학문
사람은 왜 물속에서 숨을 쉴 수 없을까요?
안녕하세요. 물 속에도 많은 용존 산소가 녹아 있는데, 왜 인간은 그것을 직접적으로 이용하지 못하는지 궁금합니다. 이때 폐의 구조는 물고기의 아가미와 무엇이 다른 것이며 산소의 확산 속도와 표면적은 어떤 관계가 있을지 알고 싶습니다.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
사람이 물속에서 숨을 쉬지 못하는 이유는 인간의 폐 구조와 물의 성질이 산소를 효율적으로 교환하기에 근본적으로 맞지 않기 때문입니다. 말씀해주신 것과 같이 물에는 실제로 산소가 녹아 있으며 이를 용존 산소라고 하는데요, 차갑고 흐르는 물일수록 더 많이 녹아 있습니다. 하지만 그 절대량은 공기와 비교하면 매우 적은데요 공기 중 산소 농도는 약 21%인 반면, 물 1리터에 녹아 있는 산소는 많아야 수 mg 수준입니다. 즉, 같은 부피를 기준으로 하면 공기는 물보다 수십 배 이상 많은 산소를 포함하고 있고 인간은 대사율이 높은 생물이기 때문에, 이 정도로 희박한 산소를 이용하려면 극도로 효율적인 흡수 장치가 필요합니다.
인간의 폐는 수많은 폐포로 이루어져 있으며, 폐포는 얇은 막을 사이에 두고 혈관과 맞닿아 있습니다. 이 구조는 공기를 전제로 설계되어 있는데요 공기는 점도가 낮고, 밀도가 낮아 폐포 깊숙이 빠르게 드나들 수 있으며, 산소 분자는 기체 상태에서 매우 빠르게 확산됩니다. 이때 폐포 막은 극도로 얇아서 산소와 이산화탄소가 확산만으로도 충분히 교환될 수 있습니다. 반면 물고기의 아가미는 전혀 다른 환경을 전제로 진화한 것인데요 아가미는 매우 넓은 표면적을 가진 얇은 판 구조로 이루어져 있고, 물이 한 방향으로 지속적으로 흘러가도록 설계되어 있습니다.
인간이 물속에서 숨을 쉬려 할 때 물은 공기보다 약 800배 이상 밀도가 높고 점성이 큽니다. 이 말은, 폐가 물을 들이마시고 내보내는 데 엄청난 에너지가 필요하다는 뜻인데요 인간의 호흡근은 그런 부하를 견디도록 설계되지 않았습니다. 또한 물이 폐포로 들어오면 폐포가 무너지고, 표면장력 때문에 다시 펼쳐지지 않게 되며 이는 호흡 기관 자체가 기능을 상실하는 구조적 문제입니다.
마지막으로 이때 산소 확산 속도와 표면적의 관계가 매우 중요한데요 확산 속도를 결정하는 요인으로 농도 차이, 확산 거리, 확산 매질의 성질이 있는데 공기 중 산소는 확산 계수가 매우 크기 때문에 짧은 시간에 많은 양이 이동할 수 있습니다. 반면 물속에서는 산소의 확산 속도가 공기보다 훨씬 느리며 따라서 같은 양의 산소를 얻으려면 훨씬 더 넓은 표면적과 지속적인 흐름이 필요합니다. 물고기의 아가미가 극도로 넓고 얇게 발달한 이유가 바로 여기에 있습니다. 감사합니다.
채택된 답변단순히 산소가 부족해서라기보다는, 인간의 폐가 액체에서 산소를 추출하기 때문입니다.
또한 인간이 물속 산소를 이용하지 못하는 이유는 폐의 구조적 한계와 산소의 물리적 특성 때문입니다.
먼저 물고기의 아가미는 물속에서 부력으로 넓게 펼쳐져 표면적을 유지하지만, 인간의 폐포는 물속에서 표면장력 때문에 서로 달라붙어 찌그러지며 산소를 흡수할 표면적이 급격히 줄어듭니다.
또한 산소는 물속에서는 공기 중보다 약 10,000배 느리게 확산는데, 용존 산소량 자체도 공기 중의 약 3% 수준에 불과하죠. 게다가 물은 공기보다 밀도가 약 800배 높고 점성이 강해, 폐로 물을 순환시키려면 얻는 산소보다 소모되는 에너지가 훨씬 많아집니다.
결론적으로 인간의 폐는 밀도가 낮고 산소가 풍부한 기체 환경에서만 기능을 발휘 하도록 진화했기 때문입니다.
인간의 폐는 기체 상태의 산소를 받아들이는 구조로 되어 있어 액체 속의 낮은 용존 산소량을 감당하지 못합니다. 폐포는 공기가 드나들 때 표면 장력을 유지하며 가스 교환을 수행하지만 물이 유입되면 폐포 벽의 수분 층이 두꺼워져 산소의 확산 거리가 멀어지고 확산 속도가 급격히 떨어집니다. 반면 물고기의 아가미는 얇은 판 모양의 라멜라 구조가 겹겹이 쌓여 있어 물과 접촉하는 표면적을 극대화하고 역류 교환 방식을 통해 효율적으로 산소를 흡수합니다. 인간의 폐는 물의 밀도와 점성을 이기고 액체를 순환시킬 펌프 능력이 부족하며 물속 산소 농도가 대기 중의 약 30분의 1 수준에 불과하여 생존에 필요한 최소 산소량을 확보하기 불가능합니다.