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학습자료/과학

기체 교환과 운반

대한민국 교육부 2015. 12. 15. 11:05

기체 교환과 운반



■ 고산지대의 기압 변화 

우리가 높은 산에 오르면 숨을 쉬기가 어려워집니다. 그 이유는 무엇일까요? 우리가 살고 있는 지역의 평균 기압을 1기압이라고 했을 때, 8,000m 이상의 에베레스트는 약 0.33기압 정도 밖에 되지 않습니다. 다시 말해 에베레스트 정상의 산소는 땅의 산소에 1/3 정도 밖에 되지 않습니다. 그래서 많은 사람들이 고산지대에 가면 고산병을 얻거나, 심지어 목숨을 잃을 수도 있습니다. 그런데 이런 고산지대에 적응하면서 살고 있는 사람들이 있습니다. 그들은 어떻게 고산병에 걸리지도 않고, 높은 곳에서 살 수 있게 되었을까요?



■ 네팔의 소수 민족, 셰르파(Sherpa)

셰르파는 네팔 동부 고산지대에 살고 있는 소수 민족의 이름입니다. 1920년대 셰르파인 중 일부가 히말라야 등반 원정을 온 영국 탐험가들에게 고용되어 히말라야를 오르기 시작하면서, 오늘날에는 고산지대를 오르는 길잡이 역할뿐만 아니라, 탐험대의 무거운 짐을 나눠지고 수천 m 이상을 오르는 등반 도우미의 역할을 하고 있습니다.


▲ 셰르파족(Sherpa)(출처: 에듀넷)


1953년 뉴질랜드 산악인 에드먼드 힐러리(Edmund Hillary)와 처음으로 에베레스트를 등반한 셰르파인 텐진 노르게이(Tenzing Norgay)를 시작으로, 셰르파인 아파(Appa)는 8,000m 이상의 에베레스트를 21회 등반하여 개인 최다 등반 기록을 가지고 있으며, 바부치리(Babuchiri)는 16시간 56분 만에 에베레스트를 등반하여 최단 시간 등정이라는 기록을 가지고 있습니다. 어떻게 셰르파족은 8,000m 이상의 에베레스트를 다른 사람들보다 쉽게 오를 수 있을까요?


▲ 에드먼드 힐러리와 텐진 노르게이(출처: 에듀넷)



■ 셰르파족이 높은 고도에서 살 수 있는 이유 

셰르파족은 수 천년 동안 고산지대에 살면서 유전적 적응의 과정을 겪게 되었습니다. 고산지대에는 산소가 희박한데, 산소가 부족한 환경에서도 효율적으로 산소를 운반할 수 있는 방법을 갖게 된 것입니다. 혈액 안에는 적혈구가 있고, 적혈구 안에는 헤모글로빈이 있습니다. 헤모글로빈은 폐에서 산소와 결합하여 혈액을 통해 온몸을 돌면서, 우리 몸 곳곳으로 산소를 운반해 줍니다.


▲ 헤모글로빈의 역할(출처: 에듀넷)


셰르파족은 산소가 부족한 환경에 적응하면서, 헤모글로빈이 산소와 쉽게 결합할 수 있는 구조를 갖게 되었습니다. 다시 말해 헤모글로빈의 산소 친화도가 보통 사람들보다 높은 것이죠. 따라서 셰르파족은 산소가 부족한 고산지대에 살더라도 효율적으로 산소를 온몸으로 운반할 수 있게 된 것입니다. 이러한 적응의 과정과 더불어, 셰르파족은 키가 작아 혈액 순환의 속도가 빠르고, 숨 쉬는 속도도 보통 사람들보다 빠른 편이기 때문에 산소를 얻고 온몸에 전달하는 것이 매우 효율적입니다.


▲ 헤모글로빈의 산소 포화도(출처: 에듀넷)



■ 높은 고도에 적응하는 또 다른 부족 - 안데스 산맥의 인디오 

고대 잉카 제국이 화려한 문명의 꽃을 피운 곳은 안데스 산맥 안에 자리 잡고 있습니다. 이곳은 해발 4,000~7,000m급의 고지가 연속되어 인간이 살기에 적합하지 않은 곳이 많습니다. 그럼에도 불구하고 많은 인디오들이 이 안데스 고산 지대에서 생활하고 있습니다. 높은 고도에 살고 있는 인디오들은 고산병에 걸리지 않고 어떻게 공기가 희박한 이 곳에서 살 수 있을까요? 이들도 셰르파족처럼 헤모글로빈의 산소 친화도를 높이는 적응의 과정을 거쳤을까요?


인디오들은 셰르파족과는 전혀 다른 적응의 과정을 거쳐 고산 지대에 살 수 있게 되었습니다. 인디오들은 보통 사람들보다 적혈구 수가 많으며, 혈액 속에 있는 산소와 결합하여 몸의 각 기관에 산소를 전달하는 역할을 하는 헤모글로빈의 수도 많아지도록 적응 과정을 거쳤던 것입니다. 따라서 산소가 부족한 곳에서도 몸이 잘 견딜 수 있도록 고산 지대에 완전히 적응한 것이죠.



■ 기체 교환과 운반 

사람은 호흡을 통해 산소를 들이마시고 이산화탄소를 내뱉습니다. 폐로 들어온 산소는 혈액 속에 있는 헤모글로빈을 통해 온몸으로 운반되며, 몸의 각 세포는 산소를 이용하여 에너지를 만듭니다. 에너지를 만드는 과정에서 이산화탄소가 만들어지고, 이산화탄소를 다시 혈액을 통해 폐로 운반됩니다. 폐에서는 산소의 압력이 높고, 이산화탄소의 압력이 낮기 때문에 헤모글로빈은 산소와 결합하고, 이산화탄소를 폐로 내보냅니다. 온몸의 조직은 산소의 압력이 낮고, 이산화탄소의 압력이 높기 때문에 혈액을 통해 이동해 온 헤모글로빈은 산소를 방출하고, 이산화탄소를 받습니다. 이러한 과정을 혈액 내의 기체 교환의 과정이라고 합니다.


그림에서 보면, 각각의 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 기체가 이동하게 됩니다. 산소의 경우를 보면 대기 중 산소의 압력은 158mmHg, 폐포에서의 산소 압력이 100mmHg, 모세혈관의 산소 압력은 95mmHg, 조직 세포는 40mmHg 이하이기 때문에 산소는 ‘대기 중 → 폐포 → 모세혈관 → 조직 세포’로 이동하는 것입니다. 이산화탄소는 산소와 반대로 ‘조직 세포 → 모세혈관 → 폐포 → 대기 중’으로 이동한다는 것을 알 수 있습니다.


▲ 기체 교환의 과정(출처: 에듀넷)



[자료출처: 에듀넷]




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