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자극과 감각과 반응
자극이란? 체내외 환경(에너지)의 변동이 생물체에 작용하여 신경막의 흥분을 일으키는 것,
감각이란? 이러한 자극을 주관적으로 인식하는 것을 감각이라고 하며,
반응이란? 자극을 받은 생물체가 나타내는 생리적인 변화 또는 행동의 변화이다.
자극이란? 체내․외 환경의 (에너지)변동이 인체에 작용하여 신경막의 흥분을 일으키는 것으로 이러한 자극에너지는 감각수용기세포(皮膚, 五官)에서 받아들여져 감각신경이 흥분(활동전압)하여 축삭으로 傳導되어 종말단추에 이르고, “시냅스” 또는 “신경근접합”을 거쳐서 다른 신경세포(신경-신경연접) 또는 근세포(신경-근연접)․선세포(신경-선연접)에 흥분을 전달한다.
자극의 전달 경로는
외계의 자극→ 감각수용기 세포에서 받아들여 세포막 투과성의 국소적 변화→ 발생기 전압→ 국소적 탈분극→ 신경섬유의 활동전압(氣)이 유발되어 흥분을 일으킴
외계의 자극→ 감각수용기 세포(皮膚, 五官)에서 받아들여→ 감각신경이 흥분되어→ 감각 전도로를 통하여 대뇌피질 중추신경에 전달되어 감각의 종류가 구별된다.
1. 신경세포
신경세포(뉴런)는 물리, 화학적 자극에 반응하여 흥분하고, 이를 다른 세포에 전달하는 전도 작용을 담당한다. 신경세포는 세포체, 축삭(축삭종말), 수상돌기로 이루어져 있다.
수상돌기는 정보를 받아들여서 그 자극을 신경세포체로 전달하며, 신경세포체에서는 받은 자극을 축삭돌기로 전달하고, 축삭돌기는 정보를 전도하는 역할을 한다.
축삭이 모여 다발을 이룬 것을 ‘신경섬유’라고 부르며, 축삭의 둘레를 “슈반세포(Schwann cell)“가 둘러싸고 가장 외측막인 “신경초”를 만들고 있다. 나중에 축삭과 신경초 사이에 ‘수초’가 생기게 되는데, 이것을 “유수신경섬유”라 한다. 또 수초가 생기지 않는 것을 “무수신경섬유“라 한다. 수초는 전기저항이 매우 높고 이온투과도 거의 없어 절연작용을 한다.
축삭의 끝은 여러 개의 가지로 갈라지고 그 끝부분은 약간 팽창되어 ‘종말단추’를 이루면서, 다른 신경세포의 수상돌기, 세포체, 근위축삭 및 원위축삭과 접속하는데 이것을 “시냅스”(신경-신경연접)라 하며, 근세포와 접합하는 경우를 ”신경-근연접”이라고 하고, 선세포와 접합하는 경우를 “신경-선연접”이라 한다.
신경흥분은 축삭으로 전도되어 종말단추에 이르고, 시냅스 또는 신경근접합을 거쳐서 다른 신경세포
또는 근세포․선세포에 흥분을 전달한다.
※ 자극의 종류
1. 五官感覺
1)물리적 자극: 視覺, 聽覺 → 빛, 소리, 전자기파, 속도?, 중력?
2) 화학적 자극: 嗅覺, 味覺 → 물, 산소, 이산화탄소, 수소이온, 무기염류, 감염
2. 身形感觸
1) 기질적 자극: 溫覺, 冷覺 → 온도(寒熱), 습도(燥濕)
2) 기계적 자극: 痛覺, 壓覺, 觸覺→ 통증, 압박감, 외상, 風度(風流, 風速)
① 물리적 자극:
물리적 에너지(빛, 소리, 열, 전기, 중력)에 의해서 신체가 자극을 받는 것.
② 화학적 자극:
‘성질’(입자)을 가지고 있는 기체나 액체상태의 화학물질(냄새, 맛)이 신체를 자극하는 것.
ex) 공기, 향기, 악취, 음식
③ 기계적 자극(역학적 자극): 촉감(감촉을 느끼는 것)
기계나 기구 따위를 사용하여 생물체에 작용함으로써 어떤 반응을 일으키게 하는 일.
일반적으로 피부를 손가락 '힘 에너지'를 이용해 찌르게 될 경우 물리적 자극을 받은 것임
마찬가지로 빛에너지를 이용한 시신경 자극, 소리에너지(파동에너지)를 이용한 청신경 자극,
열에너지를 이용한 온점 자극 등
예를 들어 향수의 성질을 가지고 있는 향수 기체 분자가 공기중에 떠다니고 있다고 합시다.
이때 코에 있는 후각세포에서는 이 기체 분자를 자극으로 받아들여 냄새를 느끼게 됩니다.
또 다른 예로는 미각이 있습니다. 이때는 액체상태의 분자를 미세포가 받아들여 맛을 느끼게 됩니다
후각이나 미각 정보는 세포막에 존재하는 특수한 단백질이 냄새나 맛을 내는 화학물질과 결합할 경우
활성화 되어서 신호를 발생하여 전해주기 때문이다
시각의 전달과정: 빛(파장)→ 수정체→ 망막의 시세포 흥분→ 시신경→ 대뇌의 시각 중추
청각의 전달과정:음파(진동)→귓바퀴→고막→청소골(진동을 증폭)→달팽이관(림프액이 진동)
→청세포→청신경→대뇌의 청각 중추
평형감각(전정기관-위치감각, 반고리관-회전감각)
후각: 기체 상태의 화학 물질을 감지하는 것이다.
미각: 액체 상태의 화학 물질을 감지하는 것이다
피부감각: 온각, 냉각, 통각, 압각 등이 있다.
※ 자극과 반응
인체가 외부 자극을 인지할 수 있는 것은 각각의 자극에 적절하게 반응하는 신경 세포가 있기 때문이다. 외부의 자극을 선택적으로 인식할 수 있는 이유는 시각․청각․후각․미각의 신경세포들이 신경흥분이나 특수한 단백질들에 의해 발현되어 정보(신호)로 전환되고 뇌에서 이를 인식하는 과정을 거친다.
예를 들어, 후각이나 미각 정보는 세포막에 존재하는 특수한 단백질이 냄새나 맛을 내는 화학물질과 결합할 경우 활성화 되어서 신호를 발생하여 뇌로 전해주기 때문이다.
외부 자극에 선택적으로 반응하여 활성화되는 많은 단백질이 발견되었는데, 그 결과 인체가 어떻게 하여 외부 자극을 감지하게 되었는지 알게 되었으며 과도한 반응으로 생기는 여러 질병들을 이해할 수 있는 길이 열리게 되었다.
예를 들어, 매운 맛을 내게 하는 고추의 캡사이신이라는 성분이 “TRPV1“이라는 이온 채널을 선택적으로 열어주기 때문에 고추를 먹을 경우 맵고 뜨거운 느낌을 갖게 된다. 또한 와사비의 핵심 성분인 Mustard 기름에 반응하는 이온 채널, 차가운 온도에 반응하는 이온 채널 등 많은 자극들의 분자 타켓들이 밝혀져 인체가 느끼는 많은 감각 기능을 분자 생물학적인 수준에서 연구하는 것이 가능해 졌다
.
몸 움직임(形行動)이 기계적(물리적) 자극에 반응하는 신경세포의 기능에 영향을 받는다는 사실은 널리 알려져 있다. 캘리포니아대 연구진은 기계적 자극에 반응하는 세포는 spam이라는 단백질을 가지고 있고, 이 단백질이 외부의 자극으로부터 기계적 자극에 반응하는 신경세포를 보호해 주는 역할을 한다는 것을 밝혀냈다.
spam이 문제가 발생할 경우 기계적 자극에 반응하는 신경세포가 37˚의 높은 온도 환경에서는 정상적으로 활동전압을 발생하지 않음을 실험을 통해서 관찰할 수 있었다.
어떻게 하여 spam이라는 단백질이 높은 온도의 환경에서도 기계적 자극에 반응하는 신경세포가 정상적인 작용을 할 수 있도록 도와주는 것일까?
연구진은 높은 온도에서는 수분의 증발이 많이 일어남에 착안해 수분 증발로 인해 세포의 형태가 일그러져서 세포의 기능이 망가지는 것을spam이 막아준다는 사실을 발견할 수 있었다.
따라서 세포가 일정한 범위내의 삼투압 변화에서는 세포의 형태가 심하게 뒤틀리지 않게 하는 기능을
spam이 한다.
특히 초파리의 경우 기계적 자극에 반응하는 신경세포에 spam이 존재하여서 이 신경세포가 삼투압 변화에도 정상적으로 작동을 하도록 도와주는 역할을 하는 것이다.
추가 연구에서 실제로 spam이 과량으로 발현될 경우 세포막이 단단해 진다는 사실도 연구진은 발견할 수 있었다.
과연 어떻게 해서 spam이 그러한 작용을 하는 것인지는 현재로써는 정확히 알 수는 없지만 과연 인체에서도 spam과 유사한 단백질이 동일한 기능을 수행하고 있을지, 그러하다면 과연 spam의 발현 양상과 기능을 이용하여 실제로 기계적 자극에 반응하는 이온 채널을 발견할 수 있을지 앞으로의 연구가 주목된다.
♣ 온도
물질의 뜨겁고 찬 정도를 나타내는 물리량(수량)이다.
온도는 계(물질)를 구성하는 입자들의 평균적인 운동 에너지와 자유도(주어진 조건 하에서 자유롭게
변화할 수 있는 점수, 변인의 수)에 의해 결정된다.
온도는 물리적으로는 열평형 상태를 나타내는 척도이며, 미시적으로는 물질구성 입자(원자 or 분자)의 아주 미세한 내부운동(열운동)의 에너지 평균을 정하는 척도이다. 통계역학에서 온도는 물질 내에 있는 원자 또는 분자의 평균적인 운동에너지라고 정의하고 있다.
일반적으로 온도계에 새겨진 눈금으로 표시하며 물체의 양(量)과는 무관한 세기 성질이다.
온도와 열
일상생활에서는 열과 혼동하여 사용하는 경우가 많은데, 열은 물체로 이동하는 내부에너지의 변화로서 열의 이동, 외부에 대한 일, 물질의 출입에 의한 에너지의 이동을 모두 포함하는 양인 반면, 온도는 물체가 가지고 있는 에너지의 수준이다.
열과 온도라는 두 개념이 분명하게 구별된 것은 온도계가 고안되어 온도를 인간의 감각에 의존하지 않고 일정한 수치로서 객관적으로 표시할 수 있게 된 18세기 이후이다.
열 熱
(물질이 아닌) 이동하는 에너지의 한 종류로, 물체의 온도를 높이거나 상태를 변화시키는 원인이 된다.
열은 일반적으로 온도의 차이로 인해 전달되는 에너지의 형태나 저항에 의해 생성되는 에너지의 형태로 정의된다.
열은 단지 한 물체에서 다른 물체로 이동하는(계와 그 주변 사이에서) 에너지로서 존재한다. 열의 형태의 에너지가 계에 가해지면 그것은 열로서 저장되는 것이 아니라, 계를 이루고 있는 원자들과 분자들의 운동에너지와 위치에너지로 저장된다.
열은 물질이 분자들이나 원자들의 진동 운동에 의해 소유하는 에너지(예를 들어 운동에너지)의 형태이다. 운동에너지와 열은 형식적으로 동등하지만, 동일한 것은 아니다.
열은 온도가 다른 물질들 사이의 에너지의 이동이다.
열 전달은 전도와 대류, 복사의 매커니즘에 의해 일어난다.
전도는 고체에서 열의 전달이 일어나는 가장 중요한 형태이다. 전도는 뜨겁고, 빠르게 운동하거나 진동하고 있는 원자, 분자들이 인접해있는 원자, 분자들과 상호작용하면서 이들 이웃 원자들에게 그들의 에너지(열)의 일부를 전달하는 방식으로 일어난다. 즉 전도는 물체 속에서 열이 순차적으로 전달되어 가는 현상을 말한다.
대류는 액체와 기체 내에서 일어나는 열 전달의 주된 형태이다.
대류라는 용어는 전도와 유체 흐름의 복합적인 효과의 성격을 나타내기 위해 사용하는 용어이다.
일반적으로 온도가 상승하면 밀도가 감소한다.
따라서 물이 가열될 때 냄비 바닥에 있는 뜨거운 물은 위로 올라가고, 상대적으로 차갑고 밀도가 큰 액체는 아래로 내려간다.
이러한 혼합과 전도의 결과 거의 동일한 밀도와 온도가 된다.
복사는 유일하게 매질이 없는 상황에서도 일어날 수 있는 열전달의 형태이다.
따라서 복사는 진공에서 열전달이 일어날 수 있는 유일한 방법이다. 열적 복사는 물질 속의 원자들과
분자들의 운동 때문에 나타나는 직접적인 결과이다.
이러한 원자들과 분자들이 전하를 띠고 있는 입자들(양성자와 전자)로 이루어져 있기 때문에, 그들의
운동은 전자기 방사선을 방출하고 이것은 표면의 에너지를 바깥으로 이동시킨다. 동시에, 표면도
끊임없이 표면으로 에너지를 전달하는, 주위로부터의 복사에 의해 영향을 받는다.
열역학 제1법칙은 닫힌계의 에너지는 보존된다는 것이다.
그러므로 계의 에너지를 변화시키기 위해서는 에너지가 계로부터 다른 계로 또는 다른 계에서 계로
이동되어야 한다.
계의 질량이 일정할 때, 에너지를 이동시킬 수 있는 단 두 개의 메커니즘은 열과 일이다.
열은 온도의 변화로 인해 발생하는 에너지의 이동이다.
열에 의해 이동되는 에너지의 양을 나타내는 SI단위로 J(줄)이며, Btu(British Thermal Unit) 또는
cal(칼로리)도 때때로 사용된다.
에너지 이동의 비율을 나타내는 단위는 W(와트)이다.
열은 서로 평형상태가 아닌 계들 사이에서 흐르며, 자발적으로 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐른다. 온도가 다른 두 물체가 열적 접촉을 하면 그들은 서로 온도가 동일해질 때까지, 즉 열적평형상태에 이를 때까지 내부에너지를 교환한다.
역학적 상호작용이 없을 때에는 물체로 이동하는 열은 내부에너지의 형태로 물체에 저장된다.
♣ 습도
공기 중에 수증기가 포함된 정도. 공기의 건습정도를 표현.
공기 중에 포함되어 있는 수증기의 양 또는 비율을 나타내는 단위이며, 보통 습도라고 하면 상대 습도를 말한다. 상대 습도는 특정한 온도의 대기 중에 포함되어 있는 수증기의 압력을 그 온도의 포화 수증기 압력으로 나눈 것을 말한다.
습도와 가장 밀접한 관계에 있는 물리량은 수증기압이다.
공기 중 수증기의 부분압력(한 성분만의 압력)을 수증기압이라 한다.
일정 부피의 공기에 포함하는 최대 수증기량은 같은 온도에서는 항상 같다.
이렇게 주어진 온도에서 일정 부피의 공기에 포함될 수 있는 최대 수증기량을 포화수증기량이라 한다. 포화수증기량은 온도가 올라갈수록 높아진다.
습도는 하루 중에 거의 규칙적으로 변화하며, 낮에는 낮고 밤이 되면 높아지는 경향이 있다.
습도의 변화는 주로 기온 변화에 의해 생기기 때문이다.
♣ 바람
공기의 움직임으로서, 풍향, 풍속(단위시간당 이동하는 공기의 속도)의 벡터량(크기와 방향을 갖는
물리량)으로 나타낸다.
풍력(스칼라량; 크기만 가지고 있는 물리량)이란 풍력계급의 각 계급번호, 또는 물체에 미치는 바람의
힘을 말한다.
풍력에너지 P는, 단위시간에 통과하는 운동에너지로 표현할 수 있다.
P=1/(2ρV), 단 ρ는 공기의 밀도(kg/㎥), V는 풍속(m/s)이다.
바람은 공기의 흐름이다.
대기를 이루는 가스 물질의 흐름을 일컫는 말이다.
바람은 일반적으로 공간적 규모, 속도, 원인, 발생지역, 영향 등에 따라 분류한다.
바람을 구동시키거나 영향을 미치는 힘으로는 기압경도력(압력차, 온도차), 전향력(Coriolis force), 부력, 마찰력이 있다.
만일 두 공기 덩어리 사이의 압력의 차이가 존재하면 고기압 영역에서 저기압 영역으로 공기가 흐르게 된다. 행성은 회전함으로 적도에서 멀고, 지표면에서 충분히 높은 영역에서 흐르는 공기는 전향력의 영향을 우선적으로 받게 된다.
전향력의 영향으로 북반구에서는 진행방향의 오른쪽으로 휘어지게 되므로 고기압에서는 위에서 봤을 때 중앙에서 바깥 방향으로 시계방향으로 불어나가게 되며, 저기압에서는 중앙으로 반시계 방향으로 돌아 들어오게 된다. 이러한 바람은 늘 고기압 영역에서 저기압 영역으로 흐르게 되며 이 과정에서 코리올리 힘에도 영향을 받아서 등압선에 평행하게 된다.
바람에 영향을 주는 힘의 종류에 따라 분류하면 대략 4가지 바람을 가정할 수 있다. 이러한 영향을 주는 힘에 따른 분류는 바람의 물리적 운동을 연구하기 위한 이상적인(실제로 존재하지 않는) 모델이다.
지균풍(geostrophic wind): 전향력과 코리올리 힘이 균형을 이루어 나타나는 바람으로 등압선에 평행하며, 마찰에 의한 영향이 적다면 중위도 지역에 상층 대기의 흐름과 유사하다.
온도 바람(thermal wind): 실제로 나타나는 바람이 아니며 수평적으로 대기에 존재하는 온도의 차에
의한 바람이다.
Ageotropic wind: 실제 바람과 지균풍의 차이 성분으로 시간의 경과에 따라 선형풍의 공기 쌓임(air filling up)의 원인이다.
경도풍(gradient wind): 지균풍과 마찬가지로 원심력 성분을 포함한다.
* 온도(熱․寒): 에너지의 운동과 활성(臟腑대사작용, 筋肉활동) 정도(세기)에 의해 熱이 발생.
* 습도(濕․燥): 물질적인 에너지源(체액량, 조직액, 림프액, 저장된 영양분)의 量을 말한다.
* 풍도(風) : 육체적인 氣流(신경전도작용)와 血流(혈액순환) 및 筋肉의 活動을 말한다.
* 相火 : 精神意識의 활동과 感情狀態의 변화 및 내분비계의 작용(화학반응)을 말한다.