새와 곤충의 호흡 방법

우리는 그것을 매일 23,040번 정도 하면서도 그것을 거의 의식하지 않는다. 그것은 무엇인가? 호흡이다. 우리의 호흡 기관은 매우 잘 설계되어 있어 매우 능률적으로 움직이기 때문에 우리는 바로 지금 이 순간에도 호흡하고 있다는 사실을 거의 의식하지 않는다.

물론, 공기가 매우 희박한 산 꼭대기에 오르면, 호흡하기가 그리 쉽지는 않을 것이다. 그렇지 않은가? 혹은 얼마 동안 물 속에서 헤엄치면 곧 호흡할 필요를 크게 느끼게 될 것이다. 그러나 새들은 높은 고도에서 날으면서도 호흡하는 데 어려움을 느끼지 않는다. 그리고 어떤 곤충들은, 대기 중의 산소에 의존해 살지만, 물 속에서도 호흡할 수 있다. 그것들은 어떻게 호흡하는가? 새들과 곤충들의 호흡 방법을 세심히 관찰하면 참으로 놀라운 지성과 설계를 엿볼 수 있다.

새의 호흡

비행기를 타고 날아본 적이 있는 사람은 누구나 비행을 위해서는 두 가지 중요한 요소—가벼운 동체와 충분한 연료—가 필요함을 알게 된다. 새의 호흡 기관은 두 가지 필요들을 다 돌보도록 설계되었다.

많은 ‘에너지’를 요하는 활동은 산소를 매우 빨리 소모한다. 사람은 더 깊이, 더 빨리 호흡함으로써 산소 부족을 보충한다. 높은 곳에서 사람은 호흡 기관이 혈액내 산소량을 보충하도록 시간을 주기 위해 활동 속도를 줄이거나 자주 쉬어야 한다. 만일 새가 날고 있을 때 그와 동일한 영향을 받는다면 어떠할 것인지 생각해 보라! 그러나 새의 호흡 기관은 이러한 곤란한 상황에서 건져주기 때문에, 우리가 6,100‘미터’ 상공에서 새와 마주친다 할지라도, 새는 힘든 기색을 전혀 보이지 않는다. 새의 눈은 부어 있지 않으며, 얼굴이 창백하지도 심지어 헐떡이지도 않는다. 어떻게 그렇게 할 수 있는가?

새의 호흡 보조기는 산소를 참으로 훨씬 더 효과적으로 흡수하도록 설계되어 있다. 인간의 허파는 찼다 비었다 하는 주머니 혹은 바람통이다. 그러나 새들의 허파는 그렇지 않다. 그것들은 독특하다. 공기는 정상적으로 앞쪽 끝에서 허파로 들어간다. 그러나 그 다음에 공기는 허파를 곧장 통과하여 여러 개의 얇은 공기 주머니로 들어간다. 공기 주머니들은 가슴과 뱃 속에 위치해 있다. (삽화 참조) 과거 1758년에 ‘존 헌터’라는 사람이 참으로 놀라운 것을 발견했다. 그는 기도(氣道)가 막히고 날개 뼈가 부러진 새가 아직도 호흡할 수 있음을 발견했다. 어떻게 이것이 가능한가?

새의 뼈에는 골수가 들어 있지 않고 속이 비어서 공기가 들어있다. 뼈 속의 공간은 공기 주머니에 연결되어 있고, 그것들은 허파에 연결되어 있다. 그래서 새의 기도가 막혔을 때, 공기가 부러진, 속이 빈 날개 뼈를 통해서 허파로 드나드는 것이다. 중량과 연료 문제를 동시에 돌보는 참으로 잘 고안된 방법이다. 즉 연료 ‘탱크’가 뼈대에 분포되어 있는 것이다! 그러나 연료 저장은 어떠한가?

실제로 저장하는 연료는 최소량이다. 새는 날으는 도중에 즉 공중에서 연료 즉 산소를 흡수한다! 모든 주머니와 통로를 지나가는 공기는 광범위한 세포 조직과 접하게 된다. 따라서 내쉬기 전에 더 많은 산소를 흡수하게 한다. 그러나, 높은 고도에서 나는 것은 격렬하게 ‘에너지’를 소비하는 일이다. 가능한한 효과적으로 연료를 사용해야 한다. 그러므로, 새의 호흡 기관에는 역류라고 알려진 체계가 내재되어 있다. 그것은 새들이 매우 간단한 원리로써 공기로부터 빠르고 효과적으로 산소를 흡수하게 한다.

새들의 허파에서는 공기와 혈액이 서로 반대 방향에서 접근한다. 공기는 허파를 통해서 흘러들어 오면서 혈액에 점점 더 많은 산소를 공급하며, 혈액은 지속적으로 점점 더 많은 산소를 공급받는다. 다시 말해서, “목마른” 정맥 피가 처음에는 이미 산소가 불충분한, 말하자면, 산소가 단지 몇 “방울”밖에 남지 않은 공기와 접하게 된다. “목마른” 혈액은 산소를 흡수하고 나서 산소가 좀더 많은 “더 축축한” 공기를 향해 나아간다. 이제 혈액은 그렇게 “목마르”지 않다. 따라서 산소를 점점 덜 흡수한다. 최종 결과로 이 놀랄만한 과정은 공기로부터 가장 효과적으로 산소를 흡수하게 된다. 그리고 이것이 바로 새들이 높은 고도에서 날기 위해 필요로 하는 것이다.

곤충의 호흡

당신은 코끼리만한 개미가 있을 수 있다고 생각해 본 적이 있는가? 그것의 힘은 정말 대단할 것이다. 개미는 자기 몸무게의 두배되는 것을 옮길 수 있다. 곤충들이 작기는 하지만 (가장 큰, ‘아틀라스’ 나방도 날개 이 끝에서 저 끝까지가 단지 25내지 30‘센티미터’이다) 그 식욕은 엄청나다. ‘노오드 다코타’의 메뚜기들은 단 1년만에 작물과 목초지에 1,714,000‘달러’ (미화) 상당의 손해를 입혔다! 만일 메뚜기가 말만큼 컸다면 그 손해가 어떠하겠는가?

그러나 불안해 할 이유가 없다. 곤충의 호흡 기관은 곤충이 더 커지지 못하게 막는 것이다. 「사이언티픽 아메리칸」지에 따르면, 그 잡지에서 “거의 믿을 수 없는 생물 공학의 극치”라고 부른, 곤충의 호흡 기관에는 크기를 제한하는 요소가 내재되어 있다! 더우기, 새들의 호흡 기관이 날기에 이상적인 것처럼, 곤충의 호흡 기관도 그 생활 방식에 이상적이다. 어떻게 그러한가?

곤충들은 ‘에너지’ 공장이다. 그 크기에도 불구하고, 그것들은 참으로 굉장히 힘든 일을 해 낸다. 따라서 매우 많은 산소를 필요로 한다. 그러나, 곤충들은 허파가 없다. 그렇지만, 호흡하지 않는 곤충을 보았다고 한다면, 그것은 참으로 믿기 어려운 일이다. 왜 그런가? 그것들은 무한정의 필요에 대처할 수 있도록 설계된 호흡 기관을 가지고 있기 때문이다.

유충 단계에 있는 동안, 여러 지점의 곤충 껍질이 안으로 밀고 들어가 속이 빈 관을 형성한다. 그 관들은 대기 중으로 뚫려 있다. 이 관들이 곤충의 몸 속으로 점점 더 깊이 들어갈 때, 여러 회에 걸쳐 가지를 치며, 각 가지들은 점점 더 가늘어 진다. 마침내, 이들 관 한개나 그 이상이 개개의 세포와 닿게 된다. 그리하여 개개의 세포는 대기로 직접 통하는 관을 갖게 된다. 다시 말해서 혈액 순환계를 거치는 일 없이 즉시 산소를 사용할 수 있게 되는 것이다. 그리고 그것이 바로 곤충이 많은 ‘에너지’를 소모하는 활동을 하는 데에 필요로 하는 것이다!

그러나 관 체계로 호흡하는 것의 문제점은 두 가지 공기의 흐름—산소는 들어오고 이산화탄소는 나가는—을 필요로 한다는 것이다. 곤충이 가진 관들은 산소를 들여 보낼 수 있다. 그러나 이산화탄소는 어떻게 되는가? 산소와는 달리, 이제 이산화탄소는 조직을 통해서 보다 쉽게 확산된다. 따라서 그것은 관을 통해서 나오려 하지 않는다. 오히려, 껍질을 통해서 곤충 밖으로 나간다.

어떤 애벌레들은 대기 중의 산소에 의존해 살기는 하지만, 물 속에서도 산다. 거기서 어떻게 호흡하는가? 어떤 것들은 “스노클” 관을 올린다. 때때로 물살이 거칠고 관 속으로 들어가려 하는 경우에는 판막도 갖춘다. 어떤 것들은 “잠수하는 방울” 즉 기포(氣泡) 속에서 산다. 물론, 기포 속의 산소를 다 소모하면, 그것은 대치되어야 한다. 곤충이 기포 속의 산소를 다 소모한 후에도 오랫동안 물 속에 머무를 수 있다는 사실은 연구가들의 오랜 수수께끼였다. 어떻게 이것이 가능했는가?

확산 과정이 시작되고, 기포 내의 산소압이 주위의 수중 산소압보다 낮아질 때는, 물 속의 산소가 기포 속으로 몰려 들어온다. (물은 수소 두 원자와 산소 한 원자로 되어 있음을 기억하라.) 당신은 ‘그러나 어째서 기포가 터지지 않는가?’ 하고 의아해 할 것이다. 기포 속의 공기 중에는 질소가 있으며, 그것은 물에 잘 녹지 않고 기포 속에 남는 성질이 있다. 따라서 애벌레가 신진대사에는 질소를 필요로 하지 않을지 모르지만, 그 곤충의 “생명 유지 체계”는 분명히 그것에 의존하고 있다!

확실히, 새들과 곤충들의 호흡 방법을 살펴 본 후에, 당신은 이러한 생물들의 호흡 기관이 참으로 놀라운 지성과 설계를 반영하고 있음에 동의할 것이다. 그러나 당신은 그같이 과학적인 사실들에 근거한, 이들 호흡 기관들이 우연히 생겼거나 새들과 곤충들 스스로가 발달시킨 것이라고 믿는 것이 쉽다고 생각하는가? 아니면 유명한 발명가 ‘토마스 에디슨’과 같은 결론을 내리는가? 그는 이같이 말했다. “자연의 과정들을 수년간 살펴본 나는 최고의 지성을 가지신 분의 존재를 의심할 수가 없다.”

[20면 삽화]

새의 호흡 기관

기도

2개의 허파

주머니들

[20면 삽화]

곤충의 호흡 기관—작용하는 방법

허파가 없음

관

세포