기관계의 통합 작용
본문계단을 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?
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.
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
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
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.
- 암모니아는 독성이 강해 혈액에 쌓이면 위험하다. 간은 암모니아를 독성이 약한 요소로 바꾸고, 콩팥은 요소를 걸러 오줌으로 내보낸다. 간과 콩팥이 함께 일하는 또 하나의 예이다.
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.