항상성과 체온조절 및 열과 체온유지에 대해 알아보겠습니다.
체온조절은 우리가 생각하는 것보다 훨씬 중요합니다. 온도는 우리가 간과하기 쉬운 다양한 방식으로 행동에 영향을 주기 때문입니다.
항상성과 변동 항상성
생리학자 Walter B. Cannon은 체온조절과 특정 신체 변인들을 일정한 범위 내에서 유지하려는 생물학적 과정을 설명하기 위해 항상성이라는 용어를 처음 도입하였습니다.
예를 들면 최저 및 최고 온도를 설정하는 냉난방장치를 갖춘 온도조절기와 비슷합니다. 실내 온도가 설정된 최고치 이상으로 올라가면 온도조절기가 에어컨을 작동시키고, 실내 온도가 최저치 이하로 떨어지면 온도조절기가 난방기를 작동시켜 열을 공급하는 것과 같습니다.
동물의 항상성 과정도 유사합니다. 특정 변인을 설정된 범위 내에 유지하는 생리적 활동을 작동시킵니다.
대부분의 경우 그 범위가 좁아, 이것을 신체가 유지하려는 단일 값인 고정점이라고 합니다.
예를 들어 칼슘이 부족하여 혈액에서의 칼슘 농도가 고정점 이하로 떨어지면 뼛 속에 저장되어 있던 칼슘이 혈액 속으로 방출됩니다. 만약 혈액에 있는 칼슘 농도가 그 이상을 상승하면 잉여 칼슘의 일부는 뼛 속에 저장되고 나머지는 배설됩니다.
고정점에서 벗어나는 것을 감소시키는 과정을 부적 피드백(negative feedback)이라고 합니다.
동기화된 행동은 부적 피드백으로 기술될 수 있는데, 무언가 동요를 일으키면 행동은 그 동요를 경감시킬 때까지 진행됩니다.
신체의 고정점은 때때로 바뀝니다. 우리의 신체는 실온이 일정해도 밤보다는 낮 동안에 더 높은 온도를 유지합니다. 또한 인간은 봄에 체지방을 감소시키고 가을에 체지방을 증가시킵니다. 이렇게 신체가 상황에 따라 고정점을 변화시키는 적응 방식을 변동 항상성이라고 합니다. 이런 조절은 대부분 시상하부에 의존합니다.
체온조절의 생리적 기제
체온조절은 생물학적으로 우선순위가 매우 높습니다.
성인이 하루에 소비하는 에너지는 대부분은 쉬고 있는 동안에 일정한 체온을 유지하는 과정, 즉 기초대사에 사용됩니다. 체온 유지에 필요한 에너지의 양은 다른 모든 활동에 필요한 것을 합한 것의 거의 두배나 됩니다.
변온동물들의 체온은 환경의 온도와 일치합니다. 땀을 흘리는 것과 같은 체온 조절을 위한 생리적 기제가 없습니다. 동면을 취하는 동안 체온이 변하는 일부 종을 제외하면 포유류와 조류는 항온동물입니다. 항온동물은 환경의 온도가 크게 변화해도 생리적 기제를 사용하여 체온을 거의 일정하게 유지합니다.
기온이 체온보다 높을 때 스스로를 냉각시키기 위한 생리적 기제는 증발입니다.
인간은 땀을 흘려 증발을 위한 수분을 방출하는데, 수분이 증발하면 신체는 냉각됩니다. 하지만 기온이 높은 동시에 습도도 높으면 습기가 증발하지 못합니다. 또한 땀을 흘리는 상태에서 수분이 부족하면 탈수 상태에 빠지게 됩니다. 이런 상황에서는 고열의 위험을 무릅쓰고 신체의 수분을 보존하기 위해 땀 배출량을 줄입니다.
추운 환경에서 몸의 온도를 올리는 여러 생리적 기제가 있습니다. 첫 번째는 근육 수축을 통한 떨기입니다.
두 번째는 피부로 순환하는 혈류를 줄여 혈액이 지나치게 냉각되는 것을 막을 수 있습니다. 세 번째는 인간이 아닌 포유류에서 단열을 위해 털을 부풀리는 것을 말합니다.
인간도 행동적 기제를 활용하는 경우가 있는데, 체온을 행동적으로 더 많이 조절할수록 생리적으로는 더 적은 에너지를 소비합니다. 땀을 흘리는 것보다 더운 날 시원한 장소를 찾는 것이 훨씬 현명한 방법입니다.
일정한 고체온의 장점
인간은 체온 유지에 전체 에너지의 약 2/3를 소비합니다. 또한 높은 체온을 일정하게 유지하지 않으면 적게 먹어도 되기에 음식을 찾기 위한 노력을 덜 해도 됩니다. 우리는 높은 대사를 지원하기 위해 많이 먹고, 그 결과 기온이 낮아져도 원하는 만큼 빨리 달릴 수 있습니다.
포유류는 체온을 37도로 진화시켰습니다. 그 이유는 가능하면 따뜻하게 유지하는 것이 유리하기 때문입니다.
따뜻한 동물은 찬 동물에 비해 더 빨리 달릴 수 있고 피로를 적게 느낍니다.
따뜻한 것이 더 좋은데도 인간은 자신의 체온을 더 높은 온도로 유지하지 않습니다. 그 이유는 체온을 더 높게 유지하기 위해서는 더 많은 에너지가 필요하고 높은 온도에서 단백질 결합이 와해되기 때문입니다.
생식 세포는 다른 세포들보다는 시원한 환경이 필요합니다. 예를 들면 남성의 음낭은 신체의 외부에 달려 있는데, 그 이유는 정자 생산을 하기 위해서는 음낭의 온도가 다른 부분에 비해 약간 낮아야 하기 때문입니다.
임산부도 뜨거운 목욕탕이나 태아의 체온을 올릴 수 있는 장소는 피하는 것이 좋습니다.
열과 체온유지
일반적으로 바이러스에 감염이 되면 체온이 상승하며 열이 납니다. 열은 질병에 대항하여 신체를 방어하는 수단의 일부입니다. 신체가 세균, 박테리아 등에 의해 침입을 받으면 백혈구를 동원하여 이들을 공격합니다.
백혈구는 시토카인이라는 단백질을 방출하여 미주신경을 자극해 프로스타글란딘이라는 물질의 방출을 증가시킵니다. 이 수용체가 없는 사람에게는 병이 생겨도 열이 나지 않습니다.
열은 체온의 고정점이 상승하였음을 의미합니다.
체온이 37도보다 높아지거나 낮아질 때 땀을 흘리거나 몸을 떠는 것과 마찬가지로, 열이 나서 체온이 39도 정도가 되면 그에 맞춰 땀을 흘리거나 몸을 떨게 됩니다. 우리의 몸이 하는 일은 그 열의 수준으로 체온을 유지하려는 노력하는 것입니다.
갓 태어난 토끼는 시상하부의 미성숙으로 감염에 대응하여 몸을 떨지 못하지만 따뜻한 곳으로 이동함으로써 체온을 올립니다. 즉, 행동적 수단을 통해 체온을 올리는 것입니다. 중요한 점은 동물이 감염에 대응하기 위해 행하는 것이 바로 열이라는 것입니다.
열은 동물에게 여러 이점이 있습니다. 포유류의 경우 체온보다 높은 온도에서 박테리아가 성장하지 못하며, 열은 면역계의 활동을 촉진합니다. 또한 적당한 열 발생은 박테리아의 감염에서 생존할 가능성을 증가시킵니다. 그러나 사람의 경우 39도 이상의 열은 이로운 점보다는 해로운 점이 더 많으며 41도 이상의 열은 치명적인 영향을 끼칩니다.