나뭇잎 교과서

기관계의 통합 작용

근육 세포 하나가 일하려면 포도당과 산소가 들어오고, 이산화 탄소와 노폐물이 나가야 합니다. 이 일을 소화계, 호흡계, 순환계, 배설계가 나누어 맡습니다. 물질 하나를 따라가며 기관계들이 어떻게 이어져 있는지 봅니다.

먼저 알면 좋은 것 세포 호흡기관계확산
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기관계의 통합 작용

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계단을 뛰어오르면 숨이 차고 가슴이 두근거린다. 다리 근육을 쓴 것뿐인데 왜 폐와 심장까지 바빠질까? 근육 세포가 움직이는 데 필요한 것을 몸은 어떤 길로 실어 나르고, 생긴 노폐물은 어디로 내보낼까?

그림 1. 운동 강도가 커지면 근육 세포의 산소 소비가 늘고, 이를 대기 위해 호흡 수와 심장 박동 수가 함께 늘어난다(성인 기준 대략값).
먼저 알아야 할 것세포 호흡과 ATP(물질대사와 에너지 전환), 기관계(생명 시스템의 구성 단계), 확산.

1.4.1세포 호흡을 돕는 네 기관계

근육 세포가 수축하려면 ATP가 필요하고, ATP를 만드는 세포 호흡에는 포도당과 산소가 필요하다. 그런데 근육 세포는 스스로 음식을 먹거나 숨을 쉴 수 없다. 그래서 여러 기관계가 일을 나누어 맡는다.

정리 1.4.1 기관계의 역할

소화계는 음식물을 분해하여 포도당 같은 영양소를 흡수한다. 호흡계는 폐에서 산소를 받아들이고 이산화 탄소를 내보낸다. 순환계는 영양소와 산소를 온몸의 세포로 나르고, 세포에서 나온 노폐물을 거두어 온다. 배설계는 혈액 속 요소 같은 노폐물을 걸러 오줌으로 내보낸다.

소장에서 흡수된 포도당과 폐포에서 확산된 산소는 모두 혈액에 실려 심장을 거쳐 근육으로 간다. 근육 세포에서 세포 호흡이 일어나면 이산화 탄소와 물, 그리고 단백질이 분해된 경우 암모니아가 생긴다. 이산화 탄소는 다시 혈액을 타고 폐로 가서 날숨으로 나가고, 암모니아는 간에서 요소로 바뀐 뒤 콩팥에서 걸러진다.1

순환계 소화계 호흡계 조직 세포 배설계 영양소 산소, 이산화 탄소 영양소, 산소 노폐물
그림 2. 순환계가 가운데에서 소화계, 호흡계, 배설계와 조직 세포를 이어 물질을 주고받게 한다.

1.4.2운동할 때의 통합 작용

운동을 시작하면 근육이 더 많은 ATP를 써야 하므로 근육 세포의 세포 호흡이 빨라져 산소 소비량과 이산화 탄소 생성량이 늘어난다. 혈액 속 이산화 탄소가 늘면 뇌가 이를 감지하여 호흡 운동을 빠르고 깊게 하고, 심장 박동을 빠르게 하여 근육으로 가는 혈액을 늘린다. 그림 1에서 운동 강도를 올리면 세 값이 함께 늘어난다. 동시에 소화계로 가던 혈액 일부가 근육으로 돌려진다. 기관계는 따로 일하는 것이 아니라 신경과 호르몬의 조절을 받아 하나처럼 움직인다. 운동을 멈추면 같은 조절이 거꾸로 일어나, 몇 분에 걸쳐 호흡과 심장 박동이 휴식 상태로 돌아온다. 이때 몸에 쌓인 젖산을 처리하고 산소 부족을 메우느라 운동 직후에도 한동안 숨이 가쁘다.

1.4.3예제 풀이

예제 1.4.2

휴식할 때 심장이 1분에 70번 뛰고 한 번에 혈액을 70 mL 내보낸다. 운동할 때 1분에 150번 뛰고 한 번에 110 mL를 내보낸다면, 1분 동안 심장이 내보내는 혈액량은 몇 배가 되는가?

휴식할 때 1분 혈액량은 \(70 \times 70 = 4900\) mL, 곧 약 4.9 L이다. 운동할 때는 \(150 \times 110 = 16\,500\) mL, 곧 16.5 L이다.

따라서 \(\dfrac{16\,500}{4900} \approx 3.4\)배가 된다. 박동 수만 2배쯤 늘어난 것이 아니라 한 번에 내보내는 양도 커져, 근육에 산소를 3배 넘게 보낼 수 있다. 꾸준히 운동한 사람은 심장 근육이 튼튼해져 한 번에 내보내는 양이 커지므로, 휴식할 때 심장 박동 수가 더 낮다.

먹은 밥이 근육의 에너지가 되기까지는 소화, 흡수, 운반, 세포 호흡, 배설이 차례로 이어진다. 아래 탐구 카드에서 기관계의 연결과 운동할 때의 변화, 소화 효소를 직접 따져 보자.

  1. 암모니아는 독성이 강해 혈액에 쌓이면 위험하다. 간은 암모니아를 독성이 약한 요소로 바꾸고, 콩팥은 요소를 걸러 오줌으로 내보낸다. 간과 콩팥이 함께 일하는 또 하나의 예이다.
마무리

세포 호흡에 필요한 영양소는 소화계가, 산소는 호흡계가 받아들이고, 순환계가 이를 조직 세포로 나르며, 노폐물은 호흡계와 배설계가 내보낸다. 운동하면 근육의 세포 호흡이 빨라져 이 기관계들이 함께 더 바빠진다. 그래서 처음 질문처럼 다리 근육을 쓰면 더 많은 산소를 들이고 나르기 위해 숨이 가빠지고 심장이 빨리 뛴다.

탐구 1

먹은 밥은 어떻게 근육의 에너지가 될까?

기관계 연결 · 물질 추적 · 모식도

    1. 질문점심에 먹은 밥이 오후 체육 시간에 다리 근육을 움직인다. 밥알은 어떤 길을 거쳐 근육까지 갈까?
    2. 복원근육 세포는 세포 호흡으로 포도당을 분해해 ATP를 얻는다. 이때 O₂가 필요하고, CO₂와 물이 생기며, 단백질을 분해하면 질소가 든 노폐물도 생긴다.
    3. 설명그래서 소화계는 영양소를 흡수하고, 호흡계는 O₂를 들이고 CO₂를 내보내며, 배설계는 요소 같은 노폐물을 오줌으로 내보낸다. 그리고 순환계는 이 모든 물질을 온몸으로 실어 나른다.
    4. 연결즉 물질마다 길은 다르지만 모든 길이 한 곳, 순환계를 지난다. 기관계는 따로 일하는 것이 아니라 순환계로 이어져 하나처럼 움직이는데, 이것이 기관계의 통합 작용이다.
    5. 적용포도당, 산소, 요소를 차례로 골라 길을 비교해 보자. 그다음 ‘기관계 하나 멈추기’에서 기관계를 하나씩 멈추고 어떤 물질이 어디서 막히는지 보며, 모든 물질을 막는 기관계가 무엇인지 찾아보자.
    6. 판단이 그림은 흐름을 보여 주려고 단순화했다. 실제 순환계는 심장에서 폐를 거쳐 돌아오는 폐순환과, 온몸을 도는 체순환 두 고리이다. 또 간은 소화계에 속하지만 요소를 만들고 포도당을 저장하는 등 물질대사의 중심 역할도 한다.

    확인조건이 달라지면

    콩팥 기능이 크게 떨어진 사람의 혈액에서 가장 먼저 늘어날 것으로 예상되는 물질은?

    탐구 2

    운동하면 왜 숨이 가빠지고 심장이 빨리 뛸까?

    순환계 · 호흡계 · 모식 모형
    심박수 (회/분)
    —
    1회 박출량
    —
    심박출량 (/분)
    —
    환기량 (/분)
    —

    모식 모형이다. 몸무게 65 kg인 17세 학생을 가정하고, 운동 생리학의 대표적인 값(쉴 때 심박출량 약 5 L/분, 최대 산소 섭취량 45·60 mL/kg·분 등)에 맞추었다. 사람마다 차이가 크다.

    1. 질문계단을 뛰어 올라가면 숨이 차고 심장이 쿵쾅거린다. 몸은 왜 이렇게 반응할까?
    2. 복원근육이 더 많이 일하려면 ATP가 더 필요하고, 그만큼 세포 호흡이 빨라져야 한다. 그리고 세포 호흡에는 O₂가 들고 CO₂가 생긴다.
    3. 설명그래서 근육에 O₂를 더 보내려면 호흡계는 공기를 더 많이 들이마시고(환기량 증가), 순환계는 혈액을 더 많이 보내야 한다(심박출량 증가). 이때 심박출량 = 심박수 × 1회 박출량이다.
    4. 연결혈액 속 CO₂가 늘어나는 것을 뇌의 연수가 감지해 호흡과 심장 박동을 빠르게 한다. 또 근육 쪽 혈관은 넓어지고, 혈액 1 L가 내려놓는 O₂의 양도 늘어난다. 즉 여러 기관계가 신경계의 조절을 받아 함께 반응한다.
    5. 적용휴식에서 달리기까지 눌러 보며 심박수와 환기량이 쉴 때의 몇 배가 되는지 보자. 그다음 ‘지구력 훈련한 학생’으로 바꿔 같은 달리기에서 심박수를 비교하고, 무엇이 달라서 심박수가 낮은지도 생각해 보자.
    6. 판단“심장이 빨리 뛰는 만큼 산소가 많이 간다”는 절반만 맞다. 1회 박출량은 운동 초반에 늘다가 곧 멈추고, 심박수는 최대치(대략 200회/분)에서 더 오르지 않는다. 그래서 산소 공급에는 한계(최대 산소 섭취량)가 있고, 이를 넘는 운동은 오래 할 수 없다.

    확인조건이 달라지면

    같은 속도로 달릴 때, 지구력 훈련을 한 사람의 심박수가 훈련하지 않은 사람보다 낮은 주된 이유는?

    탐구 3

    소화 효소는 어떤 영양소를 분해할까?

    실험 · 소화 효소 · 기질 특이성 · 최적 pH와 온도
    기질
    효소
    온도
    pH
    내 예상

    가상 실험이다. 분해 정도는 효소의 대표적인 최적 조건(침 아밀레이스 pH 약 7, 펩신 pH 약 2, 이자 라이페이스 pH 약 8, 모두 37 °C 부근)에 맞춘 교육용 어림이며, 같은 조건이어도 시험관마다 조금씩 다르게 나온다. 녹말은 아이오딘 용액, 단백질은 익힌 흰자를 물에 푼 뿌연 액과 뷰렛 용액, 지방은 완충력이 약한 용액에 BTB 용액을 넣어 확인한다(교과서에 따라 약염기 용액에 페놀프탈레인을 넣기도 한다).

    1. 탐구 문제밥을 오래 씹으면 단맛이 나고, 고기는 위에서, 기름은 작은창자에서 주로 소화된다. 소화 효소마다 분해하는 영양소가 정해져 있을까? 같은 효소라도 온도와 pH가 바뀌면 일을 못 하게 될까?
    2. 복원효소는 단백질로 된 생체 촉매이고, 입체 구조로 된 활성 부위에 맞는 기질만 분해한다(기질 특이성). 그래서 아밀레이스는 녹말을 엿당으로, 펩신은 단백질을 더 짧은 폴리펩타이드로, 라이페이스는 지방을 지방산과 모노글리세리드로 분해한다. 또 아이오딘 용액은 녹말과 만나 청람색을 띠고, 뷰렛 용액은 펩타이드 결합이 2개 이상인 물질과 만나 보라색을 띤다.
    3. 설계조작 변인은 효소의 종류(또는 기질), 온도, pH이고, 한 번에 하나만 바꾸고 나머지는 같게 둔다. 기질의 양, 효소 용액의 양, 반응 시간(20분)은 통제한다. 그리고 효소 대신 같은 양의 증류수를 넣은 시험관을 대조군으로 두어야, 색 변화가 효소 때문인지 시간이나 열 때문인지 가를 수 있다.
    4. 분석녹말 시험관이 아이오딘 반응에서 청람색을 띠지 않으면 녹말이 분해된 것이다. 그런데 단백질은 뷰렛 반응만으로는 판단할 수 없다. 펩신이 자른 폴리펩타이드에도 펩타이드 결합이 많이 남아 있어 여전히 보라색이 나오기 때문이다. 그래서 뿌연 흰자 액이 맑아지는지를 본다. 또 지방이 분해되면 지방산이 생겨 용액의 pH가 낮아지므로, BTB가 파란색에서 초록색, 노란색 쪽으로 바뀐다(페놀프탈레인을 쓰면 붉은색이 옅어진다).
    5. 측정먼저 37 °C, 각 효소의 짝이 맞는 pH에서 기질 3가지 × 효소 4가지를 실험해 표를 채우되, 누를 때마다 결과를 미리 예상해 두자. 그다음 녹말 + 아밀레이스로 온도만 5 °C, 80 °C로 바꾸고, 단백질 + 펩신으로 pH만 바꿔 보자. 마지막으로 지방 + 라이페이스(pH 8)에서 쓸개즙을 넣을 때와 뺄 때를 비교하고, 증류수 + 쓸개즙도 해 보자.
    6. 오차·안전80 °C에서는 효소 단백질이 변성되어 다시 37 °C로 식혀도 활성이 돌아오지 않는다. 반면 5 °C에서는 분자 운동이 느려 반응이 느릴 뿐, 다시 데우면 활성이 돌아온다. 또 쓸개즙은 효소가 아니라 지방을 작은 방울로 쪼개(유화) 라이페이스가 닿는 표면적을 넓힐 뿐이어서, 증류수와 넣으면 지방이 분해되지 않는다. pH 2에서는 BTB가 처음부터 노란색이어서 지방 분해를 색으로 판단할 수 없다. 염산 완충액과 뷰렛 용액(수산화 나트륨 포함)은 피부와 눈을 상하게 하므로 보안경과 장갑을 끼고, 침은 자기 것만 다룬다.

    확인조건이 달라지면

    녹말 + 침을 80 °C에서 20분 둔 뒤 37 °C로 식혀 다시 20분 두었다. 아이오딘 용액을 떨어뜨리면 어떻게 될까?

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