric acid) : 조류, 곤충류, 파충류 등 (물에 거의 녹지 않으며 고체 상태인 풀(paste)과 같은 형태로 배출.

그림 25.6

25.7 간은 요소의 생산을 포함하여 여러 가지 기능을 수행한다 25.7 간은 요소의 생산을 포함하여 여러 가지 기능을 수행한다 1. 간은 에너지를 얻기 위해서나 다른 분자로의 재활용을 위해 아미노산을 분해한 후, 요소를 합성하여 질소노폐물(암모니아)을 배설할 수 있도록 한다. 2. 알코올이나 다른 약물 등과 같은 독소를 오줌으로 배출할 수 있는 비활성 물질로 전환시킨다. 3. 간세포는 지방소화를 위한 쓸개즙을 합성할 뿐만 아니라 단백질 합성을 한다(예 ; 혈액응고와 삼투균형 유지에 중요한 지질단백질). 4. 혈중 포도당의 양과 저장된 글리코겐의 양이 균형을 유지하여 체내의 대사조절에 결정적인 역할. 소화관에서 흡수된 물질이 심장을 거쳐 온몸으로 퍼지기 전에 먼저 다른 물질로 전환하거나 해독.

그림 25.7

식이 단백질                                 요소(간에서) 형성     ↓                                     ↗ 소화 와 흡수                         -NH2     ↓                              ↗ 혈액. 간, 근육 등의 →   이화작용   →  비 질소 부분 amino acid pool                     ↙      ↓     ↘   ↓        ↑                   당질   지방   열량(ATP) 동화작용  이화작용   ↓        ↑ 단백질의 대사

25.8 알코올은 간을 손상시킬 수 있다 알코올이 분해되면서 생긴 일부 물질은 알코올보다도 더 독성이 강하여 간세포의 손상과 죽음 및 조직의 염증을 일으킨다. 경화(cirrhosis) : 알코올에 자주 노출되며, 간세포의 손상이 심각해져 간에 비정상적인 흉터조직(수축하여 섬유질이 된 결합조직)이 생김 – 간의 내부 구조를 변형시켜서 간으로 들어오는 혈액의 양이 줄어들어 기능이 약화됨. 건강한 간은 콩팥에 의해 혈액에서 제거하여 소변으로 배출할 수 있는 요소와 노폐물을 생산함으로써 배설계의 중요한 기관으로 작용.

정상 간과 간경화 상태의 간 비교

25.9 배설계는 항상성 유지에 몇 가지 중요한 역할을 한다 25.9 배설계는 항상성 유지에 몇 가지 중요한 역할을 한다 사람의 배설계 ; 체액의 수분과 염분의 양을 조절하며, 오줌을 생성하고 배설함으로써 항상성 유지에 중추적인 역할을 한다. 세포는 대사과정을 통해 분자들을 변화시키기 때문에 해로운 노폐물이 끊임없이 형성(요소, 수소이온, 초과 섭취된 물과 염분, 유해하거나 불필요한 분자들 등) – 신장(kidney)에서 노폐물 방출. 신장 (콩팥) : 각자의 주먹만한 크기로 거의 80km 정도에 이르는 길고 가는 관(세관)과 복잡한 모세혈관 망으로 채워져 있다(1,100~2,000L 의 혈액이 통과하며, 하루에 약 180L의 여액(filtrate)을 처리) 여액에는 물, 요소, 중요한 용질과 포도당, 아미노산, 이온 및 비타민 등이 포함- 콩팥은 요소를 농축시키고 대부분의 물과 용질을 혈액으로 되돌려 보내면서 여액을 정제(하루에 약 1.5L 만이 오줌으로 배설 됨)

그림 25.9

신장의 구조 신장은 신장피질(renal cortex, 콩팥겉질)와 신장수질(renal medulla, 콩팥속질)로 이루어져 있다. 신장은 약 100만개의 네프론(nephron, 신원)이라는 작은 단위구조로 구성. 네프론의 한쪽은 보우만 주머니(bowman’s capsule)라는 컵모양의 구조로 되어 있으며 사구체(glomerulus)라는 모세혈관의 묶음을 감싸고 있다. 네프론은 기부세뇨관(proximal convoluted tubule), 헨레고리(loop of henle), 말부세뇨관(distal convoluted tubule)의 세 부분으로 구분. 말부세뇨관은 수뇨관으로 액체를 수송하는 집합관(수집관, collecting duct)과 연결되어 있으며 배설될 때까지 소변을 저장하는 방광과 연결.

신장의 기능 배설계에서는 모세혈관으로 둘러싸여진 수백만개의 네프론의 벽은 넓은 표면적을 제공 – 이러한 표면들은 여과작용, 재흡수, 분비에 관여. 사구체 : 혈액에서 보우만 주머니로 전달되는 물질의 여과를 위해 큰 표면을 갖는다(사구체 모세혈관은 작은 구멍을 가지고 있고 물과 용해된 작은 분자들이 혈액에서 보우만주머니로 이동할 수 있도록 큰 표면적을 제공). 포도당, 아미노산, 이온과 같은 작은 분자들은 네프론의 말단에서 사구체를 통해 보우만 주머니로 들어감. (혈구세포나 단백질과 같은 큰 분자들은 혈액에서 네프론으로 들어가지 못함.) 약 100만개의 네프론을 갖는 사람의 신장에서 여과될 수 있는 물질의 용량은 시간당 약 7.5L 이며, 약 5~6L가 되는 전체 혈액을 회수 할 수 있다.) 네프론의 주위에는 농도구배에 따라 물질을 수동적으로 흡수하거나 방출하는 모세혈관들이 분포하며, 벽면은 물질의 수송을 능동적으로 수해하는 세포들로 되어있다.

기부세뇨관(사구체쪽세관) : 1차적 재흡수에 관여, 포도당, 아미노산, 나트륨이온은 능동적으로 기부세뇨관의 세포막을 통과하여 혈액으로 들어감. 물은 물질들의 이동에 따라 자동적으로 이동(삼투압). 체액이 기부세뇨관의 말단에 도달하면 약 65%의 물질들이 주변의 모세혈관으로 재흡수 됨. 헨레고리 : 네프론으로부터 물을 추가적으로 제거하는 역할 (항이뇨호르몬(antidiuretic hormone, ADH)에 의해서 몸의 수분상태가 조절됨- 과량의 수분 축적 시에는 소량의 ADH를 방출하여 물을 배출, 탈수현상이 있을 때에는 더 많은 양의 ADH를 방출하여 수분 흡수) 말부세뇨관(먼쪽세관) : 뇨로 인해 소실되는 다양한 종류의 분자의 양을 정밀하게 조절하는 역할(수소이온, 나트륨이온, 염소이온, 칼륨이온, 암모늄이온 등 조절). 요소는 사구체를 통해 대부분이 관의 내부에 남아있어 소변으로 배출. 많은 집합관에서 처리된 여액이나 오줌은 콩팥깔때기(신우, renal pelvis)를 지나 요관으로 나간다.

25.10 개요 : 배설계의 주요 과정은 여과, 재흡수, 분비 및 배설이다 25.10 개요 : 배설계의 주요 과정은 여과, 재흡수, 분비 및 배설이다 여과(filtration) : 물과 함께 모세혈관 막을 통과할 수 있을 만큼 충분히 작은 분자는 모두 사구체에서 콩팥세관으로 들어감. 재흡수(reabsorption) : 물과 포도당, 염류, 다른 이온 및 아미노산 등의 중요한 용질이 여액에서 혈액으로 다시 흡수. 분비(secretion) : 혈액 내의 물질이 여액으로 운반 됨. 배설(excretion) : 여과, 재흡수, 분비를 거쳐 오줌이 콩팥으로부터 요관, 방광, 요도를 통하여 외부로 배출

25.11 혈액을 여과한 여액에서 오줌까지 : 자세히 보기 25.11 혈액을 여과한 여액에서 오줌까지 : 자세히 보기 혈액의 여액 : 많은 양의 물, 용질, 노폐물 포함. 재흡수 : 능동수송, 수동적 확산과 삼투현상 등에 의해 일어남. 콩팥이 여액에서 대부분의 수분을 재흡수하여 보존할 수 있는 것은 용질의 농도 차이를 유지하기 때문. 물은 모든 세관을 따라 여액에서 세포사이액 쪽으로 삼투작용에 의해 이동(세포사이액의 용질 농도가 여액의 농도보다 높기 때문) 사구체쪽세관은 여액에 들어있는 포도당, 아미노산과 같은 영양분을 세포사이액으로 이동시켜 모세혈관으로 재흡수. 여액속이 NaCl(염류) 은 사구체쪽 세관과 먼쪽세관 모두에서 재흡수. 헨레고리와 집합관 : 물의 재흡수(콩팥속질의 깊은 곳까지 여액을 운반하고 겉질로 되돌아 온다.

그림 25.11

콩팥은 체액에서 물과 용질의 정확하고 중요한 균형을 유지. 용질의 농도가 일정 수준보다 올라가면 뇌에 있는 조절중추가 혈중 항이뇨호르몬(antidiuretic hormone;ADH)의 양을 증가 – 네프론에 신호를 보내 물의 재흡수를 지시. 체액의 농도가 일정 수준보다 희석되었을 때, 혈중 ADH 농도가 낮아져 물의 재흡수가 감소하면서 희석된 오줌의 배설이 증가하게 된다. 이뇨(diuresis) : 오줌의 양이 증가하는 것 알코올은 ADH의 분비를 억제하고 과다한 오줌을 배출하여 물의 손실과 탈수를 일으킬수 있으며, 일부 숙취현상과도 연관이 있다.

25.12 콩팥투석은 생명을 구할 수 있다 콩팥 두개가 모두 고장이 나면 노폐물이 쌓이고, 혈압과 혈액의 pH 및 혈중 이온의 농도 등을 조절할 수 없어서 치료하지 않으면 죽음에 이르게 된다. 60% 이상의 콩팥 질환은 고혈압과 당뇨에 의해 일어나지만, 진통제, 알코올 및 여러 약물을 장기 복용하는 것도 원인이 됨. 투석(dialysis) : 콩팥의 네프론처럼 혈액 내의 작은 물질을 분류하여 어떤 것은 보존하고 어떤 것은 폐기한다. 혈액은 동맥에서 선택적 투과막으로 이루어진 여러 개의 관으로 펌프되며, 이 관은 네프론이 세포사이액에 담겨 있는 것처럼 투석액 속에 담겨 있으며 혈액이 투석관을 따라 순환하면서 요소와 과다한 염류는 확산되어 빠져나간다(중탄산이온과 같이 필요한 물질은 투석액에서 혈액으로 확산).

그림 25.12