호흡기 구조, Respiratory System

이 시리즈는 중추신경계, 순환계, 호흡계, 소화계, 배뇨계, 생식계 등 새의 주요 해부학적 시스템을 중심으로, 비행과 생존에 최적화된 새의 생리와 구조를 체계적으로 소개합니다. 아래 목록을 따라가며 새의 몸속을 하나씩 들여다보시기 바랍니다.

• 중추신경계 Central Nervous System – 뇌의 구조와 기능을 다룹니다.
• 순환기계, Circulatory System – 고효율 4심방 심장과 혈류 순환에 대해 다룹니다.
• 호흡기계, Respiratory System – 공기주머니와 단방향 기류 구조를 중심으로 설명합니다.
• 소화기계, Digestive System – 모이주머니, 전위, 모래주머니 등 독특한 구조를 설명합니다.
• 배뇨기계, Excretory System – 신장 구조와 요산 배설, 수분·염분 조절을 설명합니다.
• 생식기계, Reproductive System – 암수의 생식기관과 생리적 특성을 소개합니다.

 

그것은 놀라운 생물공학적 특징으로, 폐와 연결된 일련의 풍선 같은 기낭氣囊 덕분에 가능하다. 들숨을 쉴 때 기낭에 저장된 약간의 ‘산소가 풍부한 공기’가, 날숨을 쉬는 동안에 폐를 통과할 수 있기 때문이다. 독자들이여! 이해되지 않는다고, 괜히 자신의 우둔함을 탓할 필요는 없다. 그것은 너무나 신기한 폐여서, 생물학자들조차 작동 방식을 이해하는 데 수십 년이 걸렸다.
완전히 새로운 공룡의 역사, 3. 혁명의 시작, 스티브 브루사테 지음, 양병찬 옮김, 웅진 지식하우스

 
 
 

새의 호흡기 구조는 사람을 비롯한 포유류의 것과는 구조도 기능도 매우 다릅니다. 포유류의 폐는 횡격막의 움직임에 따라 부풀거나 수축하면서 공기를 들이마시고 내쉬지만, 새의 폐는 작고 단단하여 신축성이 없습니다. 이 폐는 흉곽 내 갈비뼈 사이에 고정되어 있으며, 몸무게 대비 무게는 포유류와 비슷하나 부피는 절반에 불과합니다.

무엇보다 새의 폐가 독특한 점은, 공기가 한 방향으로만 흐르며 가스 교환이 들숨과 날숨 두 번 모두에서 일어난다는 점입니다. 이는 공기주머니, 즉 기낭(Air Sacs)이 폐와 연결되어 있기 때문에 가능합니다. 대부분의 척추동물은 들숨 시에만 산소와 이산화탄소 교환이 일어나지만, 새는 이 독립된 기낭 구조를 통해 훨씬 효율적인 호흡이 가능합니다.

• 기낭, Air Sac
• 코, Nostril
• 기관과 기관지, Trachea and Bronchus
• 폐, Lung

기낭, Air Sac

조류의 기관지(Bronchus)와 폐(Lung)에는 포유류에 없는 공기주머니인 **기낭(Air Sacs)**이 연결되어 있습니다. 이 기낭은 얇은 막으로 되어 있으며, 혈관이 거의 없어 직접 가스 교환은 하지 않지만, 폐와 기관지에 연결되어 공기의 흐름을 조절합니다. 총 9개로 구성되며 다음과 같이 나뉩니다:

• 복부 기낭 (Abdominal air sacs)
• 전흉곽 기낭 (Anterior thoracic air sacs)
• 후흉곽 기낭 (Posterior thoracic air sacs)
• 경추 기낭 (Cervical air sacs)
• 쇄골간 기낭 (Interclavicular air sac): 발성기관인 시링스(Syrinx)를 둘러싸며, 일부 새의 목과 날개뼈까지 뻗어 있음

이 기낭들은 이차기관지(Secondary bronchus)로 불리는 부속 통로를 통해 폐와 직접 연결되며, 새의 흉골(Sternum)이 움직이며 공기 흐름을 유도합니다. 흉골이 아래로 내려가면 흉강이 확장되어 공기주머니가 팽창하고 공기가 유입되며, 수축하면 공기주머니가 압축되어 공기가 폐로 들어가거나 외부로 배출됩니다.

 
코, Nostril

대부분의 새는 부리 위쪽에 위치한 콧구멍, 즉 비강(Nostril)을 통해 공기를 들이마십니다. 수면이나 꽃 속을 드나드는 조류의 경우, 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위한 덮개 구조인 **비강덮개(Operculum)**를 가집니다.

비강 안에는 정교한 주름 구조인 **비갑개(코선반, nasal conchae)**가 있어, 공기의 흐름을 늘리고 공기를 데우고 정화하는 역할을 합니다. 또한 후각 결절은 냄새 물질을 감지하며, 풍부한 신경과 혈관이 분포하여 체온 조절에도 기여합니다.

 
기관과 기관지, Trachea and Bronchus

비강을 지나온 공기는 기관(Trachea)을 따라 아래로 이동하며, 양쪽의 기관지(Bronchus)로 갈라집니다. 이후 2차 기관지, 3차 기관지로 나뉘며, 3차 기관지는 약 1,800개의 가지 구조를 이룹니다. 이 부위가 바로 폐이며, 여기에서 가스 교환이 이루어집니다.

 
폐, Lung

조류의 폐에서는 공기가 **단방향(Unidirectional)**으로 흐릅니다. 이는 사람의 폐와 달리, 들어온 공기와 나가는 공기가 섞이지 않는다는 뜻입니다. 이 구조 덕분에 매 호흡마다 신선한 공기가 폐의 표면을 최대한 덮게 되고, 잔류 공기가 거의 없어 포유류보다 가스 교환 효율이 매우 높습니다. (아래 그림).
 

자세히 설명하면, 공기의 흐름은 다음과 같이 네 단계로 구성된 2회 순환 호흡을 거칩니다:

1. 첫 번째 들숨: 공기의 대부분이 일차기관지를 통해 후방 기낭으로 이동. 일부는 폐를 지나며 약간의 가스 교환이 발생함.
2. 첫 번째 날숨: 후방 기낭의 공기가 폐로 밀려들어가며 본격적인 산소-이산화탄소 교환이 이루어짐.
3. 두 번째 들숨: 폐에서 산소가 고갈된 공기가 전방 기낭으로 이동함.
4. 두 번째 날숨: 전방 기낭의 공기가 기관을 거쳐 외부로 배출됨.

이러한 과정은 연속적으로 이어져 있어, 실제로는 들숨과 날숨을 반복할 때마다 공기 흐름이 폐와 기낭 전체를 통해 동시에 순환합니다. 폐를 통한 단방향 공기 흐름은 신선한 공기가 폐의 호흡 표면과 접촉하는 것을 최대화합니다. 따라서 새는 호흡을 할 때마다 폐의 거의 모든 공기를 교체합니다. 조류의 호흡 주기 동안 폐에 잔류 공기가 남지 않는데 이 사람을 비롯한 포유류는 잔류 공기가 남아 있습니다. 호흡할 때마다 더 많은 공기량과 함께 잔류 공기와 섞이지 않아 산소 함량이 높은 공기를 이동시킴으로써 조류는 포유류보다 더 효율적인 가스 교환 속도를 달성합니다.

 
흥미롭게도 악어의 폐에서 단방향 공기 흐름의 작은 영역이 발견되는데, 이는 아마도 조류의 진보된 공기 흐름 시스템의 초기 형태일 수 있으며 이것은 지배파충류 Archosaur( 공룡, 악어, 익룡의 공통조상)에서 비롯된 것일 가능성도 있습니다. (Farmer and Sanders 2010).

공기가 일방향으로 흐르는 현상이  기낭이 없는 이 수륙양용 외온 동물(ectotherm) 미국악어의 허파에서 관찰됩니다. 이러한 패턴은 트라이아스기의 지배파충류까지 거슬러 올라가며, 공룡이 아닌 그들의 후손들에서도 존재했을 가능성이 있습니다. 이는 공룡에서도 마찬가지였을 수 있습니다.

Unidirectional Airflow in the Lungs of Alligators


대부분의 새는 9개의 기낭을 가지고 있으나, 아비 Loon와 칠면조의 경우 7개에서 황새의 경우 최소 12개까지 다양합니다. 새의 공기주머니는 엄청난 양의 산소를 공급할 뿐만 아니라 비행 중 발생할 수 있는 높은 체온 상승을 억제하고 연약한 내부 장기를 보호하는 데도 도움이 됩니다. 
 
 
출처 1. Ornithology 4th, Gill and Prum, W.H.Freeman and Compamy.
출처 2. Handbook of Bird Biology 3rd. The Cornell Lab of Ornithology, Wiley.