순환 및 호흡
동물이 어떻게 산소를 획득하고 이산화탄소를 처리하는지, 그리고 펌프와 혈관이 이러한 물질과 다른 물질들을 신체 전반에 걸쳐 분배하여 대사 요구를 충족시키는 방법에 대한 설명입니다.
Definition
이 생리학적 의미에서 호흡은 동물과 환경 사이의 산소 및 이산화탄소 교환과 조직으로의 운반 및 조직으로부터의 운반을 의미합니다. 순환은 펌프와 혈관 시스템에 의해 혈액 또는 혈림프가 대량으로 이동하여 가스, 영양분, 노폐물, 호르몬 및 열을 신체 전체에 분배하는 것을 의미합니다.
Scope
이 분야는 기체 교환 및 내부 수송의 비교 생리학을 다룹니다: 아가미, 폐, 기관과 같은 호흡 표면; 호흡 색소에 의한 산소 결합 및 운반; 심장 및 순환계의 구조와 기능; 그리고 산-염기 균형을 포함한 호흡 및 혈액 가스의 조절. 이는 확산 및 대류의 물리적 원리와 수생, 공중, 육상 생활 전반에 걸쳐 동물이 진화시킨 다양한 해결책을 포괄합니다. 다루는 내용은 임상적이라기보다는 비교적이고 기계론적입니다.
Sub-topics
Core questions
- 호흡 표면은 물과 공기 같은 다른 매체에서 기체 교환을 어떻게 최대화합니까?
- 호흡 색소는 산소가 풍부한 곳에서 산소를 어떻게 로딩하고 필요한 곳에서 어떻게 방출합니까?
- 순환계와 심장은 다양한 크기와 생활 방식을 가진 동물에서 혈액을 효율적으로 이동시키기 위해 어떻게 조직되어 있습니까?
- 동물은 혈액 가스를 어떻게 감지하고 조절하며 산-염기 균형을 어떻게 유지합니까?
Key theories
- 협동적 산소 결합 및 시그모이드 해리 곡선
- 헤모글로빈과 같은 호흡 색소는 산소를 협동적으로 결합하여 시그모이드 해리 곡선을 나타내는데, 이는 호흡 표면에서 효율적인 로딩을 촉진하고 활성 조직에서 언로딩을 촉진하며, 곡선의 위치는 이산화탄소, pH 및 온도에 의해 이동됩니다.
- 기체 수송의 대류-확산 설계
- 효과적인 기체 교환은 얇은 호흡 표면으로의 매체 및 혈액의 대류적 전달과 그 표면을 가로지르는 확산을 결합하며, 아가미의 역류 흐름과 같은 배열은 확산을 유도하는 기울기를 최대화합니다.
Mechanisms
기체 교환은 얇고 넓은 면적의 호흡 표면을 가로지르는 확산에 의존하며, 이 표면은 외부 매체의 환기 및 혈액의 관류에 의해 지속적으로 공급됩니다. 아가미는 물과 혈액의 역류 흐름을 이용하여 확산 기울기를 높게 유지합니다. 폐는 조석 흐름을 사용하거나, 조류의 경우 단방향 흐름을 사용합니다. 곤충은 기관을 통해 산소를 조직에 직접 전달합니다. 산소는 주로 호흡 색소에 결합되어 운반되며, 이 색소의 협동적 결합과 CO2, pH, 온도에 대한 민감성은 산소의 로딩 및 언로딩을 조절합니다. 심장은 개방형 또는 폐쇄형 순환계를 통해 혈액을 구동하기 위한 압력을 생성하며, 혈관 저항과 용량은 흐름을 분배합니다. 호흡과 순환은 O2, CO2, pH를 모니터링하는 화학수용체에 의해 조절되어 환기 및 심박출량을 조절하며, 완충 작용 및 이온 교환은 산-염기 균형을 유지합니다.
Clinical relevance
잠수 포유류, 고산종, 공기 호흡 어류에 대한 비교 연구는 인간의 심폐 성능 한계를 밝히고 저산소증, 운동, 호흡기 및 심혈관 기능에 대한 연구에 정보를 제공합니다. 이 항목은 교육적인 내용이며 의학적 지침을 제공하지 않습니다.
History
아우구스트 크로그(August Krogh)의 모세혈관 기능 및 기체 교환 연구와 크리스티안 보어(Christian Bohr)의 이산화탄소가 산소 결합에 미치는 영향 발견은 호흡 생리학의 기초를 확립했습니다. 슈미트-닐슨(Schmidt-Nielsen)과 다른 연구자들은 이 분야를 사막, 잠수, 고산 동물의 놀라운 적응으로 확장하여 순환과 호흡을 물리적 제약 하의 설계 문제로 다루었습니다.
Key figures
- August Krogh
- Knut Schmidt-Nielsen
- Christian Bohr
- John B. West
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1997
- hill2016
- westsd2012
Frequently asked questions
- 물고기 아가미에서 역류 흐름이 왜 중요합니까?
- 물과 혈액을 반대 방향으로 흐르게 하면 아가미 표면 전체에 산소 기울기가 유지되어, 두 흐름이 함께 흐를 때보다 혈액이 훨씬 더 많은 산소를 흡수할 수 있습니다.
- 산소 해리 곡선이 S자형인 이유는 무엇입니까?
- 헤모글로빈은 산소를 협동적으로 결합하므로, 하나의 산소가 결합하면 다음 산소 결합이 더 쉬워집니다. 이는 폐나 아가미에서 완전한 로딩을 선호하고 활성 조직에서 쉽게 언로딩되도록 하는 시그모이드 곡선을 생성합니다.