생명의 신비 (18) 삼투조절능력
정계헌 (순천향대학교 생명과학부 명예교수, 전 한국창조과학회 회장)
오늘은 동물들의 삼투압조절능력에 대하여 알아보겠습니다.
생명체를 이루는 모든 세포들이 수행하는 화학반응은 물을 매질로 이용하는 반응이기 때문에 세포의 안팎에 있는 물이 균형을 잘 이루는 일은 생존을 위하여 가장 필요한 제 1 조건이 충족되는 일인 셈입니다.
세포의 내적 환경 중 제 2의 조건은 염류나 영양물질 같은 용질의 양이 적당한 수준을 유지하는 것입니다. 체내에 일정한 물과 이온의 농도를 유지하는 문제 외에, 동물은 대사산물이 체내에 축적되어 해가 되는 것을 예방하기 위하여 배설기능도 갖추어야 합니다. 이러한 일들을 수행하는 능력을 통틀어 삼투조절능력이라고 합니다.
동물들은 살아가는 동안에 끊임없이 삼투균형의 순간적인 변화를 경험합니다만 끝내 균형을 잃지 않고, 일정한 삼투상태를 유지하면서 살아갑니다. 시간적으로 볼 때 오랜 기간동안 생명체를 들고 난 물질의 총량은 결국 영(0, 제로)입니다. 즉, 들어오는 것만큼 밖으로 나가는 것입니다. 사람의 경우에는 음식물이나 음료수와 함께 물을 먹게 되는 것이지만, 물속에 사는 원생동물을 포함한 무척추동물에서는 표피나 아가미를 통해서, 물고기들은 아가미를 통해서, 그리고 개구리 같은 양서류들은 유생 때는 아가미로, 성체일 때는 주로 폐와 피부로 체액 중 물의 양을 조절합니다.
불필요한 대사산물을 내보내는 것을 보면 짚신벌레 같은 원생동물들은 수축포를 통해서 암모니아 상태로, 수중곤충들은 요산 상태로, 척추동물이나 사람은 요소 상태로 내보냅니다. 삼투조절은 단순히 물을 체내로 들여오거나 내보내는 것만으로 끝이 나는 간단한 것이 아닙니다. 실제로 삼투조절은 물보다도 용질의 농도를 일정하게 유지하도록 조절하는 데 큰 의를 가지고 있습니다.
동물과 환경 간에 일어나는 물질 교환은 동물이 생리적으로 조절할 수 없는 물리적 요인에 대한 반응으로 오는 필수적 교환(obligatory exchange)과 생리적으로 조절되어 내적 항상성을 유지하는 물질교환인 조절교환(regulated exchange)이 있습니다.
동물들이 삼투조절 능력을 어떻게 가지고 있는지를 몇몇 동물들을 예로 들어 살펴보도록 하겠습니다.
민물이나, 염분이 조금 섞인 물 즉, 기수(brackish water), 또는 바닷물에 사는 많은 무척추동물들은 스스로 삼투조절을 해야만 합니다. 그러나 일부 바닷물에 사는 종들은 바닷물과 체액의 염분 농도가 같아서 조절할 필요가 없는 경우도 있습니다. 이들의 체액 내에 있는 미량원소인 나트륨이온(Na+), 칼륨이온(K+), 칼슘이온(Ca2+), 마그네슘이온(Mg2+), 염소이온(Cl-) 등의 농도는 그들이 살고 있는 바닷물 내의 농도와 비슷합니다.
민물이나 육상에 사는 무척추동물들은 민물보다는 진하고 바닷물보다는 묽은 체액을 가지고 있기 때문에 이온의 농도 차이가 큰 셈입니다. 민물에 사는 동물들은 자신의 체액 내 염분농도가 민물의 것보다 높기 때문에 되도록이면 자신의 것을 민물에게로 빼앗기지 않으려고 노력을 합니다. 그래서, 민물에 사는 많은 동물들 즉, 어류, 파충류, 조류, 포유류 등의 표피는 비투과성이어서 체액의 손실을 막도록 되어 있고, 행여나 맹물이 들어와 체액을 희석시킬까 염려스러워 이들은 민물을 거의 머시지 않습니다.
예를 들면 민물고기는 아가미의 상피세포에 있는 「염분흡수세포」를 작동시켜 민물로부터라도 염분을 흡수하려고 노력하고, 미량의 염분이지만 일단 몸에 들어온 것은 조직으로 흡수하고, 묽은 오줌만을 배출합니다.
한편, 바닷물에 사는 대다수의 어류인 경골어류들의 체액은 대부분의 다른 척추동물들과 같아서 바닷물에 비하여 염도가 낮기 때문에 아가미의 상피세포를 통하여 쉽게 물을 잃어버립니다. 이렇게 잃어버린 물을 보충하기 위하여 바닷물고기들은 계속 그 짠물을 마십니다. 이들의 창자에서 바닷물의 70-80%가 혈관 속으로 흡수되는데, 이 때 염분(NaCl)과 염화칼륨(KCl)도 대부분 혈관 속으로 들어갑니다. 물과 함께 흡수된 과잉의 염류 중 나트륨이온(Na+), 염소이온(Cl+) 및 칼륨이온(K+)은 아가미의 상피세포에 있는 「염분분비세포」를 작동시켜 능동적으로 혈액으로부터 제거합니다. 결과적으로 바닷물에 사는 고기들은 짠 바닷물 속에서 바닷물을 마시고 살아도 그 살이 결코 짜지지 않는 것입니다.
바다에 사는 이구아나, 바다거북, 악어, 바다뱀 등 파충류는 물고기와는 다르게 머리에 염분을 분비하는 샘인 두선(頭腺, cranial gland)이 있어서 삼투조절을 합니다. 한편 바다에 사는 새들 즉, 해양조류들은 물고기들을 잡아먹고 사니까 바닷물을 많이 마시게 되는데, 들어온 염분을 제거하기 위하여 눈 밑 부리 위에 염류선(salt gland)이 있어서 계속적으로 초과하는 염분을 배출합니다.
갈매기가 많이 머무는 섬의 바닷가 바위 위에 흰 자국이 많이 있는 것은 갈매기의 변이 아니라, 이들이 배출한 소금물이 말라붙은 것들입니다. 이 염류선이 도마뱀에서는 코나 눈 가까이에 자리잡고 있습니다. 기수 즉, 바닷물과 민물이 섞인 곳에 사는 악어들에게서는 염류선이 혀에 있다는 사실이 최근에 발견되었습니다. 이들 염류선은 이 동물들의 콩팥에서 다할 수 없는 엄청난 일을 대신하는 것입니다.
육상에 사는 많은 동물들은 체내의 물이 증발될 때 물과 더불어 빠져나갈 수 있는 무기염류들을 지키는 것이 무엇보다 중요한 일입니다. 그래서, 많은 육상동물들의 피부는 물을 투과하지 않습니다. 그러나, 건조한 일기 중에는 숨을 쉬는 동안 폐와 기도의 상피세포로부터 증발되는 물의 양이 만만치 않습니다. 이러한 수분의 발산을 보충하기 위하여 육상동물 중 곤충 같은 절지동물들은 상대습도가 50% 정도로 낮을 때도 공기로부터 수분을 흡수할 수 있는 놀라운 능력을 가지고 있습니다.
이상과 같이 동물마다 체액을 잃지 않으려는 특이한 구조들을 가지고 있음을 우리는 봅니다. 이 놀라운 능력들이 이들의 조상들이 착안한 구조들이겠습니까?
[기도] 놀라우신 하나님, 모든 생명체들에게 체액을 조절할 수 있는 능력을 주신 것 감사합니다. 아멘.
출처: 한국창조과학회
