인간이 체온을 일정하게 유지할 수 있는 이유가 무엇인가요?
체온 조절은 뇌에서 체온조절을 담당하는 체온 조절 중추에서 그 기능을 관할합니다.
체온 조절 중추는 시상하부(hypothalamus)(그림 1)에서 신체의 체온을 조절하는 온도 조절 중추(temperature control center)로, 온도 조절 중추는 온도 감지 수용기에서 신체 곳곳의 온도에 관한 정보를 구심성 신경을 통해 전달받고 설정 온도와 비교하여 편차가 있을 때 조정하는 통합적인 조절을 합니다(그림 2). 온도 조절 중추는 민감하여 혈액의 온도 차이가 0.01℃와 같이 작아도 이에 반응합니다. 신체의 온도를 감지하는 장치를 온도 수용기(thermoreceptor)라 하고, 이 수용기는 피부와 신체 내의 체온을 감지하여 온도 조절 중추로 정보를 전달합니다. 시상하부에는 체온 조절을 위한 두 가지 중추가 있습니다. 뒤쪽 중추는 저온에 의해 활성화된 후 열을 생산하거나 열을 보존시키는 반사반응을 유도하고, 앞쪽 중추는 높은 온도에 의해 활성화하여 열을 손실시키는 반사반응을 유도합니다.
그림 1. 시상하부
그림 2. 온도조절에 관한 모식도(출처: 한국통합생물학회)
사람의 체온은 하루 주기 리듬으로 변합니다. 사람의 체온은 개인차가 있으나, 일반적으로 아침은 35.5℃이고 저녁은 37.7℃이며 평균적으로는 36.7℃이다. 대체적으로 사람들은 체온보다 낮은 환경에서 살고 있습니다. 따라서 체온을 유지하기 위하여 열생성을 위한 대사를 조절하거나 다른 생리활동을 끊임없이 수행합니다.
구조
몸이 차가와지면 시상하부에 있는 체온 조절 중추가 가동하여 몸을 떨게 하여 열을 발생시키고, 피부 혈관을 수축하여 몸 안의 열 손실을 방지함으로써 체온을 상승시킵니다. 시상하부는 그 안에 특정 핵들이 있으며 이들을 연결하는 신경섬유들이 모여 있는 집합체이며, 시상의 아래에 있습니다. 시상하부는 다양한 기능의 항상성을 유지하기 위한 통합 중추로 자율 신경계와 내분비계를 연결하는 역할을 합니다. 척추동물의 경우 체온을 조절하는 기능뿐만 아니라 갈증과 배뇨, 섭식, 뇌하수체 전엽호르몬 방출호르몬 분비, 뇌하수체 후엽호르몬 생산, 자궁 수축과 젖 분비, 평활근·심근·외분비샘 기능을 조절하고, 감정과 행동 패턴과 수면각성 주기에도 관여합니다.
기능
척추동물에서 시상하부는 음성되먹임 방식으로 체온을 조절합니다. 조류의 경우 시상하부는 대사, 호흡, 혈관 이완, 몸 떨림을 조절하여 체온을 유지하기도 하지만, 호흡 촉진, 깃털 세우기 등의 척수 반사로도 체온을 조절합니다. 사람의 경우, 온도 항상성에 관여하는 뉴런은 시상하부 앞 구역(anterior hypothalamus region)에 집중적으로 모여 있습니다.
체온을 유지하기 위한 첫 번째 단계는 온도 수용기가 몸의 온도를 감지해야 합니다. 몸의 온도는 피부의 온도와 몸 안의 온도를 다 감지해야 하며, 피부에는 말초온도수용기가 온도를 감지하고 몸 안의 온도는 시상하부 자체와 중추신경계, 복부 장기 안에 있는 중추 온도 수용기가 감지합니다. 이들 중추 온도 수용기는 온도의 항상성이 유지되는 지도 점검합니다. 말초 온도 수용기는 온몸의 피부온도를 감지하여 온도에 대한 변화를 시상하부로 전달하는데, 시상하부 뒤쪽의 시상하부 중추는 저온에 활성화하여 체온을 향상시키는 반사작용을 하고, 앞쪽 중추는 고온에 활성화하여 체온을 하강시키려는 반사작용을 주관합니다.
열 생산을 위한 반사반응에는 몸 떨림과 대사적 열 생산이 있습니다. 몸 떨림이 일어나는 경로는 시상하부에서 골격근을 조절하는 체성운동신경을 통해 근육의 긴장도를 증가시켜 일어나는데, 몸 떨림의 빈도는 근수축이 초당 10~20회의 속도로 일어납니다. 근육의 빠른 진동은 열을 효율적으로 생성하여, 온도가 높을 때는 반대로 반사적인 근육긴장도와 수의적인 근육운동도 감소합니다. 수의적인 근육운동은 시상하부가 행동반응을 조절하는 것으로 반사적인 반응은 아닙니다. 몸 비떨림 열발생(non-shivering thermogenesis)은 대사적으로 이루어지는 열생산으로, 예를 들어 태아는 갈색 지방을 갖고 있고 이곳은 대사적으로 열을 생산할 수 있는 능력을 갖고 있습니다.
열손실을 위한 반사반응은 피부혈관의 확장과 발한이 있습니다. 혈관이 확장하면 혈류가 증가하여 내부의 열이 피부를 통해 소실하며, 반대로 열을 유지시켜야 할 때는 피부 혈관을 수축하여 열을 보존합니다(그림 3). 피부혈관의 확장이나 수축을 통하여 몸 안의 열을 조절하는 것은 교감신경의 신호전달을 통해 시상하부에서 일어납니다. 체온조절이 중요해지는 몸 상태의 경우, 시상하부에서 주관하는 혈관조절이 심혈관조절중추에 의해 지배받는 혈관조절보다 우선합니다. 고온에 노출되었을 때 체온을 떨어뜨리는 또 다른 반사반응은 땀샘을 통한 발한입니다. 더울 때 피부에 분비된 땀은 몸의 열을 식히며, 땀샘의 직접적인 조절은 교감신경계에 의해 지배를 받지만 이를 조절하는 상위기관은 시상하부 체온조절중추입니다.
그림 3. 피부의 모세혈관(출처: GettyimagesKorea)
중요성
감염이나 염증에 의하여 체온이 상승하는 것을 발열(fever)이라 하며, 병원균이 감염되면 대식세포가 병원균과 반응하여 인터류킨-1(interleukin-1)과 같은 내인성 발열원(endogenous pyrogen)을 분비합니다. 내인성 발열원은 프로스타글란딘 등을 통하여 시상하부의 체온조절중추의 설정 온도를 높이고, 시상하부는 정상 체온을 유지하는 대신에 새롭게 설정된 상승 온도에 맞추어 체온을 유지시킵니다. 즉, 이전의 정상체온을 춥다고 느끼며 체온을 높이기 위한 반사반응이 유도되어 발열 증상이 나타납니다. 발열은 염증반응을 증가시키고 세균의 증식을 억제하는 방어 기작입니다.
한편 운동을 하면 근육이 만들어 내는 열 때문에 체온이 올라갑니다. 그러면 체온조절중추에 의해 체온이 하강하지만 계속되는 운동은 기존의 설정 온도보다 설정 온도가 약간 높아지며 새롭게 설정된 온도에 맞추어 체온이 상승합니다. 이와 같이 운동에 의한 체온상승은 생리적인 현상이지만 질환에 의해서 체온이 병리적으로 상승하기도 합니다. 갑상샘 이상이나 부신수질 이상으로 갑상샘호르몬이나 에피네프린의 농도가 혈액에서 비정상적으로 상승하면 열생산과 대사활동이 증가하여 체온이 올라갑니다. 또한 뇌손상으로 인하여 체온 조절 중추 기능이 망가지면 체온이 치명적으로 올라갈 수 있습니다. 체온조절기능이 완전히 망가지면 대사활동에 의한 고열로 사망하며, 지속적인 열 스트레스도 체온 조절 기능을 망가뜨립니다.
