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체온에 대하여
1. 체온이란
체온은 동물이 생존하기 위하여, 생산되는 이화작용의 결과 즉 에너지이다. 사람의 경우 먹은 것의 3분의 2정도를 체온을 유지하는 데 사용한다. 사람 등과 같은 정온동물의 체온이 일정하게 유지되는 것은 체내에서의 열의 발생과 방산(放散)이 평형을 유지하고 있기 때문이다.
인간은 주위환경 온도가 13~66℃로 변화해도 심부온도는 37℃±0.2 이내로 유지할 수 있는 항온동물의 특성을 갖고 있다.
심부온도를 항상 일정한 범위로 유지함으로써 광범위한 기후 조건에서도 능동적인 삶을 영위할 수 있게 된다.
그러나 체온을 조절하는 능력에는 한계가 있기 때문에 심부 온도가 33℃ 미만으로 하강하거나 41℃이상으로 상승하게 되면 신체의 조절능력에 과중한 부담을 주기 때문에 생명에 위협을 받게 되며, 신생아나 노인은 조절력이 약화되어 환경온도 변화에 더 큰 영향을 받게 된다.
체내에서 수행되고 있는 다양한 생명현상이 대사에 의해 이루어지는데 이는 대사는 다양한 화학반응에 의존하고 있다.
이 화학반응은 모두 온도변화에 민감한 효소의 작용에 의해 수행되고 있다. 그러므로 체온유지의 목적은 세포의 생존과 기능유지에 필수적인 생체내의 화학반응(효소반응)의 최적상태를 맞추기 위함이라고 말할 수 있다. 따라서 체온이 한계온도 이하로 하강하면 에너지 소비가 비정상적으로 증가되며, 고온에서는 세포 자체가 파괴된다.
체온이란 체내의 온도를 지칭한다. 그러나 우리의 체내에서는 뇌와 간처럼 끊임없이 작용하고 있는 기관과 그다지 작용하지 않는 기관, 또는 피부와 근육과 같이 열을 방산하기 쉬운 기관이 있는가 하면, 그렇지 않은 기관도 있고, 체열의 분포 또한, 반드시 일정한 것도 아니다. 또한 열방산의 기전에 있어서도 Aschoff, Bazeff 등의 보고에 의하면 신체 내부의 고온층을 대개 2㎝ 정도 두께의 저온층이 감싸고 있다는 것이다.
측정부위에 의한 체온의 차이 | |
직장온 〉 구강온 〉 액와온 직장온 - 구강온 = 0.4~0.6℃ 직장온 - 액와온 = 0.8~0.9℃ 구강온 - 액와온 = 0.2~0.3℃ |
직장온은 체강온이며, 그 입구로부터 8~10㎝인 곳에서 측정하면 비교적 안정하며, 진짜 체온을 반영하고 있는 것이라 할 수 있다. 구강온은 일반적으로 설하온이 측정되며 액와온보다 안정되어 있으나 외기의 영향을 받기 쉽고 식사, 음식, 양치 등에 의해 쉽게 변화한다. 한편 액와온은 측정하기가 쉽기 때문에 곧잘 이용되나, 본래 피부온을 반영하는 것으로서, 액와강내의 온도가 일정하여야만 비로소 체온으로서의 의의를 가지게 된다. 이를 위해서는 적어도 5~10분간의 검온이 필요한 것이다.
한국인의 체온 평균치는 36,89℃±0.346으로서, 그 분포는 35.2~37.9℃에 걸쳐 있으며, 37℃ 이상인 사람이 40%에 가까운 수치를 차지하고 있다는 것은 주목해야 할 것이다. 또한 성별, 인종에 의한 차는 그다지 나타나지 않으며, 유아나 어린이의 경우에는 성인보다 높고, 성인 체온으로의 이행은 10~16세에서 이루어진다.
2. 체온의 부위별 차이
체온은 신체의 부위에 따라 매우 차이가 있으므로, 어느 부위의 온도를 체온으로 하느냐는 문제가 있다.
예를 들면,
1) 폐는 호흡을 하기 때문에 항상 찬 공기와 접하므로 체온이 비교적 낮고,
2) 간과 같이 끊임없이 열을 생성하는 곳은 체온이 높다.
3) 혈액은 신체의 내부를 끊임없이 순환하고 있으므로 혈액의 온도를 표준체온으로 해야 한다는 설도 있으나, 혈액의 온도도 반드시 똑같지는 않다. 예를 들면, 심장의 좌심실 혈액의 온도는 폐에 의해서 냉각되기 때문에 우심실 혈액의 온도보다 낮다.
* 심부체온과 피부체온(Core & skin temperature)
체온은 크게 심부체온과 피부체온으로 나눌 수 있다.
심부체온은 신체의 심부, 즉 두 개강, 흉강, 복강 등의 온도를 말한다.
이것은 환경의 변화에 관계없이 약 37℃ 정도로 일정하게 유지되며 가장 높은 체온을 나타낸다.
피부체온은 열 손실면(체표면)인 피부의 온도를 말한다. 심부체온보다 약 5~8℃ 낮으며 환경변화에 따라 또는 신체부위에 따라변화된다. 체표면에 가까워질수록 온도가 내려간다.
신체부위 중 체온이 가장 낮은 부위는 음낭(scrotum)으로, 32℃로 유지되고 있어 정사생성능, 수정능 및 정자운동 능력을 완성하게 한다.
3. 체온에 영향을 미치는 인자
⑴ 연령(Age)
어린이는 성인에 비해 상대적으로 대사율이 높으므로 심부체온이 0.5℃ 높으며, 노인들은 청장년에 비해 대사율이 낮으므로 심부체온이 0,5℃ 낮다. 노인들은 체온조절기관이 덜 발달되어 있는 신생아 및 여유아기와 마찬가지로 환경온도의 급격한 변화에 잘 대처하지 못한다. 체온조절기관이 발달하는 것은 10세를 지날 무렵부터이다.
신생아 및 유유아기에는 체온조절기구가 덜 발달되어 있기 때문에 환경온도의 영향을 받기 쉽다. 보통 생후 3일 정도는 비교적 고온의 시기가 나타나고, 그후 점차 하강하여 7일째까지 지속하다 1주가 지나면 다시 상승되어 비교적 변동이 적어지고, 생후 50일정도까지 그대로 유지된다. 50일후 부터는 다시 하강하고, 100일을 지날 무렵부터 37℃ 이하가 되며, 120일 정도에서 안정, 2세 무렵부터 생리적인 일중 변동이 나타나게 된다.
⑵ 성별(Sex)
남성은 여성에 비해 발한능력이 좋고 피하지방이 적기 때문에 더운 환경에 강하며, 여성은 남성에 비해 혈관운동 조절능력이 좋고 피하지방이 두꺼워 열의 불량도체로서 작용하므로 추운 환경에 강하다.
⑶ 일주기 리듬(Circardian rhythm)
체온도 하루 24시간을 주기로 0.5~0.7℃ 정도 변화하는데, 정오경에 가장 높으며 자정무렵부터 새벽 4시까지가 가장 낮다.
이것은 수면시에 근육의 긴장도가 낮아 열의 생산량이 감소된 결과이다. 체온의 일주기 리듬은 출생 당시에는 없다가 생후 1년 정도에 생기게 된다. 일상생활에 있어서 노동, 식사, 수면 등에 의한 열생산의 차이가 그 요인이며, 주야 반대의 생활을 하더라도 그다지 변화되지 않는다. 따라서 장기간에 걸쳐서 획득된 생체리듬으로 생각하는 것이 타당하다.
⑷ 호르몬(Hormone)
Catecholamin(epinephrine, norepinephrine), 갑상선 호르몬, 코티졸, 성장호르몬과 같은 호르몬이 증가하는 경우에는 전신세포의 대사율을 증가시켜서 열생산이 증가하므로 체온이 상승된다. 뇌하수체 전엽에서 분비되는 성장호르몬은 각 세포의 대사과정을 촉진시키는 작용이 있으므로 대사율이 15~20% 증가하며, 성호르몬, 특히 남성호르몬도 대사율을 증가시킨다. 갑상선 기능저하 환자에서는 세포대사율이 40~50% 낮아진다. 여성은 월경주기에 따라 체온이 변화하는 월중 리듬을 보인다.
즉, 월경 직전부터 체온이 0.2~0.5℃ 감소하여 배란일까지 지속되다가 배란 당일에는 더 감소하고 배란이 끝난 후에는 다시 체온이 0.4~0.5℃ 상승되어 월경 시작 전까지 지속된다. 배란 직후 체온이 상승되어 유지되는 기전은 난소의 성숙난포가 배란 후 황체화되면서 황체로부터 프로게스테론이 합성 분비되어 열생산을 촉진시키기 때문이다. 또한 체온 뿐 아니라 말초의 한냉자극에 대한 감수성 역시 달라지는데 cold threshold가 월경개시후 급격히 증가하며 배란과 함께 현저히 감소된다.
⑸ 운동(Excercise)
기초대사 상태에서 근육은 약 20~30%의 열을 생산하고 있으나 운동을 하면 골격근의 대사율이 증가하므로 열 생산량이 급격히 증가하여 90%에 이르기도 한다. 그러므로 운동시에는 흔히 체온이 39℃가 되며, 심한 운동을 할 경우에는 41℃가 되지만 이는 열 생산량이 갑자기 증가한 것에 기인하므로 운동이 끝난 후에는 30분 이내에 정상체온으로 회복된다.
⑹ 스트레스
생리적 및 정신적 스트레스는 신경과 호르몬을 활성화시켜서 대사율을 촉진하여 체온을 상승시킨다. 즉 스트레스시에 교감신경이 흥분되어 노어에피네프린의 분비가 증가되고 에피네프린, 갑상선호르몬 및 코티졸 분비가 항진되어 대사율을 증가시키며, 무의식적으로 근 긴장도가 증가하므로 체온이 상승한다.
⑺ 개인차
각 개인의 자율신경기능, 내분비계의 기능 등이 다르다는 점에서 당연히 그 열생산도 달라진다. 일반적으로 부교감신경긴장이 강한 사람에서는 체온, 혈압이 낮고, 맥박도 적다.
⑻ 기초체온
기초체온이란 각성한 직후, 기초대사측정의 조건에 있어서의 체온을 뜻한다. 성인여성에서는 난소주기의 변동에 따라 기초체온이 변동된다.
그 전형적인 예를 보여주는 것으로, 난소에서의 배란에 따라, 그 후에 형성된 황체에서의 황체호르몬 분비에 의해 체온이 상승하고 다음 월경까지 지속한다. 이 기전으로서는 황체호르몬의 대사촉진작용, 체온조절중추에 대한 직접자극, 또는 갑상선호르몬을 통한 작용 등 많은 것이 추측되고 있다. 또한, 일반적으로는 다음 월경의 시작에 따라 기초체온이 하강하는 전형적인 2상성변화를 나타내지만 사람에 따라 그 주기가 명확하지 않은 경우도 많다.
4. 체온의 정상범위
1) 건강인의 정상 체온
① 구강온도는 직장온도보다 0.6 ℃ 낮고,
② 겨드랑이온도는 구강온도보다 0.2℃(즉 직장온도보다 0.8℃낮다.)
인간의 정상 체온은 겨드랑이온도로 36.9℃라고 하며, 이 온도는 동양인이나 서양인이나 거의 차이가 없다.
소아는 성인보다 약간 높고, 노인은 낮은 경향이 있다. 그러나 남녀간에는 차이가 별로 없다.
일반적으로 나이가 어릴수록 체온이 높아서 1세 이하는 37.5℃, 3세 이하는 37.2℃, 5세 이하는 37℃가 정상적인 체온이고, 7세가 넘으면 어른과 비슷한 36.6-37℃가 정상적인 체온이 된다.
하루 사이에는 변동이 있는데, 새벽 4∼6시에 가장 낮고 저녁 6∼8시에 가장 높으며, 그 차이는 1.0 ℃ 이내이다.
이 주기적 변동의 원인은 아직 밝혀지지 않고 있으나, 낮에는 활동하고 밤에는 잠자기 때문에, 체내의 열생산이 낮에는 많고 밤에는 적은 것도 한 원인이 될 것으로 생각된다.
2) 여성의 정상 체온
여성의 경우는 월경주기에 따라 체온이 변한다. 즉, 매일 아침에 기상하기 전의 체온을 재면 배란일(排卵日)을 경계로 하여 고온상(高溫相)과 저온상으로 나누어진다.
3) 기타 체온의 변화
이 밖에 체온을 변동시키는 것으로는,
①식사에 의해서 0.2∼0.3℃ 높아지고,
②심한 운동에 의해서는 40℃에 이르기도 한다.
③주위온도의 변화에 의한 영향은 실험적으로는 대체로 10℃에 대하여 0.7℃ 상승한다고 하나, 계절에 의한 변동은 불과 얼마 안 되며, 여름과 겨울에 0.5℃ 정도의 차이가 있는 데 지나지 않는다.
4) 체온의 최고 한계
체온의 최고 한계는
①보통 열병에서는 42℃ 정도이나,
②어떤 질병에서는 44.7℃나 된다는 보고가 있으므로 44 ℃에서는 생명을 유지할 수 있는 것 같다.
③낮은 쪽에서는 24℃에서 소생한 예가 있다.
5. 체온의 발생 기전
1) 체온의 발생
열은 물질대사 때의 화학반응에 의해서 발생하므로, 끊임없는 활동으로 인해서 대사가 왕성한
①골격근·②간·
③심장 등이 주요 열생산 기관이 된다.
특히 근운동(筋運動)에 의한 열생산이 많은데, 추울 때 몸이 떨리는 것이
그 좋은 예이다. 외계의 온도가 10 ℃ 이하로 되면 열의 생산이 항진된다.
열은 대부분 피부에서 방산되며, 물리적으로 복사(輻射)·대류(對流)·수분증발에 의한다. 열생산 기관에서 생산된 열은 혈액에 전해지는데, 이 혈액이 피부의 표면을 흐를 때 찬 외기(外氣)와 접촉함으로써 열이 체외로 방산된다.
외계온도가 10∼30℃ 사이이면 주로 복사와 대류에 의해서 조절되며, 피부의 혈행(血行)이 중요한 구실을 한다. 그러나 35 ℃ 이상이 되면 피부에서의 수분증발이 주가 되며, 발한(發汗)의 형태로 열을 방산한다.
2) 체온 조절 중추
인체에서 체온조절을 하는 중추는 시상하부(視床下部)이다.
이 중추는 피부에 있는 온도수용기로부터 오는 구심성 임펄스에 의해서 자극이 주어질 뿐만 아니라, 그 곳을 흐르는 혈액의 온도변화를 직접 느낀다. 예를 들면, 실험적으로 시상하부로 가는 혈액을 따뜻하게 하면 열방산기전(熱放散機轉)이 작동하기 시작하여 체온이 내려가지만, 반대로 냉각시키면 체온이 상승한다.
따라서 시상하부는 항온기(恒溫器:thermostat)와 비슷하여, 체온의 큰 변동을 자동적으로 방지한다.
이 체온조절기에는 근육 떨림(shivering), 땀샘에 의한 땀 분비, 피부 혈관 확장 등이 있다.
예를들면, 일단 set pint는 대개 37.2 도입니다. thermoceptor에서 체온이 36.4도로 감지하면 이 정보는 hypothalamus로 전달되어 체온을 올려야겠다는 결론을 내린다. 그러면 교감신경을 더 작용하게 하고 부교감신경을 떨어뜨려서 심박동을 높이고 혈압을 높이고 기초대사량을 늘려서 체온을 높이게 하며 입모근에 작용해서 닭살이 돋으면서 털이 빳빳하게 서게 하며, 근육을 떨리게 하여 운동을 한 효과를 나타내게 해서 체온을 올리게 된다.
3) 정온동물, 변온동물
정온동물에는 체온을 조절하는 메커니즘이 있지만, 변온동물은 그 메커니즘이 잘 발달하지 않았기 때문에 외계의 온도에 따라 체온이 오르내린다. 신생아나 부화시의 조류는 체온 조절이 잘 되지 않는다.
집쥐는 생후 20일이 되어야 항온이 된다. 보통의 쥐는 25일 걸린다. 체온조절 메커니즘의 발달은 시상하부에서의 신경섬유의 완성과 관계가 있다. 닭은 부화 후 4∼5일이면 체온조절 메커니즘이 완성되지만, 사람은 몇 년 걸린다.
변온동물은 주변온도에 의해 체온이 바뀌는 동물입니다. 인간처럼 항상 일정하게 온도가 유지되지 않고 외계의온도의 의해 항상 바뀌게 된다. 물론 체온조절을 할 수는 있으나 온혈동물에 비해 아주 조금인 수준이다.
그 때문에 추운계절이나 더운계절에 온도 때문에 행동의 제약을 많이 받기도합니다. 왜냐하면 온도를 항상 일정하게 유지를 못 시키기 때문에 온도가 너무 낮거나 높거나 하면 몸에 이상이 생긴다. 그래서 추울 때면 죽지 않기 위해서 동면을 하고 열대지방에서는 덥고 건조한 시기가 되면 하면을 함으로써 외부의 온도에 대해 견뎌 낼 수 있다.
변온동물의 장점은 외부에서 유입되는 에너지로 인해 대사하기 때문에 체열을 유지하기 위해 많은 에너지가 필요 없는 것이다. 하지만 단점은 환경의 변화(특히 온도)에 민감하여 너무 추우면 대사가 일어날 수 없다.
따라서 열대, 온대정도까지 분포할 수 있으나 겨울이 길거나 온도가 낮은 곳(한대나 냉대나)에는 분포할 수 없다.
6. 체열 균형
인체 내에서는 언제나 열이 생산되고 있으며 또한 이 열은 끊임없이 신체 표면에서 외부로 손실되고 있다. 따라서 체온이 일정하게 유지되기 위해서는 체내에서 생산된 열과 주위환경으로 소실되는 열 사이의 균형이 이루어져야 한다.
1) 체열 생산, 화학적 체온조절(Heat production, chemical thermoregulation)
신체의 모든 세포들은 대사를 계속하므로 열을 생산하게 된다. 그 중 간, 심장, 뇌, 신장 등에서 주로 열을 생산하고 있지만 체내에서 가장 물질대사가 왕성하고 열 생산이 많은 장기는 골격근과 간이다.신체의 열생산은 화학반응이 에너지 대사반응의 결과이며 직접 체열생산에 관여하는 방법은 다음과 같다.
⑴ 기초대사(Basal metabolism)
안정상태(basal state)에서 체온은 주로 기초 대사 결과 생긴 열에 의해 유지된다. 이때 단위시간에 대한 기초대사량을 기초대사율이라 하며, 이는 음식물 소화에 의한 에너지를 제외한 호흡, 순환 등 기초적인 생명현상을 유지하기 위하여 소모하는 에너지량을 말한다.
기초대사율은 청년남성에서 약 40㎉/hr/㎡, 체표면적의 1㎡당 1시간에 40㎉의 열을 발하고 있다는 계산이 된다. 이중 간에서 약 30%, 뇌가 약 15%를 담당하고 있으며, 이를 보더라도 이 2개의 장기가 얼마나 중요한 기능을 하고 있는가를 알 수 있다.
이 기초대사에 변동을 미치는 상태가 되면, 당연히 체열의 생산도 변동되게 마련이다. 순환, 호흡 등 일하는데 소모되는 에너지는 30%에 불과하므로 대부분은 체열로 변화되어 체온유지에 사용된다.
⑵ 음식섭취(Food intake)
음식물을 섭취하게 되면 열생산이 증가된다. 그 이유는 소화선 활동의 증가, 소화관의 운동성 증가 및 음식물 대사에 의한 특이동적작용(specific dynamic action)에 의한 것으로 생각된다. 탄수화물이나 지방보다는 단백질을 섭취했을 때 그 효과가 더 크고 오래 지속된다.
⑶ 수의적인 골격근 수축(Voluntary skeletal muscle contraction)
안정상태에서 골격근의 대사에 의한 열생산량은 전체 열생산량의 20~30%이지만 가벼운 운동일지라도 이 비율은 크게 변화한다. 심한 운동시에는 골격근 대사에 의한 열생산량은 수분 이내에 20~30배로 증가하여 총 열생산량의 90%를 담당하게 된다.
그러므로 근육활동의 변화는 체온을 변화시키는 가장 중요한 수단 중의 하나이다.
⑷ 불수의적인 골격근 수축(떨림)[involuntary skeletal muscle contraction(Shievering)]
추위에 노출되는 경우, 근 긴장도가 높아져서 혈관 평활근의 수축으로 오한(chilling)이 나며 어느 한계의 근 긴장도를 넘게 되면 불수의 적으로 골격근이 10~20회/초의 빈도로 불규칙하게 수축과 이완을 반복하게 되는데 이를 떨림(shivering)이라 한다.
떨림에 의해 생성된 에너지는 100% 모두 열로 발산되어 열생산에 중요한 역할을 한다. 떨림에 의한 열생산은 5배까지 증가할 수 있으며, 보통 신체의 상부근육인 저작근, 대흉근 등에서 시작하여 하지쪽으로 전파된다. 떨림 진적에는 대개 모든 혈관의 수축이 선행되는데 그로 인해 오한(chilling)을 느끼게 된다.
⑸ 호르몬에 의한 열생산(Non-shivering thermogenesis, NST)
NST는 근수축과 무관하며, catecholamine, thyroxine, cortisol과 같은 호르몬에 의해 전신의 체세포내에서의 산화와 대사를 촉진하여 대사량을 증가시켜서 이루어지는 열생산을 의미한다. 위의 호르몬은 동면하는 동물 및 신생아, 성인에서 장기간 추위에 노출될 때 열생산을 증가시켜 체온을 조절하게 하는 중요한 역할을 한다.
NST는 10㎏ 이하의 작은 동물에서는 중요한 열생산 방법이지만 사람에서는 신생아기에만 추운 환경에서 생산되는 열의 95%가 NST에 의해 이루어진다. 출생후 NST의 역할은 감소하게 되고 상대적으로 떨림의 효율이 증가하게 된다. 생후 8개월이 되면 30~40%로 감소되고 1년 후에는 어른과 같이
10%에 불과하게 되어 떨림에의 의존도가 증가하게 된다.
⑹ 체온자체의 작용
체내에서 수행되는 화학반응은 모두 온도에 민감한 효소작용에 의하고 있기 때문에, 체온이 상승되면 대사가 촉진되고, 체열이 생산이 증가된다. 대사는 10℃의 온도상승에 의해 2~3배로 된다.
2) 열손실, 물리적 체온조절(Heat loss, Physical thermoregulation)
신체 각 장기에서 생산된 열은 그 장기를 흐르는 혈액에 전도되어 혈액온도를 높이고 혈액은 다시 전신을 순환하여 신체 전체에 열을 배분하게 된다. 이때 체표면(피부)으로 이동된 열은 주위환경과 열교환을 하게 되는데 체열의 손실은 물리적인 현상으로서 복사(radiation), 전도(conduction), 대류(convection), 증발(evaporation) 등에 기인한다.
⑴ 복사(Radiation)
복사는 열이 전자파의 형으로 이동하는 현상으로 신체와 그 주위에 있는 물체 사이에서 서로 적외선(heat ray, heat wave)의 형태를 주고받는 현상을 말한다. 대체로 체표면은 주위 물체보다 온도가 높기 때문에 신체 표면에서 주위 물체로 보내는 적외선량보다 크다. 그러므로 신체에서 열을 잃어버리는 것이다.
인체의 피부는 적외선의 흡수율이 98%에 달하므로 피부온도와 주위의 물체온도와의 차이가 클수록 복사에 의한 방열이 커진다.
또한 복사에 의한 유효면적이 커질수록 커지는 셈이다.
이 경우에는 체표면과 어떤 물체가 직접 접하지 않고서 체열이 손실된다. 평온인 실내에서 나체로 있는 사람의 경우 복사에 의하여 방출되는 열량은 전체 체열 손실의 50~60%를 차지한다. 옷을 입으면 따스해지는 것은 피부에서 그 옷에 열을 복사하고, 옷에서 외부로 복사를 수행하므로 전도, 대류와 함께 옷을 입을수록 따뜻해지는 셈이다.
⑵ 전도(Conduction)
신체표면과 접촉된 물체 사이에서 열이 이동하는 것을 말한다. 나체로 앉아 있는 사람은 의자나 마룻바닥으로 약 3%, 접촉된 공기에 전되되는 것이 전체 열손실의 12% 정도가 된다. 접촉하고 있는 물체의 온도가 피부체온과 같다면 열전도는 일어나지 않지만 주변온도가 피부체온보다 높을 경우에는 우리 몸이 오히려 주변 물체로부터 열을 전도받게 된다.
체열은 피부표면 및 기도를 통해서 이들과 접하는 공기에 전해져서 외계로 방산된다. 무풍상태에서 피부와 접하고 있는 공기층은 기온보다 높다. 이 층을 한계층이라 하며, 약 4~8㎜가 된다. 따라서 피부와 접하는 물체와의 온도차 및 그 면적이 크면 클수록 커진다. 공기와 같은 불량도체의 경우에는 피부표면에 접하는 공기가 이동하지 않으면 효율이 저하된다. 따라서 전도에 의한 방열은 대류에 의한 그것과 비례한다.
⑶ 대류(Convection)
공기나 액체분자의 운동에 의해 열이 이동하는 것으로 신체표면에 접촉된 공기가 체열에 의해 가온되어 가벼워지면 위로 올라가고, 대신 찬공기가 그 자리를 채우는 것이다. 이것이 클수록 열손실은 커진다. 공기를 선풍기로 불어주면 시원하게 느끼는데 이는 열손실이 커지기 때문이다.
옷을 입어 대류가 일어나는 것을 방해하면 열손실이 감소된다. 그러나 대류는 본질적으로 전도의 결과
로서 일어난 현상이며, 대류는 전도에 의해 가온된 공기를 이동시키는 효과를 나타낸다. 앞서 이야기한 한계층은 풍속에 따라 다르며, 풍속 10m/s에서 약 0.3㎜로 감소하고, 열방산이 현저하게 증대한다. 옷을 입으면 섬유 사이에 있는 공기가 움직이지 않기 때문에 전도, 대류에 의한 방열이 적어진다.
⑷ 증발(Evaporation)
피부표면, 호흡기 및 구강의 점막, 혀의 표면 등에서 항상 수분의 증발이 이루어지고 있다. 증발이란 수분이 기화하는 것으로 물 1g이 증발할 때는 기화열로서 0.58㎉의 열이 방출된다. 인간은 폐에서 호기중의 물로서 150~450㎖와 피부를 통해 500~700㎖의 수분을 체외로 증발시키고 있다.
따라서 1일 800~1000㎖의 물이 상실되고, 이것이 모두 증발했다고 하면 500~600㎉의 열이 방
산된다. 또한 호흡이 빠르면 촉진되는데 한선이 적은 개 등의 동물에서는 유효한 수단이다. 그러나 이는 단순한 물분자의 확산에 의한 것으로 체온조절에는 크게 기여하지 않는다.
그리고 이와 같은 수분증발은 전혀 감지되지 않으므로 불감발한량(insensible evaporation)이라 한다. 한선에 의한 발한(sensible evaporation)은 그 원인에 따라 온열성 발한(thermal sweating)과 정신성
발한(psychic sweating)으로 나눈다.
불감발한은 무의식 중에 항상 이루어지고 있으므로, 온열성 발한이란 온열자극에 의해, 손바닥, 발바닥을 제외한 전신피부에서 일어나는 발한을 말한다. 이것은 수분 증발에 의해 체열을 발산시키는 것으로 더운 환경에서나 운동시에 체온상승을 방지하는 중요 방법이다. 실
제로 격심한 운동을 할 경우 복사와 전도만으로는 신체의 가온을 방지하는 데는 불충분하며, 또한 37℃ 이상의 환경 온도에서 신체는 복사와 전도에 의해 열을 주위 환경으로부터 얻게 되므로 이 경우 발한은 열손실의 유일한 방법이 된다.
체표면에서 수분의 기화능은 체표면과 주위 공기간의 습도차에 비례하므로 주위 공기가 건조할수록 기화가 촉진된다. 60% 이상으로 습도가 높아지게 되면 기화가 감소되므로 습도가 높은 열대 정글과 같은 환경에서는 주위 공기가 물로 포화되어 있기 때문에 34℃이상의 온도에서는 증발이 불가능하게 된다.
온열성 발한과는 대조적으로 정신성 발한이 있는데, 이는 정서적으로 긴장하거나 흥분했을 때 교감신경의 작용에 의한 것이다.
이것은 체온 조절과 무관하며, 일명 ‘cold sweat'라 불리운다. 이상으로 열손실은 대류, 전도, 복사, 증발의 경로를 통하여 이루어지는데 각각 차지하는 비율은 환경조건에 따라 달라진다. 외계온도가 낮을수록 복사에 의해, 외계온도가 높을수록 증발에 의한 열손실의 비율이 커지는 것을 볼 수 있다.
복사 | 증발 | 전도 | |
21℃ | 60% | 25% | 15% |
31℃ | 15% | 75% | 10% |
35℃ | 4% | 90% | 6% |
⑸ 발한에 의한 열발산
복사, 전도, 대류, 증발(불감발한)을 최대한으로 작동시키더라도 체온상승의 위험이 있는 경우에는 발한에 의해 체열을 하강시키려는 노력을 하게 된다. 발한은 콜린 동작성 교감신경의 지배를 받는 한선(sweat gland)에 의한 능동적인 수분의 이동이며 그 분비량은 자극 정도에 따라 증감되는데 보통 하루의 분비량은 안정시 600~700㎖이지만 여름철 또는 운동시에는 4~10ℓ까지도 된다.
ㄱ) 한선과 땀
한선에는 분비양식이 다른 에크린선과 아포크린선이 있다. 후자는 액와, 유두부, 외음부 등에
국한되어 존재하고 있으며, 선
세포 자체의 파괴에 의해 분비가 이루어지는 형으로, 체온조절에는 관여치 않는다.
방열의 수단으로서 발한을 일으키는 것은
에크린선이며, 전신의 피부에 총수 200만~500만개가 분포되어 있고, 겨드랑이, 손바닥,
발바닥, 앞이마 등에 많다. 한국인에게 있어서 실제로 작동하고 있는 능동 한선은 180만~280만개 정도로 알려져 있다.
ㄴ) 발한의 종류
온열성발한, 정신성발한 및 강한 자극물을 먹었을 때 코와 전액에서 나타나는 특수한 미각성발한
등이 있다. 또한 정신성발한 은 정신적인 흥분에 의해 손바닥, 발바닥, 겨드랑이 등에서 신속한 발한 이 나타나는 것으로, 고온에는 반응하지 않는다.
따라서 체열방산의 수단으로서는 온열성발한이 그 주역을 맡고 있으며, 이 경우 고온에 반응하여 어 느 일정한 시간이 경과된 후 손바닥, 발바닥을 제외한 전신의 피부에서 발한이 나타나게 된다.
이중에서도 앞이마, 경부, 체간의 전후면에서 많다. 또한 몸의 한쪽을 압박하고 있으면 반대쪽에서
발한이 일어난다(반측발한).
ㄷ) 땀의 고형성분
땀의 고형성분은 기껏 0.3~1.5%로, 뇨의 성분과 매우 유사하지만, 그 함유량은 차이가 있다.
무더운 때 집안에서 일을 하고있으면 매시 100㎖ 이상, 보행에서는 약 400㎖, 과격한 운동에서는
1시간에 1500㎖, 최대 10ℓ까지 땀을 흘릴 수 있다.
7. 열손실의 출구
1) 피부
복사, 대류, 전도 및 증발에 의한 열의 이동은 주로 피부에서 이루어진다. 복사, 대류 및 전도에 의해 이동되는 열의 양은 피부와 주위 공기층 사이의 온도 경사에 비례하며, 피부순환에 의해 조절된다.
이때 온도경사도는 피하지방과 근육의 두께, 옷의 두께, 색깔에 의해서 영향을 받는다.
피부순환(cutaneous circulation)의 목적은 피부와 조직에 대한 영양공급과 체온조절에 있다.
피부를 순화하는 혈액 중 대사를 위한 혈액량은 소량에 불과하고 대부분의 피부 혈류는 체온조절을
목적으로 하고 있다. 따라서 정상적인 피부의 혈류량은 약 400㎖/분이지만 극심하게 추운 환경에
노출되면 50㎖/분까지 감소하고 더운 환경에서는 2.8ℓ/분까지 증가한다.
피부에는 체온조절을 위해 동정맥 문합혈관(arterio-venous shunt)과 피하정맥총(subcutaneous v enous plexus)이 발달 해있다.
더운 환경에 노출되어 피부 온도가 증가하게 되면 교감신경의 흥분성이 감소하게 되어 혈관이
확장된다. 이때 동정맥문합으로 혈류가 이동하고 따라서 많은 양의 혈액이 피하정맥총으로 가게 되어 피부혈류량이 증가하므로 피부와 주위 환경과의 온도경사가 높아져서 체열손실량이 증가된다.
혈류량이 증가하여 한선에서 땀이 분비되기 시작하면 한선에서 kallikrein을 유리하게 되고
이는 bradykinin을 형성하게 되는데 이 bradykinin은 혈관을 더욱 확장시켜 혈류량을 증기시키므로 체열 손실량을 더욱 증가시키게 된다.
반면에 추운 환경에 노출된 경우에는 피부 온도가 내려가게 되므로 교감신경의 흥분도가 증가되어
혈관이 수축하게 되며 피부 혈류가 감소하게 된다. 그러므로 피부와 주위 환경과의 온도경사가 작아 져서 체열손실량이 감소된다.
피부온도가 15℃일 때 피부혈관이 최대로 수축된다. 그러나 피부온도가 15℃ 이하로 감소되면 오히려 피부혈관이 확장되는 반응이 나타난다.
이와 같은 현상은 냉자극에 대한 혈관의 직접적인 반응으로 혈관이 마비되고 bradykinin이 분비되어 혈관이 확장되기 때문이다. 체온변화에 의한 혈관운동 반응은 20~30℃ 사이의 환경 온도 범주에서만 효율적이며 20℃이하에서나 30℃ 이상의 온도에서는 다른 체온 조절기전이 요구된다.
2) 폐
호흡기로부터 수분이 증발되므로 체열이 소실된다. 공기를 흡식하게 되면 기도와 폐포를 거치는
동안 수증기로 포화되고 이 포화된 공기가 다시 호식시에 체외로 나가면서 증발됨으로써 체열을
소실하게 된다.
그러나 호흡기를 통한 체열손실량은 매우 적다. 환경온도 21℃에서 호흡으로 손실되는 열은 전체의 2%에 불과하다. 일부 포유류의 경우에는 빠르고 얕은 호흡인 panting을 통해 입과 호흡기를 통한
수분 증발을 극대화시키나 사람의 경우에는 불가능하다.
3) 소화․비뇨기계
대변과 소변의 배설을 통한 체열 손실량은 매우 적다. 환경온도 21℃에서 요나 대변으로 손실되는
열은 전체의 1%에 불과하다.
8 체온조절 기전
생명체는 외부의 자극을 받아들이고 그에 대해 반응하며
외부환경이 변하더라도 체내의 상태를 일정하게 유지하려는 성질인 항상성(homoeostasis)이 있다.
정상적인 생리현상의 항상성조절은 대부분 음성되먹이기 기전에 의해서 항상 정상적인 상태를 유지한다.
체온조절중추인 시상하부의 감각기가 체온 하강을 감지하여 피부의 혈류량을 감소시켜 체외발열을 억제하고 근육의 떨림을 유발하여 발열을 촉진함으로써 체온을 상승시켜 정상적인 체온을 유지하게 된다.
반대로 체온상승을 감각기가 감지하면 피부의 혈류량이 증가되어 체외 발열을 촉진하고 떨림은 멈추면서 발한(땀)이 증가되어 정상체온으로 된다.
위의 그림에서처럼 체온조절 기전에 의해 인체에 항상성을 유지하게 된다.
세포의 생존과 기능유지에 필수적인 화학반응(특히 효소반응)은 37℃ 전후에서 최적의 상태를 나타낸다. 실제로 세포내에서 일어나는 여러 가지 생화학적 반응이 수많은 효소활동의 조화를 통해 이루어지는데 체온이 변화될 겨우 이러한 반응과정의 질적 특성이 현저히 달라질 수 있으며, 온도변화에 따른 생체막구조의 변화로 기능에 변화가 초래되어 기능장애가 나타나게 된다.
인체의 체온은 항상 동적평형이 유지되고 있다. 즉 기온이 낮은 환경에서는 먼저 화학적 조절의 수단으로서 교감신경이 긴장하여 피부혈관을 수축시키고, 부신수질의 adrenalin 및 갑상선호르몬 등의 분비, 떨림에 의한 체열의 생산 등이 이루어진다. 또한, 물리적 수단으로서는 피부말초혈관의 수축, 입모, 발한의 억제 등이 나타난다.
한편 기온이 높은 환경에서는 화학적 조절 기구로서 부교감신경우위가 되어 adrenalin의 분비 억제, 의식적인 근긴장의 저하 등이 나타난다. 물리적 조절로서는 피부혈관의 확장 및 혈류량의 증대, 발한에 의한 수분의 증발, 또는 호흡촉진, 타액분비증가 등에 의해 체열의 방산이 이루어지게 한다.
1) 체온조절요소(Regulatory components)
외부 자극이 체온조절중추에 보내지는 기전은 신경로에 의한 것과 체액성에 의한 것의 2개가 생각되 있다.
신경로는 피부에 가해진 온자극 또는 냉자극에 의해 온각수용체, 또는 냉각수용체가 자극되고, 지각신경을 지나 그 자극이 체온조절중추에 전해진다. 다음은 중추에서 말초로 자극이 전해지는 경우는 화학적 조절경로가 물리적 조절경로와는 다른 경로를 취하고, 경수의 하단에서 척수로부터 해리하는 것이 밝혀져 있다.
한편 체액성경로에 의한 것은 체온조절중추를 흐르는 혈액의 온도가 직접 중추를 자극하여 가장 큰 영향을 주고 있다.
또한 adrenalin, 사이록신, 황체 호르몬 등 혈행성으로 대사를 변동시켜 체온조절에 관여하고 있다.
⑴ 체온조절중추(Thermoregulatory center)
체온조절중추는 시상하부(hypothalamus)의 두 부위에 있다. 즉, 전시상하부의 온열중추(체열손실중추, heat loss center)와 후시상하부의 한랭중추(체열생산중추, heat gain center)이다. 체온조절중추는 기준점(set point)이 37℃로 되어있는 항온조절기(thermostat)처럼 작용한다. 즉 구심성회로로부터 올라오는 정보를 수집한 결과 체온이 기준점보다 아래로 내려와 있다면 열생산과 열보존기전이 활성화되며, 반대로 체온이 기준점보다 상승되어 있다면 열손실기전이 활성화되어 정상체온을 유지하게 된다.
체온이 올라가려는 경향이 있으면 시상하부를 관류하는 혈액의 온도 상승이 자극이 되어 시상하부의 앞 부분의 신경세포들이 흥분하여 피부의 혈관을 확장시키고 땀이 나오게 하여 열의 방출을 증가시키는 한펴, 근의 긴장도를 낮추어 열의 생산을 감소시킨다.
반대로 중추의 항온조절온도보다 체온이 낮으면 주로 피부에 있는 온도감각의 감수체로부터의 구심성 흥분이 시상하부에 전도되어 시상하부의 뒷부분에 있는 신경세포를 흥분시킨다.
그 결과 피부의 혈관을 수축시켜 따뜻한 혈액이 피부표면 가까이 흐르는 것을 방지하고 또한 땀의 분비를 감소시켜 열의 방출을 감소시킨다. 한편 전신의 골격근 긴장도를 높이고 더 나아가서는 떨림을 일으켜 골격근에서의 열생산을 증가시킨다.
⑵ 구심성회로(Afferent input)
시상하부에 있는 체온조절중추는 다음 두 부위로부터 온도에 대한 정보를 받게 된다.
첫째, 피부표면과 피부 밑 1.5~2.5㎜ 내에 있는 온도수용체(thermoreceptor), 즉 냉각수용체(cold receptor)와 온각수용체(heat receptor)에 감지된 정보가 척수를 통해 시상하부로 전달된 피부체온에 대한 정보이다. 피부에는 냉각수용체가 온각수용체보다 10배가 많으며 주로 사지 등의 말초에 많이 분포한다. 반면 온각수용체는 가슴이나 머리에 많이 분포한다. 두 수용체가 가장 조밀한 부위는 손과 얼굴이다.
둘째, 시상하부의 체온조절중추를 관류하는 혈액의 심부체온에 대한 정보이다. 이때 대뇌피질은 피부의 온도수용체와 시상하 부로부터 온도에 대한 정보를 받아들여 춥거나 더운 감각을 인식하게 된다.
⑶ 원심성회로(Efferent output)
시상하부에서 판단된 정보는 뇌간(brain stem), 척수를 통해 효과기에 전달되며 효과기로는 혈관평활근(혈관운동), 골격근(근활동, 떨림), 한선(발한), 내분비선(부신, 갑상선) 등이다.
9. 체온조절의 방법
1) 행동적 조절
인간은 의식적으로 대뇌피질을 통해 신체자세를 변화시키고 의복과 주위 온도, 습도를 조절함으로써 열생산과 열손실을 조절 할 수 있는데 이를 행동적 조절이라 한다. 행동적 조절은 0℃ 이하나 50℃ 이상과 같은 극한 온도에서 생명을 보존케 하는 중요 조절기전이다.
2) 생리적 조절
이 반응은 반사적으로 일어나며, 제한된 환경 온도 내에서만 가능하다.
⑴ 더운 환경에서의 체온조절 방법
① 행동적 조절
복사, 전도, 대류의 정도는 신체의 표면적에 비례하므로 팔, 다리를 뻗쳐서 체표면적을 최대화하며 옷을 벗는다.
② 생리적 조절
더운 환경에 노출되면 피부혈관이 확장되어 피부혈류가 증가됨으로써 열전도율이 높아지게 된다. 특히 팔과 다리는 체표면적이 크므로 사지의 혈류의 증가는 신체 다른 부위보다 체열손실에 보다
효율적이다. 그러나 피부혈류의 조절만으로는 더운 환경에서 열손실을 충분히 할 수 없으며,
특히 외부의 온도가 피부온도보다 높을 때에는 오히려 외부로부터 복사열을 받게
된다. 더운 환경에서 열 손실의 가장 효율적인 방법은 발한에 의한 증발이다.
⑵ 추운 환경에서의 체온조절 방법
① 행동적 조절
추운 환경에 노출되면 몸을 웅크려서 체표면적을 줄여 복사, 전도, 대류에 의한 열손실을 최소화한 다. 또한 발을 구르거나 몸을 움직이는 등의 동작과 운동 및 음식물을 섭취함으로써 열을 생산하게 되며 옷을 입음으로써 열보존량을 증가시키게 된다.
② 생리적 조절
체온이 낮을 때는 열의 보존기전과 열 생산기전이 활성화된다. 즉 열의 보존은 혈관에 분포된 교감신 경의 흥분성이 증가되어 혈관수축으로 피부순환 혈액량이 감소되므로 열 손실량이 감소된다.
또한 피하조직에 위치하는 기모근의 수축하게 되면 피부의 털들이 서게 되며 소름(goose-flesh)이 끼치게 된다. 털이 서면 털과 털 사이에 공기층이 생기게 되어 열이 보존된다.
이때 사람의 경우에는 동물과 달리 털이 별로 없어서 체열보존에는 큰 역할을 하지 못하지만 소름이 끼칠 때 체표면적이 감소하게 되므로 열손실면을 감소시켜 체열보존에 일부 도움을 준다.
체열생산은 불수의적인 골격근 수축인 떨림과catecholamine, cortisol, thyroxine과 같이 호르몬 에 의해 체온을 상승시킨다.