호흡기 구조와 기능, 호흡 과정과 호흡운동

호흡기의 구조와 기능, 호흡 과정과 호흡운동

1. 호흡기의 구조와 기능

생명체는 생명을 유지하기 위해서 음식의 소화와 흡수 과정을 통해 얻은 영양소의 대사 과정에서 생성되는 에너지를 이용합니다. 이러한 에너지 유리반응을 위해서는 외부로부터 산소를 공급받아야 하며, 그 결과 발생되는 이산화탄소를 체외로 방출해야만 합니다. 이와 같이 생명체가 외부로부터 계속 산소를 얻고 체내에서 생성된 이산화탄소를 외부로 배출하는 기체의 교환 과정을 '호흡'이라고 합니다. 호흡은 외호흡과 내호흡으로 나뉘며, 이는 호흡기계를 통해 기체의 교환이 일어납니다. 호흡기계는 기체를 교환하는 폐와 체외에서 공기 도입의 통로가 되는 비강, 인두, 후두, 기관지 등의 호흡기도로 구성됩니다. 사람의 호흡기는 체외에서 폐포까지 외부 공기를 받아들이는 통로가 되는 기도와 기체 교환이 이루어지는 좌우 폐로 이루어집니다. 기도는 입 또는 비강으로부터 시작하여 인두, 후두, 기관, 기관지, 세기관지, 종말성 세기관지, 호흡성 세기관지, 폐포관, 폐포낭 등의 기도를 거쳐서 폐포에 이릅니다. 비강으로부터 종말성 세기관지까지는 기체 교환 없이 공기의 통로 역할만 하므로 전도 영역이라고 하고, 호흡성 세기관지부터 폐포까지는 폐동맥으로부터 혈액을 공급받아 기체 교환이 일어나므로 호흡 영역이라고 합니다. 비강은 호흡기계에서 공기가 처음으로 접촉하는 곳으로 인두와 연결되며 내면에는 많은 혈관이 있고 점막으로 덮여 있습니다. 호흡기 점막은 매일 125mL가 넘는 점액을 생산하면서 기도를 통해 들어온 공기를 가온·가습 시키고 섬모운동을 통해 이물질이나 박테리아를 제거하는 역할을 합니다. 또한 비강상부 점막에는 후각수용기의 신경말단이 분포하고 있어서 냄새를 감지하는 역할을 합니다. 비강과 통해 있는 주위의 뼛속에는 공기주머니 역할을 하는 부비동이라는 공간이 있는데, 이는 두개골을 가볍게 해 주고 발성 시 공명에 관여합니다. 부비동은 점막으로 덮여 있고 미세섬모가 있어서 코 안의 온도와 습도를 조절하고 이물질을 거르는 역할을 하는데 축농증이란 부비동이 감염되어 농이 고이는 증상입니다. 인두는 비강에서 이어지는 소화기관으로 호흡기의 역할도 겸하는데, 공기나 음식은 인두를 통해서 각각 폐나 위로 가게 됩니다. 인두 밑에는 후두개라는 돌기가 있어서 음식물이 이곳을 지날 때는 뒤로 움직여서 후두의 입구를 닫아 음식물이 기관으로 들어가지 않고 식도로 들어가게 하며, 목소리를 내는 데도 도움을 줍니다. 인두의 측면에는 중이관이 열려 있는데 만약 이 관이 막히면 난청을 일으키기도 합니다. 목소리상자라고 불리는 후두는 인두 바로 아래에 위치하고 9개의 연골로 구성되어 있습니다. 9개의 연골 중 하나가 후두융기입니다. 후두개는 공기가 기관을 드나드는 통로로서 외부 이물질을 방어하며, 성대와 연결되어 발성기로서 역할도 합니다. 성대에 있는 근육이 이완과 수축을 반복하면서 성대를 움직이게 되면, 폐로부터 나오는 공기가 성대주름을 지나면서 진동하여 소리를 만들어 냅니다. 후두 아래에서부터 심장 위쪽의 흉곽 상부까지 연결된 통로인 기관은 2개의 좌우 기관지로 나뉘어 다시 2개의 폐로 연결되며, 기관지와 세기관지 등의 기도를 통과한 후 폐포에 도달하면 폐포 주위의 혈액과 기체 교환이 일어납니다. 후두로부터 기관지까지의 길이는 11~12cm, 직경은 2~2.5cm이고 16~20개의 연골, 즉 C자 모양의 연골 링으로 구성되어 있어서 공기의 통로를 보호하며 구부러지기 쉽습니다. 이들은 대부분 평활근으로 구성되어 자율신경계의 조절을 받습니다. 기관은 좌우 기관지로 나뉘는데 기관에서 폐포까지 도달하는 사이에 기도는 23~27회나 분지 하면서 가지를 쳐 나갑니다. 이때 나누어지는 세기관지는 기관과 폐포를 연결하며 1차 기관지는 22번 더 나뉘어 폐포에서 끝납니다. 기관과 기관지의 상피세포층에는 섬모가 있고 점액을 분비하여 공기의 온도와 습도를 조절하며 이물질을 제거합니다. 섬모는 이물질을 점액에 섞어 인두 쪽으로 밀어냄으로써 제거하는데, 흡연을 하는 경우 섬모운동이 저하되어 점액의 이동이 쉽지 않으므로 기침을 하여 점액을 이동시킵니다. 우기관지는 좌기관지보다 지름이 더 크고 수직 방향으로 뻗어 있어서 이물질이 침입되면 우폐로 들어가기가 더 쉽습니다. 폐는 부드러운 스펀지 같은 한 쌍의 반원추상 기관이며 우측은 3개, 좌측은 2개의 폐엽으로 나뉘어 있습니다. 각각의 폐엽은 늑막이라는 견고한 섬유상 막으로 싸여 있는데, 늑막의 안쪽에는 늑막액이 들어 있어서 호흡운동 시의 마찰을 방지하는 윤활제 역할을 합니다. 기관에서 폐로 들어간 기관지는 계속해서 분지 하여 끝부분에 폐포관이 있고 여기에 폐포라는 작은 공기주머니가 포도송이처럼 달려 있습니다. 사람의 한쪽 폐는 3억~5억 개의 폐포로 이루어져 있고 폐포의 지름은 0.1mm, 총 표면적은 60~100㎥으로, 총 피부면적보다 약 40~50배나 넓어 많은 양의 기체를 보유하고 교환할 수 있습니다. 폐포의 바깥쪽은 아주 가는 혈관이 그물처럼 싸고 있고, 폐포와 혈관 사이에는 얇은 막이 존재하여 산소와 이산화탄소가 교환됩니다. 폐포에 있는 확장수용기는 미주신경을 통해서 구심성 신경의 자극을 연수에 전달합니다. 세기관지의 평활근은 자율신경계의 지배를 받고 있으므로 부교감신경의 흥분은 세기관지를 수축시키고, 교감신경의 흥분은 세기관지를 확장시켜 환기작용이 효과적으로 일어나도록 도와줍니다. 호흡기의 주요 기능은 생명체의 대사 과정에서 필요한 산소를 외부로부터 얻어 에너지를 생성하고, 이러한 에너지 생성 과정에서 생성된 이산화탄소를 외부로 배출하는 기체 교환 기능입니다. 이외에도 호흡은 체내의 대사 과정에서 생성되는 탄산과 같은 휘발성 산의 배출을 통해 산-염기 평형을 조절하여 체액의 pH를 7.2~7.4의 범위로 유지하며, 호흡을 통해 수분을 방출하여 체온을 조절하는데 호흡을 통한 성인의 1일 수분 배출량은 400~500mL으로 이를 불감성 수분손실이라 합니다. 또한 성대의 움직임과 떨림을 통해 발성을 가능하게 합니다.

2. 호흡 과정과 호흡운동

호흡은 크게 외호흡과 내호흡이라는 두 단계로 기능적으로 나눌 수 있습니다. 외호흡은 두 가지 과정을 거치게 되는데 첫 번째는 외기와 폐포 사이의 기체 교환, 두 번째는 폐포와 혈액 사이의 산소와 이산화탄소 교환입니다. 첫 번째 과정을 통해 산소가 많은 대기 중의 공기를 폐포 내로 흡입하고 이산화탄소가 높은 폐포 내 공기를 체외로 배출합니다. 두 번째 과정을 통해서는 폐 혈액과 폐포 사이에서 일어나는 기체의 교환으로 산소와 이산화탄소는 분압차에 의한 확산을 통해 폐의 모세혈관 내 혈액과 폐포 내 공기 사이에서 교환됩니다. 이로써 외부로부터 흡입한 산소가 폐를 거쳐 모든 조직으로 운반되고, 각 조직에서 생성된 이산화탄소가 외부로 전달되므로 폐호흡이라고 합니다. 내호흡은 혈액과 조직 세포 사이에서 산소와 이산화탄소의 교환으로 폐포로부터 공급받은 산소가 조직 내에서 영양소 대사 과정에서 소모되고 이산화탄소와 에너지를 생성시켜 다시 혈액 내로 들어오게 하는 과정으로, 조직호흡 또는 세포호흡이라고 합니다. 내호흡 시에 에너지 생성 영양소가 산화되어 에너지를 생성하는 과정에서 소모된 산소량에 비해 생성된 이산화탄소량의 비율을 호흡지수라고 하며 이를 통해 에너지 연료의 기여 비율을 알 수 있습니다. 일반적으로 탄수화물의 호흡지수는 1, 단백질은 0.8, 지방은 0.7로 우리가 섭취하는 음식물의 호흡지수는 0.8 정도입니다. 호흡은 폐에서 교환된 산소를 조직으로 보내 대사에 이용하고 그 결과 에너지를 생산하여 체내의 항상성을 유지하는 데 그 목적이 있습니다. 호흡운동은 외부의 공기를 폐 속으로 들여보내는 습식과 폐 속의 공기를 외부로 배출하는 호식이라는 두 운동이 주기적으로 일어나는 것입니다. 횡격막과 늑간근이 규칙적으로 수축과 이완을 반복하고, 대기압과 폐내압의 차이에 의해서 공기의 이동이 가능합니다. 습식운동 시에는 흉곽의 용적 확대를 위해 능동적 운동이 일어나는 반면 호식운동은 습식운동에 이어지는 수동적 운동입니다. 먼저 혈액 중의 이산화탄소가 증가하면 호흡중추가 자극되고 이러한 흥분은 미주신경에 의하여 횡격막이나 늑간근의 수축운동을 시작하게 합니다. 즉, 습식 시에 횡격막은 수축하여 복부 쪽으로 내려오고 외늑간근은 수축하여 늑골을 위로 추켜올림으로써 흉강의 크기가 커집니다. 이때 폐포 내면에 계면활성제가 분비되어 폐포의 표면장력을 약화시킴으로써 폐포의 확장을 돕습니다. 이러한 과정을 통해 폐의 부피가 늘어나면서 흉강 내 폐내압이 대기압보다 낮아지게 되어 외부의 공기가 폐로 들어갑니다. 습식이 일어나게 되면 호흡중추의 기능이 멈추게 되고 그 결과 횡격막과 외늑간근은 이완하고 내 늑간근은 수축하여 흉강은 원래 크기로 수축합니다. 흉강의 수축은 폐내압을 대기압보다 높이므로 폐는 기계적으로 수축하게 됩니다. 폐의 수축에 의해 폐 속에 있는 공기가 외부로 방출됩니다. 안정 상태에서 이루어지는 정상인의 호흡을 정상호흡이라고 합니다. 1분 동안의 호흡수는 성인은 12~20회, 신생아는 40~60회, 5세 어린이는 25회 정도로 연령에 따라 차이를 보입니다. 이외에도 호흡수는 성별, 자세, 체온, 운동, 정신적 상태, 질병 등에 따라 영향을 받습니다. 사람들의 활동 상태에 따라 호흡 속도가 변하며 폐환기량은 증가 또는 감소됩니다. 이와 같은 현상을 호흡 조절이라고 하며 호흡 조절의 메커니즘은 신경성 조절과 화학적 조절에 의해 설명됩니다. 호흡 조절을 위해 신체는 각 조직세포로부터 기체 교환의 필요성을 감지할 수 있는 수용기, 뇌간에 있는 호흡중추와 호흡근을 조절하는 기능이 요구됩니다. 신경성 조절은 뇌교와 연수에 위치하는 호흡중추에 의해서 조절됩니다. 뇌교의 위쪽에는 습식중추와 호흡조절중추가 있고 연수에는 호흡중추가 있으며 이들은 미주신경의 영향을 받습니다. 최근에는 뇌교와 연수에 각각 존재하는 습식중추와 호식중추의 구분이 어려울 정도로 밀접하게 연관되어 있다고 보고되고 있습니다. 호흡운동 시에 일어나는 횡격막과 늑간근의 수축과 이완의 반복 또한 구심성 신경의 자극에 의한 운동신경의 흥분에 의해 조절됩니다. 횡격막은 횡격막신경의 지배를 받고, 늑간근은 늑간신경의 지배를 받습니다. 혈액 내에 있는 산소와 이산화탄소, 수소 이온 및 체온 변화에 의해서 호흡의 주기성이 조절되는 것을 화학적 조절이라고 합니다. 혈액 내의 화학적 환경 변화 상태를 감지하는 호흡 조절에 관여하는 화학수용기에는 경동맥소체와 대동맥소체에 있는 말초호학수용기와 연수에 있는 중추화학수용기가 있습니다. 말초화학수용기는 동맥의 산소분압 감소와 수소 이온 농도의 증가로 인한 pH의 감소로 인해 자극받고, 중추화학수용기의 경우에는 수소 이온이 혈액-뇌장벽을 통과하지 못하므로 이산화탄소분압의 증가로 인한 주변 뇌척수액의 수소 이온 농도 증가로 인한 pH의 감소가 중추화학수용기를 자극하여 호흡 증가를 일으킵니다. 예를 들면 말초화학수용기는 혈액 내 산소분압이 100mmHg 이하로 감소하거나 이산화탄소의 분압이 높아지면 수소 이온 농도가 높아집니다. 호흡수용기에 의해 들어온 정보는 감각신경섬유를 통해 호흡중추로 들어오고, 호흡중추의 지시는 운동신경섬유를 거쳐 실행기인 호흡근육으로 전달됩니다. 이외에도 대사산물의 축적으로 혈액이 산성화 되거나 체온 상승 또는 질병으로 인한 발열 상태 등에 의해서 호흡조절중추가 자극되어 호흡이 촉진되기도 합니다. 예를 들면 뇌종양, 뇌혈관 질환, 요독증, 대량의 진정제 투여 시에는 호흡중추 기능이 약화되어 얕고 빠른 호흡, 깊고 완만한 호흡, 무호흡 등이 교대로 되풀이되는 체인-스토크스 호흡현상이 나타납니다.