호흡에서의 가스 교환과 가스 운반

허파와 혈관사이에서 산소와 이산화탄소의 교환이 이루어진다

조직세포와 모세혈관 사이, 그리고 허파꽈리에서 모세혈관 사이에서의 가스 교환은 ‘확산’이라는 과정을 통해 이루어진다. 확산은 높은 농도에서 낮은 농도로 물질이 이동하는 것을 말한다. 이러한 확산은 또한 분압의 차이에 의하는데, 분압이란 대기 또는 혈관과 같은 액체 안에 들어있는 혼합 가스 또는 허파꽈리에 들어가 있는 혼합가스 중 각 단일 단위가 가지고 있는 압력을 나타내는 것이다. 분압이 높으면 가스 분자는 분압이 낮을 때에 비해 높은 운동성을 가질 수 있기 때문에 분압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 확산된다. 허파는 이산화탄소와 산소가 서로 교환되는 장소를 제공하며, 교환은 확산을 통해서 이루어지게 되는 것이다. 허파 안의 모세혈관과 허파꽈리는 이러한 교환을 하는 지점으로 모세혈관은 이산화탄소 농도가 높고, 허파꽈리는 산소 농도가 높다. 그렇기 때문에 이산화탄소는 모세혈관에서 허파꽈리로 이동하고, 산소는 허파꽈리에서 모세혈관으로 이동하는데 이러한 과정을 ‘확산’이라고 한다.

오른심실에서 허파로 혈액이 공급되면 허파꽈리와 모세혈관에서 산소와 이산화탄소의 교환이 이루어진다. 허파꽈리는 모세혈관보다 산소의 농도가 훨씬 높기 때문에 산소는 허파꽈리로부터 혈관으로 이동하고, 이산화탄소는 모세혈관이 허파꽈리보다 농도가 월등하게 높기 때문에 모세혈관으로부터 허파꽈리의 방향으로 이동하게 된다. 세포와 모세혈관에서는 앞 설명의 반대가 된다. 세포는 이산화탄소 농도가 높으며 산소의 농도는 낮기 때문에 이산화탄소는 세포에서 모세혈관으로, 산소는 모세혈관에서 세포로 이동한다. 허파에서의 가스교환 과정을 설명하자면 다음과 같다. 허파꽈리 속 가스 농도와 허파 모세혈관의 가스분압 차에 의해서 산소는 정맥혈, 정확히는 허파 모세혈관 안의 정맥혈로 확산하고, 정맥혈 안의 이산화탄소는 허파꽈리 안으로 확산한다. 이 때문에 정맥혈의 산소분압은 증가하고 이산화탄소분압은 거의 허파꽈리 내 수준까지 감소하여 정맥혈은 동맥혈이 된다. 이산화탄소는 물에 대한 용해도가 산소의 20배가량 되기 때문에 적은 압력 차에도 이산화탄소가 충분히 확산한다. 모세혈관과 허파꽈리 사이에서 가스교환이 적절한 수준까지 이루어지려면 서로 접촉하는 접촉면이 최대한 넓어야 하는데, 사람의 허파꽈리를 다 펼쳐 놓는다면 테니스 코트를 충분히 덮을 만한 크기가 된다고 한다.

조직과 모세혈관 사이에서도 비슷한 현상이 일어난다. 동맥혈의 산소 분압은 조직 안에서 보다 높기 때문에 산소는 혈액에서 조직으로 확산하게 되고, 이산화탄소는 조직에서 혈액으로 확산한다. 조직 속에 퍼져있는 모세혈관에서는 허파와는 정반대로 동맥혈이 정맥혈이 되어 대정맥을 통해 오른 심장으로 들어가서 허파순환의 과정을 거치게 된다. 허파꽈리와 모세혈관 사이의 막에서의 가스교환은 고분압에서 저분압으로의 확산에 의해 일어난다. 완전한 가스교환에 드는 시간을 나타내자면 안정상태에서 허파꽈리와 조직-모세혈관의 가스교환이 0.75초가량 되며, 최대운동을 할 때는 약 0.3초 이내라고 한다.

조직에서 조직-모세혈관의 혈액 속으로 확산하는 이산화탄소는 허파꽈리로 운송되어 배출되는 데 반해, 허파꽈리에서 허파-모세혈관의 혈액 속으로 퍼지는 산소는 조직으로 운반되어 소비된다. 이러한 과정은 심장혈관계통이 하는 주요한 기능이다. 일반적으로 허파 부피와 허파 용량의 변화는 단순 훈련 여부뿐만 아니라 성별이나 체격, 연령 등에 의해 정해진다. 기능적 남은 공기량이나 남은 용량, 온허파용량에 대한 남은 공기량의 비율은 감소하는데 이는 허파활량은 약간 증가하나 온허파용량(TLC)은 변하지 않기 때문이다. 여기에서 온허파용량이란 온전한 허파 용량을 말하며 폐가 최대한으로 확장되었을 때 담을 수 있는 폐의 용량을 합한 값이 다 온허파용량은 1회 호흡량, 예비흡기량, 예비호기량, 잔기량의 합으로 측정하며 성인의 평균 TLC는 약 4~6L로 보고되고 있다. 온허파용량은 폐활량 검사(spirometry) 또는 폐 용적 검사(body plethysmography)로 측정할 수 있다. 만약 사람이 지구력을 향상하는 트레이닝을 한 후에 1회 환기량은 안정상태 혹은 상대적으로 동일한 강도의 최대하운동을 할 때는  별다른 변화가 없지만, 최대운동 시에는 증가한다. 1회 환기량은 들숨근육 강화로 인한 들숨용적이 늘어나면 함께 증가할 수 있다.

산소는 보통 혈장에 의해서 용해된 산소 상태로 전달되거나 적혈구 속의 헤모글로빈에 의해서 운반된다고 알려져 있다. 용해된 상태로 이동하는 산소량은 다소 극미하여 안정 분당 산소섭취량의 3~4% 정도 수준밖에 되지 않는다. 그러나 용해된 산소분압은 인체의 적혈구 생산량을 증가시키는 원인을 만든다. 우리 몸 안에서 대부분의 산소는 적혈구 속으로 확산하여 헤모글로빈과 화학적으로 결합하고 산화헤모글로빈 형태로 운반된다. 헤모글로빈이 산소를 조직에 공급하고 나면 ‘환원헤모글로빈’이 된다. 적혈구 내에 있는 헤모글로빈은 단백질과 철분의 복합체로 헤모글로빈 한 분자에는 4개가량의 철분이 함유되어 있어 각 철분은 한 분자의 산소와 결합할 수 있다. 헤모글로빈 1g은 산소 1.34ml와 결합할 수 있고, 혈액 100ml에 들어있는 헤모글로빈의 함량은 성별에 따라 약간의 차이는 있지만 약 15g 정도이다. 따라서 안정된 상태에서는 혈액 100ml에 20ml 정도의 산소를 운반할 수 있다는 계산이 된다.
산소해리곡선은 위쪽으로 편평한 형태이기 때문에 산소분압이 다소 변하더라도 산소포화도가 큰 폭으로 변화하지는 않는다. 따라서 순수 산소를 들이마신 뒤 동맥혈의 산소분압을 100mmHg 이상 증가시킨다고 하더라도 헤모글로빈이 추가로 결합할 수 있는 산소량은 0.5ml에 불과하다.