인체생리학 항상성의 정의, 항상성 유지 안내

항상성, 항상성 유지의 메커니즘과 예

1. 항상성의 정의

인간은 계속적으로 변화하는 외부 환경에 노출되어 있으나 이러한 환경의 변화를 받아들이고, 이에 적절히 적응할 수 있는 능력이 있습니다. 다시 말해 인간은 외부 환경이 변하더라도 내부 환경은 정상 범위 내에서 그 기능을 유지하는 능력을 가지고 있는데, 이를 항상성이라 합니다. 항상성은 그리스어로 '같은 또는 유사한'의 뜻을 지닌'homeo'와 '정지하다'의 뜻을 지닌 'stasis'가 합성된 단어로, '동일하게 유지한다'는 의미를 지닙니다. 이때 체내 환경이 일정하게 유지된다는 것을 변화가 전혀 없다는 것이 아니라, 외부의 변화를 계속 감지하고 이에 대응하여 변화하면서 내부 환경을 일정한 상태로 유지하는 것을 의미합니다. 따라서 항상성은 지속적이고 현재 진행형의 의미를 지니며, 캐논은 이것을 '동적 평형'이라 설명하였습니다. 1865년, 근대 생리학의 아버지로 불리는 베르나르는 생명체의 주요 특성을 연구하고 설명하는 과정에서 항상성의 개념을 처음으로 도입하였습니다. 그는 동적 신진대사 과정을 모두 설명하지는 못하였지만 동물실험을 통해 간에서 글리코겐이 합성되며 이로 인해 혈당이 일정한 범위 내에서 잘 조절됨에 항상성의 개념을 도입하여 설명하였습니다. 식사 후 포도당이 흡수되어 혈당 농도가 정상 범위보다 높아지면, 이는 췌장을 자극하여 인슐린 분비를 촉진함으로써 혈당을 감소시켜 정상을 유지합니다. 반대로 단식으로 인해 혈당 농도가 정상 범위보다 감소하면 이는 췌장을 자극하여 글루카곤 분비를 촉진하고, 글루카곤은 저장되어 있는 글리코겐을 포도당으로 분해하여 혈당을 상승시켜 정상을 유지합니다. 인체의 최적 상태란 어떤 한 점으로 결정되는 것이 아니고, 일정한 정상 범위 내에 있음을 뜻합니다. 즉, 최적의 상태 또는 한계를 벗어남을 감지하는 감지기를 통해 수집된 정보가 뇌나 척수와 같은 통합중추에 전달되면, 통합중추에서는 효과기의 활성을 변화시켜 내부 환경을 안정적으로 유지하게 합니다. 그러나 이러한 조절능력이 노화 등의 이유로 효율적으로 작용하지 못하여 정상 범위를 벗어나게 되면 인체는 질병에 걸리게 되고, 이러한 상태가 지속되어 정상으로 회복되지 못하면 결국 사망하게 됩니다.

2. 항상성 유지의 메커니즘과 항상성 유지의 예

항상성은 신경계와 내분비계에 의해 유지됩니다. 신경계에 의한 조절은 비교적 짧은 시간에 이루어지나, 내분비계에 의한 조절은 호르몬의 분비를 통해 이루어지므로 신경계에 의한 조절보다는 시간이 걸리는 조절 메커니즘입니다. 음성되먹임 메커니즘은 정상에서 벗어난 결과물이 이 결과를 초래한 반응을 저지하거나 촉진하라는, 즉 현재 상태의 반대가 되도록 하는 교정의 명령을 내려 결국 정상으로 되돌리려는 신체의 조절 메커니즘을 말합니다. 양성되먹임 메커니즘에 의해서는 정상에서 벗어난 변화가 계속 일어나게 되므로, 예외는 있으나 대부분 생명체의 질병이나 사망을 초래합니다. 따라서 거의 모든 생명체의 항상성은 양성되먹임 메커니즘보다는 음성되먹임 메커니즘에 의해 유지됩니다. 그러나 양성되먹임 메커니즘에 의해 조절되는 현상도 있는데, 분만 시 진통 과정, 지혈 과정과 여성호르몬의 주기 변화가 그 예입니다. 건강한 사람이라면 외부의 조건이 변하더라도 혈당은 100mg/dL 내외에서 유지하며, 체온·체액의 pH·혈압·전해질 농도·혈액 내 산소 농도 역시 일정한 범위 내에서 유지합니다. 인체의 정상 체온은 약 37℃로 외부 환경보다 높지만 외부 온도가 25~30℃일 경우에는 혈액의 흐름만으로도 체온을 일정하게 유지할 수 있습니다. 그러나 외부 온도가 이 범위를 벗어나면 신경계의 반사 조절 메커니즘이 작동하여 체온을 유지해 줍니다. 체온이 정상 체온 범위 이상으로 상승하면 체온 조절중추인 시상하부는 교감신경을 통해 피부 혈관을 확장하고 땀을 흘리게 하여 열을 발산시키고, 근육의 불수의적 떨림을 억제하여 열 생산을 감소시킵니다. 반대로 체온이 정상 체온 범위 이하로 낮아지면 체온 조절중추인 시상하부는 교감신경을 통해, 근육의 불수의적 떨림 열생산을 통한 열 발생을 증가시키고, 피부혈관과 땀샘을 수축시켜 열 손실을 감소시킵니다. 또한, 시상하부는 대뇌피질의 영향을 받는 운동신경을 자극하여 몸 움츠리기 등의 행동을 유발함으로써 열 손실을 최소화하여 체온을 정상화시킵니다. 인체 내의 효소를 포함한 다양한 단백질의 구조와 활성 그리고 신경계의 기능은 체액의 pH에 의해 크게 변화됩니다. 따라서 세포외액(동맥혈)의 pH는 약 7.4의 범위에서 항상성을 유지하여야 합니다. 인체는 정상적인 세포 대사 과정을 통해 탄산·젖산·케톤체·인산·황산의 산성물질을 계속 생성하지만, 혈액의 단백질, 헤모글로빈, 인산염 및 중탄산이온에 의한 완충작용과 폐를 통한 이산화탄소의 배출, 마지막으로 신장을 통한 산성물질의 배설을 통해 pH를 일정하게 유지합니다. 가장 흔히 나타나는 산-염기 평형의 이상 증상은 대사성 산증으로, 당뇨병으로 인한 케톤체 증가와 신장 질환에 의한 산의 배설 감소로 인해 산이 축적되거나 설사 등의 이유로 중탄산이온이 다량 함유된 췌장액이나 장액을 손실한 경우에 나타납니다. 이와 같이 혈장 내의 수소이온 농도가 높아지면, 말초 화학수용기인 경동맥소체와 대동맥소체, 그리고 중추 화학수용기인 연수에서 이를 감지하고 이 자극을 전달받은 호흡중추인 연수는 폐호흡을 통한 체내 이산화탄소의 방출을 증가시켜 혈중 이산화탄소 분압을 감소시킴으로써 pH를 정상 수준으로 회복시킵니다.