호흡기 구조, Respiratory System

 

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 상이합니다.  포유류의 폐는 횡격막의 움직임에 따라 신축적으로 늘어나거나 줄어드는 반면, 새의 폐는 작고 딱딱한 구조로 신축성 없이 흉곽 내 갈비뼈 사이에 고정되어 있습니다. 이 단단한 폐의 무게는 같은 체중의 포유류와 비슷하지만 부피는 반 밖에 차지하질 않습니다.  새의 폐가 가지는 독특한 점은 가스 교환이 들숨뿐 아니라 날숨에도 두 번 일어난다는 것인데 이는 기낭이 있기 때문이며, 일반적으로 다른 척추동물은 들숨 때에만 가스 교환이 한번 일어납니다. 
 

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

기낭, Air Sac
조류의 기관지 Bronchus와 폐 Lung에는 포유류에는 없는 정교한 공기주머니, 기낭 Air Sac가 서로 연결되어 있습니다(아래 그림). 이 기낭 체강 전체와 목뼈 및 주요 날개뼈로도  연결되어 있으며,  얇은 막으로 된 비혈관성 주머니입니다. 이 기낭은  이차 기관지 Seondary Bronchus라고 하는 작은 부속 통로를 통해 폐와 기관지에 연결됩니다. 조류에는 포유류의 폐를 부풀리고(들이마시고) 수축시키는(내쉬는) 가슴과 복부 사이의 근육인 횡격막이 없습니다. 대신 새는 흉골 Sternum을 움직여 척추뼈에 비해  상대적으로 내리게 되면  흉강을 넓어지며 공기주머니를 확장되어 숨을 들이쉽니다. 흉골과 갈비뼈가 수축하면 공기주머니가 압축되어 신선한 공기를 폐로 밀어 넣고 공기를 내뿜습니다. (공기 이동의 전체 순서는 아래 두 번째 그림 참고) 비행 중에는 늑골 또는 위시본의 팽창과 수축이 흉골의 움직임을 보완하여 호흡기를 통해 공기를 순환하는 데 도움을 줍니다.
기낭은 체강 내 양측에 각각 존재하는 복부 공기주머니, 전흉곽 공기주머니, 후흉곽 공기주머니가 있고, 경추 양측으로 경추 공기주머니가 있으며 발성기관인 Syrinx를 둘러싸고 있는 Interclavicular Air sac 이렇게 모두 9가 존재합니다.

 
코, Nostril
대부분의 새는 부리가 시작되는 부분에 있는 콧구멍, 즉 비강을 통해 공기를 흡입합니다. 물이 콧구멍으로 들어오는 것을 막아야 하는 잠수 조류나 꽃가루가 들어오는 것을 막아야 하는 꽃을 먹는 조류와 같은 일부 조류는 비강 덮개 Operculum이 있어 필요할 때,  콧구멍을 덮고 보호합니다. 각 비강에는 공기가 흐르는 표면적을 넓혀주는 비갑개, 코선반이라고라고 하는 정교한 주름이 있습니다. 코선반의 표면은 공기가 호흡기로 들어가기 전에 미리 공기를 정화하고 가열합니다. 후각 결절은 화학 물질을 샘플링(냄새를 맡음)합니다. 또한, 코에는 신경과 혈관 네트워크인  잘 공급되어 있어 체내 열 손실 속도를 조절하는 데 도움을 줍니다.
 
기관과 기관지, Trachea and Bronchus
코를 통해 들이마신 공기는 기관을 따라 이동하여 두 개의 기관지 Bronchus로 나뉘고 들어가고, 좌우 기관지는 다시 여러 개의 줄기, 2차 기관지와 가지, 3차 기관지로 나뉩니다.   약 1,800개의 작은 기관지가 서로 연결된 3차 기관지를 폐라고 하며 여기에서 가스 교환이 일어납니다.
 
폐, Lung
흡입한 공기는 폐와 기낭을 채우며 연속적으로 흐릅니다. 들숨과 날숨, 두 번의 주기를 통해  호흡기를 통해 흡입된 공기 전체가 한 번씩 이동시킵니다(아래 그림).
 1단계에서 흡입한 공기의 대부분은 일차 기관지를 거쳐 후방 기낭으로 전달됩니다. 일부는 폐를 지나가면서 일부 가스 교환이 일어납니다. 
 2단계, 즉 첫 호흡의 날숨 단계에서는 흡입한 공기가 후방 기낭에서 폐로 이동합니다. 흡입한 공기가 모세혈관 시스템을 통해 흐르면서 산소와 이산화탄소(CO2) 교환이 이루어집니다.
 3단계는 두 번째 들숨으로 산소가 고갈된 공기가 폐에서 전방 기낭으로 이동합니다.
4단계는 두 번째이자 마지막 날숨으로  이산화탄소가 풍부한 공기를 전방 공기주머니, 기관지, 기관에서 다시 대기로 내뱉습니다.
물론 이 설명은 공기의 한 덩어리만 설명한 것으로, 실제로는 들숨과 날숨을 할 때마다 호흡기의 모든 부위를 통해 공기가 이동합니다.

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.