가스교환 방법
세포는 호흡을 하기 위해서 계속적으로 산소를 공급하고 이산화탄소를 제거하는 수단이 필요하다. 가스가 세포내외로 통과하기 위해서는 모든 세포를 둘러싸고 있는 세포외액(extracellular fluid, ECF)에 용해되어야 한다. 이 절에서는 동물들이 산소와 이산화탄소를 세포의 외부환경에서 내부환경으로 전달하기 위하여 진화해 온 다양한 방법에 대해 알아보고자 한다. 수중에 사는 작은 동물들은 아주 큰 표면적 대 체적의 비를 가지고 있어 단순확산으로 가스교환이 가능하다. 리본같이 생긴 민물 플라나리아는 확산만으로도 세포와 환경 사이의 빠른 가스교환이 가능한 적응의 예이다.
큰 수중동물은 표면적 대 체적의 비가 훨씬 작다. 이들 동물의 세포는 체내에 너무 깊이 위치하고 있어서 세포표면과 환경 사이로의 확산으로 가스교환의 수행이 불가능하다. 활동적으로 호흡하는 내부세포는 세포로부터 세포 사이에 확산에 의해 산소 공급이 된다면 산소를 충분히 빠르게 받을 수 없다. 이러한 문제에 대한 한 가지 해결책은 내부 세포에 산소를 공급하고 이산화탄소를 제거하는 혈액과 같은 순환액(circulating fluid)을 공급하는 것이다. 혈액은 신선한 산소를 흡수하고 축적된 이산화탄소를 외부로 방출할 수 있어야 한다. 이렇게 하기 위해서는 가스교환을 담당하는 분화된 기관이 필요하다. 이 장에서는 이러한 기관과 이들이 어떻게 작용하는가에 대해 다루기로 한다.
아가미
갑각류, 연체류, 어류의 호흡기관은 아가미(gill)이다. 아가미는 둘러싸여 있는 수분에 표면을 많이 접하고 있다. 수중의 산소는 아가미의 세포로 확산된다. 아가미는 혈액이 공급되어 있어 이 혈액이 산소를 내부로 옮긴다. 혈액은 내부로부터 이산화탄소를 흡수하여 다시 아가미로 전달해서 아가미에서 물로 이산화탄소를 확산시킨다. 즉 이 과정의 세 가지주요 부분은 다음과 같다.
1. 가스를 운반하는 순환액(액은 근육적펌프, 심장에 의해서 움직인다)
2. 순환액 사이의 가스교환을 하는 아가미
3. 아가미로 계속적인 신선한 수분을 공급케 하는 기작
수중과 지상동물의 가스교환
어떤 의미에서는 지상동물의 가스교환이 수중동물보다 더 쉽다. 대기에는 21% 산소가 함유되어 있다. 100ml의 공기가 가스교환 기관으로 들어오면 지상동물은 21 ml의 산소를 접하게 되는 것이다. 냉기에서라도 공기가 잘 통하는 물에서는 산소 농도는 1%를 거의 넘지 않는다. 그 결과로 수중동물은 아가미를 상대적으로 다량의 물에 노출시켜야 한다. 대기와 수중에서 산소를 얻는 방법의 차이가 조류와 포유류같이 세포호흡에 의해 생성된 열량으로 일정 체온을 유지하는 온혈동물만이 공기 호흡을 한다는 것을 설명해 준다. 한편 육상동물은 가스교환 기관은 건조한 공기에 노출되어 있을 때 수분을 유지해야 하는데 가스교환 기관은 체강에 위치하고 있어서 기계적 손상으로부터 보호하며 부수적인 막에 의해 미리 수분을 공급받고 분비선이 분포되어 있어 가스교환 기능의 상실을 보완시켜 준다. 곤충류와 기타 육상무척추동물에서는 기관(tracheae)을 통하여 조직과 공기 사이에 가스교환을 한다. 공기호흡을 하는 척추동물은 폐(lung)를 가스교환 기관으로 사용한다.
기관 호흡
메뚜기의 기관계는 모든 곤충에서 볼 수 있는 아주 전형적인 것이다. 기관은 기문(spiracle)이라 불리는 외골격에 있는 조그만 구멍을 통하여 외부로 열려 있다. 그 기문은 기관에 공기가 들어가기 전에 공기중의 먼지나 이물질을 제거하는데, 도움을 주는 강모와 판막에 의하여 보호되어 있고 판막과 기문의 개폐는 근육에 의하여 조절된다. 기문은 안쪽으로 더욱 미세한 기관지로 나뉘어져 곤충 몸의 모든 부분으로 통해 있다. 기관지 가장 끝의 지름은 겨우 0.1 μm 이며 끝부분이 액체로 채워져 있다. 기관을 통해 확산된 산소는 이 액체 속에 용해되고 주위세포로 확산된다. 아마 곤충의 몸에 있는 모든 세포는 주위에 이런 미세 기관이 적어도 1개쯤은 공급되어 있다.
기관의 구성은 대단히 흥미롭게 되어 있는데 주위 조직의 무게에 의하여 압력을 받지 않게 하기 위하여서는 매우 단단해야 함으로 기관의 벽은 큐틴의 나선사에 의하여 보호되어 있다. 그럼에도 불구하고 이런 상태의 구조는 공기가 잘 통하도록 막히지 않게 열려 있도록 하고 형태 변형 없이 기관을 유지할 수 있도록 압력에 제한이 있다. 이것은 모든 곤충이 비교적 몸이 작은 이유 중의 하나이다. 예를 들면 토끼의 크기로 동물조직이 증가되면 무게는 단지 공기로만 채워진 기관을 압박하여 버리는 것이다.
비교적 작고 활동성이 적은 곤충들 중에서는 기관계를 지나는 산소의 공급은 간단히 확산에 의하여 이루어진다. 한편 메뚜기와 같이 크고 활동적인 곤충들은 기관을 이용하여 힘차게 환기한다. 복부 근육의 수축은 내부 기관을 압축하고 기관의 공기가 배출하도록 힘을 가한다. 근육 이완시 복부는 정상적인 크기로 되돌아가고 공기는 그 기관으로 들어간다. 주기관에 부착한 커다란 기낭은 풀 작용과 같은 활동의 효과를 증가시킨다. 곤충 생리학자 Gottfried Fraenkel에 의하여 최초로 시도 된 연구에 의하면 메뚜기의 호흡은 상호 조절되어 공기가 한 방향으로 흐르는 것을 알 수 있다. 공기는 복부 전방 기문으로 들어가서 복부 후방 기문으로 배출된다. 이와 같은 일방 통행은 가스교환의 효율을 증가시켜 주는데 산소가 부족한 공기는 신선한 공기와 섞이지 못하도록 배출시킬 수 있다. 수중 곤충들도 기관계를 가지고 있는데(예, 모기 유충), 어떤 것은 호흡관을 물 표면에 내어 호흡을 하며, 이 관은 기관계와 연결되어 있다. 다른 어떤 곤충들은 오랫동안 물 속에 머물러 있는 그들은 호흡할 수 있는 공기방울을 가지고 물 속에서 호흡한다. 또 어떤 곤충은 침 끝에 기문을 가지고 있어서 수중식물의 잎 속에 있는 광합성에 의해 생성된 기포에 꽂아 호흡한다. 수중 곤충 중에는 아가미를 가지고 있는 것이 있는데 물 속에 있는 산소가 아가미 속으로 확산되고 산소가 기관계로 확산되어 몸의 조직 속으로 이동하게 된다.
폐호흡
지상척추동물(양서류, 파충류, 조류, 포유류)의 가스교환 기관은 2개의 폐이다. 공기 속의 산소는 폐의 상피세포 표면을 덮고 있는 의에 축축한 막에 용해되어 상피세포를 통하여 모세혈관(capillary)으로 확산되어 들어간다. 대부분의 혈액의 산소는 수많은 적혈구로 들어간다. 이 부유세포는 붉은 색소 헤모글로빈(hemoglobin)을 함유하고 있는데 폐에서 헤모글로빈은 산소와 화학적으로 결합한다. 산소는 개구리의 혈액순환을 통하여 몸 속으로 균일하게 퍼진다. 혈액이 내부의 각종 기관과 조직에 도달하면 헤모글로빈은 산소를 해리한다. 산소는 혈액에서 자유로이 떨어져서 호흡이 필요한 체세포로 들어간다. 세포호흡에 의해 생성된 CO2는 조직에서 혈액으로 들어가며 폐와 피부에 운반되어 대기중으로 방출된다.
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