글로벌 세계 대백과사전/생물I·동물·인체/동물의 행동과 번식/동물의 형태와 생리/호흡과 배설

모세 혈관과 조직세포 사이에서 산소와 이산화탄소가 교환되는 현상을 '내호흡'이라고 한다. 호흡의 결과 생성된 불필요한 이산화탄소는 호흡기를 통하여 배출되는데 호흡의 참다운 목적은 생물이 살아가는데 필요한 여러 가지 에너지를 내는 내호흡에 있다고 할 수 있다. 그러나 동물의 몸 구조나 생활 장소에 따라, 되도록 효율이 좋은 호흡 기관이 긴 진화의 역사 속에서 각 동물에게 발달해 온 것으로 보인다.

또 세포 내에서는 호흡에 의한 영양 물질의 분해뿐만 아니라, 여러 가지 화학 반응이 이루어지고 있다. 그 결과, 많은 노폐물이 생성되므로 이것을 체외로 배출하지 않으면 안 된다. 아메바 등의 간단한 동물은, 노폐물이 세포막에서 직접 외계의 물로 확산하여 배출되고, 몸 표면으로 산소를 흡수하고 이산화탄소를 내보낸다. 그러나 대부분의 다세포 동물은 호흡 기관과는 별도로, 이산화탄소 외의 노폐물(주로 암모니아·요소 등의 질소 화합물)을 오줌을 통하여 배출하는 배설 기관이 발달되어 있다.

배설 기관은 노폐물을 버리는 일 외에, 체내의 수분이나 염류의 농도를 일정하게 유지하는 역할도 한다. 호흡 기관과 같은 배출 기관은 동물의 계통에 따라 특정한 구조와 작용을 하는 것이 발달되어 있다.

호흡 기관과 그 작용

호흡시에 가스 교환을 하는 데는 물이 필요하다. 아가미 등의 호흡 기관은 직접 물과 접하고 있고, 공기 호흡을 하는 동물의 호흡 기관도 직접 가스 교환을 하는 부분은 얇은 물의 층에 덮여 있다

예를 들면, 개구리의 피부는 축축하기 때문에 피부 호흡이 이루어진다. 한편, 뱀이나 도마뱀의 피부는 건조하여 피부를 통한 가스 교환이 거의 불가능하나, 허파의 내면은 점막으로 되어 언제나 물의 막으로 덮여 있기 때문에 호흡을 하는 데 지장이 없다. 이 사실은 외계의 산소는 일단 물에 녹은 뒤 체내로 받아들여진다는 것을 말해주고 있다.

산소 소비량이 그다지 많지 않은 하등 동물을 제외하고는, 대부분 동물의 호흡 기관은 산소가 접하는 표면적이 넓어지도록 복잡하게 발달되었고, 보다 능률적으로 산소를 운반할 수 있도록 혈액이나 순환계와 결합하여 발달해 왔다.

체표호흡

體表呼吸

원생동물이나 해면·히드라·플라나리아 등의 하등한 다세포 동물에는 호흡 기관이라 불리는 것이 없고, 직접 외계와 체표면과의 사이에서 가스 교환이 이루어진다.

피부호흡

皮膚呼吸

지렁이 등은 축축한 피부로 공기 중의 산소를 흡수하고, 이산화탄소를 배출한다. 또 개구리는 축축한 피부 호흡을 하여 허파 호흡을 돕는다.

아가미 호흡

－呼吸

수생 동물의 대표적인 호흡 기관은 아가미이다. 가장 원시적인 아가미는 갯지렁이 등의 환형동물에서 볼 수 있는 것으로, 피부가 돌출한 간단한 것이다. 연체동물의 아가미는 외투강에 있는데, 빗살 모양 또는 넓적한 모양으로 되어 있으며, 그 속에는 혈관이 가늘게 분포되어 있다. 오징어·문어의 종류에서는 외투막 운동에 의해, 신선한 물을 아가미로 보내는 호흡 운동을 볼 수 있다. 갑각류에는 머리가슴부의 가슴다리 밑부분에, 몇 쌍의 잎 모양 또는 깃털 모양의 아가미가 발달하여, 대부분은 두흉갑(頭胸甲)으로 덮인 아가미실 속에 들어 있다.

척추동물 중 일생 동안 아가미로 호흡을 하는 것은 어류뿐인데, 매우 발달한 아가미를 가지고 있다. 어류의 아가미는 인두부에서 좌우로 쌍을 이루어 돌출한 몇 장의 잎 모양의 표피로서, 이 속에는 모세 혈관이 가늘게 분포되어 있다. 잎 모양의 아가미는 표면적이 대단히 커서, 총체표면적의 수십 배에 달한다. 경골어류의 아가미는 네 쌍이며, 호흡 운동은 입과 아가미뚜껑의 운동에 의한 빨아들이고 내뱉는 펌프 작용에 의해 끊임없이 신선한 물의 유입이 이루어지고 있다.

수관계와 수폐

水管系－水肺

극피동물 가운데 성게·불가사리 종류에는 수관계, 해삼 종류에는 수폐(호흡수)라 불리는 복잡한 관상 구조가 있어서, 물 속에서의 능률적인 가스 교환에 도움이 된다.

기관호흡

氣管呼吸

곤충류에는 공기를 조직으로 직접 보내는 가는 관이 혈관계처럼 체내에 분포하여 기관계를 형성하는데, 이들 기관은 조직 세포와 직접 접촉되어 있어 가스 교환이 이루어진다. 그렇기 때문에 혈액에 의한 산소·이산화탄소의 운반이 필요없어서 혈관계는 간단히 되어 있다. 기관의 입구를 기문이라고 하는데, 기문은 각 체절마다 한 쌍씩으로, 보통 몸 전체에 열쌍이 있다. 기관과 기문 사이에는 전방(前房)이라는 빈 곳이 있는데, 주로 여기에 있는 주걱 모양의 돌기에 의한 개폐 장치로 인하여 기문의 개폐가 이루어진다. 호흡 운동은 복부 체벽의 운동에 의해 이루어지는데, 열 쌍의 기문 중 앞부분의 네 쌍에 의해 공기가 들어오고 뒷부분의 여섯 쌍에 의해 배출된다. 숨을 들이쉴 때는 복부가 부풀어 앞부분의 기문이 열리고 뒷부분의 기문은 닫히며, 이어서 복부가 수축하면 앞부분의 기문은 닫히고, 뒷부분의 기문이 열려 날숨이 배출된다.

거미류의 기관계는 책허파(서폐)로서, 복부의 앞쪽 끝에 책을 쌓아놓은 것 같은 모양의 기관이다. 또, 물 속에서 사는 곤충에는 모기의 유충처럼 꽁무니 끝의 기문을 수면으로 내놓고 호흡하는 것, 하루살이·실잠자리의 유충처럼 잎 모양의 돌기 속에 기관이 분포하여, 물 속에서 가스 교환을 하는 기관 아가미를 가진 것 등을 볼 수 있다.

허파호흡

－呼吸

달팽이·민달팽이(괄태충) 등의 무리는 연체동물 중에서 유폐류라 불리듯이, 외투강의 내벽이 변형되어 주름이 되고 그 곳엔 혈관이 분포하여 공기 호흡을 하는 일종의 허파를 가지고 있다. 그러나 이 종류의 허파는 표피가 변형된 것으로, 척추동물의 허파와 그 기원이 같지 않다.

척추동물의 허파는 인두의 좌우 양 옆쪽으로 함입되어 만들어진 속이 빈 주머니가 발달한 것이다. 이 점은 어류의 부레나 폐어류의 허파와 발생이 같고, 여기서부터 양서류 이상의 허파로 진화된 것이라고 생각된다.

양서류 허파의 경우, 도롱뇽 등은 폐어류의 부레와 비슷한 속이 빈 매끄러운 주머니이지만, 개구리는 호흡 표면적을 넓히기 위한 주름이 주머니의 내면에 발달되어 있다. 고등한

척추동물일수록 허파의 내부에 주름이 많아 표면적이 넓어지므로 가스 교환이 효과적으로 이루어진다. 양서류는 기관이나 기관지는 없고, 구강과 인두의 운동 및 복부의 운동에 의해 호흡이 이루어지고 있다. 이 불완전한 허파 호흡은 피부로부터 직접 산소를 받아들이는 피부 호흡으로 보충된다.

파충류의 허파는 양서류보다 발달되어 호흡 면적이 증가하는 한편, 연골로 된 원통 모양의 기관이 발달되어 있다. 파충류는 가로막이 없어서, 주로 늑간근의 수축으로 인한 갈비뼈의 상하 운동으로 허파에 공기를 출입시킨다.

조류의 허파는 현저하게 많은 수의 기관지가 모인 해면 모양의 구조이다. 기관지에는 얇은 막으로 이루어진 큰 기낭이 여러 쌍 있는데, 근육이나 내장 사이, 또는 뼈의 내부로도 들어가 있다. 기낭에는 혈관의 분포가 적으므로, 가스 교환보다는 공기의 저장이나 날기 위해 몸을 가볍게 하는 역할을 한다. 조류도 파충류와 마찬가지로 가로막이 없어서, 주로 갈비뼈의 상하 운동으로 허파에 공기를 출입시키는데, 기낭의 작용으로 허파 표면에 신선한 공기를 연속적으로 보내는 효율적인 호흡운동을 한다.

포유류의 허파는 나뭇가지 모양의 기관지를 중심으로 하여, 모세 혈관이 가늘게 분포된 허파꽈리(지름 약 100μ)가 무수히 연결(약 7억 개)되어 있으며, 굴곡이 많아 표면적이 매우 넓다. 호흡 운동은 가로막과 갈비뼈의 상하 운동에 의해 일어난다. 가로막은 체강을 흉강과 복강으로 나누는 근육성의 막인데, 늑간근에 의하여 갈비뼈와 가슴뼈가 위로 올라가고 가로막이 아래로 내려가면 흉강이 넓어지고, 흉강 내의 압력(기압)이 낮아져서 공기가 허파로 들어온다. 반대로 늑간근이 이완되면 갈비뼈·가슴뼈는 내려오고 가로막이 위로 올라가서 흉강이 좁아지므로, 흉강 내의 압력이 높아지게 되어 허파 속의 공기는 몸 밖으로 나가게 된다. 이와 같은 반복 운동에 의해 연속적으로 호흡 운동이 일어난다.

가로막과 갈비뼈 중 어느 하나의 운동만으로도 호흡 운동이 가능하나 육상의 사지 동물은 앞다리의 지탱을 흉부에 의존하고 있기 때문에, 호흡 운동에 가로막을 이용하는 경우가 훨씬 많다.

배설 기관과 그 작용

배설 기관은 체내에서 생긴 질소를 포함하는 노폐물을 물·무기 염류와 함께 몸 밖으로 배출하는 기관이다. 해산 원생동물이나 해면동물·강장동물 등은 특별한 배설 기관이 없어서 체표면에서 직접 물 속으로 노폐물을 확산시킨다. 그러나 편형동물 이상의 동물에서는 여러 가지 배설기가 분화되어 있어서, 체내의 수분 조절이나 물질 대사의 결과로 생긴 배설물을 암모니아·요소·요산 등의 형태로 배출한다.

수축포

收縮胞

수축포는 해산 원생동물에는 없지만, 담수산 원생동물에서 볼 수 있는 세포 기관의 하나로, 노폐물이나 여분의 수분을 세포 밖으로 배출하며, 삼투압 조절에도 관여한다. 해산 원생동물은 세포내액의 삼투압 농도가 바닷물의 농도와 같아서, 세포 내외의 수분은 평형이 유지되고 있다. 그러나 담수산 원생동물은 세포 내의 원형질 농도, 즉 체액의 삼투압이 담수(민물)보다 훨씬 높기 때문에 세포막을 통하여 물이 체내로 들어오므로, 그대로 두면 세포는 파열해 버린다. 따라서 끊임없이 들어오는 물을 수축포를 통하여 몸 밖으로 배출함으로써 체내의 수분량을 조절한다.

수축포에는 아메바처럼 등근 주머니 모양의 것과 짚신벌레처럼 둘레에 방사상의 뇌관을 가진 것이 있다. 수축포는 체표 가까이에서 원형질로부터 여분의 물을 받아들여 일정한 크기가 되면 갑자기 수축하여 내용물을 배출하는데, 이것을 주기적으로 되풀이한다.

원신관

原腎管

원신관은 다세포 동물에서 볼 수 있는 가장 원시적인 배설 기관으로, 편형동물·유형동물·윤형동물 등에서 볼 수 있다. 이것은 몸의 좌우로 뻗어 있는 주된 관에서 나뭇가지 모양의 가는 관이 몸의 곳곳에 분포하고 있다.

그 관의 끝에는 불꽃 세포가 있는데, 여기에서 노폐물을 걸러 세관에 이어지는 배설공으로 배출한다. 불꽃 세포는 깔때기 모양으로 퍼진 큰 세포로, 그 안에는 신축성이 있는 편모의 다발이 있어서, 그 운동으로 노폐물이 세관 내로 유도되는데, 편모 다발의 운동이 마치 불꽃이 흔들리는 것처럼 보인다고 하여 불꽃 세포라 불린다.

신관

腎管

환형동물·연체동물 및 절지동물의 갑각류 등에서 볼 수 있는 배설 기관이다. 지렁이는 각 체절마다 1쌍의 신관이 있어서, '체절기(體節器)'라고도 불린다. 신관은 긴 관 모양으로, 안쪽의 끝은 신구로 되어 체강에 열려 있고, 바깥쪽 끝은 외부에 열려 있다.

혈관에서 체강 내로 분비된 암모니아나 요소 등의 배설물은 나팔 모양으로 벌어진 신구에 나 있는 섬모의 물결 운동으로 모아지는데, 이것은 신구에 이어지는 구부러진 세관(배출관)을 통하여 몸 밖으로 열려 있는 배출공으로 배출된다,

지렁이의 체절기는 신관 중에서 가장 보편적인 형에 속하고, 연체동물 조개류(부족류)의 보야누스기, 문어·오징어의 신낭, 갑각류의 새선, 촉각선 등의 배설기는 모두 신관이 변형된 것으로, 기본적으로는 지렁이의 체절기와 같은 구조를 지니고 있다.

말피기관

Malpigh管

절지동물의 곤충류, 거미류, 다지류에서 볼 수 있는 특수한 배설 기관이다. 이것은 중장(小腸)과 후장(後陽)과의 경계부에 열린 다수의 기다란 실 모양의 관으로서, 이 세관의 끝은 체강 속으로 뻗어 있다. 이 관을 통하여, 체강액에서 주로 요산 등의 노폐물을 흡수하여 소화관(창자) 속으로 보내므로, 노폐물이 직접 체외로 배출되지 않는다.

신장

腎臟

신장은 척추동물의 배설 기관으로, 본래 무척추동물의 신관에서 유래된 것이며, 발달 정도에 따라 전신·중신·후신으로 구분한다.

전신은 신장의 원시형으로, 모든 척추동물의 발생 초기에 나타나나, 후에 퇴화하여 중신이 생긴다. 원구류만이 일생 전신을 가지며, 어류와 양서류는 유생기에만 전신을 사용한다. 전신에 이어서 나타나는 중신은 어류와 양서류에서 볼 수 있는데, 중신이 되면 신구 외에 보우만 주머니가 생겨서 사구체(모세 혈관의 덩어리)를 싸며, 이 사구체에서 노폐물을 걸러 배설강으로 배출한다. 이 때 보우만 주머니가 사구체를 둘러싸고 있는 것을 말피기소체(신소체)라고 한다.

한편, 파충류 이상의 동물에서는 중신이 퇴화하고 그 뒤쪽에 후신이 나타난다. 후신은 소위 신장으로서, 네프론(신단위)으로 이루어져 있는데, 네프론은 사구체와 그것을 둘러싸고 있는 깔때기 모양의 보우만 주머니 및 거기에 이어지는 1개의 세뇨관으로 이루어져 있다. 이 세뇨관은 나선상·헤어핀상으로 구부러져 신장의 피질과 수질에 걸쳐 분포하고, 집합관으로 합류하여 신우에 이른다. 신우로부터는 수뇨관에 의해 배출강 또는 방광·요도를 거쳐 외계로 연결되어 있다.

동물의 배설물

動物－排泄物

신장 등의 배설기는 수분을 유지하고 과잉 수분을 배출하는 것 외에, 영양소의 분해 과정에서 생성된 유독한 암모니아를 여러 가지 형태의 물질로 변화시켜 배설한다. 암모니아는 독성이 강하지만, 물에 잘 녹으므로 수생 무척추동물이나 경골 어류 등은 그대로 배설한다. 그러나 육지의 동물은 주위에 풍부한 물이 없으므로, 체표를 통하여 암모니아를 확산할 수가 없다. 따라서 암모니아를 체내에서 독성이 적은 요소나 요산으로 바꾼 다음 배설한다. 포유류·양서류·수생 파충류 등은 요소로, 조류·육상 파충류·곤충류 등은 요산의 형태로 배설한다.