물질교환 : 기본원리 신체는 여러 복잡한 부분들로 구성. – 조화를 이룸. 모든 기관계는 통합되어 있으며 서로에게 영향을 미친다. 항상성 (homeostasis) : 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.)

세 포 세포는 일정한 에너지의 흐름을 요구한 고도로 조직화된 단위이다. 세포가 요구하는 에너지는 세포로 들어가는 영양분자 형태로 세포에 공급. 산소 : 연료로 쓰이는 거대 유기분자로부터 효과적 에너지방출을 위해 필요하다. 산화 : 쓸모 없거나 독성이 있는 노폐물을 만듦. (세포는 이들을 제거해야 하며, 음식물, 산소, 노폐물의 교환은 세포표면을 통해 일어남.)

물질수송을 제한하는 세포막의 표면적 문제 이외에도 큰 세포들은 확산의 문제점을 갖는다. 확산 : 짧은 거리에서는 매우 빠르지만 먼 거리에서는 매우 늦다. 확산 과 표면적 대 부피비율에 의한 제한 때문에 생명의 기초단위인 세포는 작은 크기로 유지. 단세포생물 : 크기가 작아서 세포막을 통해 분자교환을 함. 다세포생물 : 물질의 교환과 수송을 맡을 여러 상호연관 된 체계를 지니고 있기 때문에 각 세포가 대사적 요구를 충족 함.

인체의 다양한 기관계가 통합되어 신체 내부의 환경이 비교적 일정하게 유지 됨(순환계, 호흡계, 소화계, 배설계). 물질의 교환은 표면적에 의해 제한되므로 모든 기관계는 필요한 물질교환을 위한 넓은 표면적을 제공하기 위해 특별한 형태가 필요. 순환계 : 펌프역할을 하는 심장과 인체의 모든 부분에 혈액을 공급하는 혈관으로 구성. 호흡계 : 폐와 폐 안으로 공기를 출입시키는 폐와 연결된 관들로 구성. 소화계 : 음식물을 분해하는데 관여. 배설계 : 우리 몸의 여과체제.

22. 기체교환

기체교환(gas exchange) 과정 또는 호흡(respiration) : 동물과 환경 사이에 일어나는 산소와 이산화탄소의 교환. 혈액의 흐름, 모세혈관에서의 물질교환 및 표면적 간의 상호작용을 잘 이해할 수 있는 곳이 폐이다.

개요 : 기체교환은 호흡, 기체의 운반, 그리고 조직세포로의 공급 과정을 말한다. 개요 : 기체교환은 호흡, 기체의 운반, 그리고 조직세포로의 공급 과정을 말한다.

세포호흡에서 산소는 연료를 더 작은 분자로 나누는 단계적인 반응에서 최종 전자수용체로 작용. 물과 이산화탄소는 노폐물이며, ATP가 생성되어 세포가 일을 할 수 있게 된다. 세포는 지속적으로 산소공급을 요청하고, 노폐물인 이산화탄소를 처리해야 한다. 기체교환은 체세포에 도움을 주는 과정에서 호흡계와 순환계를 필요로 한다.

2. 동물은 축축한 체표면에서 산소와 이산화탄소를 교환한다 2. 동물은 축축한 체표면에서 산소와 이산화탄소를 교환한다 환경과 기체교환이 일어나는 신체부위를 호흡표면(respiratory surface) 이라 한다. 호흡표면 : . 살아 있는 세포로 이루어져 있고, 그 세포막이 젖어 있어야 제 기능을 할 수 있다 – 기체는 물에 녹아야만 호흡표면을 통해 확산될 수 있다. . 우리 몸의 모든 세포가 충분한 양의 산소를 받아들이고 노폐물인 이산화탄소를 처리할 수 있을 만큼 넓어야 한다. . 일반적으로 한 개의 세포층이 전체 호흡표면을 덮고 있다. – 세포층이 얇고 젖어 있어서 순환계나 체조직으로 산소가 빠르게 확산해 들어가고 이산화탄소를 내보낼 수 있다.

그림 22.2A

그림 22.2C

3. 아가미는 물속에서의 기체교환에 알맞은 구조이다 3. 아가미는 물속에서의 기체교환에 알맞은 구조이다 수중동물의 기체교환 과정은 호흡표면의 수분을 유지하는데 아무런 문제가 없다는 장점이 있다. – 물에 용해 되어 있는 산소량은 공기 중 산소의 3~5%에 불과, 물의 온도가 높고 염분이 많을수록 용해되어 있는 산소의 양은 줄어든다. 아가미(gill) : 몸의 양쪽에 아가미궁(gill arch) 이 4개, 아가미사(gill filament) 두 줄이 나와 있으며, 각각 아가미사는 라멜라(lamellae)라는 여러 개의 판 모양의 구조로 이루어져 실제 호흡표면으로 작용. 라멜라 : 작은 모세혈관으로 가득 차 있으며 몇 개의 세포층으로 외부와 분리(모세혈관내의 적혈구는 물속에 용해되어 있는 산소와 가깝게 접촉).

허파나 기관, 아가미의 호흡표면을 통해 주변의 공기나 액체의 흐름을 증가시키기 위한 모든 운동 : 환기(ventilation) 이 흐름이 증가하면 신선한 산소가 더 많이 공급되고 이산화탄소가 제거 됨. 혈류의 방향은 아가미를 통해 흐르는 물의 방향과 반대인 역류교환(countercurrent exchange)으로 산소가 혈액으로 운반 – 서로 반대방향으로 유체가 흐르면 확산기울기가 유지되어 물질의 이동이 촉진 됨. 확산기울기에 의해 모세혈관 전체를 따라 산소가 물에서 혈액으로 확산 됨(물속에 녹아 있는 산소의 80% 이상이 흡수될 수 있다)

그림 22.3

4. 곤충류는 기관계에서 공기와 체세포 사이에 기체교환이 직접 일어난다 4. 곤충류는 기관계에서 공기와 체세포 사이에 기체교환이 직접 일어난다 공기호흡 : 공기는 같은 부피의 물보다 더욱 많은 산소를 포함하여 가볍고 이동하기 쉬어 호흡표면을 환기시키는데 에너지가 적게 소모. 곤충 : 몸 속 깊이 있는 작은 관 안에 호흡표면을 갖고 있어 수분손실이 거의 없다. 곤충의 기관계 : 기관(tracheae)은 몸 밖으로 열려있고, 기관의 확장 된 끝부분은 산소를 많이 필요로 하는 체기관 근처에 기낭을 형성(기관세지가 모든 체세포에 연결) – 상피를 통해 체세포와의 기체교환이 확산에 의해 일어난다. 기관을 통한 확산으로 세포호흡을 유지하기 위한 산소를 충분히 공급받고 이산화탄소를 제거.

그림 22.4A

5. 육상동물은 허파로 기체교환을 한다 허파는 몸의 일정한 곳에 위치하므로 순환계를 통하여 기체를 운반해야 한다. 양서류의 허파는 작아서 체표면(피부)을 통한 기체교환에 크게 의존(허파의 기체교환을 보충) 파충류, 조류, 포유류 : 전적으로 허파에 의존(허파의 크기와 복잡한 정도는 그 동물의 대사율과 관련). 사람 허파의 전체 호흡표면은 약 100㎡ 이다. 사람의 호흡계 : 코안(비강, nasal cavity) 또는 입안 → 인두 (pharynx) → 후두(larynx) → 기관(trachea) → 기관지(bronchi) → 기관세지(bronchiole) → 허파꽈리(alveoli)

그림 22.5A~C

호흡계는 기관에서 기관지에 이르기까지 모두 젖은 상피세포로 구성(허파꽈리의 내면 ; 얇은 상피세포로 싸여 있음). 상피세포는 섬모와 얇은 점액층으로 덮여 있으며, 섬모와 점액은 기관계를 정화 시킴. (먼지와 오염물질이 점액에 걸리고 섬모상피의 운동으로 점액은 인두 윗부분으로 이동하는데 이때 먼지와 오염물질이 함께 배출)

6. 흡연은 호흡계에 심각한 해를 끼친다 가장 심각한 공기 오염물질 중의 하나는 담배 연기이다. 담배연기 주로 미세 탄소입자이며 많은 독성의 화학물질이 이 탄소 입자에 붙어 있다. 담배 연기를 한 모금 마실 때 4,000가지 이상의 화학물질에 노출되며 이 중 50가지 이상이 발암물질이다. 기관지를 둘러싸고 있는 세포와 섬모를 파괴(잦은 기침 : 섬모가 이동시키지 못하는 점액을 기관계가 정화시키는 방법) 담배연기 속의 해로운 입자는 호흡계에서 미세입자와 미생물을 잡아먹는 대식세포들도 죽인다. 흡연 : 호흡계의 정상적인 정화능력을 방해하여, 독성을 가진 입자들이 섬세한 허파꽈리로 더 많이 들어가게 됨(폐암, 폐기종 유발, 심혈관질환)

흡연과 수명 많은 역학조사에서 흡연자가 비흡연자에 비해 평균 약 5~8년 생명이 단축된다고 한다. 흡연과 수명 많은 역학조사에서 흡연자가 비흡연자에 비해 평균 약 5~8년 생명이 단축된다고 한다. 한 연구에 의하면 25세인 사람이 하루에 한 갑의 담배를 피우면 비흡연자에 비해 평균 수명이 4.6년 단축되고, 하루에 2갑을 피우면 약 8.3년의 수명이 단축된다고 한다. 결국 흡연자의 평균 수명이 5~8년 단축되는 것으로 계산되며 1개비의 담배를 피우면 수명이 약 5분 30초 단축된다.

그림 22.6

7. 호흡은 허파에서 기체교환을 일으킨다 호흡(breathing) : 반복적으로 공기를 들이마시고(흡식, inhalation) 내쉬는 (호식, exhalation) 것 - 환기를 통해 허파는 호흡표면에 높은 산소 농도와 낮은 이산화탄소 농도를 유지. 흡식 : 가슴 안의 확대로 허파가 확대되고 허파꽈리 안의 기압이 대기압보다 낮아진다(공기는 압력이 높은 데서 낮은 데로 흐르므로 공기가 콧구멍을 거쳐 기관을 통해 허파꽈리로 들어감 : 음압호흡, negative pressure breathing) 성인 : 1년 동안 400만~1,000만 번의 숨을 쉬며, 1회 호흡하는 공기의 부피는 약 500ml 이다. 폐활량(vital capacity) : 20세 성인남녀의 경우 각각 평균 4.8L 와 3.4L.

그림 22.7A

조류의 호흡계 : 조류는 허파를 통해서 한 방향으로 공기가 흐르며 허파 외에 여러 개의 커다란 기낭이 있다 – 기낭은 허파를 통해 공기가 잘 흐를 수 있도록 한다. 허파꽈리 대신에 평행하게 배열된 작은 관으로 구성. 공기는 이 관을 통해 한 방향으로 지나가며 기체는 그 관의 벽을 통해 교환. 공기가 한 방향으로 흐르므로 조류의 허파에는 잔기량이 없어 허파 안의 산소농도가 포유류보다 높다(사람보다 약 5%정도 더 많은 산소를 얻을 수 있다)

그림 22.7B

8. 호흡은 자동으로 조절된다 뇌에 있는 자동조절중추가 호흡운동을 조절(호흡계와 순환계, 기체교환을 위한 신체의 대사요구량이 조화롭게 기능해야 하기 때문) 호흡조절중추(breathing control center) : 다리뇌(교뇌, pons) 와 숨뇌(연수, medulla oblongata)에 위치 - 연수의 조절중추에서 나온 신경이 가로막과 갈비사이근이 수축하도록 신호를 보내서 숨을 들이쉬게 된다. 휴식 중 1분당 10~14회의 숨을 들이쉬게 됨. 숨을 들이쉬는 사이사이에 근육이 이완되어 숨을 내쉬게 되며, 교뇌의 조절중추는 연수에 의한 호흡의 기본 리듬을 부드럽게 하는 역할을 함.

연수의 조절중추 : 혈액 내 이산화탄소의 농도를 감지하는데 이에 반응하여 호흡률과 호흡의 강도를 조절. 이산화탄소의 농도는 혈액과 뇌척수액의 pH의 작은 변화를 일으킴 (혈액 내 이산화탄소의 양이 증가하면 pH가 떨어지기 시작). 호흡의 이차적 조절은 대동맥과 경동맥에서 산소와 이산화탄소의 농도를 감지하는 감지기에 의하여 이루어진다 – 혈액 내 산소의 양이 급격히 감소하면 이 감지기가 신경을 통해 조절중추로 신호를 전달하여 호흡을 더 자주, 깊게 하도록 만든다. 호흡조절중추는 신경과 화학적 신호에 반응하여 우리 몸이 요구하는 대로 호흡률과 호흡강도를 유지. 또한 호흡률은 순환계의 활동과 협조적으로 이루어질 때만 효과적이다 (운동 시 심장박동률과 박동량은 호흡률의 증가에 맞추어 증가).

그림 22.8

9. 혈액은 호흡기체를 운반한다 모세혈관과 조직세포 사이의 기체교환은 압력 차에 따른 확산에 의해 이루어진다. 공기와 같은 혼합 기체는 일정한 압력을 발휘.- 혼합 기체에서 각 기체 분자는 다른 기체와는 상관없이 그 기체가 차지하는 분압(partial pressure)의 차이에 따라 확산된다. 기체는 분압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 확산하므로 산소가 풍부한 혈액으로부터 조직세포로 산소가 이동.

그림 22.9

10. 헤모글로빈은 산소를 운반하고 이산화탄소의 운반과 혈액의 pH 조절에 관여한다 산소는 물에 잘 용해되지 않아 혈액 중 산소의 대부분은 적혈구의 헤모글로빈(hemoglobin)에 의해서 운반. 헤모글로빈(hemoglobin) : 폴리펩티드 사슬 4개로 구성되어 있으며, 각 폴리펩티드 중앙에 철 원자를 가지고 있는 헴 분자가 결합하며, 각 철 원자는 하나의 산소분자와 결합(1분자의 헤모글로빈은 최대 4분자의 산소를 운반) 허파에서 산소와 결합한 후 혈류를 따라 온몸으로 이동하며 각 조직세포에 산소를 전달. 혈액 내에서 이산화탄소의 운반에도 관여. 혈액의 완충작용을 도와 pH 변화를 방지

대부분의 이산화탄소는 적혈구로 들어가서 일부는 헤모글로빈과 결합하고 나머지는 물 분자와 결합 적혈구는 이 반응을 촉매 하는 효소를 가지고 있다. CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

11. 태아의 기체교환은 모체의 혈류를 통해 이루어진다 11. 태아의 기체교환은 모체의 혈류를 통해 이루어진다 태아는 양수(amniotic fluid) 속에서 헤엄을 치고 있으며 이때 허파는 물로 차 있어서 기능을 하지 못하는 상태이다. 태아의 조직과 모체의 조직으로 구성된 태반(placenta)에 의해 기체교환이 이루어진다. 태아의 탯줄(umbilical cord)에 있는 혈관으로부터 태반으로 커다란 모세혈관 망이 펼쳐져 있다. – 태아 모세혈관은 태반을 순환하는 모체의 혈액과 기체교환을 하고, 모체의 순환계는 모체의 허파로 이 기체를 전달. - 태아의 헤모글로빈이 모체의 헤모글로빈보다 산소에 대한 친화력이 크므로 태아일 때 산소의 유입이 용이.

그림 22.11