나뭇잎 교과서

항상성 유지

밥을 먹어도, 굶어도 혈당은 일정한 범위에 머뭅니다. 한겨울에도 한여름에도 체온은 37 °C 근처입니다. 몸은 어떻게 한 값을 붙잡고 있을까요? 이 절에서는 호르몬과 신경이 만드는 되먹임 고리를 직접 끊어 보며 확인합니다.

본문

항상성 유지

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밥을 먹고 30분쯤 지나면 혈액 속 포도당 농도, 곧 혈당이 크게 오른다. 그런데 두 시간쯤 지나면 거의 원래대로 돌아오고, 굶어도 혈당은 일정 수준 아래로 잘 떨어지지 않는다. 몸은 혈당이 오르내리는 것을 어떻게 알아채고, 무엇으로 되돌릴까?

그림 1. 건강한 사람은 식사 후 혈당이 오르면 인슐린이 분비되어 2시간 안에 혈당이 돌아온다. 인슐린이 거의 나오지 않으면 혈당이 높이 오르고 오래 내려오지 않는다(대략적인 모형).
먼저 알아야 할 것호르몬과 내분비샘(중학교), 자율 신경과 간뇌(신경계), 간의 글리코젠.

2.4.1호르몬과 음성 피드백

몸 안의 환경을 일정하게 유지하려는 성질을 항상성이라 한다. 항상성은 신경과 호르몬이 함께 유지한다. 호르몬은 내분비샘에서 혈액으로 분비되어 온몸을 돌다가, 그 호르몬의 수용체를 가진 표적 세포에만 작용한다. 신경보다 느리지만 효과가 넓고 오래간다. 호르몬은 아주 적은 양으로도 작용하므로, 분비량이 조금만 많거나 적어도 몸에 큰 변화가 생긴다.

정의 2.4.1 음성 피드백

어떤 과정의 결과가 그 과정을 억제하는 쪽으로 다시 작용하는 조절 방식을 음성 피드백이라 한다. 값이 기준보다 오르면 낮추는 쪽으로, 내리면 높이는 쪽으로 작용하여 일정한 범위를 유지한다.

2.4.2혈당 조절

식사로 혈당이 오르면 이자의 β세포가 이를 감지하여 인슐린을 분비한다. 인슐린은 세포가 포도당을 흡수하게 하고, 간이 포도당을 글리코젠으로 바꾸어 저장하게 하여 혈당을 낮춘다. 혈당이 내려가면 인슐린 분비가 줄어든다. 거꾸로 공복으로 혈당이 떨어지면 이자의 α세포가 글루카곤을 분비하여, 간이 글리코젠을 포도당으로 분해해 혈액으로 내보내게 한다.

정리 2.4.2 혈당 조절 호르몬

인슐린(이자 β세포)은 혈당을 낮추고, 글루카곤(이자 α세포)은 혈당을 높인다. 두 호르몬은 서로 반대로 작용하는 길항 작용으로 혈당을 약 70~140 mg/dL 범위로 유지한다.

그림 1의 슬라이더로 식사 후 시간을 옮겨 보자. 혈당이 오르면 인슐린이 뒤따라 오르고, 혈당이 내려가면 인슐린도 줄어든다. 사람을 바꾸어 인슐린이 거의 나오지 않는 경우를 보면, 혈당을 낮추는 신호가 없어 혈당이 높이 오르고 오래 머문다. 1형 당뇨병이 이런 경우이다.1

혈당 상승 인슐린 분비 포도당 흡수, 저장 혈당 정상 억제
그림 2. 혈당이 오르면 인슐린이 분비되어 혈당을 낮추고, 혈당이 정상으로 돌아오면 인슐린 분비가 억제된다.

2.4.3예제 풀이

예제 2.4.3

몸무게 60 kg인 사람의 혈액은 약 5 L이고 공복 혈당이 90 mg/dL이다. 혈액 속에 녹아 있는 포도당은 모두 몇 g인가? 식사로 포도당 50 g이 흡수되었는데 아무 조절도 없다면 혈당은 몇 mg/dL가 되겠는가?

1 dL는 0.1 L이므로 5 L는 50 dL이다. 포도당은 \(90 \times 50 = 4500\) mg, 곧 4.5 g뿐이다.

50 g이 그대로 혈액에 남으면 \(4.5 + 50 = 54.5\) g이 되어 혈당은 \(\dfrac{54\,500}{50} = 1090\) mg/dL가 된다. 실제로는 140 mg/dL 근처를 넘지 않는다. 흡수된 포도당 대부분이 인슐린의 작용으로 곧바로 간과 근육에 글리코젠으로, 지방 조직에 지방으로 저장되기 때문이다. 혈액은 포도당을 잠깐 실어 나르는 통로일 뿐이다.

체온도 같은 방식으로 조절된다. 추우면 간뇌가 이를 감지하여 피부 혈관을 수축시키고 근육을 떨게 하여 열을 만들고, 더우면 땀을 내어 열을 내보낸다. 아래 탐구 카드에서 혈당, 체온, 삼투압의 조절을 직접 따져 보자.

  1. 2형 당뇨병은 인슐린은 나오지만 표적 세포가 잘 반응하지 않는 경우로, 우리나라 당뇨병 환자의 대부분을 차지한다. 비만과 운동 부족이 큰 위험 요인이다.
마무리

항상성은 신경과 호르몬이 음성 피드백으로 유지하며, 혈당은 혈당을 낮추는 인슐린과 높이는 글루카곤의 길항 작용으로 조절된다. 그래서 처음 질문처럼 밥을 먹어 오른 혈당은 이자가 이를 감지해 분비한 인슐린이 포도당을 세포와 간에 저장하게 하여 다시 내려가고, 혈당이 정상이 되면 인슐린 분비도 줄어든다.

탐구 1

밥을 먹으면 혈당은 어떻게 다시 내려갈까?

혈당 조절 · 음성 피드백 · 시뮬레이션
식후 최고 혈당
—
110 아래로 돌아옴
—
가장 낮은 혈당
—

단순화한 모식 모형이다. 공복 혈당 90 mg/dL, 건강한 사람의 식후 최고 혈당이 140~160 mg/dL쯤 되도록 맞췄고, 점선은 아무것도 바꾸지 않았을 때이다. 개인의 혈당 관리나 진단에 쓰는 도구가 아니다.

  1. 질문밥을 먹으면 혈액으로 포도당이 쏟아져 들어온다. 그런데 두세 시간 뒤면 혈당은 거의 원래대로 돌아온다. 누가, 무엇을 보고 되돌려 놓을까?
  2. 복원혈당을 감지하고 호르몬을 내는 곳은 이자의 이자섬이다. β세포는 인슐린을, α세포는 글루카곤을 분비하고, 혈당 조절의 중추는 간뇌의 시상 하부이며 자율 신경으로 이자를 조절하기도 한다.
  3. 설명혈당이 오르면 인슐린이 늘어 간과 근육이 포도당을 받아들이고, 간은 포도당을 글리코젠으로 저장한다. 반대로 혈당이 내려가면 글루카곤이 늘어 간이 글리코젠을 분해해 포도당을 내보낸다. 즉 두 호르몬은 서로 반대로 작용한다(길항 작용).
  4. 연결혈당이 오르면 인슐린이 늘고, 인슐린은 혈당을 내린다. 이렇게 결과가 원인을 되돌리는 고리를 음성 피드백이라고 하고, 항상성은 대부분 음성 피드백으로 유지된다.
  5. 적용‘살펴볼 시각’을 옮기며 인슐린과 글루카곤 가운데 어느 쪽이 우세한지 보자. ‘인슐린 분비 안 됨’을 켜면 고리의 어디가 끊기는지, ‘글루카곤 분비 안 됨’과 운동을 함께 켜면 무슨 일이 생기는지도 확인해 보자.
  6. 판단“인슐린은 혈당을 내리는 호르몬이니 적을수록 좋다”는 생각은 틀린다. 몸은 한 값을 향해 양쪽으로 당기는 두 힘으로 균형을 잡기 때문이다. 또 이 모형의 ‘인슐린 분비 안 됨’은 1형 당뇨병에 가깝고, 인슐린은 나오지만 세포가 잘 반응하지 않는 2형 당뇨병은 다른 모습이다. 당뇨병은 ‘물질대사와 질환’을 다루는 절에서 더 살펴본다.

확인조건이 달라지면

아침을 거르고 오전 내내 운동장에서 뛰었는데도 혈당이 크게 떨어지지 않았다. 이때 일어난 일로 가장 알맞은 것은?

탐구 2

추우면 왜 몸이 떨릴까?

체온 조절 · 열의 생산과 방출 · 시뮬레이션
옷
심부 체온
—
열 생산
—
열 방출
—

화면의 1초는 몸의 10분이다. 70 kg인 사람이 바람 없고 습하지 않은 곳에 있다고 본 모식 모형이며, 열량(W)은 어림값이다.

  1. 질문추운 곳에 오래 있으면 이가 딱딱 부딪칠 만큼 몸이 떨린다. 떨고 싶어서 떠는 것이 아닌데, 왜 그럴까?
  2. 복원체온이 일정하려면 만드는 열과 잃는 열이 같아야 한다. 그리고 열은 주로 물질대사와 근육 운동으로 만들고, 피부를 통해 공기로 빠져나가거나 땀이 증발할 때 빠져나간다.
  3. 설명체온 조절 중추는 간뇌의 시상 하부이다. 체온이 기준보다 낮으면 교감 신경으로 피부 혈관을 수축시켜 열 손실을 줄이고, 골격근을 떨게 해 열을 만든다. 또 갑상샘에서 티록신이, 부신 속질에서 에피네프린이 더 나와 물질대사도 빨라진다. 반대로 체온이 높으면 피부 혈관이 확장되고 땀이 난다.
  4. 연결즉 떨림은 운동은 못 하는 근육 수축이다. 일은 거의 하지 않고 거의 모든 에너지가 열이 되어서, 기초 대사의 몇 배까지 열을 낼 수 있다.
  5. 적용기온을 30 °C에서 천천히 낮춰 떨림보다 먼저 일어나는 반응이 무엇인지 보자. ‘벗음’과 ‘두꺼운 겨울옷’에서 떨림이 시작되는 기온을 비교하고, 마지막으로 ‘열이 남’을 켜고 교실 온도에서 몸이 어떻게 반응하는지 확인해 보자.
  6. 판단“열이 나는 것은 체온 조절이 고장 났기 때문”이라는 생각은 틀린다. 발열은 시상 하부가 기준값을 올린 결과이고, 몸은 새 기준을 정확히 지킨다. 그래서 열이 오를 때는 춥고 떨리며, 열이 내릴 때는 땀이 난다. 반면 폭염 속 열사병은 방출이 생산을 따라가지 못해 기준을 넘어선 것으로 전혀 다른 상황이다.

확인조건이 달라지면

기온 40 °C, 습도가 매우 높은 날이다. 이때 체온을 지키기 가장 어려운 까닭은?

영상 · 통통사과 · 31초

열이 오를 때 왜 추울까

감기에 걸려 열이 오를 때는 이불을 덮어도 오들오들 떨리고, 열이 내릴 때는 땀이 흐릅니다. 시상 하부의 기준값이 37 °C에서 39 °C로 올라갔다가 돌아오는 과정을 31초로 봅니다. 체온 조절 카드에서 ‘열이 남’을 켰다 끄면 같은 일을 직접 볼 수 있습니다.

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탐구 3

물을 많이 마시면 오줌은 왜 묽어질까?

호르몬 · ADH · 타이록신 · 음성 피드백
조절
30분에
혈장 삼투압
—
ADH
—
오줌 생성량
—
오줌 농도
—

교육용 모식 모형이다. 삼투압 조절은 체수분 42 L, 정상 혈장 삼투압 약 288 mOsm/kg, ADH 수 pg/mL 수준으로 어림해 맞췄고, 갈증으로 물을 더 마시는 일은 넣지 않았다. 갑상샘 모드의 값은 정상을 1로 둔 상대값이며, 진단에 쓰는 도구가 아니다.

  1. 질문물을 한 번에 많이 마시면 30분~1시간 뒤 화장실에 자주 가고 오줌 색이 옅어진다. 반대로 땀을 많이 흘린 날에는 오줌이 적고 색이 진하다. 몸은 무엇을 감지해서 오줌의 양과 농도를 바꿀까?
  2. 복원호르몬은 내분비샘에서 혈액으로 분비되어 온몸을 돌지만, 그 호르몬의 수용체가 있는 표적 세포에만 작용한다. 혈장 삼투압은 혈장 속 용질의 농도로, 사람은 약 290 mOsm/kg 근처로 유지한다. 그리고 콩팥에서 걸러진 원뇨는 대부분 재흡수되고, 마지막으로 집합관에서 물을 얼마나 더 거둘지가 정해진다.
  3. 설명혈장 삼투압이 높아지면 간뇌의 시상 하부가 이를 감지하고, 시상 하부의 신경 분비 세포가 만든 항이뇨 호르몬(ADH)이 뇌하수체 후엽에서 혈액으로 분비된다. ADH는 콩팥 집합관 세포의 물 통로를 늘려 물 재흡수를 촉진하므로, 오줌은 적고 진해지고 혈장 삼투압은 다시 내려간다. 삼투압이 내려가면 ADH 분비도 줄어드는데, 이렇게 결과가 원인을 되돌리는 것이 음성 피드백이다.
  4. 연결갑상샘 조절은 두 단계를 거친다. 시상 하부의 TRH가 뇌하수체 전엽을 자극해 TSH를 내게 하고, TSH는 갑상샘을 자극해 타이록신을 분비하게 한다. 아이오딘이 들어 있는 타이록신은 세포 호흡을 촉진해 물질대사를 높인다. 그리고 타이록신이 많아지면 시상 하부와 뇌하수체 전엽을 억제해 TRH와 TSH 분비가 줄어든다.
  5. 적용삼투압 조절에서 세 가지 행동을 차례로 고르고, 시각을 옮기며 ADH와 오줌 생성량이 어떻게 엇갈리는지 보자. ‘ADH 분비 안 됨’을 켜면 고리의 어디가 끊기는지 확인하고, 갑상샘 모드에서는 아이오딘 결핍을 골라 TSH와 갑상샘 크기를 본 뒤, 기능 저하에서 약 슬라이더를 올리면 TSH가 어떻게 되는지도 보자.
  6. 판단“TSH가 높으면 뇌하수체가 고장 났다”는 판단은 성급하다. 아이오딘 결핍에서는 갑상샘이 타이록신을 충분히 만들지 못해 억제가 풀리고, 그 결과로 TSH가 높아진다. 그래서 고장 난 곳을 찾으려면 위아래 호르몬을 함께 봐야 한다. 갑상샘이 커지는 갑상샘종도 기능 저하(아이오딘 결핍)에서도, 항진(그레이브스병)에서도 생긴다. 이 카드의 수치는 단순화한 모식이며, 실제로는 갈증, 알도스테론, 혈압 같은 다른 조절도 함께 작동한다.

확인조건이 달라지면

어떤 사람은 ADH는 정상적으로 분비되지만 콩팥 집합관 세포의 ADH 수용체가 작동하지 않는다. 이 사람의 혈중 ADH 농도와 오줌으로 알맞은 것은?

탐구 4

스마트 워치 기록으로 항상성을 탐구할 수 있을까?

실험 · 심박수 회복 · 변인 통제 · 센서 오차
가설

학생
기온
안정 심박
—
최고 심박
—
회복 시간
—

가상 자료이다. 한 학생(17세)의 심박수를 손목 광혈류 센서가 5초마다 잰 값과 30초 이동 평균을 그렸다. 운동 강도는 여유 심박수(최대 심박 − 안정 심박)에 대한 백분율이고, 회복 시간은 운동이 끝난 뒤 이동 평균 심박이 ‘안정 심박 + 10회/분’ 아래로 처음 내려올 때까지의 시간이다. 같은 조건이어도 그날의 몸 상태(잠, 카페인 등)에 따라 값이 조금씩 달라진다.

  1. 탐구 문제운동하면 심박수와 호흡수가 오르고, 멈추면 다시 내려온다. 내려오는 빠르기는 사람과 조건에 따라 다를까? 스마트 워치에 쌓이는 기록으로 이런 가설을 검증할 수 있을까?
  2. 복원운동하면 근육의 세포 호흡이 늘어 산소와 포도당이 더 필요하고 이산화 탄소와 열이 많이 생긴다. 그래서 연수와 자율 신경(교감 신경)이 심장 박동과 호흡을 빠르게 하고, 운동이 끝나면 부교감 신경이 다시 늦추는데, 이렇게 몸의 상태를 일정 범위로 되돌리는 것이 항상성이다. 손목 센서는 초록 빛을 피부에 비추고 혈관의 혈액량 변화로 반사광이 달라지는 것을 재어 맥박을 센다(광혈류 측정).
  3. 설계가설 하나를 고르면 조작 변인은 하나뿐이다. 체력 가설이라면 학생만 바꾸고, 운동 강도, 시간, 기온은 같게 둔다(통제 변인). 그리고 종속 변인은 회복 시간이다. 사람은 날마다 상태가 다르므로 같은 조건을 두세 번 반복해 평균을 비교한다.
  4. 분석표의 기록을 그래프로 옮기면 경향이 보인다. 같은 강도에서 두 학생의 회복 시간을 비교하거나, 강도를 바꿔 가며 회복 시간이 늘어나는 기울기를 본다. 이때 반복한 값의 흩어짐보다 두 조건의 차이가 충분히 커야 ‘차이가 있다’고 말할 수 있다.
  5. 측정가설을 하나 고르고 아래의 판정 문장이 ‘공정한 비교’라고 할 때까지 기록을 모아 보자. 그다음 시곗줄을 헐겁게 해서 같은 조건을 다시 재고, 최고 심박과 회복 시간이 어떻게 흔들리는지도 보자.
  6. 오차·안전손목 센서는 팔을 크게 흔들면 피부와 센서 사이가 들떠 잡음이 커지고, 가끔 맥박 대신 발걸음 박자를 세기도 한다(계통 오차). 그래서 가슴 띠 심박계와 비교해 보정하면 좋다. 또 피부 온도는 몸속 온도가 아니라 손목 피부의 온도라서 기온과 땀의 영향을 크게 받는다. 심박과 위치 기록은 민감한 개인 정보이므로 동의를 받고, 이름을 지우고, 필요한 만큼만 모으고 공유한다. 실제로 측정할 때는 몸 상태가 나쁘면 하지 않고, 어지럽거나 가슴이 아프면 바로 멈춘다.

확인조건이 달라지면

민수는 운동 안 하는 친구를 15 °C인 날 50% 강도로, 달리기를 하는 친구를 33 °C인 날 80% 강도로 재었다. 두 친구의 회복 시간이 거의 같았다면 어떤 결론이 알맞을까?

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