피부 호흡
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1. 개요
피부 호흡은 동물이 피부를 통해 기체 교환을 하는 생리 현상이다. 척추동물 중 양서류, 파충류, 어류는 폐 호흡과 함께 피부 호흡을 하며, 일부 종은 피부 호흡에 더 크게 의존한다. 예를 들어, 장어는 낮은 온도에서, 개구리는 동면 중에 피부 호흡의 비율이 높아진다. 포유류는 피부 호흡의 비중이 낮지만, 신생 유대류는 피부 호흡에 크게 의존한다. 피부 호흡에만 의존하는 생물로는 지렁이, 거머리 등이 있으며, 일부 양서류도 피부 호흡만으로 생존한다. 인간은 피부 호흡을 통해 소량의 산소를 흡수하지만, 폐 호흡에 비해 미미하다. 피부 호흡에 대한 연구는 화장품, 창상 치료 등 다양한 분야에서 진행되고 있으며, "피부 호흡을 방해하면 죽는다"는 속설은 과학적으로 근거가 없다.
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호흡은 생물이 에너지를 얻기 위해 산소를 섭취하고 이산화탄소를 배출하는 생리적 과정으로, 수중 환경에서 다양한 방식으로 산소를 얻으며, 호흡계통은 동물에 따라 다른 형태로 진화했고, 여러 메커니즘과 실험 및 치료법이 존재한다.
| 피부 호흡 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 생물이 피부를 통해 호흡하는 현상 |
| 설명 | 피부의 모세혈관을 통해 산소를 흡수하고 이산화탄소를 배출하는 작용 폐, 아가미 등의 호흡 기관 없이 피부만으로 가스 교환이 가능한 경우도 있음 |
| 특징 | |
| 장점 | 간단한 구조로 효율적인 가스 교환 가능 물 속이나 습한 환경에서 유리 |
| 단점 | 피부가 얇고 촉촉하게 유지되어야 함 건조한 환경에서는 호흡 곤란 발생 가능성 증가 체온 유지에 불리 |
| 동물 | |
| 무척추동물 | 지렁이 선형동물 갑각류 곤충 |
| 척추동물 | 개구리 영원 뱀 (일부 수생 종) 물고기 (일부) |
| 인간 | |
| 가능성 | 피부 호흡은 인간에게서 매우 제한적임 |
| 기여도 | 전체 호흡량의 1% 미만 |
| 관련 연구 | 특수 액체에 폐를 담그면 피부 호흡이 가능할 것이라는 연구 결과가 있음 |
2. 피부 호흡의 생물학적 기제
생명체는 원래 산소가 없는 환경에서 발생했지만, 많은 생물이 산소를 이용하여 생존하게 되었다[7]。
호흡 기관이 없는 동물은 피부 호흡에 의존한다[6]。 환형동물인 지렁이나 거머리, 촉수동물인 털보벌레나 이끼벌레 등이 피부 호흡을 한다[6]。 작은 동물은 피부 호흡만으로 충분한 가스 교환이 가능하여, 특별한 호흡 기관이 없는 경우가 많다. 양서류 중에도 피부 호흡만으로 살아가는 종류가 있는데, 무폐도롱뇽과의 무폐도롱뇽이 그 예이다.
포유류 중에서는 피부 호흡을 하는 종이 드물지만, Julia Creek dunnart|줄리아 크릭 더나트영어 신생아는 태어난 직후 폐가 발달하지 않아 피부 호흡만을 하는 것으로 1999년에 보고되었다[8][9]。 이들은 성장하면서 폐 호흡이 증가한다.
2. 1. 물리적 제약
피부 호흡에서 기체 교환은 세 가지 요인에 의해 제어된다.[2]2. 2. 척추동물의 피부 호흡
척추동물은 양서류나 파충류처럼 폐로 호흡하는 동시에 피부나 점막을 이용해 피부 호흡을 하기도 한다. 인후부나 총배설강 내벽에 모세 혈관이 풍부한 부위가 있어 이 부분이 가스 교환에 관여한다.어느 정도 호흡 기관을 가진 동물에서도 피부 호흡을 하는 경우가 많다.[6] 척추동물에서 피부 호흡의 비율은 생물의 종류, 온도 조건 등에 따라 달라진다.[6] 조류나 포유류에서는 피부 호흡 비율이 낮으며, 예를 들어 비둘기나 사람은 1% 이하로 여겨진다.[6]
2. 2. 1. 어류
수중 호흡을 하는 어류는 주로 아가미를 통해 호흡하지만, 피부 호흡은 종과 온도에 따라 전체 호흡량의 5~40%를 차지할 수 있다. 피부 호흡은 말뚝망둥어와 붓고기와 같이 공기 호흡을 하는 종에서 더 중요하며, 이러한 종에서는 전체 호흡량의 거의 50%를 차지할 수 있다.[2]2. 2. 2. 양서류
양서류의 피부는 측정이 가능한 모든 종에서 호흡의 주요 부위이다.[2] 피부 호흡은 폐가 전혀 없지만 가장 큰 도롱뇽 과인 폐 없는 도롱뇽 (Plethodontidae과)의 유일한 호흡 방식이다. 개구리와 다른 양서류의 피부 호흡은 더 추운 온도에서 주요 호흡 방식일 수 있다.[3]
피부 호흡을 이용하는 일부 양서류는 호흡률을 높이기 위해 광범위한 피부 주름을 가지고 있다. 예시로는 헬벤더 도롱뇽과 티티카카 호수 수생 개구리가 있다.[2] 헬벤더의 피부 호흡은 산소 섭취량의 90% 이상, 이산화탄소 배출량의 90% 이상을 차지한다.[4]
양서류 중에는 무폐도롱뇽과나 Barbourula kalimantanensis|바르보룰라 칼리만타넨시스일본어처럼 폐를 가지지 않는 종도 있다.
호흡기에 의한 호흡과 피부 호흡이 병용되고 있는 경우, 전체 호흡에 차지하는 피부 호흡의 비율(산소 섭취량의 비율)은 생물의 종류 및 온도 조건 등에 따라 다르다.[6] 예를 들어 장어의 경우에는 온도가 낮을수록 그 비율이 높으며, 10℃ 이하에서는 피부 호흡에 의한 산소 섭취량의 비율은 전체 호흡에 대해 60% 이상에 달한다.(이것이 장어가 야간에는 육지로 기어 올라갈 수 있는 이유라고 한다[6]). 개구리의 경우에는 동면 중인지 아닌지에 따라 다르며, 보통은 피부 호흡이 30~50% 정도이지만, 동면 중에는 피부 호흡이 70%가 된다.
2. 2. 3. 파충류
파충류는 비늘로 덮여 있기 때문에 주로 피부 호흡을 할 수 없지만, 비늘 사이나 비늘이 줄어든 부위에서 기체 교환이 일어날 수 있다. 일부 거북이는 물속에서 동면하는 동안 장 호흡을 통해 총배설강 주변에서 피부 호흡에 의존한다.[4]일부 바다뱀의 경우, 피부 호흡이 전체 산소 흡수의 최대 30%를 차지할 수 있으며, 잠수할 때 중요하게 작용한다. 잠수하는 동안 혈액이 폐에서 피부의 모세혈관으로 이동하여 피부가 분홍색으로 변하기도 한다.[2]
2. 2. 4. 포유류
포유류는 내온성 동물("온혈 동물")이며 외온성("냉혈") 척추동물보다 더 높은 신진대사 요구량을 가진다. 피부는 다른 척추동물보다 두껍고 불투과성이 높아 주요 가스 교환원이 될 수 없다. 그러나 소량의 호흡이 발생할 수 있으며, 박쥐의 경우 혈관이 풍부한 날개가 이산화탄소 배출의 12%까지 차지할 수 있다.[4] 인간과 대부분의 다른 포유류에서 피부 호흡은 1~2%에 불과하다.[4][2] 신생 유대류에서 피부를 통한 호흡이 훨씬 더 많이 발생한다. 줄리아 크릭 뒤나트의 신생아는 극도로 작으며, 가스 교환의 95%가 피부를 통해 일어난다.[5]3. 피부 호흡에만 의존하는 생물
환형동물의 지렁이나 거머리, 촉수동물의 털보벌레나 이끼벌레 등 소형 동물은 피부 호흡만으로 충분한 가스 교환이 가능하므로, 특정 호흡 기관을 갖지 않는 경우가 많다.[6] 무폐도롱뇽과의 무폐도롱뇽과 같이 양서류에서도 일부 종류는 피부 호흡만으로 살아간다.[6]
포유류에서 완전히 피부 호흡을 하는 종은 드물며, 줄리아 크릭 단나트의 신생아는 태어난 직후 아직 폐가 발달하지 않아 피부 호흡만을 하는 포유류로 1999년에 처음 보고되었다.[8][9] 성장함에 따라 폐 호흡이 증가한다.
4. 인간의 피부 호흡
인간의 피부는 폐 호흡 외에도 공기 중에서 산소를 흡수하고 이산화탄소를 배출하는 피부 호흡을 한다. 1851년 겔라흐(Gerlach)가 이를 증명한 이래, 피부 호흡이 전체 호흡에서 차지하는 비중은 미미하지만, 공기 중 산소가 피부로 흡수된다는 사실이 알려졌다[8].
하지만, 70kg의 운동선수는 폐의 가스 교환을 위해 최대 70m2의 표면적이 필요한 반면, 신체 표면(피부)은 1.4m2에 불과하여 폐 호흡을 피부 호흡으로 완전히 대체하는 것은 불가능하다[8].
4. 1. 피부 호흡 연구
1851년, 겔라흐는 인간의 피부가 공기에서 산소를 흡수한다는 것을 증명했으며, 이후 폐 호흡을 포함한 전체 호흡에 대한 기여도는 미미하지만, 공기 중의 산소가 사람의 피부로 흡수된다는 사실이 알려졌다[8] . 70kg의 운동선수는 폐의 가스 교환을 위해 최대 70m2의 표면적이 필요하지만, 신체 표면(피부)은 1.4m2에 불과하여 폐 호흡을 피부 호흡으로 완전히 대체하는 것은 불가능하다[8] . 한편, 31주 미만으로 태어난 (조산) 신생아의 경우, 안정 시에 5-6배 높은 값을 얻었으므로 총 산소량의 13%를 피부에서 얻는다고 추정된다[10] .인간의 피부 호흡에 관한 연구는 19세기 초부터 이루어졌으며, 1957년에 발표된 논문에서 연구 결과들이 요약되었다. 이 논문에서는 "피부 호흡"이라는 용어가 피부 자체를 위한 호흡 교환만을 의미해야 하지만, 피부 표면을 통한 호흡으로 의미가 확장되어 사용되고 있다고 설명하며, 후자의 의미를 채택하고 있다[11] . 피부 표면을 통과한 산소의 양, 배출된 이산화탄소의 양, 피부로부터의 수분 손실을 측정하는 연구가 진행되었다[11] . 초기 연구에서는 전체 호흡 중 x% 이하가 피부 표면에서 이루어졌다는 애매한 기록만 있었지만, 1930년대에 이르러 피부로부터의 산소 흡수율은 약 1%, 이산화탄소 손실은 약 2.7%로 명확해졌다[11] . 1793년에는 온도 상승에 의해 피부로부터의 이산화탄소 배출이 증가한다고 보고되었지만, 이후 그렇지 않다는 논의도 있었다. 다른 연구자가 그 데이터를 도식화하자 매끄러운 곡선을 그렸기 때문에, 후의 여러 연구자는 이를 "임계 온도"라고 불렀다[11] .
1990년대에는 독일의 막스 플랑크 연구소 연구자들이 산소 유량 측정 장치를 개발하여 피부의 일부분을 통과한 산소 흡수량을 측정할 수 있게 되었다[12] . 이전까지는 총 산소 공급량의 형태로 계측되었지만, 장치 개발로 부분 측정이 가능해졌다. 그 데이터를 바탕으로 추산한 결과, 피부 표면으로부터 0.25-0.4mm (표피와 진피의 일부) 깊이까지는 혈액으로부터의 산소 공급이 미미하며, 거의 공기 중에서 산소가 공급된다고 하였다.
4. 2. 피부 과학과 피부 호흡
1851년, 겔라흐는 인간의 피부가 공기에서 산소를 흡수한다는 것을 증명하였다. 폐 호흡을 포함한 전체 호흡에 대한 기여도는 미미하지만, 공기 중의 산소가 사람의 피부로 흡수된다는 사실은 이후 알려졌다[8] . 70kg의 운동선수는 폐의 가스 교환을 위해 최대 70m2의 표면적이 필요하지만, 신체 표면(피부)은 1.4m2에 불과하여 폐 호흡을 피부 호흡으로 완전히 대체하는 것은 불가능하다[8] . 한편, 31주 미만으로 태어난 조산아의 경우, 안정 시에 5-6배 높은 값을 얻었으므로 총 산소량의 13%를 피부에서 얻는다고 추정된다[10] .인간의 피부 호흡에 관해서는 19세기 초부터의 연구를 요약한 논문이 1957년에 발표되었다. 해당 논문에서는 "피부 호흡"은 피부 자체를 위한 호흡 교환만을 의미해야 하지만, 단어의 사용이 넓어지면서 피부 표면을 통한 호흡으로 의미가 확장되었으며, 후자의 의미를 채택하고 있다[11] . 피부 표면을 통과한 산소의 양, 배출된 이산화탄소의 양, 피부로부터의 수분 손실을 측정하는 일련의 연구가 이루어졌다[11] . 초기 연구에서는 전체 호흡 중 x% 이하가 피부 표면에서 이루어졌다는 식의 애매한 기재였지만, 1930년대에 이르러 피부로부터의 산소 흡수율은 약 1%, 이산화탄소 손실은 약 2.7%로 명확해졌다[11] . 1793년, 온도의 상승에 의해 피부로부터의 이산화탄소 배출이 증가한다고 보고되었지만, 이후 그것은 일어나지 않는다는 논의도 있었다. 다른 연구자가 그 데이터를 도식화하자 매끄러운 곡선을 그렸기 때문에, 후의 여러 연구자는 이를 "임계 온도"라고 불렀다[11] .
1990년대, 독일의 막스 플랑크 연구소 연구자들은 산소 유량 측정 장치를 개발하여 피부의 일부분을 통과한 산소 흡수량을 측정할 수 있게 되었다[12]. 이전까지 총 산소 공급량의 형태로 계측되었던 것이, 장치 개발로 부분적으로 측정할 수 있게 되었다. 그 데이터를 바탕으로 추산한 결과, 피부 표면으로부터 0.25-0.4mm (표피와 진피의 일부) 깊이까지는 혈액으로부터의 산소 공급이 미미하며, 거의 공기 중에서 산소가 공급된다고 하였다. 2015년에는 피부를 이산화탄소에 노출시키면 혈관 확장이 관찰되어 만성 창상에 도움이 될 가능성을 시사하는, 피험자 33명을 대상으로 한 임상 시험이 있었다[13]。
"파운데이션은 피부 호흡을 방해하므로 피부에 좋지 않다"고 흔히 말하지만, 피부에 묻은 화장품 가루 틈새로 가스가 통과할 수 있으므로 피부 호흡에 대해서는 실제로 측정해도 맨살과 다르지 않다고 『화장품 성분 가이드』에 기재되어 있다. 그러나 실험의 자세한 내용은 불명확하다[14]。피부 호흡이 아니라 가루로 인한 피부 건조 등이 일어날 수 있다[14]( 접촉성 피부염이나 알레르기가 일어날 수 있으므로 주의해야 한다[15]).
통기성이 좋은 화장품 소재는 "피부 호흡 등 피부의 생리 작용을 방해할 가능성이 적다"라고 표현되는 경우가 있다[16]。바세린을 도포하여 공기 중의 산소 흡수를 억제하고 산소 유량을 측정하는 실험이 행해지거나[17], 특히 표피 경피 수분 손실이 커지는 건조로 인해 각질층의 방어 기능이 손상되면 가스의 투과성이 증가하고, 이에 응답하여 각질 세포에서의 DNA 합성이 이루어지는 것도 보고되고 있다(논문에서는 건선과 같은 피부의 과잉 형성의 원인이 아닌가 하고 있다)[18]。이러한 연구를 바탕으로, 산소와 이산화탄소의 피부에서의 산소 유량 측정을 피부 방어 기능을 비침습적으로 검사하기 위한 지표로 활용할 수 있을 가능성이 있다[19]。
통기성이 나쁜 소재를 피부에 장시간 접촉하면 가려움이나 발적과 같은 염증 반응이 생길 수 있으며, 이 통기성은 "피부 호흡"이라고 표현되는 경우가 있다[20]。반창고에 사용되는 테이프는 접착제의 종류와 통기성의 나쁨에 따라 발진을 일으키기 쉬우며, 3M사의 테이프는 1960년대에도 통기성을 개선하여 발진을 감소시키는 데 성공한 것으로 알려져 있다[21], 창상 피복재에서도 산소 투과성, 수증기 투과성이 있으며 "피부 호흡"과 수분 증산을 방해하지 않는 것이 이상적인 인공 피부의 특징 중 하나이며[22], 해외 문헌에서도 가스 교환을 방해하지 않는 것을 이상적인 특징 중 하나로 하고 있다[23]。
4. 3. "피부 호흡을 방해하면 목숨을 잃는다"는 속설
흔히 "파운데이션은 피부 호흡을 방해하므로 피부에 좋지 않다"고 말하지만, 피부에 묻은 화장품 가루 틈새로 가스가 통과할 수 있으므로 피부 호흡에 대해서는 실제로 측정해도 맨살과 다르지 않다고 『화장품 성분 가이드』에 기재되어 있다. 그러나 실험의 자세한 내용은 불분명하다.[14] 피부 호흡이 아니라 가루로 인한 피부 건조 등이 일어날 수 있다.[14] (아무것도 걱정할 필요가 없는 것은 아니므로, 접촉성 피부염이나 알레르기가 일어날 수 있다.[15])한편, 통기성이 좋은 화장품 소재에 대해 통기성이 측정되어, "피부 호흡 등 피부의 생리 작용을 방해할 가능성이 적다"라고 표현되는 경우가 있다.[16] 바세린을 도포하여 공기 중의 산소 흡수를 억제하고 산소 유량을 측정하는 실험이 행해졌으며,[17] 특히 표피 경피 수분 손실이 커지는 건조로 인해 각질층의 방어 기능이 손상되면 가스의 투과성이 증가하고, 이에 응답하여 각질 세포에서의 DNA 합성이 이루어지는 것도 보고되고 있다(논문에서는 건선과 같은 피부의 과잉 형성의 원인이 아닌가 하고 있다).[18] 이러한 몇 가지 사람에 대한 연구를 바탕으로, 산소와 이산화탄소의 피부에서의 산소 유량 측정을 피부 방어 기능을 비침습적으로 검사하기 위한 지표로 활용할 수 있을 가능성이 있다.[19]
또한, 통기성이 나쁜 소재를 피부에 장시간 접촉함으로써 가려움이나 발적과 같은 염증 반응이 생길 수 있으며, 이 통기성은 "피부 호흡"이라고 표현되는 경우가 있다.[20] 반창고에 사용되는 테이프는 접착제의 종류와 통기성의 나쁨에 따라 발진을 일으키기 쉬우며, 3M사의 테이프는 1960년대에도 통기성을 개선하여 발진을 감소시키는 데 성공한 것으로 알려져 있다.[21] 창상 피복재에서도 산소 투과성, 수증기 투과성이 있으며 "피부 호흡"과 수분 증산을 방해하지 않는 것이 이상적인 인공 피부의 특징 중 하나이며,[22] 해외 문헌에서도 가스 교환을 방해하지 않는 것을 이상적인 특징 중 하나로 하고 있다.[23]
피부 호흡을 방해하면 목숨을 잃는다는 설이 퍼져 있다고 한다. 이 설의 기원은 불분명하지만, 의학 관계자는 이를 부정하고 있다.[24][25][26]
1912년의 『기해단전토납법(気海丹田吐納法)』에는 전신에 옻을 칠하면 피부 호흡이 멈춰 죽는다고 기재되어 있다.[27]
금박과 관련하여 언급되는 경우가 있다. 금박으로 전신을 덮으면 피부 호흡을 할 수 없어 죽음에 이른다는 것으로, 일설에는 『007 골드핑거』(1964년)에서 보스를 배신한 여성이 전신에 금박을 칠해 살해당하는 장면이 등장한 것이 기원이라고도 한다.[26] 그러나 그보다 반세기 가까이 앞선 일본의 서적에 기재되어 있다. 1914년 12월, 『도쿄 아사히 신문』에 발표된 다니자키 준이치로의 소설 『금빛 죽음(金色の死)』에서는 전신에 금박을 바르고 "모공이 막혔다" 때문에 죽는 남자가 등장하며, 이러한 속설 자체는 더 오래전부터 존재했을 가능성이 생각된다. 『철완 아톰』에, 순금을 깔아놓은 욕조에 들어가는 것을 취미로 하는 인물이 "금 중독"이 된다는 에피소드가 등장하고 있다.[28] 일부 초등학생 대상 잡지 등에서 오래전부터 "금박을 칠한 경우, 1시간이 한계"라고 기재되는 등, 널리 알려져 있었다.
금박뿐만 아니라, 다른 물질에서도 비슷한 이야기가 나오는 예도 있다. 1975년의 『의학 퍼즐』[29]에서는 다이쇼 시대에 행해진 가장 행렬에서, 남양의 원주민으로 분장하기 위해 전신에 콜타르를 칠한 남성이 수 시간 만에 사망한 사실을 예로 들고 있지만, 이 경우에도 "피부 호흡은 아주 미미하여 사인이 되지 않고, 전신이 콜타르로 덮여 땀이나 방사열에 의한 체온 조절이 불가능해 열사병으로 사망했다"고 한다. 근세 유럽이나 미국에서 보인 사형의 하나로, 대상에게 목 타르를 바르고 깃털을 붙여 조롱하는 타르 앤 페더도 마찬가지다. 죽는다는 묘사는 『허클베리 핀의 모험』에도 등장한다.
5. 역사적 관점
기원전, 철학자 플라톤은 입으로 숨을 내쉬면 피부에서 공기가 들어가고, 입으로 숨을 들이쉬면 피부에서 공기가 빠져나간다고 생각했다.[30]
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