실험 목적
개구리의 심장박동을 측정하고 심장박동의 원리와 박동에 영향을 주는 화학 물질, 온도 등이 효과를 이해한다.
실험 이론 및 원리
혈액을 순환시키는 원동력이 되는 순환계의 중추기관으로, 주기적인 수축과 이완을 되풀이함으로써 혈액을 온몸에 공급하는 펌프역할을 한다.
2. 심장의 구조와 기능
심장의 무게는 성인이 약 350~600g으로 남자가 여자보다 약간 더 무겁다. 사람의 심장을 나란히 붙어 있는 이층집 두 채로 비유하면, 오른쪽 집은 온몸을 돌고 온 정맥피가 들어와서 폐로 보내지는 곳이고, 왼쪽 집은 폐로부터 산소가 많은 신선한 동맥피가 들어와서 온몸으로 보내지는 곳이라고 생각하면 된다. 오른쪽 이층집의 윗집과 아랫집 사이에는 삼첨판이라는 칸막이가 있고, 왼쪽 이층집의 위와 아랫집사이에는 이첨판이라는 칸막이가 있어서 혈액이 거꾸로 흐르는 것을 막아준다.
3. 심장박동의 주기성
수축과 이완에 의해 심장박동이 나타나는데, 휴식상태에서 심장은 보통 1분에 60~70회 수축한다. 따라서 하루 평균 약 10만번, 70세를 기준으로 평생 26억 번을 수축한다. 또한 한 번 심장이 수축할 때 대략 80ml 정도의 혈액을 대동맥으로 내보내므로, 1분당 약 5L의 피가 심장을 거쳐 우리 몸을 돌고 40~50초만에 다시 되돌아오게 된다.
4. 동방결절
심장의 한 부분으로 전기자극을 생성하여 포유동물의 심장이 수축되게 하며 심장 박동의 리듬을 결정한다. 동방결절은 주기적인 자극을 생성하여 심장 수축을 유도함으로써 심장박동을 조절하는 심장의 특정한 부분을 지칭한다. 상대정맥 입구 쪽 가까운 우심방 벽에 특수화된 근육세포들로 구성되어 있다.
동결절 또는 발견자의 이름을 따서 키스-플랙의 결절(Keith-Flack node)이라고도 한다. 심장의 모든 세포들이 심장 수축을 일으키는 전기자극을 만들어 내는 능력을 갖고 있으나 동방결절은 다른 부위의 세포들보다 조금 빨리 자극을 생성함으로써 심장 전체의 전기적 신호를 주도하는 역할을 한다.
이러한 이유로 동방결절은 심장박동의 중추가 된다. 여기서 자발적으로 일어난 흥분은 심방근에 전달되고 다시 심방근에서 방실결절(Atrioventricular node, AV node)을 거쳐 심실근에 전달된다.만약 동방결절이 제대로 기능을 하지 못하면 심장의 다른 부위에 있는 세포들이 심장박동을 조절하게 되는데 이 세포들의 집단을 방실결절이라 하며 심방중격(atrial septum) 내의 심방과 심실 사이에 있다.
동방결절은 교감신경계(sympathetic nervous system)와 부교감신경계(parasympathetic nervous system)의 영향을 모두 받는다. 교감신경인 척수신경의 자극에 의해 동방결절의 활동이 빨라지고 따라서 심장의 박동 주기와 세기가 모두 증가하게 된다. 또 부교감신경인 미주신경의 자극에 의해서는 반대의 결과를 초래하게 된다.
혈액의 순환은 심장의 주기적인 수축, 이완운동에 의해서 일어나는데 이러한 심장의 수축운동을 박동이라고 한다. 심장은 스스로 박동할수 있는데 이를 심장의 자동성이라 한다. 심장의 박동원은 동방결절이다. 심장박동의 속도나 세기는 자율신경의 조절을 받는다. 혈액속의 이산화탄소 농도에 따라서 아드레날린 또는 아세틸콜린을 분비하여 심장박동을 조절한다.
이 실험에서는 생쥐를 해부해서 심장박동 조절의 원리를 알아보고, 모세혈관에서의 혈액의 흐름을 관찰한다. 특히 신경 자극 전도물질과 온동 등이 심장박동에 미치는 영향을 알아본다.
5. 심장의 역할
심장의 작용은 펌프와 비슷해서 수축하여 혈액을 동맥 속으로 밀어내고, 확장하여 정맥에서 오는 혈액을 내강에 채운다. 이 때 판막의 개폐가 순차적으로 이루어져서 혈액의 역류를 막아 펌프 작용이 원활하게 반복된다. 이와 같은 심장의 수축과 확장의 반복을 박동이라고 한다. 심장이 수축해 있는 기간을 수축 기, 확장(이완)해 있는 기간을 이완기라고 한다. 또, 심근은 보통의 골격근과 달리 스스로 흥분하는 능 력을 가지는데 이것을 자동성이라고 한다. 따라서, 심근의 어느 부분을 잘라 내어도 조건만 좋으면 자발 적으로 율동성 수축을 일으킨다.
특히 두드러지는 것은 자극전도계에 속하는 특수근이다. 사람의 심장에서는 먼저 동결절에 흥분이 일어나 고, 이 흥분은 즉시 심방의 심근 전체에 퍼져서 심방의 수축이 일어난다. 동시에 이 흥분은 방실결절에도 전달되므로 흥분은 방실속에 의해서 좌우의 심실근 전체에 신속하게 전달되어 심실의 수축이 일어난다. 흥분이 방실결절을 통과하는 데에 시간이 걸리므로 심실의 수축은 심방보다 시간적으로 뒤늦게 일어난다.
또, 심장박동의 리듬도 동결절의 자동성에 지배되고 있다. 이것은 동방결절의 자동성의 리듬이 가장 빠르기 때문에 다른 부분의 자동성이 겉으로 드러나지 않기 때문이다. 그래서 동방결절을 박자잡이라고 한다. 그러나 동방결절의 자동성이 정지하면 다음으로 자동성이 강한 방실결절이 박자잡이가 된다. 이 경우 방실결절의 흥분은 심방·심실 양쪽에 동시에 전달되므로 동시에 수축하게 된다. 또, 방실 속의 전달이 방해를 받으면 심실의 박동이 일시적으로 정지하지만 상해부보다 말초에 있는 방실 속의 자동성이 나타나서 동방결절보다 느린 리듬으로 박동하기 시작한다.
한편, 심방은 동결절의 지배를 받고 있어 정상적인 리듬으로 박동하므로, 이 경우에는 박자잡이가 2개가 되어 심방과 심실은 각각 다른 리듬으로 박동하게 된다. 박동수에는 개인차가 있고 상태에 따라 상당한 차이가 나며, 또 연령과 성에 따라서도 다르다. 그러나 안정상태에 있을 때의 한 개인에 대한 박동수는 거의 일정하다. 안정상태에 있을 때의 각 연령층의 표준 박동수는 유유아가 100∼140, 초등학교 아동이 80∼90, 청장년이 60∼80, 노인이 60∼70이고, 여자는 남자보다 많다.
운동·식사·목욕 중일 때는 많아지고, 수면 중에는 작아진다. 박동수와 체온과는 밀접한 관계가 있는데 체온이 1℃ 상승함에 따라 박동수는 약 8이 증가한다. 또, 박동수는 일반적으로 몸이 작은 동물일수록 많다. 이것은 체용적에 비해 체표면적이 커서 열발산이 왕성하므로 이것을 보충하기 위해서 혈액의 순환이 잘 되게 하기 때문인 것으로 생각되고 있다. 예를 들면, 코끼리는 30∼40, 개는 90∼120, 토끼는 140∼160, 쥐는 200∼300 등이다.
6. 동물의 심장
전형적인 심장은 어류 이상의 척추동물에서 볼 수 있으며 무척추동물은 이것과 매우 다르다. 혈관계를 볼 수 있는 최초의 동물은 유형동물인데, 폐쇄혈관계이지만 심장은 볼 수 없다. 그 대신 혈관벽에 있는 판 세포가 리듬을 가진 운동을 하고 있어 이것이 심장 대신에 혈액을 유동시킨다.
환형동물에는 복행혈관과 배행혈관 사이를 세로로 연결시키는 몇 쌍의 혈관이 있는데, 이것이 박동성을 가 지고 있어 심장이라고 한다. 절지동물은 개방혈관계이며 심장의 구조도 다른 동물과 다르다. 흉부에서 복 부에 이르는 긴 관 모양의 부분이 심장인데, 이것에는 몇 쌍 이상의 심문이라고 하는 혈액의 입구가 측벽 에 개구하고 있다. 조직의 간극을 흘러 온 혈액(정확히는 혈림프)은 심장을 둘러싸는 위심강으로부터 심장 의 좌우에 있는 일종의 근육운동에 의해 심문에서 심장으로 들어간다.
연체동물도 개방혈관계에 속하는데 체강이 협소하고 몸의 대부분이 근육 ·간충조직으로 메워져 있다. 동맥 과 정맥이 어느 정도 발달해 있고, 심장에는 심방과 심실이 있다. 정맥혈은 입새혈관을 거쳐 아가미로 들 어가고 동맥혈은 출새혈관을 지나 심이 ·심실로 들어간다. 또, 두족류는 아가미의 기부에 아가미심장이 있 는데 율동적으로 수축하여 입새혈관 속으로 정맥혈을 보낸다. 절지동물 중 작은 것에는 순환계가 없는 것 도 있으나, 큰 것에는 혈관계가 없이 심장만을 가진 것도 있고, 더 큰 것에서는 동맥과 정맥이 발달해 있다.
심장에는 심문이 있으며, 곤충의 심장은 좌우에 붙어 있는 근육에 의해서 율동적인 펌프 작용을 한다. 의 색충류는 배행혈관의 전단 가까이에 있는 심낭이 심장의 작용을 하고, 창고기는 복대정맥의 전단부에 수축 성이 있다. 척추동물의 심장은 위심강 속에 있으며, 정맥동 ·심실 ·심방 ·동맥원추 ·동맥구 등의 부분으로 나누어져 있다. 원구류 ·어류 ·양서류의 심실은 내부가 한 방이며, 파충류에서는 불완전하나 두 방으로 나뉘어 있다. 조류 ·포유류에서는 완전히 두 심실로 나뉜다.
7. 온도와 심장박동
체온이 상승하면 혈액에 녹을 수 있는 기체의 양은 감소한다. 따라서 혈액 내의 산소분압이 낮아지게 되고, 조직세포에 공급되는 산소량 역시 줄어든다. 그러므로, 부족한 산소량을 보충하기 위해 심장에서 펌 프질을 더 많이 해서 혈액을 더 많이 내보낸다
8. 양서류
척추동물 중 수중에서 육상 생활로 옮겨가는 중간 단계의 생물이다. 유생 시기에는 민물에 살면서 아가 미로 호흡을 하다가, 성체가 되면 네 다리가 생겨 육상에 살면서 폐와 피부로 호흡을 한다. 심장은 어 류보다 발달한 2심방 1심실이고, 배설기는 종신이다. 양서류는 대부분 알을 낳고 물에서 체외 수정을 한다. 개구리, 두꺼비, 도룡뇽, 맹꽁이 등이 양서류에 속한다.
9. 개구리의 변태
개구리는 성체와 유생인 올챙이의 몸의 형태와 습성이 전혀 다른다. 알에서 부화한 올챙이는 꼬리로 헤엄을 치며 아가미로 호흡을 한다. 몸이 점점 크게 자라면 뒷다리가 나오고 꼬리가 짧아지면서 앞다리가 나온다. 그 후 꼬리가 완전히 없어지고 성체인 개구리가 되면 물에서 육지로 올라와 생활하게 된다.
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