1. 항상성
항상성(Homeostasis)은 안정적 상태라는 의미로, 외부 환경의 변화와 무관하게 내부 환경을 일정하게 유지하려는 생리적 과정입니다. 즉 항상성을 통해 내부환경의 균형 유지하여 생물이 생명을 유지하고, 정상적인 기능을 수행할 수 있도록 돕습니다. 생물체는 체내 물질 농도(나트륨, 이산화탄소 등), 온도, pH 등 다양한 생리적 변수들을 세포가 견딜 수 있는 범위 내에서 조절하려고 합니다. 이를 통해 외부 환경의 변화에도 내부를 안정화하여 생명 활동이 정상적으로 이루어질 수 있게 합니다.
2. 음성피드백과 양성피드백
항상성 메커니즘은 음성피드백(Negative Feedback)과 양성피드백(Positive Feedback)이라는 두 가지 주요 피드백 시스템으로 구분됩니다.
음성피드백은 일반적인 형태로, 어떤 변화가 일어날 때 이를 되돌리려는 반응을 의미합니다. 예를 들어, 1) 사람의 체온이 37도 이상으로 올라가게 되면, 땀을 흘려 열을 발산하고 체온이 다시 정상으로 되돌아오는 것 2) 식사 후 혈당이 높아지면 인슐린이 분비되어 혈당을 낮추고, 식사 전에는 글루카곤이 분비되어 혈당을 높여줍니다.
양성피드백은 어떤 변화 일어날 때 이를 더욱 촉진하려는 반응을 의미합니다. 예를 들어, 1) 혈관이 파괴되면 혈액 내의 단백질들이 자극되어 작은 망상의 응고물이 생긴다. 자극된 단백질들은 보다 많은 단백질들을 활성화시켜 보다 큰 응고물을 형성합니다. 2) 여성이 출산 시, 자궁 수축이 시작되면 옥시토신이 분비되고, 옥시토신이 다시 자궁 수축을 더 강하게 만듭니다. 이 과정이 반복되어 분만이 일어납니다.
3. 체온조절
사람은 체온조절을 지원하는 많은 구조와 기전을 가지고 있습니다. 사람의 뇌는 37도의 체온을 유지하는 조절 중추를 가지고 있습니다. 체온이 정상 이하로 떨어지면, 뇌의 조절 중추는 체온을 정상으로 돌려놓기 위해 몸에 다양한 신호를 발생시킵니다. 먼저 혈관이 수축하여 몸 표면의 열 손실을 줄여주고 열을 보전하게 합니다. 그리고 근육은 수축하여 떨게 함으로써 열을 발생시킵니다. 반면 체온이 정상 이상으로 올라간다면 조절 중추로 신호를 전달하여 혈관이 확장하여, 더 많은 혈액이 피부로 흐르게 하여 열을 방출시키거나, 땀샘을 활성화하여 땀이 분비되어 피부 표면에서 증발하여 체온을 낮춥니다.
4. 삼투압과 삼투조절, 비뇨기계의 항상성
비뇨기계의 항상성을 알아보기 앞서 삼투압과 삼투조절의 개념을 정리하도록 합시다.
삼투압(Osmotic Pressure)은 농도가 다른 두 액체를 반투막으로 막아 놓았을 때, 용질의 농도가 낮은쪽에서 높은 쪽으로 용매가 옮겨가는 현상에 의해 나타는 압력입니다.
삼투조절(Osmoregulation)은 체내의 물과 나트륨, 칼륨과 같은 전해질 농도를 일정하게 유지하는 생리적 기능입니다. 생물은 삼투조절을 통해 세포와 조직이 정상적인 기능을 할 수 있도록 도와줍니다.
삼투조절은 신장과 호르몬에 의해 항상성을 유지하고 있습니다. 먼저 신장은 혈액 내의 물과 염분 농도를 조절하는 가장 중요한 기관이고, 주먹보다 약간 작은 크기이며 복부 양측에 자리 잡고 있습니다. 신장은 혈액을 여과하고, 체내에 필요한 물과 염분을 재흡수하며, 불필요한 물질과 과다한 물질(물, 염분)은 소변으로 몸 밖으로 배출합니다. 여과(Filtration)은 혈액은 신장의 사구체를 통해 여과됩니다. 이후 여과된 물질 중 체내에 필요한 물질은 재흡수됩니다. 특히 물은 헨레 고리와 집합관에서 재흡수(Reabsorption)되어 혈액으로 되돌아갑니다. 이 과정에서 발생한 불필요한 물질과 과잉의 물질(물, 염분 등)은 신장에서 분비되어(Secretion) 소변을 통해 신체 밖으로 배출됩니다. 둘째, 항이뇨호르몬과(ADH), 알도스테론과 바소프레신 등의 호르몬 통해 삼투조절을 합니다. 항이뇨호르몬은 시상하부에서 생성되어 뇌하수체 후엽에서 분비됩니다. ADH는 물의 재흡수를 촉진하고 소변의 양을 감소시킵니다. 생물 내 수분이 부족할 때 ADH가 분비가 증가하며, 이를 통해 더 많은 물을 재흡수되어 체내 수분을 보충합니다. 알도스테론은 부신피질에서 분비되며, 나트륨의 재흡수를 촉진합니다. 나트륨이 재흡수되면서 농도가 상승에 따라 물도 재흡수 됩니다. 즉 나트륨 농도가 증가하면 혈액의 삼투압이 증가하고, 이에 따라 물이 함께 재흡수되어 혈액 내 농도가 맞춰집니다. 알도스테론은 체내 나트륨 농도가 낮을 때 분비되어, 나트륨을 재흡수하고 소변으로 배출되는 나트륨양을 감소시킵니다.
체내 수분이 부족한 경우와 많은 경우를 나눠 예를 들어보자. 먼저 체내 수분이 부족한 경우, 체내 수분 농도가 낮아지고 삼투압이 상승합니다. 이에 따라 시상하부는 ADH 분비를 증가시켜 신장의 집합관에서 물의 재흡수를 증가시켜 소변의 양을 감소시킵니다. 또한 알도스테론이 분비되어 나트륨 재흡수를 촉진하여 물의 재흡수도 촉진합니다. 반면 체내 수분이 높은 경우, ADH 분비를 감소시켜 물의 재흡수를 감소시켜 소변의 양을 증가시킵니다. 더불어 알도스테론의 분비도 억제하여 나트륨 재흡수를 줄여 수분의 재흡수도 줄이게 됩니다.