Chapter 20

인체 실험실

지금까지 심장, 혈관, 폐, 근육, 대사, 혈당, 신경, 호르몬, 콩팥, 체온을 한 장씩 따로 떼어 보았다. 실제 몸에서는 이것들이 한꺼번에 움직인다. 달리기 시작하면 심박수만 오르는 것이 아니라 숨이 깊어지고, 젖산이 쌓이고, 체온이 오르고, 땀이 나고, 혈당을 지키려 간이 움직이고, 코르티솔이 오른다. 이 장은 책 전체의 엔진을 하나로 묶은 실험실이다. 글은 짧게, 손은 많이.

실험실 사용법

이 장의 시뮬레이터는 모두 앞 장들에서 쓴 같은 생리 엔진(BD)을 부품으로 조립했다. 운동 강도에서 심박수·젖산·환기량을 내는 식은 12장, 혈압을 지키는 압반사 루프는 6장, 고도와 산소 포화도는 9장, 혈당 모델은 15장, 코르티솔의 하루는 17장, 땀과 소변은 18장, 체온은 19장에서 왔다. 부품 하나하나는 그 장에서 자세히 설명했으니 여기서는 묶였을 때 무슨 일이 일어나는지에 집중한다.

계통실험실이 쓰는 엔진 부품설명한 장
근육·운동BD.steady(산소 섭취 → 심박·젖산·호흡 교환율·환기량), BD.danielsVO2, BD.racePlan12장
순환BD.baroLoop(혈액량·운동 → 혈압·심박), BD.ecg(심전도 파형)6장, 5장
호흡BD.patm, BD.pao2, BD.satO2, BD.o2Content, BD.ph9장, 10장
에너지BD.weir, BD.carbFrac, BD.glucose, BD.bmr13장, 15장
조절BD.hpa(코르티솔), BD.adh·BD.urineOsm(소변), BD.thermo(심부 체온·땀)17장~19장

각 시뮬레이터 아래의 "해볼 것"을 순서대로 따라 하면 한 번에 한 가지 묶임이 보인다. 숫자는 모두 교육용 모델의 값이다. 실제 몸은 사람마다, 날마다 다르다.

모델로만 해 볼 것 이 장에서는 더위 속 전력 달리기, 고산 급상승, 큰 출혈, 숨 참기 전 과호흡처럼 실제로 하면 위험한 상황을 일부러 만든다. 화면 속에서만 해 보고, 실제로 따라 하지 않는다.

가상 인체 모니터

아래는 다온의 몸을 아침 7시부터 돌리는 환자 모니터다. 위쪽은 병원 모니터와 같은 실시간 파형(심전도, 동맥압, 맥파, 호흡)과 큰 숫자, 아래쪽은 혈당·심부 체온·코르티솔·젖산의 추세다. 오른쪽 단추로 사건을 건다. 시간 배속을 60배로 두면 1초에 1분이 흐른다.

SIMULATOR

가상 인체 모니터

시간 배속
아직 아무 일도 일어나지 않았다. 안정 시 다온: 심박 72, 혈압 약 123/78, 산소 포화도 약 98 %, 심부 체온 37.0 °C, 공복 혈당 98 mg/dL.
시각—
산소 섭취 (% 최대)—
근육 글리코겐—
몸의 물 손실—
순환 혈액량—
해볼 것: ① "달리기 시작"을 누르고 60배속으로 20분을 지켜본다. 심박은 1~2분 만에 오르지만 심부 체온과 땀은 수십 분에 걸쳐 따라온다. ② 달리는 중에 "날씨 바꾸기"로 32 °C를 고른다. 같은 속도인데 심박이 계속 오른다(심박 표류). ③ 멈춘 뒤 "식사"를 누르고 300배속으로 혈당 곡선을 본다. ④ "고도 올리기"를 세 번 눌러 4,500 m로 가면 산소 포화도가 떨어지고 같은 속도가 훨씬 힘들어진다. ⑤ "출혈"을 세 번 누르면 심박이 오르며 혈압을 지키다가 어느 선을 넘으면 혈압이 무너진다. (교육용 통합 모델: 산소 섭취는 1차 지연(시정수 약 35초), 심박·젖산·환기는 BD.steady, 혈압은 BD.baroLoop의 정상 상태, 체온은 사건마다 BD.thermo를 현재 체온에서 다시 시작, 혈당은 BD.glucose, 코르티솔은 BD.hpa, 소변은 BD.adh로 계산한다. 엔진의 혈당 모델에는 운동 중 간의 포도당 방출이 없어 운동 효과를 0.12배로 줄여 넣었다. 파형은 보기 좋게 실제 시간으로 흐르고, 숫자와 추세만 배속으로 흐른다.)

몇 가지를 눌러 보면 계통마다 시간의 길이가 전혀 다르다는 것이 드러난다. 심박수와 혈압은 초 단위, 산소 섭취와 젖산은 분 단위, 체온과 땀은 수십 분, 혈당은 몇 시간, 코르티솔은 하루를 단위로 움직인다. 같은 "달리기 시작"이라는 사건이 서로 다른 속도의 물결을 여러 개 만든다. 또 한 계통의 변화가 다른 계통의 입력이 된다. 땀으로 물을 잃으면 혈액량이 줄고, 혈액량이 줄면 같은 혈압을 지키려고 심박이 더 오른다.

다온의 대회 날

12주 동안 따라온 다온의 10 km 대회를 직접 돌려 보자. 기온 24 °C, 습도 60 %. 15분 몸풀기 조깅, 10분 출발 대기, 10 km, 그리고 25분 회복. "오늘"은 훈련 전 몸(VO2max 38, 젖산 역치 60 %, 안정 심박 72, 78 kg)이고, "12주 뒤"는 훈련 뒤 몸(VO2max 43, 역치 68 %, 안정 심박 64, 73.7 kg)이다. 두 몸 모두 젖산 역치 근처의 같은 전략(BD.racePlan)으로 달린다.

SIMULATOR

10 km를 킬로미터마다

그래프를 좌우로 끈다
다온의 몸
10 km 기록—
레이스 평균 심박—
최고 심부 체온—
결승까지 땀—
근육 글리코겐 사용—
해볼 것: ① "오늘"을 재생하며 1 km 구간마다 심박이 조금씩 오르는 것을 본다. 속도는 같은데 체온과 탈수가 심박을 밀어 올린다. ② "12주 뒤"로 바꾼다. 같은 젖산(약 4 mmol/L)에서 더 빨리 달려 약 8분 일찍 들어온다. 겹친 흐린 점(오늘)이 한참 뒤에 처진다. ③ 에너지 젤을 켜면 5 km 뒤 혈당이 잠깐 오른다. 10 km는 글리코겐이 바닥나기 전에 끝나는 거리라 기록에는 거의 영향이 없다. (구간 속도는 BD.racePlan 속도에 처음 조금 빠르게·마지막 1 km 스퍼트 배율을 곱했다. 심박 = BD.steady + 체온 0.1 °C당 약 0.8 bpm + 탈수 1 %당 2.5 bpm. 체온·땀은 BD.thermo, 혈당은 BD.glucose(아침 식사 탄수화물 80 g을 2시간 반 전에), 글리코겐은 시작 400 g에서 탄수화물 연소량의 80 %를 뺐다.)

훈련이 바꾼 것은 "최대한"이 아니라 "얼마나 오래 높은 강도를 버티는가"다. 12주 뒤의 다온은 최대 산소 섭취량의 약 83 %로 달려도 젖산이 4 mmol/L 근처에 머문다. 오늘의 다온은 79 %에서 이미 그 선에 닿는다. 두 몸 모두 결승 무렵 심부 체온이 38 °C를 넘고 땀으로 0.7~0.8 L를 잃는다. 24 °C에서는 감당할 만하지만, 같은 대회가 32 °C였다면 이야기가 달라진다(19장).

고지대 실험실

높이 올라가면 공기 중 산소의 비율(21 %)은 그대로지만 대기압이 떨어져 산소 분압이 함께 떨어진다. 몸은 숨을 더 쉬어(과환기) 폐포의 이산화탄소를 내보내고 그 자리를 산소로 채운다. 며칠이 지나면 콩팥이 중탄산을 버려 알칼리 쪽으로 기운 pH를 바로잡고, 몇 주가 지나면 적혈구가 늘어난다. 산 그림의 등반가를 위아래로 끌어 보자.

SIMULATOR

산을 오르면 산소 계단이 내려간다

등반가를 위아래로 끈다
활동
대기압—
폐포 PO₂ / PaCO₂—
산소 포화도—
심박 · 분당 환기량—
VO₂max(해수면 대비)—
해볼 것: ① 라파스(3,640 m)에 도착한 첫날(0일)과 3주 뒤(21일)를 비교한다. PaCO₂가 더 떨어지고(더 많이 숨쉬고) 폐포 PO₂와 포화도가 회복된다. ② 에베레스트 꼭대기로 끌어 올린다. 순응 0일이면 포화도가 거의 바닥이다. 42일 순응해도 쉬는 중 포화도가 약 50 %대이고, 최대 산소 섭취량은 해수면의 약 3분의 1이다. ③ "걷는 중"으로 바꾸면 운동이 폐 모세혈관의 확산 시간을 줄여 포화도가 더 떨어진다. (대기압·흡입·폐포 산소 분압은 BD.patm, BD.pio2, BD.pao2, 포화도는 pH·PaCO₂를 넣은 BD.satO2. 과환기의 크기는 Rahn–Otis 고도 곡선을 닮게 맞춘 경험식이다. 순응: 환기 증가 시정수 약 4일, 헤모글로빈 증가 시정수 약 18일. VO₂max 비율은 포화도와 헤모글로빈으로 어림했다.)

계단의 첫 칸(대기 → 기도)에서는 수증기압 47 mmHg가 빠지고, 둘째 칸(기도 → 폐포)에서는 이산화탄소가 자리를 차지한다. 고지대에서 몸이 조절할 수 있는 것은 둘째 칸뿐이다. 숨을 많이 쉬어 PaCO₂를 40에서 20 mmHg로 낮추면 폐포 PO₂가 약 25 mmHg 올라간다. 해수면에서는 아무 의미 없던 이 차이가 8,000 m에서는 의식과 무의식을 가른다. 순응은 이 과환기를 오래 버틸 수 있게 해 주는 콩팥과 골수의 느린 작업이다.

출혈과 수액

몸의 혈액은 약 5 L다. 일부를 잃으면 압반사(6장)가 곧바로 심박수를 올리고 혈관을 조여 혈압을 지킨다. 그래서 출혈 초기에는 혈압이 거의 그대로이고, 심박수가 먼저 오른다. 혈압이 떨어지기 시작했다면 보상이 이미 한계에 다다랐다는 뜻이다. 아래 모니터에서 잃는 혈액량과 넣는 수액을 정하고 10분을 돌려 보자.

SIMULATOR

피를 잃으면 심박이 먼저 말한다

아래 추세를 끌어 시간을 옮긴다
5분째부터 넣는 것
잃은 혈액—
쇼크 분류(잃은 양)—
평균 동맥압—
심박수 · 쇼크 지수—
해볼 것: ① 잃는 혈액 15 %(약 750 mL)에서는 심박이 조금 오르고 혈압은 거의 그대로다. 헌혈(약 400 mL)이 안전한 이유다. ② 30 %로 올리면 심박이 크게 오르고 혈압이 내려가기 시작한다. 쇼크 지수(심박 ÷ 수축기 혈압)가 1을 넘는다. ③ 압반사를 끄고 다시 재생한다. 같은 출혈에도 혈압이 훨씬 일찍 무너진다. ④ 35 % 출혈 뒤 식염수 1,500 mL와 혈액 1,500 mL를 비교한다. 식염수는 대부분 혈관 밖으로 빠져나가 약 3분의 1만 남는다. (BD.baroLoop: 혈액량 5,000 mL, 출혈은 30~150초에 고르게, 수액은 300~420초에 고르게. 식염수는 넣은 양의 1/3만 혈관에 남는다고 단순화했다. 쇼크 분류는 외상 소생 교육에서 흔히 쓰는 잃은 혈액 비율 기준이며, 실제 판단은 여러 징후를 함께 본다.)
분류잃은 혈액심박수혈압몸의 모습
Ⅰ< 15 %거의 그대로정상약간 불안
Ⅱ15~30 %오른다수축기는 대개 정상, 맥압이 줄어든다창백, 차가운 손발
Ⅲ30~40 %크게 오른다떨어진다소변이 준다, 혼란
Ⅳ> 40 %매우 빠르거나 약하다크게 떨어진다의식 저하, 생명 위협

이 장의 수치와 시뮬레이터는 원리를 보여 주기 위한 교육용 모델입니다. 출혈, 어지럼, 숨가쁨, 가슴 통증 같은 증상이 있거나 검사 수치가 걱정되면 의료진과 상담하세요. 응급 상황에서는 즉시 응급 구조를 요청하세요.

내 몸 넣어 보기

이번에는 다온 대신 자기 숫자를 넣어 보자. 나이, 성별, 키, 몸무게, 안정 심박수, 혈압, 공복 혈당을 넣으면 이 책에서 쓴 공식들이 한꺼번에 계산된다. 줄을 누르면 그 숫자가 무슨 뜻인지와 자세히 다룬 장이 아래에 나온다. 입력한 값은 이 브라우저 밖으로 나가지 않는다.

SIMULATOR

내 몸의 성적표

줄을 눌러 설명을 본다
성별(공식 선택)
활동 수준
왼쪽 성적표의 줄을 누르면 설명이 나온다.
체표면적—
몸의 물 · 혈액—
최대 심박수(어림)—
기초대사 · 하루 소비—
해볼 것: ① "다온의 값으로"를 누르고 BMI 25.5, 혈압 128/82(고혈압 전단계), 혈당 98(정상 상한 근처)을 확인한다. ② 몸무게만 73.7 kg으로 내린다. BMI가 24.1로 한 칸 내려오고 기초대사량은 약 43 kcal 준다. ③ 나이를 60으로 올린다. 최대 심박수와 심박 구간, 예측 폐활량이 함께 내려간다. (BMI 구간은 대한비만학회, 혈압 분류는 BD.bpClass, 공복 혈당은 BD.glucoseClass를 따른다. 기준은 학회·시기에 따라 다르다. 기초대사량은 Mifflin-St Jeor, 최대 심박수는 Tanaka, 폐 부피는 ERS 1993 예측식, 혈액량은 체중의 약 7 %(여 6.5 %)로 어림한 값이다. 예측식은 같은 키·나이 집단의 평균일 뿐 개인의 정상 여부를 판정하지 않는다.)

무엇이 먼저 한계에 닿나

몸의 한 조건을 끝까지 밀면 어느 계통이 먼저 손을 드는가. 빠르게 달리면 산소 섭취나 젖산이, 더운 날에는 체온이, 높은 산에서는 산소 포화도가, 숨을 참으면 이산화탄소가 먼저 한계에 닿는다. 아래 그래프는 계통마다 "한계까지 몇 %에 와 있는가"를 같은 축에 그렸다. 100 % 선을 가장 먼저 넘는 선이 그 조건의 병목이다.

SIMULATOR

병목 찾기

세로 커서를 끈다
밀어 볼 조건
커서의 조건—
먼저 닿는 한계—
한계가 시작되는 지점—
커서에서 가장 바쁜 계통—
해볼 것: ① "달리기 속도"에서 40분을 버틸 수 있는 가장 빠른 속도를 찾는다. 다온은 산소 섭취의 최대보다 젖산이 먼저 한계에 닿는다. "12주 뒤"를 켜면 그 지점이 오른쪽으로 옮겨 간다. ② "더위"에서는 대회 속도로 58분을 달릴 때 체온이 병목이다. 약 30 °C 근처부터 위험해진다. ③ "고도"에서는 걷기만 해도 산소 포화도가 먼저 한계에 닿는다. ④ "숨 참기"에서 평소에는 CO₂ 충동이 먼저 와서 숨을 쉬게 만든다. 과호흡을 켜면 충동보다 포화도 저하가 먼저 온다. 물속에서 정신을 잃는 사고가 이렇게 생긴다. (한계 기준: 심박 = 최대 심박수, 젖산 = 8 mmol/L, 환기 = 140 L/min, 체온 = 40 °C, 수분 = 체중의 3 %, 포화도 = 80 %, CO₂ 충동 = BD.breathHold의 urge 1. 속도는 40분, 더위는 대회 속도 58분·습도 60 %, 고도는 5 km/h 걷기 기준의 교육용 계산이다.)

병목은 조건에 따라 옮겨 다닌다. 훈련은 젖산 병목을 오른쪽으로 밀고, 더위 적응은 체온 병목을, 고지대 순응은 포화도 병목을 민다. 그래서 "체력이 좋다"는 말은 한 가지 숫자로 줄여지지 않는다. 어느 조건에서의 체력인지를 함께 물어야 한다.

다온의 12주를 돌아보며

책의 첫 장에서 다온은 "이 몸이 10 km를 달리려면 무엇이 얼마나 바뀌어야 하는가"를 물었다. 장마다 한 계통씩 들여다본 답을 모으면 아래와 같다. 위의 시뮬레이터들에서 "오늘"과 "12주 뒤"를 오가며 숫자를 직접 확인해 보자.

항목시작12주 뒤무엇이 바꾸었나
VO₂max38 mL/kg/min431회 박출량 증가, 근육의 모세혈관·미토콘드리아 (12장)
젖산 역치60 %68 %근육의 산화 능력 (12장)
10 km 기록(모델)약 58분약 50분더 높은 비율을 오래 버틴다
안정 심박수72 bpm약 64부교감 긴장 증가 (5장)
몸무게78 kg약 73.7 kg하루 300 kcal 덜 먹고 주 3~4회 달리기 (14장)
CASE 다온다온의 기록 · 20장

12주 뒤: VO₂max 43, 젖산 역치 68 %, 10 km 약 50분, 몸무게 약 73.7 kg, 안정 심박 약 64

대회 날 실험실을 "12주 뒤"로 돌리면 다온은 시속 약 11.9 km로 달려 약 50분에 들어온다. 훈련 전 몸이었다면 시속 약 10.4 km, 약 58분이다. 레이스 중 심박은 두 몸 모두 160대 후반에서 170대로 비슷하다. 다른 것은 그 심박에서 낼 수 있는 속도다. 훈련은 심장을 더 빨리 뛰게 하지 않았다. 같은 심박에서 더 많은 피를 보내고(1회 박출량), 그 피의 산소를 근육이 더 잘 쓰게(미토콘드리아) 만들었다. 몸무게가 4 kg 남짓 줄어 같은 산소로 옮길 짐도 가벼워졌다. 24 °C에서 결승 무렵 심부 체온은 약 38.3~38.5 °C, 땀은 약 0.7~0.8 L로, 대회 조건에서는 체온과 물이 아직 병목이 아니다.

이 장에서 확인한 것심장·폐·근육·대사·체온·수분이 한 번에 움직이는 대회 날. 훈련 전후 기록 차이 약 8분과 그 이유.
아직 모르는 것대회가 30 °C를 넘거나 고지대에서 열린다면 병목이 체온·산소로 옮겨 간다. 그때의 전략은 이 책 밖(FitBook)의 이야기다.
다음 단계21장의 용어집과 종합 퀴즈로 책 전체를 점검한다.

핵심 정리

  1. 몸의 계통들은 서로의 입력이다. 달리기 하나가 심박·환기·젖산·체온·땀·혈당·코르티솔을 서로 다른 속도로 움직인다(초, 분, 수십 분, 시간, 하루).
  2. 대회 날 심박은 속도가 같아도 체온과 탈수 때문에 서서히 오른다(심박 표류). 훈련은 같은 심박·같은 젖산에서 더 빠르게 달리게 만든다.
  3. 고지대에서 몸이 바꿀 수 있는 것은 폐포의 CO₂다. 과환기로 PaCO₂를 낮춰 폐포 PO₂를 올리고, 며칠~몇 주에 걸쳐 콩팥(pH 보정)과 골수(적혈구)가 이를 뒷받침한다.
  4. 출혈 초기에는 압반사가 심박수와 혈관 수축으로 혈압을 지킨다. 혈압이 떨어지기 시작하면 보상의 끝이다. 식염수는 대부분 혈관 밖으로 빠져나간다.
  5. BMI, 기초대사량, 최대 심박수, 예측 폐활량은 집단의 평균을 주는 공식이다. 개인의 정상 여부는 한 숫자가 아니라 여러 숫자와 경과로 판단한다.
  6. 한 조건을 끝까지 밀면 먼저 무너지는 계통(병목)이 있고, 병목은 조건에 따라 바뀐다.

확인 퀴즈

같은 속도로 오래 달리는데 심박수가 조금씩 오르는 주된 이유로 알맞은 것은?

피부로 피를 더 보내 열을 버리고 땀으로 물을 잃으면 심장으로 돌아오는 피(앞부하)가 줄어 1회 박출량이 준다. 같은 심박출량을 지키려면 심박수가 올라야 한다. 이것을 심박 표류라 한다.

해발 4,500 m의 대기압이 약 433 mmHg일 때 흡입 산소 분압(PIO₂ = 0.21 × (대기압 − 47))에 가장 가까운 것은?

0.21 × (433 − 47) = 0.21 × 386 ≈ 81 mmHg. 해수면의 약 150 mmHg의 절반을 조금 넘는다. 여기서 PaCO₂/R만큼 더 빠진 것이 폐포 PO₂다.

혈액의 25 %를 잃은 직후에 가장 먼저, 가장 뚜렷하게 나타나는 변화는?

압반사가 혈압의 작은 하락을 감지해 교감 신경을 올린다. 심박수가 오르고 혈관이 조여 혈압을 지킨다. 포화도는 폐가 정상이면 거의 그대로다. 혈압이 떨어지는 것은 보상이 한계에 다다른 뒤다.

34세 다온(안정 심박 72)의 최대 심박수를 Tanaka 식(208 − 0.7 × 나이)으로 어림하고, 카르보넨 방식으로 강도 70 %의 목표 심박을 구하면?

최대 심박수 = 208 − 23.8 ≈ 184. 목표 = 72 + 0.7 × (184 − 72) = 72 + 78.4 ≈ 151 bpm. 129 bpm은 최대 심박수의 70 %를 단순히 곱한 값(184 × 0.7)이다.

숨 참기 전에 과호흡을 하면 위험한 이유로 알맞은 것은?

숨을 쉬게 만드는 신호는 주로 CO₂다. 과호흡으로 CO₂를 미리 빼 두면 충동이 늦게 오지만 산소 저장량은 거의 늘지 않는다. 그래서 충동보다 저산소가 먼저 와 경고 없이 의식을 잃을 수 있다.