1. 개요
呼吸- 숨을 쉼. 또는 그 숨.
- 함께 일을 하는 사람들과 조화를 이룸. 또는 그 조화.
- 생물이 외계에서 산소를 흡수하고 이산화 탄소를 몸 밖으로 내보냄. 또는 그런 과정. 유산소호흡과 무산소호흡, 세포 호흡으로 나뉜다.
2. 상세
호흡은 신체에서 여러 가지 중요한 역할을 맡는다. 먼저 숨을 내쉬면서(외호흡) 체내에 축적된 이산화 탄소나 노폐물 같은 몸에 해로운 물질들을 제거한다. 운동 등을 하고 나서 호흡이 급격하게 빨라지는 이유는 몸 안에 축적된 산을 제거하기 위한 것이다. 그리고 숨을 들이쉴 때 공급받은 산소는 폐를 통해 혈액에 녹아들어 체내에 전달되어 그곳에 저장된 영양분들을 분해하고 각 체세포에 에너지를 전달하는 역할을 한다.이 외에도 호흡은 인체 운동에 여러가지 작용을 하는데, 어떻게 호흡을 하느냐에 따라 사람의 건강을 좌지우지할 수 있다. 무엇보다 사람들이 쉽게 건강을 서서히 해치는 실수를 범하는데, 그것이 바로 구강 호흡, 즉 입으로 숨[1]을 쉬는 것이다. 입으로 숨을 쉬면, 입의 대부분이 마르고 편도선이 외부 세균에 공격받을 수 있다.[2] 그리고 집중력 저하의 한 요인이 되며, 턱이 점점 앞으로 돌출될 수 있다.
이것이 걱정된다면, 자신이 입으로 숨을 쉬고 살아왔는지 알아볼 수 있는 방법이 있다. 입을 손으로 막고 숨을 쉬어봤을 때 약간 불편하다면 오랜 시간 입으로 숨을 쉬어왔다는 뜻으로 볼 수 있다. 아니면 마스크를 끼고 잠시 있다가 입 부분의 마스크가 조금 젖어있다면 입으로 숨을 쉬었단 뜻이다. 이것을 교정하려면 허리를 곧게 펴고, 귀와 어깨와 발이 일직선이 되게 반듯한 자세로 서있고 코로 3초간 들이쉬고 자신의 배 또는 가슴이 부풀었는지 살펴 보고 가슴이 나왔다면 적신호이므로 배가 부풀 수 있게 숨을 쉬면 된다. 이것이 복식 호흡으로 이후 3초간 숨을 참다가 6초동안 날숨으로 마무리하면 된다. 이 동작을 규칙적으로 하루 세 번 정도 반복하면 구강 호흡 교정은 물론 횡격막 근육의 단련 효과도 얻을 수 있다.
몸 쓰는 일을 배울 때 가장 먼저 배우는 것이 숨 고르기다. 숨 고르기란 적절한 순간에 숨을 참고 뱉어 힘을 최대한 이끌어 내는 기술이다.
운동에서의 호흡에 관한 제일 간단한 이론은 날숨-근수축, 들숨-근이완이다. 호흡의 균형이 얼마나 고르냐에 따라서 근육이 안정성을 띄는 정도가 달라지기 때문에 고른 호흡은 사격, 달리기, 창던지기 등 육상경기 전반에 걸쳐서 무척이나 중요한 요소이다.
무술에서의 호흡은 기존 운동에서의 호흡보다 더욱 심화된다. 언제 어느 동작에서 어떻게 호흡하느냐에 따라서 권격의 위력이 달라지며, 그 순발력도 상이한 차이를 띄기 때문이다. 특히나 이는 중국의 무술에서 커다란 비중을 보이는데, 예를 들어 팔극권의 연격에선 "호흡을 나눈다"라는 개념으로 각 동작에 비중을 다르게 둠으로서 하나의 연격을 완성시킨다. 이는 현대격투기에서 보이는 일련의 콤비네이션 또한 마찬가지다. 무조건 훅훅 하면서 날숨-기합을 지른다고 능사인 것도 아니다. 예를 들어 복싱에서의 난타전에선 호흡 한 번 잘못 쉬었다가 탈진해버려 단번에 녹아웃당하는 허무한 경우가 발생하기도 한다.
이렇듯 호흡은 사람들이 그저 무감하게 넘어가는 요소이지만, 운동에선 피지컬만큼이나 중요한 요소이기도 하다.
호흡은 과학적으로도 흥미로운 현상인데, 의식적이면서 동시에 무의식으로 통제되는 거의 유일한 일이기 때문. 숨 참기 등의 일시적 조절은 가능하지만 호흡을 의식적으로 멈춰 자살하는 것은 생리적으로 불가능하다. 저산소증으로 의식을 잃으면 저절로 숨을 쉬게 되기 때문. 보통 몸에서 일어나는 일은 심장처럼 무의식이 제어하거나 아니면 신체처럼 의식이 제어하는데, 호흡은 그 중간에 있다는 점이 흥미로운 부분. 추정상, 물에서 호흡을 조절하며 수영하기 위해 평소에는 무의식이 조절하지만 의식적으로 조절할 수 있는 이런 특수성을 가지게 되었다는 가설도 있다. 이런 특성 때문에 넷상에서 "당신은 지금 숨 쉬는 것을 인지한다"라는 글을 쓰고 사람들이 이걸 읽고 의식적으로 호흡을 하도록 만들어서 짜증을 유발시키기도 한다.
이러한 의식하지 않는 일상적인 호흡을 불수의호흡이라고 하고, 의식하는 호흡을 수의호흡이라 하는데, 불수의호흡의 경우 연수와 교뇌에 있는 호흡조절중추나 대뇌피질의 수의조절계에 의해 유지되고, 수의호흡은 대뇌피질의 운동영역에서 발생한 명령자극이 호흡근에 이루어지는 방식으로 이루어진다.
코호흡은 양쪽 콧구멍이 서로 번갈아가면서 호흡한다.[3] 한쪽 콧구멍으로 6시간 동안 호흡하고 다음 콧구멍으로 6시간 동안 호흡하고를 반복한다. 콧구멍 왼쪽을 막고 숨을 쉬어보고 오른쪽을 막고 숨을 쉬어보자. 상대적으로 숨이 반대쪽보다 더 잘 쉬어지는 쪽이 있을 것이다.
3. 기원
처음부터 생물이 산소로 호흡한 것은 아니었다. 산소는 원래 부식성이 강한 물질이라 단세포 생물 시기의 원시 생물에게는 큰 해가 되었으며, 이 때는 오히려 지금의 산소형 생물에게 독성으로 작용하는 황화수소를 이용한 호흡이 대세였다.하지만 그러던 중 산소 호흡을 하는 능력을 가진 호기성 세균이 발생하였는데, 산소 호흡으로 얻는 에너지는 황화수소 호흡과는 비교도 되지 않을 정도로 많았기 때문에 이들은 도태되지 않을 수 있었다. 도리어 호기성 세균들은 압도적인 힘을 발휘해서 본래 대세였던 황화수소로 호흡하던 혐기성 세균들을 지구 밑바닥으로 쫓아내고 세계를 지배하게 된다.[4]
그리고 이 호기성 세균들은 또 달리 번성하던 대형 세균들과 결합하여 원시적인 '진핵 세포'를 형성하게 된다. 진핵 세포가 커다란 크기로 방어막을 제공하고, 호기성 세균들은 산소 호흡으로 에너지를 제공하는 공생 관계를 시작한 것이다. 그리고 이 호기성 세균들은 모든 진핵 세포 속와 공존하는 세포 내 기관, 미토콘드리아가 된다. 이들은 유전적으로 하나의 생물 개체로서 동화되어 현존하는 지구상의 동물들과 함께 살아가고 있다.
4. 세포호흡
세포 호흡은 들이마신 산소, 포도당 등의 영양소를 이용하여 ATP를 합성하는 것을 일컫는데, 이는 세포의 미토콘드리아에서 일어난다. 이는 크게 해당 과정[5], TCA회로, 전자 전달계로 구분되는데, 해당 과정은 미토콘드리아가 아닌 세포질에서 일어난다.
5. 무산소 호흡
식물은 광합성과 호흡이라는 두 가지 작용을 하는데, 호흡은 유기 양분을 분해해 ATP와 에너지를 합성하는 과정이다. 이 과정에서 산소를 사용하면 유산소 호흡 또는 유기 호흡, 사용하지 않는다면 무산소 호흡 또는 무기 호흡이라고 부른다.효모의 예를 들어보자, 효모는 유기 호흡에서 포도당을 물과 이산화 탄소로 분해하며 32개의 ATP를 생성하고[6], 무기 호흡 시에는 알코올로 발효하며 2개의 ATP만을 생성한다. 따라서 효율성은 무기 호흡이 유기 호흡에 매우 밀린다. 그러나 효모는 무기 호흡을 통해 산소가 없어도 생산할 수 있고, 그 부산으로 나온 알코올은 사람에게 유용하게 쓰인다.
일상적으로 무산소 호흡은 상술한 알코올 발효나 젖산발효를 뜻하지만 최종 전자 수용체로 황산염, 질산염 등을 쓰는 호흡을 지칭하기도 한다. 몇몇 무산소 호흡의 경우 오히려 산소 호흡보다 효율이 좋다.
6. 산소 호흡
6.1. 액체에 포화된 산소 호흡
아가미가 이 역할을 담당하고 있다.6.2. 기체에 포화된 산소 호흡
폐가 이 역할을 담당하고 있다. 일부 종은 입안의 점막, 피부, 소화계, 항문, 기공 등을 통해 기체교환을 한다. 재미있는 점은 기체의 산소를 이용해 호흡하는 기관 내에서 기체교환을 담당하는 부분은 점액(액체)로 뒤덮여 있다는 것.6.2.1. 피부 호흡
피부를 통해 기체교환을 한다. 개구리가 대표적인 동물. 일부 종에만 국한된 것이 아니라 인간을 포함한 모든 동물에 공통적으로 존재하기는 한다. 그러나 대부분의 동물은 피부 호홉이 전체 호흡량의 1% 이하 밖에 되지 않아서 사실상 없는 것이나 마찬가지다. 인간의 경우 땀샘과 모공을 통한 피부 호흡을 하는데 전체 호흡량의 약 0.6%을 차지한다.6.3. 예외적인 경우
폐어는 아가미와 폐의 기능을 둘 다 갖추고 있다고 한다.퍼플루오로데칼린이라는 액체는 일반 물보다 산소 포화도가 대단히 높아서 사람이나 쥐 등의 기체 호흡 동물도 액체로 호흡할 수 있다고 한다.
7. 이산화탄소
생명체 특히 동물중 인간의 호흡과정을 보면 이산화탄소의 발생량(O2-CO2 exchange ratio기준)은 흡기(inhale또는inspiration또는uptake)중 폐의 폐포(alveolar)로부터 산소(O2)를 흡수하고 이를 혈액을 통해 이동후 세포[7]에서 사용후 산소(O2)에 탄소(C)1개를 붙여 이산화탄소(CO2)로 해서 역순으로 다시 폐포로 이동하여 비강(鼻腔)으로 배출(기)(exhale또는expiration또는output)하게 된다.[8][9][10]| 호흡 | 공기/분당(min) | 산소(또는 CO2)/분당(폐포교환기준) |
| 평(상)시 | 약7리터 | 약0.137리터/분당(min) |
| 운동 | 약55리터 | 약1.07리터/분당(min) |
위 표에서 처럼 1회 공기 흡인량을 평시0.14L전후(운동1L전후)에서 분당(13회 호흡)으로 계산해보면 약1.95%대의 효율에서 당연하겠지만 일상적인 휴식(rest)기보다 운동(exercise)상황에서 산소를 (최대 약10배)더 많이 흡수하고 거의 동등한 양에서 이산화탄소를 더 많이 생성해서 배출한다는 사실에 주목할수있다.[11] [12]
그러나 더 주요한 점은 유산소운동에서처럼 양적인 측면에서뿐만아니라 질적인 측면에서 산소가 이산화탄소로 전환되는 산소-이산화탄소 전환율(O2-CO2 exchange ratio)을 거의 같도록 임계점(threshold)까지 높이면서 이를 유지할수있다는 점은 시사하는바가 매우 크다고 할수있다.[13]
7.1. 폐활량
평균 1회 폐활량 3.5리터를 가정하고 산소소모량을 산소-이산화탄소 전환율(O2-CO2 exchange ratio)에서 이해해볼수있다.[math(3.5L \cdot 20\% = 0.7L = 700ml/1회 흡기\cdot 산소(O_2))]
분당 평균 산소소모량 약 140ml를 가정하면 1회 흡기로 약5분동안의 산소소모량을 충당할수있다는 계산이 가능하다. 한편 개인별 최대폐활량은 제각기 선천적인것으로 따라서 성장기 과정에서 결정되나 폐포의 산소-이산화탄소 교환율에서 지속적이고 장기적인 유산소운동 및 호흡훈련을 통해서 그 기능 효율성은 증대된다고 알려저있다.
8. 관련 문서
[1] 운동에서도 마찬가지다. '입이 구멍이 크니 호흡하기 쉬울꺼야'라는 실수를 많은 사람들이 저지른다.[2] 만약 편도선이 부은 듯한 느낌을 받거나, 침이나 물 등 무언가를 삼킬 때 목이 아프다면 입으로 숨을 자주 쉬었을 가능성이 있다.[3] 코가 알아서 그렇게 작동한다.[4] 즉, 진화한 것이다. 진화 문서를 읽고 오개념에 주의할 것.[5] 산소 공급이 부족할 때는 해당 과정만 일어난다. 포도당이 불완전하게 분해되어 젖산이 생성되는데, 이것이 바로 무산소 호흡이다[6] 최근 연구에 따르면 막의 누수, 운반 비용 등으로 인해 실질적 최대 생산량은 28~31 ATP로 알려져 있다. 이에 대해서는 학계마다 의견이 다르다.[7] 미토콘드리아참고[8] Received: 31 July 2020 Accepted: 28 September 2020 ,DOI: 10.1113/EP088977 ,R E S E A R C H P A P E R ,Breath holding as an example of extreme hypoventilation:experimental testing of a new model describing alveolar gas pathways ,Anna Taboni, Nazzareno Fagoni ,Timothée Fontolliet,Gabriele Simone Grasso, Christian Moia, Giovanni Vinetti, Guido Ferretti \[EP\]WILEY#[9] ALVEOLAR AND ARTERIAL OXYGEN TENSIONS AND THE SIGNIFICANCE OF THE ALVEOLAR-ARTERIAL OXYGEN TENSION DIFFERENCE IN NORMAL MEN ,Giles F. Filley, Fernand Gregoire, George W. Wright,J Clin Invest. 1954;33(4):517-529. https://doi.org/10.1172/JCI102922[10] Alveolar CO2 and O2 During Breath Holding, Expiration, and Inspiration ,A. B. Dubois ,01 Jul 1952https://doi.org/10.1152/jappl.1952.5.1.1[11] \[MSD매뉴얼 일반인용\]홈 /폐 및 기도 장애/폐와 기도의 생물학/산소와 이산화탄소 교환#[12] 전남 광양 사랑병원 > 검사정보 > 폐기능 검사 #[13] \[NIH\] Exp Physiol , 2007 Mar;92(2):347-55. doi: 10.1113/expphysiol.2006.034363. Epub 2006 Dec 21. Physiological mechanisms dissociating pulmonary CO2 and O2 exchange dynamics during exercise in humans ,Brian J Whipp ,PMID: 17185348 DOI: 10.1113/expphysiol.2006.034363 #