[생리학] 1. 신체기능의 연구 (2) 항상성과 피드백 통제

1. 신체기능의 연구

 

1.2 항상성과 피드백 통제

신체의 제어 메커니즘은 내부 환경의 일정한 안전성을 유지하는 기능에 의해 수행됩니다. 내부 환경의 상대적 불변성(constancy)을 항상성이라고 하며, 이는 내부 환경의 감각 정보에 의해 제어되는 효과기를 통해 유지됩니다.

 

 

(1) 생리학의 역사

에라시스트라투스는 인체 기능에 대한 연구에 물리적 법칙을 적용하려고 시도했기 때문에 그리스 철학자 아리스토텔레스가 비록 인체의 기능에 대해 깊은 고찰을 했음에도 불구하고 에라시스트라투스가 생리학의 아버지로 불리게 되었습니다. 갈레노스는 르네상스 전까지 생리학의 최고 권위자로 인식되었습니다. 심장이 폐쇄된 혈관을 통해 혈액을 펌프질한다는 사실을 밝힌 영국 의사 윌리엄 하비의 혁신적인 연구로, 생리학은 마침내 실험 과학으로 발전했습니다.

근대 생리학의 아버지인 프랑스 생리학자 클로드 베르나르는 "외부 환경의 변화에도 불구하고 내부 환경은 놀라울 정도로 불변성을 유지한다"라고 서술했습니다. 1932년에 출판된 [신체의 지혜(The Wisdom of the Body)]에서 미국의 생리학자 윌터 캐논은 이 내부의 불변성을 '항상성(homeostasis)'이라고 불렀습니다. 그리고 그는 생리적 조절의 많은 메커니즘들이 오로지 항상성을 유지하기 위한 것이라고 설명했습니다.

인체생리학은 20세기에 가장 발달했고, 특히 최근 분자유전학, 생명공학 및 컴퓨터의 발달로 새로운 생리학적 지식이 빠르게 증가하고 있습니다.

 

(2) 음성피드백 고리

항상성의 개념은 다양한 조절기전이  '왜' 그리고 '어떻게' 발생하는가에 대한 생리적 현상뿐만 아니라 의학적 진단 과정에도 중요한 정보를 제공합니다. 혈액 속 대사물의 수치가 정상수치와 크게 차이가 나면 항상성이 제대로 이루어지지 않아 질병이 있는 것으로 진단할 수 있습니다.

내부 항상성을 유지하기 위해서는 신체에 한계점의 편차를 감지할 수 있는 감지기가 있어야 합니다. 한계점은 가정용 자동온도조절기에 입력된 온도 값과 유사합니다. 유사하게  체온, 혈당 포도당 농도, 건(힘줄) 장력 등에도 한계점이 있습니다. 감지기가 특정 한계점에서 편차를 감지하는 경우 이 정보가 통합 센터에 전달됩니다. 보통 통합센터는 뇌나 척수이지만, 경우에 따라서는 내분비선의 세포일 수도 있습니다. 다양한 감각 입력의 상대적 세기는 통합센터에서 측정되며 측정기 즉, 근육 또는 선을 증가시키거나 감소시킴으로써 반응합니다.

집안 자동온도조절기를 21℃로 고정하였을때 실내온도가 한계점을 초과하면 감지기가 이를 감지하여, 이 경우 에어컨디셔너가 한계점에서 벗어난 것을 바로잡게 됩니다.

체온이 37℃ 한계점을 초과하면 뇌의 감지기가 이 일탈을 감지하고 뇌를 통해 체온을 낮추는 땀샘(효과기에 해당)의 활동을 촉진합니다. 또 다른 예로 혈당 농도가 정상 이하로 감소하면 효과기가 혈중 포도당 농도를 높이는 역할을 합니다. 이러한 유형의 규제 시스템은 음성 피드백 고리라고 불리는데, 이는 효과기의 활성이 생성하는 효과에 영향을 받고 이 규제가 억제적으로 또는 반대 방향으로 발생하기 때문입니다.

음성 피드백 고리는 지속적이고 진행 중인 프로세스입니다. 그러므로, 효과기 기전의 일부인 특정 신경 섬유들은 항상 어떤 활동을 보여주고, 다른 효과기 기전의 일부인 특정 호르몬들은 항상 혈액 속에 존재합니다. 신경 섬유의 활성과 호르몬 농도는 내부 환경의 변화와 관련하여 한 방향으로 감소하거나 반대 방향으로 증가할 수 있습니다. 어느 방향으로든 정상 범위를 벗어난 변화는 효과기의 활동에 반대되는 변화에 의해 상쇄됩니다.

음성피드백 고리의 경우, 한계점으로부터 일탈이 감지기를 자극한 후 반응하므로 내부 환경이 절대적으로 불변하는 것은 아닙니다. 따라서 항상성은 동적 불변성 상태로 간주될 수 있으며, 상태는 한계점 위와 아래에서 안정화됩니다. 이러한 상태는 체온의 경우 섭씨(°C) 또는 혈당의 경우 mg/dL에서 측정할 수 있습니다. 임계값은 정상 측정 범위 내의 평균값으로 설정할 수 있습니다.

 

(3) 양성피드백

음성피드백과 반대 현상을 양성피드백이라고 합니다. 이 경우 효과기의 작용은 오히려 효과기를 자극한 변화를 증폭시킵니다. 궁극적으로 항상성은 양성피드백 기전보다는 음성피드백 기전에 의해 유지되어야 합니다. 그러나 어떤 음성피드백 고리의 효과는 음성피드백 반응의 작용을 증폭시키는 양성피드백 기전에 의해 증가합니다. 예를 들어, 혈액 응고는 응고 인자의 연쇄 활성화 반응의 결과로 나타나며, 하나의 응고 인자가 활성화되면 다단계 양성 피드백을 통해 많은 반응이 활성화됩니다. 이런 식으로, 한 가지 변화가 증폭되고 혈액 응고를 일으킵니다.

 

(4) 신경과 내분비 조절

항상성은 일반적으로 내인성 과 외인성 조절기전에 의해 유지됩니다. 내인성 조절기전은 기관 자체에 존재하는 조절기전이며 외인성 조절기전은 신경계와 내분비계에 의해 조절됩니다. 내분비계는 신체 대사 과정을 조절하고 통합하며 항상성을 유지하는 데 있어 신경계와 밀접하게 작용합니다. 신경계는 많은 내분비선의 분비를 조절하고 호르몬은 신경계의 기능에 영향을 줍니다. 신경계와 내분비계는 함께 신체 대사의 조절에 관여합니다.

내분비계에 의한 조절은 호르몬에 의해 이루어지며 혈액을 통해 신체의 모든 기관으로 운반됩니다. 호르몬에 특이적으로 반응하는 특정 기관을 표적 기관이라고 합니다.

신경 섬유는 기관 자극합니다. 자극을 받으면 신경섬유는 전기화학적 신경 자극(또는 충격)을 일으켜 섬유에서 섬유에 의해 자극을 받은 표작 기관의 말단부로 전달됩니다. 표적기관은 항상성을 유지하기 위해  효과기 역할을 하는 근육 또는 선입니다.

 

(5) 호르몬 분비의 피드백 통제

호르몬 분비는 특정한 화학적 자극에 의해 발생합니다. 예를 들어, 혈장 포도당 농도의 증가는 췌장(이자)의 랑게르한스 섬에서 인슐린 분비를 자극합니다. 호르몬은 또한 신경 자극과 다른 호르몬 자극에 의해 분비됩니다.
호르몬 분비는 음성피드백에 의해 억제됩니다. 예를 들어, 혈중 포도당의 증가는 인슐린 분비를 자극하기 때문에, 인슐린 작용에 의한 혈당의 감소는 더 이상의 인슐린 분비를 억제합니다. 이러한 폐쇄-고리 통제 시스템을 음성 피드백 억제라고 합니다.