분압과 폐포의 기체 교환

[12~17] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

(가)

기체 분자는 무작위로 운동하며 용기의 벽에 충돌하여 압력을 발생시킨다. 기체의 압력은 온도가 높을수록, 그리고 단위 부피 당 분자의 수, 즉 농도가 높을수록 증가하는 경향이 있다. 여러 기체가 섞여 있는 혼합 기체의 경우, 각 기체 분자는 다른 기체에 거의 영향을 받지 않고 독립적으로 행동하므로, 전체 압력은 각 기체가 나타내는 압력의 합으로 표현할 수 있다. 이때 개별 기체가 나타내는 압력을 그 기체의 '분압'이라 하고, 개별 기체의 분압은 해당 기체의 농도에 비례한다.

예를 들어 대기압은 공기를 구성하는 모든 기체의 분압을 합한 값으로 해수면 기준 약 760mmHg에 해당한다. 공기 중 질소와 산소의 비율은 부피 기준으로 질소 약 78%, 산소 약 21%이며, 그 외에 이산화 탄소나 수증기 등으로 구성되어 있다. 따라서 해수면에서 '대기의 산소 분압'은 대기압에 산소의 농도비를 곱한 값이다.

분압은 기체의 이동 방향을 결정하는 중요한 변수가 된다. 개별 기체의 확산은 분압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 일어나고 두 곳의 분압이 동일해지면 멈춘다. 이러한 원리는 기체가 액체와 접촉하는 상황에서도 작용한다. 외부 기체의 분압이 액체에 용해된 기체와 평형을 이룰 때의 분압보다 높은 경우, 외부 기체 분자들은 액체 표면을 통해 내부로 들어가 용해된다. 용해되는 기체의 양은 액체 표면에 접촉하는 외부 기체의 분압에 비례하며, 충분한 시간이 지나면 액체에 용해된 기체의 분압과 외부 기체의 분압은 평형을 이룬다. 만약 외부 기체의 분압이 액체에 용해된 기체의 분압보다 낮으면 액체에 용해된 기체는 외부로 빠져 나온다. 밀봉된 탄산음료 병의 뚜껑을 열면 거품이 발생하는 현상은 분압 차에 따른 기체 이동의 원리를 보여 주는 사례이다.

생명 활동을 유지하기 위해 외부 환경으로부터 산소를 받아들이고, 체내에 축적된 이산화 탄소를 배출하는 과정은 생존에 필수적이다. 인체에서 이러한 기체 교환이 대규모로 일어나는 곳이 폐에 있는 폐포이며, 폐포는 모세 혈관으로 둘러싸여 있다. 모세 혈관의 혈액에 용해된 기체와, 폐포 내부의 기체 사이에서는 분압 차에 따라 기체의 이동이 ⓐ 일어난다. 그 결과 폐포 내부로 들어온 산소의 일부는 지속적으로 모세 혈관의 혈액으로 확산되고, 혈액에 용해된 이산화 탄소는 폐포 내부로 확산된다. 이때, 각 기체는 다른 기체의 확산 여부나 방향에 영향을 받지 않고, 해당 기체의 분압 차에 의해서만 이동한다.

그런데 왜 호흡 과정에서 기체 이동을 설명할 때 농도가 아닌 분압이라는 척도를 사용할까? 용액에 용해된 기체의 농도는 기체의 분압뿐만 아니라 용액에 대한 기체의 용해도에도 비례한

다. 즉 분압이 같더라도 기체의 용해도에 따라 기체의 농도는 달라지는 것이다. 가령 물속에 산소와 이산화 탄소가 각각 같은 분압으로 용해되어 있다 하더라도, 이산화 탄소는 산소보다 용해도가 높아 실제 농도는 이산화 탄소가 더 높다. 그러나 확산은 분압 차에 의해 일어나므로, 시간에 따라 변하는 기체 이동의 방향과 양을 설명하는 데는 분압이 더 적합하다.

폐포 내부 기체의 산소 분압은 '대기의 산소 분압', '폐포 환기량', '세포의 산소 소모 속도'라는 세 요인에 따라 결정된다. 또한 여러 요인이 동시에 작용해 서로의 효과를 상쇄하거나 강화할 수도 있다. 그렇다면 각각의 요인에 따른 폐포 내부 기체의 산소 분압의 변화를 알아보자. 생명 활동을 유지하는 동안, 대기의 산소 분압은 폐포 내부 기체의 산소 분압보다 높다. 아울러 고산 지대와 같이, 대기의 산소 분압이 낮은 환경은 폐포 내부 기체의 산소 분압을 더 낮춘다.

폐포 환기량과 세포의 산소 소모 속도는 잠든 상태일 때보다 운동 상태일 때 증가하는 경향이 있다. 폐포 환기량은 1분 동안 들이마신 공기 중 폐포 내부까지 도달해 기체 교환에 쓰이는 공기량이다. 폐포 환기량이 증가하면 폐포 내부의 기체 중 이산화 탄소의 비율이 낮아져 폐포 내부 기체의 산소 분압은 높아지지만, 폐포 환기량이 줄면 이산화 탄소의 비율이 높아져 산소 분압은 낮아진다. 한편 세포의 산소 소모 속도가 증가하면, 혈액으로 확산되는 산소량이 많아지므로 폐포 내부 기체의 산소 분압은 낮아진다. 반대로 세포의 산소 소모 속도가 느려지면, 혈액으로 확산되는 산소량이 적어지므로 폐포 내부 기체의 산소 분압은 높아진다.