호흡

숨을 들이쉬고 내쉬는 과정은 가슴벽(chest wall; 흉벽), 허파(lung; 폐), 그리고 그것들을 움직이는 근육의 조정된 움직임을 포함합니다. 호흡에 중요한 역할을 하는 두 개의 근육군은 폐 바로 아래에 위치한 가로막(diaphragm; 횡격막)과 갈비뼈 사이에 있는 갈비사이근(intercostal muscle; 늑간근)입니다. 가로막이 수축하면 아래로 이동하여 가슴우리(rib cage; thoracic cage; 흉곽)의 부피를 증가시키고 허파가 팽창할 공간을 더 많이 만듭니다. 갈비사이근이 수축하면 갈비뼈(rib; 늑골)가 위로 올라가고 가슴우리가 확장합니다.

각 허파는 액체로 분리된 가슴막(plurae; 늑막)이라고 불리는 두 개의 막으로 둘러싸여 있습니다. 이 유체는 가슴우리가 팽창함에 따라 허파가 늘어나게 하는 접착력을 생성합니다. 허파의 부피가 증가하면 압력이 감소합니다. 압력이 대기압 아래로 떨어지면 압력 구배(pressure gradient)가 발생하여 공기가 고압 대기에서 저압 허파로 이동합니다.

횡격막과 갈비사이근이 이완하면 허파의 부피가 줄어들어 허파의 압력이 증가합니다. 압력이 대기압 이상으로 증가하면 압력 구배는 공기를 몸 밖으로 밀어냅니다. 이런 식으로 숨을 들이마시고 내쉬는 주기가 유지됩니다.

압력-부피 관계

보일의 법칙(Boyle’s law)에 따르면, 밀폐된 공간 내 주어진 온도에서, 기체의 압력은 용기의 부피가 줄어들수록 증가한다고 합니다. 다르게 표현하면 압력은 부피에 반비례합니다. 높은 압력 영역에서 낮은 압력 영역으로 기체가 움직이는 것과 이 법칙을 함꼐 적용하면 가로막이 수축할 때 공기가 폐로 유입되는 이유를 설명합니다.

허파는 어떻게 부피를 증가시킵니까?

가로막은 수축하여 아래로 이동하고 가슴우리의 부피를 증가시킵니다. 그런데 어떻게 이것이 허파의 부피를 증가시키는 것일까요? 기관지(bronchus; bronchi)와 세기관지(bronchiole)는 뻣뻣하고 팽창하지않지만, 허파에 있는 작은 공기주머니인 허파꽈리는 허파의 부피를 증가시킵니다.

억제성 질환 대 폐쇄성 질환

허파질환은 허파로 가는 공기의 흐름을 감소시키는 억제성 질환과 폐쇄성 질환, 이렇게 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 폐섬유증(pulmonary fibrosis; 허파의 흉터)와 같은 제한적인 질병은 허파의 확장을 제한합니다. 천식(asthma), 폐기종(emphysema), 만성 기관지염(chronic bronchitis)과 같은 폐쇄성 질환은 기도를 방해하여 가스 교환을 제한합니다.

표면활성제

허파꽈리의 내부 표면은 인지질(phospholipid)과 지질단백질(lipoprotein)의 혼합물인 표면활성제(surfactant)를 함유한 액체로 덮여 있습니다. 표면활성제는 허파꽈리액(alveolar fluid)의 표면 장력을 감소 시켜 허파꽈리가 붕괴하는 것을 방지하고 허파꽈리가 공기로 팽창하기 쉽게 만듭니다.

조산아는 때때로 허파에 충분한 표면활성제를 생산하지 못해 호흡곤란증후군(respiratory distress syndrome, 줄여서 RDS)이 옵니다. 충분한 표면활성제가 없으면 허파꽈리를 열어두고 반복적으로 공기를 채우는 데 많은 에너지가 필요하기 때문에 RDS를 가진 아기들은 숨쉬기가 어렵습니다.