항상성의 비밀: 몸이 균형을 유지하는 방법

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사진: Unsplash 의 Annie Spratt

 

다세포성의 진화와 내부 환경의 유지
 다세포성의 진화는 모든 세포를 감싸는 내부 액체 환경을 형성할 수 있게 만들었다. 이러한 내부 환경은 각 개별 세포의 요구를 충족시킬 수 있었기 때문에, 개별 세포 계통은 이 환경을 유지하는 데 기여하는 전문화가 이루어졌다. 사람처럼 한 가지 기능에 전문화되면 다른 기능을 상실하게 되지만, 이러한 기능 상실은 내부 환경의 항상성에 의해 보상된다. 다양한 조직으로 구성된 기관과 기관 활동을 조절하는 정보 체계의 진화는 동물이 일정한 내부 환경을 유지하는 능력을 향상시켰다. 본질적으로 내부 환경의 다양한 측면을 유지하는 생리적 체계 덕분에 다세포 동물은 더 크고 복잡해지며, 다양한 환경에 적응할 수 있게 되었다.

내부 환경: 세포외액(ECF)과 그 중요성
 각 세포는 주변 세포외액(ECF)으로부터 영양분을 얻고, 자신의 노폐물을 세포외액으로 배출한다. 사람의 몸은 약 60%가 물로 구성되어 있으며, 그 중 2/3는 세포내액, 1/3은 세포외액이다. 세포외액의 약 20%(약 3L)는 혈액순환에 사용되는 혈장이고, 나머지 80%(약 11L)는 신체 모든 세포를 감싸는 간질액이다. 물과 작은 분자는 간질액과 혈장 사이에서 자유롭게 교환된다. 따라서 영양소는 혈장으로부터 간질액으로 이동하고, 노폐물은 간질액에서 혈장으로 이동한다. 이처럼 세포외액은 동물체 내 모든 세포가 영양분을 받고 노폐물을 배출하는 데 중요한 역할을 한다.

 간질액의 조성과 물리적 조건이 특정 범위 내에 있을 때, 세포들은 외부 환경의 변화와 혹독한 조건으로부터 보호받는다. 예를 들어, 온도나 산도, 이온 농도가 급격히 변하면 세포는 그 기능을 상실하거나 손상을 입을 수 있다. 하지만 일정한 범위 내에서 이들 조건을 유지하면, 세포는 생리적인 활동을 지속할 수 있다. 따라서 안정된 내부 환경은 생물체가 다양한 외부 환경 변화에 적응하고 생존할 수 있도록 돕는다.

항상성의 중요성
 내부 환경의 조성은 외부 환경과 신체 내 세포들의 대사 활동에 의해 지속적으로 도전받는다. 생물은 항상성 상태를 유지해야만 생존할 수 있다. 항상성은 안정적이고 적절한 좁은 범위의 물리적, 생화학적 조건을 유지하는 상태를 의미한다. 이 범위는 세포가 제대로 기능할 수 있는 조건을 나타내며, 예를 들어 체온, 혈당, pH 수준 등이 이에 해당한다. 만약 생리적 체계가 제대로 기능하지 않으면 항상성이 위태로워지고, 세포는 손상되거나 죽을 수 있다.

 항상성 유지의 중요성은 생리학에서 핵심적인 주제이다. 생리적 체계는 항상성을 유지하도록 조절된다. 생리적 체계의 활동은 신경계와 내분비계의 조절로 빨라지거나 느려지며, 항상성을 유지하기 위해 정보가 필요하다. 예를 들어, 집안의 온도를 조절하는 난방기와 에어컨을 생각해보자. 이때 희망 온도는 설정점(기준점)이며, 온도조절장치는 현재 온도를 설정점과 비교하여 차이를 감지한다. 이 차이가 오차 신호로 변환되어 난방기나 에어컨을 켜거나 끄도록 명령을 내린다.

되먹임 시스템: 음성 되먹임과 양성 되먹임
 되먹임 시스템은 내부 환경을 일정하게 유지하는 중요한 메커니즘이다. 음성 되먹임은 오차 신호를 상쇄하기 위해 사용되는 정보이다. 예를 들어, 온도가 설정점 아래로 떨어지면 난방기가 켜져 온도를 올리며, 이는 시스템이 설정점으로 돌아가게 만든다. 음성 되먹임은 보통 대다수의 생리적 체계에서 사용된다. 예를 들어, 혈압이 올라가면 심장이 느려지고, 호흡이 깊어지면 체내 산소와 이산화탄소 농도를 조절한다.

 양성 되먹임은 설정점으로 돌아가는 대신 반응을 증폭시킨다. 예를 들어, 출산 과정에서 초기 자궁 수축이 아기를 산도로 밀어내고, 산도의 확장은 더 강한 수축을 자극해 분만이 이루어질 때까지 계속해서 증폭된다. 양성 되먹임은 특정 과정에서만 나타나며, 대개 한계에 도달하면 신속하게 종료된다.

앞먹임(Feedforward)과 그 역할
앞먹임 정보는 조건의 변화에 앞서 설정점을 변화시키는 역할을 한다. 예를 들어, 온도조절장치의 타이머는 설정점을 미리 낮추거나 높여 대기 중에 조정을 시작한다. 또한, 운동을 하기 전에 '제자리에'라는 신호가 심박수를 증가시켜 준비하게 만드는 것도 앞먹임 정보의 예이다. 앞먹임 정보는 변화가 일어나기 전에 내부 환경을 먼저 변화시킨다.

앞먹임 정보는 심리적, 생리적 준비를 촉진하는 역할을 하며, 변화에 대비할 수 있도록 도와준다. 예를 들어, 운동 전 신체가 준비 상태로 전환되도록 신경계와 호르몬계가 미리 활성화되기 때문에, 신체는 운동에 적응할 수 있게 된다.

제어와 조절 원리
생리적 체계가 어떻게 작동하는지 이해하면, 그 체계가 어떻게 조절되는지 질문할 수 있다. 제어와 조절은 다양한 생리적 체계에서 중요한 원리로, 각각의 체계가 어떻게 유지되고 기능하는지를 설명하는 핵심 개념이다. 이 과정에서 중요한 것은 피드백 시스템이 적절히 작용하여 항상성을 유지하도록 돕는 것이다. 예를 들어, 체온 조절은 몸의 온도가 일정 범위 내에 있도록 유지하며, 체내 수분 농도나 혈당 수준도 적절한 범위 내에서 유지되도록 조절된다.

다음 포스팅에서는 다양한 생리적 체계의 기능과 이를 어떻게 조절하는지에 대해 설명할 예정이다. 집의 온도조절 시스템을 포유류의 체온 조절 체계로 확장하여 그 설명을 시작하려 한다. 이러한 예시는 우리가 생리적 조절 메커니즘을 보다 잘 이해할 수 있도록 도와줄 것이다.

 

2025.01.31 - [의학 & 바이오 연구] - 동물의 경이로운 생리학: 다세포성 동물의 진화와 생리적 기능