호흡생리

호흡 생리는 모든 생물은 생명을 유지하기 위한 대부분의 에너지를 산화와 정에서 얻고 있으며, 이때 필요한 산소를 체내로 공급하는 방법은 동물에 따라서 다양하다. 단세포생물(원생동물, 세균 등)은 세포막을 통한 직접 확산으로, 지렁이류 나동면 중인 개구리는 피부를 통해서, 물고기는 아가미를 통해서 그리고 곤충류는 공기관을 통해서 조직으로 직접 산소를 공급한다. 그러나 사람을 포함한 포유동물은 특별하게 발달한 폐를 통해서 산소를 공급받는다. 이처럼 단세포생물에서부터 사람에 이르기까지 모든 생물의 호흡기는 구조적으로는 각기 차이가 있지만 기능적으로 볼 때 호흡 공기와 접하는 면(respiratory membrane)은 얇고, 항상 습윤한 상태를 유지하며 또한 혈관의 분포가 많은 공통적인 특성이 있다(그림 16-1)
대사에 필요한 산소를 공급하고 탄산가스를 배출하는 전 과정을 호흡 (cespitation)이라고 하며, 생리학적으로 대단히 정교한 기전에 의해서 가스교환이 이루어진다. 호흡은 크게 두 가지 과정으로 설명할 수 있는데, 폐를 통해서 폐 모세혈관과 대기 사이에 일어나는 가스교환, 즉 외호흡 (external respiration)과 체액과 말초 세포 사이에 일어나는 가스교환, 즉 내호흡(internal respiration) 또는 조직호흡 (tissue respiration)으로 구분할 수 있다. 일반적으로 호흡 이란 외호흡을 의미한다.
정상적인 사람의 산소섭취량은 안정상태에서 매분 약 250mL이며, 탄산가스의 배출은 약 200mL이다. 그러나 단위시간에 소모되고 생성되는 산소와 탄산가스의 양은 세포의 활동도에 따라서 현저한 차이가 있다. 심한 운동 시에는 안정상태의 약 20~30배까지 산소소모량이 증가할 수 있다고 한다. 이처럼 폐의 기능이 필요에 따라 조절될 수 있는 것은 폐의 기능적 여력(reserve power)이 크다는 것을 뜻하는데 이는 생리적으로 의의 있는 현상이다.
사람의 허파꽈리에는 산소, 탄산가스, 질소 외에도 장내 세균에 의해서 생성된 메탄가스와 알코올, 아세톤 등도 혈중 농도가 높을 때는 측정되며, 그 외 250여 종의 휘발성 가스가 발견된다.
말초 세포에서 필요한 산소의 공급과 탄산가스의 원활한 배출은 단순한 폐 기능의 적응만으로는 이루어질 수 없으며, 폐 기능의 적응과 함께 심박출량, 혈류속도 등 심혈관계의 적응이 동반될 때 그 효과가 최대에 이르게 된다. 이러한 관점에서 심장과 폐의 기능은 상호 불가분의 의존관 계에 있다고 할 수 있다.
폐의 기능을 패 환기, 허파꽈리를 통한 가스교환, 혈액의 가스 운반, 호흡조절 등 4단계로 나누어 설명하는 것이 이해를 돕는 데 도움이 되리라 생각하여 본 장에서는 그 순서에 따라서 기술하고자 한다.
1. 폐의 기능적 구조
밀폐된 흉강 내에 있는 좌우 폐는 가스교환에 유리한 여러 가지 구조를 가지고 있다.
폐는 심장, 큰 혈관들, 식도 등과 함께 흉강을 거의 꽉 채 울고 있으며, 장 측 가슴막(visceral pleura)과 벽 측 가슴막(parietal pleura)에 의해서 두 겹으로 피복되어 있다. 양 가슴막 사이의 공간을 가슴막 강(pleural cavity)이라 하며, 가슴막 강은 적은 양(약 2 mL)의 액체로 충만하여 있으며 가슴막 강 액체층의 두께는 10~20m이다. 즉 1장의 유리판 위에 약간의 물을 놓은 후, 또 다른 1장의 유리판을 그 위에 포개어 놓은 것은 양 가슴막과 가슴막 강의 구조적인 상호관계를 이해하기 위한 하나의 모형이 될 것이며, 이와 같은 구조는 장 측 가슴막에 둘러싸여 있는 폐가 벽 측 가슴막 벽에서 잘 미끄러지므로 결과적으로 호흡에 따른 폐의 운동이 용이하게 되는 원인이 된다.
양 가슴막은 다공성의 장액성 막으로서 이 막을 통해서 간 질액이 여과되어 가슴막 강으로 계속 이동한다. 그러나 가슴막액은 단지 양 가슴막 벽을 분리할 정도의 소량이며 더 많은 여과액이 생기면 림프관을 통해서 순환 혈액으로 내보내지게 된다. 이때 여과압이 크거나 흡수로 가 차단되었을 때는 많은 양의 액체가 가슴막 강에 저류하는 경우가 있는데 이것을 서흥 또는 가슴막 삼출(pleural effusion)이라 한다. 염증으로 인해서 고름(농, Pus)이 가슴막 장 내에 차 있으면 농흉(pyothorax), 혈액이 고이면 혈흉(heingthotrax), 공기 가 들어가면 기흉(pneumothorax)이라 한다. 이때 정도가 심해서 폐를 압박하면 호흡장애가 생길 수도 있다.
폐쇄된 흉강의 윗벽은 흉쇄유돌근(sernordaidomatot mundle), 목갈비근 (sale nus) 등 목 근육과 결제조직 등으로, 밑면은 횡격막으로 구성되어 있으며, 흥 벽은 척추골, 녹 및 늑간근 등으로 구성되어 있다.
폐실질은 탄성조직과 교원질 조직이 많아서 다른 장기에 서는 볼 수 없을 정도의 탄력성을 가지고 있으며, 이로 안 해 호흡운동이 원활하게 된다.
폐의 기능적 기본 단위인 체포(Aeolus)는 직경이 0.2~0.25 mm의 작은 주머니로서 벽은 1겹의 세포층으로 엷은 막을 형성하고 있으며, 수많은 모세혈관이 폐포별을 둘러싸고 있다. 이것은 마치 작은 주머니를 미세한 그물(모세 혈관)로 둘러씌운 것과 같은 구조이다.
폐의 가스교환은 허파꽈리 공기와 모세혈관 혈액 사이에 일어나는 것으로서, 이 사이의 막을 호흡 막(respiratory EMR-bran 혹은 pulmonary membrane)이라 한다.
성인의 양측 폐는 약 3억 개의 허파꽈리로 구성되어 있으며, 출생 시에는 허파꽈리의 수가 약 4천만 개 정도이지만 출생 직후부터 빠르게 증식하여 8세경에 이르면 성인의 수준이 된다. 호흡 막의 두께는 평균 0.6 MM이고 가스교환에 관여하는 전체 허파꽈리 벽 면적이 약 50~100 mm 나 된다. 이와 같은 허파꽈리의 기능적 구조를 이해한다면 허파꽈리에서 가스교환 이 얼마나 빨리 그리고 효과적으로 이루어질 수 있는지 쉽게 추측할 수 있다. 호흡 막은 허파꽈리 상피세포층, 간질 층과 모세혈관 내피 세포층 등으로 구성되어 있으며, 허파꽈리의 가장 내측에는 인지질을 주성분으로 하는 허파꽈리 표면 활성 물질 층(pulmonary surfactant layer)이 있다. 또 간질 층에 접한 양쪽에는 상피세포 기저막과 내피세포 기저막이 있어서 호흡 막은 총 6층으로 되어 있는 셈이다.
허파꽈리 상피세포층의 제1형 폐포세포는 세포질이 확장되어서 폐포별의 대부분을 형성한다, 제2형 폐포세포는 많은 학자에 의해서 관심의 대상이 되는 세포로서 수적으로는 제1형 폐포세포의 1.5~2배로 많으나, 제2형 폐포세포에 의한 허파꽈리 벽 면적을 제1형 폐포세포의 1125에 지나지 않는다.
제2형 폐포세포의 특징은 허파꽈리 표면 활성물질(pulmonary surfactant)을 분비하고, 허파꽈리 강으로 면한 세포의 표면은 많은 미세융모가 돌출하고 있다. 폐에는 제1형과 2형 폐포세포 외에도 특수 기능의 상 피 세포를 포함하여 허파꽈리 대식세포(alveolar macrophage), 림프구, 형질세포(plasma cell), 비만세포(mast cell) 등이 있다. 비만세포는 헤파린, 히스타민, 단백질 분해효소 등 알레르기 반응과 관계가 있는 물질들을 가지고 있다.
코에서부터 허파꽈리에 이르는 긴 관을 기도라 하는데, 공기는 기도를 통과하는 사이에 따뜻해지고 가습 되며, 먼지 등 이물은 코털이나 기도 벽의 융모, 분비물 등에 의해서 객담으로 제거된다. 1963년 Swiss의 해부학자인 B.R. Wai bel은 기도의 분지수, 크기 등에 관한 연구 결과를 발표한 바 있는데 그에 의하면, 기관에서 허파꽈리까지 이르는 동안 기도는 총 23회 분지한다고 하며, 그중 기관이 좌우 기관지로 분지한 후 종말세기관지에 이르기까지 16회를 분지한다고 한다.