심장과 폐는 어떻게 함께 일하는가

1616년, 런던의 왕립의사회에서 윌리엄 하비는 한 자원자의 맨 팔뚝에 가죽 지혈대를 끼우고 부풀어 오른 정맥을 눌렀다. 그는 너무 단순해서 중요하다고 보기조차 어려운 어떤 사실을 보여 주고 있었다. 정맥혈은 오직 한 방향으로만, 즉 심장 쪽으로만 돌아가고 결코 심장에서 멀어지지 않는다는 것이었다. 도드라진 정맥을 따라 손 쪽으로 손가락을 밀어 보면 그 혈관은 빈 채로 남아 있고, 피는 거꾸로 흘러와 다시 채워지지 않는다. 그로부터 12년 뒤인 1628년, 하비는 프랑크푸르트에서 De Motu Cordis(심장의 운동에 관하여)라는 제목으로 그 전체 논증을 발표했고, 서양 의학은 그 전과 결코 같지 않았다.

이 장면을 주목할 만하게 만드는 것은 그것이 무엇을 대체했는가이다. 약 1500년 동안 교육받은 의사들은 피에 관해 전혀 다른 것을 믿어 왔고, 가죽 끈을 사용한 하비의 조용한 실험은 그 전체 구조물을 허물기 시작하기에 충분했다. 그의 시연이 왜 중요했는지를, 그리고 여러분 자신의 가슴 속에 있는 기관계를 이해하려면, 의사들이 그토록 오랫동안 무엇을 잘못 알고 있었는지부터 시작해야 한다.

하비 이전에 의사들이 믿었던 것

1628년 이전, 유럽 의학은 2세기에 활동했던 그리스 의사 갈레노스에게서 물려받은 모형 위에서 돌아갔으며, 그의 권위는 이후 1500년 동안 거의 의심받지 않았다. 갈레노스의 그림에서 피는 결코 고리를 이루며 펌프질되지 않았다. 간이 소화된 음식으로부터 신선한 피를 끊임없이 만들어 냈고, 이 피는 일종의 일방통행 조류처럼 몸 바깥쪽으로 천천히 스며 나갔으며, 조직은 불이 장작을 태우듯 그 피를 소비했다. 피는 만들어지고, 다 쓰이고, 다시 만들어졌다. 피가 심장의 오른쪽에서 왼쪽으로 어떻게 건너가는지를 설명하기 위해, 갈레노스는 두 심실 사이의 근육벽에 보이지 않는 구멍이 있다고 주장했다.

하비의 결정적인 한 수는 해부학이 아니라 산수였다. 그는 심장이 한 번 뛸 때마다 얼마나 많은 피를 내보내는지 추정하고 거기에 한 시간 동안의 박동 수를 곱했는데, 그 총량은 몸이 그 시간 안에 음식으로부터 도저히 만들어 낼 수 없을 만큼 어마어마하게 컸다. 간은 그런 속도로 소비되고 버려질 만큼 빠르게 피를 만들어 낼 수가 없었다. 그 숫자에 들어맞는 유일한 설명은, 같은 피가 닫힌 고리를 돌며 거듭거듭 심장으로 돌아온다는 것이었다. 그리고 지혈대 시연은 눈에 보이는 증거를 제공했다. 정맥의 판막은 오직 한 방향, 즉 심장 쪽으로만 흐름을 허용하며, 이는 재순환하는 계가 요구하는 바로 그 모습이었다.

네 개의 방, 하나로 융합된 두 개의 펌프

하비가 묘사하고 있던 기관은 하나의 펌프라기보다 한 덩어리의 근육으로 융합된 두 개의 펌프로 이해하는 편이 가장 좋다. 사람의 심장에는 네 개의 방이 있고, 심실중격이라 불리는 두꺼운 근육벽이 그 중앙을 따라 내려가며 오른쪽과 왼쪽을 완전히 분리한다. 이 분리야말로 핵심이다. 각 쪽이 서로 다른 회로를 담당하기 때문이다.

심장의 오른쪽은 이미 몸에 산소를 전달하고 이제 이산화탄소로 어두워진 피를 받는다. 그것은 이 산소가 빠진 피를 폐를 거쳐 다시 돌아오게 밀어 보내는데, 이 짧은 고리를 폐순환이라 한다. 왼쪽은 폐에서 막 산소를 머금고 돌아온 피를 받아 뇌부터 발끝까지 온몸으로 밀어 보내며, 이 훨씬 긴 고리를 체순환이라 한다. 왼쪽은 훨씬 큰 저항을 거슬러 온몸으로 피를 밀어내야 하기 때문에, 그 근육벽은 오른쪽보다 상당히 두껍다.

두 회로는 직렬로, 하나씩 차례로 이어져 돌아가는데, 마치 심장을 교차점으로 공유하는 8자의 두 바퀴와 같다. 피 한 방울 한 방울은 둘 다를 지나며, 폐에서 산소를 싣고 조직에서 산소를 내려놓기를 끝없이 번갈아 한다.

네 개의 판막과 심장박동 소리

두 개의 펌프가 피를 앞으로만 밀어 보내고 결코 거꾸로 출렁이지 않게 하려면 심장에는 판막이 필요하며, 심장에는 각각 일방통행 문인 판막이 네 개 있다. 두 개의 판막은 심방(위쪽의 받아들이는 방)과 심실(아래쪽의 밀어내는 방) 사이에 자리하는데, 오른쪽의 삼첨판과 왼쪽의 승모판이다. 나머지 두 개의 판막은 피가 심장을 떠나는 심실의 출구를 지키는데, 오른심실이 폐 쪽으로 피를 내보내는 폐동맥판막과, 왼심실이 대동맥으로 그리고 온몸으로 피를 내보내는 대동맥판막이다.

이 네 개의 판막이 청진기로 들을 수 있는 익숙한 심장박동의 근원이다. 리듬을 타는 둥-둥 소리는 근육이 짜내는 소리가 아니라 판막이 탁 닫히는 소리이다. 첫 번째 소리인 둥은 심실이 수축하기 시작할 때 삼첨판과 승모판이 닫히는 소리이고, 두 번째 소리인 둥은 심실이 이완할 때 폐동맥판막과 대동맥판막이 닫히는 소리이다. 의사가 심장 잡음을 들을 때, 그들은 더 이상 제대로 닫히지 않는 판막을 통해 피가 잘못된 방향으로 새어 나가는 부드러운 쉭쉭 소리에 귀를 기울이는 것이다.

한 방울의 피로 두 회로를 따라가 보기

피 한 방울을 따라 전체 고리를 한 바퀴 도는 것으로 닫힌 순환계 전체가 딱 맞아떨어진다. 어둡고 산소가 부족한 피가 몸에서 도착하는 오른심방에서 시작하자. 그 피는 삼첨판을 거쳐 오른심실로 떨어지고, 오른심실은 수축하여 그것을 폐동맥판막을 거쳐 폐 쪽으로 밀어낸다. 폐에서 피는 산소를 가득 싣고 이산화탄소를 떨궈 낸 뒤, 이제 선홍빛이 되어 왼심방으로 돌아온다. 거기서 피는 승모판을 거쳐 가장 강력한 방인 왼심실로 떨어지고, 왼심실은 세게 수축하여 피를 대동맥판막을 거쳐 대동맥으로 몰아낸다. 대동맥에서 피는 온몸으로 가지를 뻗어 모든 조직에 산소를 전달한 뒤, 다시 어두워진 채로 여정이 시작된 오른심방으로 빠져 들어온다.

그 경로를 한 번 따라가 보면, 1628년에 하비가 발표한 닫힌 이중 순환을 이해한 셈이다. 오른심장에서 폐로, 거기서 왼심장으로, 다시 몸으로 그리고 되돌아오기, 그의 산수가 요구한 바로 그대로 같은 피가 끝없이 재순환하는 것이다.

한 번의 박동이 이루는 주기와 박자를 정하는 불꽃

각각의 심장박동은 단 한 번의 경련이 아니라 세 단계로 짜인 주기이다. 먼저 심방수축기가 오는데, 이때 두 심방이 수축하여 마지막으로 피를 한 번 밀어 넣어 심실을 가득 채운다. 다음으로 심실수축기가 오는데, 이때 심실이 강력하게 수축하여 피를 폐와 몸으로 내보낸다. 마지막으로 이완기, 즉 쉬는 단계가 오는데, 이때 네 개의 방이 모두 이완하여 다시 채워지고 다음 박동을 준비한다. 판막이 차례차례 열리고 닫히는 타이밍이야말로 이 주기가 결코 거꾸로 돌지 않게 하는 것이다.

이 리듬을 일정하게 유지하는 것은 오른심방 벽에 있는 작은 특수 조직 부위로, 굴심방결절이라 불리며 1907년 해부학자 아서 키스와 마틴 플랙이 밝혀냈다. 굴심방결절은 심장의 천연 박동조율기이다. 그것은 뇌로부터 아무 신호도 받지 않고 스스로 전기 자극을 일으키며, 그 자극은 질서 있는 물결처럼 심장근육 전체로 퍼져 나가, 심방에게 먼저 수축하라 하고 그 다음 찰나에 심실에게 수축하라 한다. 이것이 몸에서 떼어 낸 심장이나 다른 사람에게 이식된 심장이 계속 뛸 수 있는 이유이다. 그 불꽃은 근육 자체의 내부에서 나오기 때문이다.

3억 개의 작은 주머니와 화물을 나르는 헤모글로빈

심장은 이 동반 관계의 절반일 뿐이다. 나머지 절반은 한 쌍의 폐로, 여기서 실제 기체 교환이 일어나며, 폐의 정교함은 작은 공간 안에 빽빽이 채워진 어마어마한 표면적에 있다. 깊숙한 곳에서 기도는 갈라지고 또 갈라져 마침내 폐포라 불리는 미세한 공기주머니로 끝나는데, 성인의 폐에는 그것이 3억에서 5억 개쯤 들어 있다. 그것들을 합한 표면적은 약 70제곱미터에 이르는데, 작은 원룸 아파트의 바닥 면적쯤 되는 것이 모두 여러분의 가슴 속에 접혀 들어가 있는 것이다. 폐포 속 공기와 주위 모세혈관 속 피를 가르는 막은 놀라울 정도로 얇아 약 0.5에서 1마이크로미터에 불과하며, 덕분에 산소는 피 속으로 미끄러져 들어가고 이산화탄소는 반대쪽으로 미끄러져 나간다.

산소가 일단 피 속으로 건너가면, 그것은 운반자가 필요하다. 산소는 맨 혈장에는 잘 녹지 않기 때문이다. 그 운반자가 바로 헤모글로빈으로, 적혈구를 가득 채워 그것에 색을 입히는 철이 풍부한 단백질이다. 각각의 적혈구는 약 2억 7천만 개의 헤모글로빈 분자를 나르고, 각 분자는 네 개의 소단위로 이루어지며, 그 하나하나는 산소 분자 한 개를 결합할 수 있는 헴기를 품고 있다. 영리한 부분은 이 네 자리가 서로 협력한다는 것이다. 첫 번째 산소 분자가 결합하면, 그것은 단백질을 미묘하게 다시 빚어 다음 자리들이 더 쉽게 결합하도록 만든다. 이 협동 결합이야말로 산소 압력에 대한 헤모글로빈의 산소 포화도 그래프가 직선이 아니라 S자 모양, 즉 시그모이드 형태인 이유이며, 그 모양은 단순한 호기심거리가 아니다. 그 덕분에 헤모글로빈은 산소가 풍부한 폐에서는 탐욕스럽게 산소를 움켜쥐고, 산소가 부족한 조직에서는 넉넉하게 내놓을 수 있기 때문이다.

25조 명의 운반자와 푸른 피라는 신화

이 배달 함대의 규모는 머릿속에 그리기 어렵다. 성인의 몸에는 약 25조 개의 적혈구가 들어 있는데, 이는 우리 은하의 별 수의 세 배가 넘으며, 그것들은 끊임없이 새로 교체된다. 각각의 세포는 양쪽이 오목한 원반으로, 구멍 없는 작은 도넛처럼 양면이 옴폭 들어가 있고, 지름은 약 7에서 8마이크로미터이다. 이는 세포가 몸에서 가장 작은 모세혈관을 한 줄로 통과하도록 접히고 비집고 들어가, 산소가 조직으로 빠져나갈 거리를 최대한 짧게 만들도록 막을 혈관벽에 바짝 붙이기에 딱 알맞을 만큼 좁은 크기이다.

이곳은 또한 어린 시절의 가장 질긴 신화 중 하나가 비롯되는 곳이기도 하다. 아이들은 흔히 정맥이 푸른 피를 나른다고 듣고, 여러분 자신의 손등이 그것을 증명하는 듯 보인다. 그곳의 정맥은 분명 푸르스름해 보이기 때문이다. 그러나 그 속의 피는 푸르지 않으며 한 번도 푸른 적이 없다. 산소가 빠진 정맥혈은 동맥혈의 밝은 진홍빛보다 더 어둡고 칙칙한 붉은색이지만, 그것은 여전히 의심할 여지 없이 붉다. 그 푸른 빛깔은 빛의 장난이다. 피부와 조직은 더 짧은 푸른 파장보다 더 긴 붉은 파장을 더 많이 산란시키고 흡수하므로, 표면 아래 정맥에서 여러분의 눈으로 되튀어 오는 빛이 푸른 쪽으로 치우치는 것이다. 정맥을 베어 보면 그 피는 붉지, 푸르지 않다.

이 계를 이해할 가치가 있는 이유

이 해부학이 모든 교육과정에 들어 있어야 하는 정신이 번쩍 드는 이유가 있다. 심혈관 질환은 수십 년 동안 전 세계 사망 원인 1위였으며, 세계보건기구에 따르면 매년 약 1800만 명의 목숨을 앗아 간다. 심장마비, 뇌졸중, 심부전은 근본적으로 하비가 1628년에 처음 그려 낸 바로 그 동반 관계의 실패이다. 관상동맥이 막혀 심장근육이 굶주리고, 뇌의 혈관이 졸려 막혀 그 너머 조직이 죽고, 심장이 너무 약해져 회로를 계속 돌리지 못하는 것이다. 이 계가 어떻게 작동해야 하는지를 이해하는 것이야말로 그것이 어떻게 무너지는지를 이해하는 첫걸음이다.

핵심 요약

심장과 폐는 닫힌 이중 순환을 이루며, 이는 1628년 윌리엄 하비가 처음 증명했다. 그의 산수는 몸이 갈레노스의 낡은 일방통행 모형이 옳을 만큼 충분히 빠르게 피를 만들어 낼 수 없음을 보여 주었다. 심장은 심실중격으로 갈라진 채 하나의 기관으로 융합된 두 개의 펌프이다. 오른쪽은 폐순환에서 산소가 빠진 피를 폐를 거쳐 밀어 보내고, 더 두꺼운 벽을 가진 왼쪽은 체순환에서 산소가 든 피를 온몸으로 밀어 보내며, 네 개의 일방통행 판막이 흐름을 앞으로 유지하고 익숙한 둥-둥 소리를 만들어 낸다. 각각의 박동은 심방수축기, 심실수축기, 이완기를 거치며, 오른심방에서 스스로 불꽃을 일으키는 굴심방결절이 그 박자를 잡는다. 기체 교환은 합한 표면이 작은 아파트에 견줄 만하고 막의 두께가 1마이크로미터에 못 미치는 3억에서 5억 개의 폐포를 가로질러 일어나며, 그런 다음 산소는 분자당 네 개의 협동 결합 자리를 가진 헤모글로빈이 실어 나르는데, 이것이 폐에서는 산소를 싣고 조직에서는 산소를 내려놓는 시그모이드 포화 곡선을 만든다. 약 25조 개의 적혈구가, 각각 모세혈관을 한 줄로 비집고 지나도록 빚어진 채 그 화물을 나르며, 정맥혈이 피부를 통해 푸르게 보이긴 해도 그것은 언제나 더 어두운 붉은색일 뿐이다. 심혈관 질환이 매년 약 1800만 명의 사망으로 여전히 세계 최대의 살인자로 남아 있는 만큼, 이것은 추상적인 해부학이 아니라 여러분의 생명이 의지하는 계에 관한 실제 작동 설명이다.