학문
완강한바다사자135
육지 동물처럼 허파로 숨을 쉬는 고래가 물속에서 잠들었을 때 숨을 쉬는 원리
고래는 물고기와 달리 아가미가 아닌 허파로 숨을 쉬는 포유류라고 들었습니다. 그렇다면 바닷속에서 잠을 잘 때 숨이 막히지 않고 어떻게 계속 숨을쉬며 수면을 하는지 신기합니다.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
고래는 잠들 때 뇌 전체가 동시에 쉬지 않고 한쪽 뇌가 번갈아 깨어 있는 반구수면을 합니다. 깨어 있는 쪽이 호흡과 수면 위로 올라오는 행동을 조절해 숨을 쉽니다 .그래서 사람처럼 완전히 무의식적으로 호흡하지 않고 주기적으로 수면에 올라와 숨을 쉬며 잠을 이어갑니다.
안녕하세요, 완강한바다사자135님. 이중철 전문가입니다.
고래는 아가미가 아닌 허파로 숨을 쉬는 포유류이지만, 뇌의 절반씩 번갈아 가며 잠을 자는 반구 수면(Unihemispheric Sleep) 방식을 통해 물속에서도 익사하지 않고 안전하게 호흡을 유지한답니다.
인간과 달리 고래의 호흡은 뇌가 판단하여 실행하는 의식적 호흡이기 때문에, 잠을 자는 동안에도 깨어 있는 뇌의 반쪽이 몸을 조종하여 주기적으로 수면 위로 올라와 숨을 쉬게 만듭니다.
■ 뇌의 절반만 번갈아 잠드는 반구 수면
인간을 비롯한 대부분의 육상 포유류는 잠을 잘 때 뇌 전체가 휴식 상태에 들어갑니다. 하지만, 고래나 돌고래 같은 해양 포유류는 좌뇌와 우뇌를 번갈아 재우는 독특한 수면 메커니즘을 진화시켰습니다. 좌뇌가 잠들면 우뇌가 깨어나 몸을 제어하고, 반대로 우뇌가 쉴 때는 좌뇌가 활동을 이어받는 식이에요. 깨어 있는 절반의 뇌는 한쪽 눈을 뜬 채 주변의 포식자나 장애물을 감지하고, 수면 위로 헤엄쳐 올라가 숨을 쉬도록 지시합니다. 보통 2시간에서 몇 시간 주기로 교대하며 뇌의 휴식을 취하기 때문에, 물속에 있으면서도 의식을 완전히 잃지 않고 안전하게 수면을 취할 수 있답니다.
■ 무의식적 호흡이 아닌 의식적 호흡 체계
인간은 잠을 자거나 기절하더라도 뇌간의 반사 신경에 의해 숨이 저절로 쉬어지는 무의식적(불수의적) 호흡을 해요. 반면 고래는 매 호흡마다 숨을 쉬겠다고 인지하고 행동해야 하는 의식적(수의적) 호흡 동물입니다. 만약 고래가 육상 동물처럼 뇌 전체를 끄고 완전히 깊은 잠에 빠진다면 숨 쉬는 것을 잊어버려 질식하거나 물을 들이마셔 익사하게 되거든요. 따라서 깨어 있는 절반의 뇌가 일정한 간격마다 꼬리지느러미를 부드럽게 움직여 몸을 수면 위로 띄우고, 공기를 들이마신 뒤 다시 내려가도록 정밀하게 통제한답니다.
■ 방수 밸브 역할을 하는 분수공 근육 구조
고래의 머리 위에 위치한 숨구멍인 분수공은 물이 체내로 들어오지 못하도록 막아주는 강력한 물리적 차단벽이에요. 인간의 콧구멍은 평소에 열려 있고 힘을 줘야 막히지만, 고래의 분수공은 정반대랍니다. 아무런 힘을 주지 않는 편안한 기본 상태가 완전히 닫혀 있는 밀폐 상태이며, 숨을 쉴 때만 근육을 수축시켜 밸브를 열어줍니다. 이 덕분에 고래가 물속에서 잠을 자며 휴식을 취하는 동안에는 강력한 근육 괄약근이 분수공을 단단히 잠그고 있어, 폐 안으로 바닷물이 침투하는 사고가 원천적으로 방지된답니다.
■ 산소 저장 능력과 수면 중 생리적 절약 반응
고래는 잠을 자는 동안 산소 소비를 극단적으로 줄이는 뛰어난 잠수 생리 구조를 갖추고 있어요.
첫째, 근육 속 산소 저장 단백질인 미오글로빈의 농도가 육상 동물에 비해 수십 배 이상 높습니다.
한 번 들이마신 산소를 혈액뿐만 아니라 전신 근육에 대량으로 저장해 둘 수 있습니다.
둘째, 잠수 및 수면 중 심장 박동수를 급격히 낮추는 서맥 반응을 일으킵니다.
뇌와 심장 등 생명 유지에 필수적인 핵심 장기에만 혈액을 집중 공급하고, 다른 조직으로 가는 혈류를 제한하여 산소 소모 속도를 최소화합니다.
셋째, 물 위에 통나무처럼 가만히 떠 있는 벌목 자세(로깅)를 취하거나, 향유고래처럼 물속에서 수직으로 선 채 표류하듯 잠을 자며 에너지 소모를 최소한으로 억제합니다.
정리하자면,
고래가 물속에서 숨이 막히지 않고 잠을 잘 수 있는 이유는 뇌의 절반씩 교대로 잠드는 반구 수면을 통해 의식적 호흡을 유지하고, 기본 상태가 닫혀 있는 분수공 구조로 물의 유입을 막으며, 고농도의 미오글로빈과 심박수 조절을 통해 산소를 아끼며 안전하게 호흡을 지속하기 때문이랍니다.
※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉
고래는 의식적으로 호흡을 조절하기 때문에 잠을 잘 때도 사람처럼 완전히 잠들지 않습니다.
고래는 반구수면이라는 독특한 수면을 취하는데, 뇌의 한쪽 반구만 휴식을 취하고, 나머지 반구는 깨어 있는 것입니다. 그리고 일정 시간이 지나면 반대쪽 뇌가 잠들며 뇌를 번갈아 쉬게 합니다.
이 때 깨어 있는 뇌 반구가 수면 위로 올라가 숨을 쉬도록 몸을 조절하는 것이죠. 또 한쪽 눈을 뜬 채 주변 포식자나 장애물 등 위험을 계속 감시하죠.
그리고 대형 고래는 바닷속에 수직으로 떠서 짧게 수면을 취하기도 하죠.
특히 한 번의 호흡으로 폐 속 공기의 약 80~90%를 새로 교체할 정도로 압도적인 교체율을 가지기에 숨을 쉬는 횟수가 많지 않아도 문제가 되지 않습니다. 또한 혈액과 근육(미오글로빈)에 산소를 대량 저장해 오래 숨을 참을 수 있습니다.
신체적으로도 힘을 빼면 숨구멍이 자동으로 닫혀 물이 들어오지 않고, 수면 중에는 심박수와 산소 소비량을 크게 줄여 에너지와 산소소모량을 줄여 숨을 쉬는 횟수도 줄어들게 됩니다.
이런 방식으로 뇌는 물론이고 호흡 기관과 혈액 구조 모두 물속에서도 안전하게 잠을 잘 수 있는 구조로 되어 있죠.