고래는 물속에서 어떻게 숨쉴까 | 폐호흡과 잠수 생리

이 글에서는 고래는 물속에서 어떻게 숨쉴까 | 폐호흡과 잠수 생리에 대해 알아봅니다. 물속에 사는 포유류 고래는 어떻게 폐호흡만으로 오랜 시간 잠수할 수 있을까요? 고래의 경이로운 잠수 능력에 숨겨진 특별한 호흡 방식과 신체 구조의 비밀에 대해 차분히 알아봅니다.

고래는 물속에서 어떻게 숨쉴까 | 폐호흡과 잠수 생리

고래는 포유류입니다. 우리처럼 아가미가 아닌 폐로 숨을 쉬기 때문에, 물속에서 계속 살아갈 수는 없습니다. 반드시 물 위로 올라와 공기를 마셔야만 생명을 유지할 수 있죠. 그럼에도 어떻게 수심 수백, 수천 미터를 넘나들며 오랫동안 잠수할 수 있을까요? 그 비밀은 특별한 호흡 방식과 신체 구조에 있습니다.

고래의 호흡: 물 위에서의 순간

고래의 호흡은 물 위에서 아주 짧고 효율적으로 이루어집니다.

• 머리 위 콧구멍, 분수공 (Blowhole)

  • 고래의 콧구멍은 숨쉬기 편하도록 머리 꼭대기로 이동했습니다. 이를 분수공이라 부릅니다.
  • 물 위로 떠오르는 즉시 이 분수공을 열어 폭발적으로 숨을 내쉬고, 순식간에 신선한 공기를 들이마신 뒤 다시 물속으로 들어갑니다.

• 강력하고 효율적인 폐활량

  • 고래는 단 한 번의 호흡으로 폐 속 공기의 약 90%를 교환합니다.
  • 이는 폐활량의 15-20% 정도만 교환하는 사람과 비교하면 엄청난 효율입니다. 이 덕분에 짧은 순간에 많은 양의 산소를 확보할 수 있습니다.

• 고래의 물보라, 분기 (Spout)

  • 흔히 고래가 물을 뿜는다고 생각하는 ‘분기’는 사실 바닷물이 아닙니다.
  • 이는 뜨거운 날숨이 차가운 공기와 만나면서 수증기로 응결되고, 폐 속의 점액질과 소량의 물이 섞여 뿜어져 나오는 것입니다. 종에 따라 그 모양과 높이가 달라, 멀리서도 고래를 식별하는 단서가 됩니다.

깊은 잠수의 비밀: 산소를 저장하고 아껴 쓰는 법

고래 잠수의 핵심은 ‘숨을 참는 기술’입니다. 필요한 산소를 몸 곳곳에 저장하고, 잠수 중에는 산소 소모를 최소화하도록 진화했습니다.

• 산소 저장고, 혈액과 근육

  • 혈액: 육상 포유류보다 훨씬 많은 혈액을 가지고 있으며, 혈액 속에는 산소를 운반하는 단백질인 헤모글로빈(Hemoglobin)의 농도가 매우 높습니다. 혈액 자체가 거대한 산소 탱크인 셈입니다.
  • 근육: 근육 속에는 산소를 저장하는 단백질인 미오글로빈(Myoglobin)이 풍부합니다. 이 때문에 고래의 근육은 검붉은 색을 띱니다. 잠수 중에는 근육에 저장된 산소를 먼저 사용합니다.

• 의도적인 폐 비우기

  • 깊이 잠수하는 일부 고래는 잠수 직전 숨을 대부분 내쉬어 폐를 비웁니다.
  • 이는 깊은 수압에 의해 폐 속 질소가 혈액으로 녹아 들어가는 것을 막아, 다시 수면으로 상승할 때 발생하는 잠수병(감압병)을 예방하기 위한 놀라운 적응 방식입니다.

• 신진대사 조절

  • 브래디카디아 (서맥): 잠수 중에는 심장 박동 수를 극단적으로 줄입니다. 예를 들어, 향고래는 평소 분당 60회 뛰던 심장이 잠수 중에는 10회 미만으로 느려집니다.
  • 선택적 혈류 공급: 뇌, 심장 등 생명 유지에 필수적인 기관에만 혈액을 집중적으로 보내고, 소화기관이나 피부, 근육으로 가는 혈류는 일시적으로 차단하여 산소 소모를 최소화합니다.

• 효율적인 움직임

  • 힘찬 꼬리짓으로 목표 수심까지 내려간 뒤에는, 저항을 줄이며 활공하듯 유영하여 에너지 소모를 줄입니다. 불필요한 움직임을 최소화하여 저장된 산소를 아끼는 것입니다.

이처럼 고래는 물속에서 숨을 쉬는 것이 아니라, 한 번의 호흡으로 얻은 산소를 온몸에 저장하고 효율적으로 사용하는 방향으로 진화했습니다. 그들의 거대한 몸과 깊은 바다는 이러한 경이로운 생리적 적응이 있었기에 가능한 삶의 터전입니다.

고래를 짓누르는 거대한 수압 | 압력을 이기는 신체

고래가 잠수할 때 직면하는 또 다른 큰 문제는 바로 엄청난 수압입니다. 수심이 10m 깊어질 때마다 압력은 1기압씩 증가합니다. 수백, 수천 미터의 바닷속은 강철도 찌그러뜨릴 정도의 압력을 가합니다. 공기가 가득한 폐를 가진 포유류가 어떻게 이 압력을 견딜 수 있을까요?

유연하게 찌그러지는 흉곽(Rib cage)

육상 동물의 흉곽은 내부 장기를 보호하기 위해 단단하게 고정되어 있습니다. 만약 이 상태로 깊은 물속에 들어간다면, 수압에 의해 흉곽이 부서지며 폐와 심장에 치명적인 손상을 입게 됩니다.

• 붕괴를 허용하는 구조: 고래의 갈비뼈는 흉골(가슴뼈)에 완전히 고정되어 있지 않고, 매우 유연한 연골로 연결되어 있습니다.
• 안전한 압축: 깊은 곳으로 내려가 강한 수압을 받으면, 흉곽 전체가 유연하게 안쪽으로 찌그러들 수 있습니다. 이 과정에서 폐 속의 남은 공기는 압축되어 기도를 통해 더 단단한 기관지로 이동합니다. 이는 폐 구조 자체가 압력에 의해 파손되는 것을 막아주는 핵심적인 생존 방식입니다.

압력을 견디는 혈액과 체액

물리학적으로 기체는 쉽게 압축되지만, 액체는 거의 압축되지 않습니다. 고래의 신체는 이 원리를 적극적으로 활용합니다.

• 몸의 대부분은 액체: 고래의 몸은 대부분 혈액, 수분, 근육 등 액체 성분으로 채워져 있습니다. 이 부분들은 강한 수압이 가해져도 부피가 거의 줄어들지 않으며 압력을 몸 전체로 분산시킬 수 있습니다.
• 공기 공간의 최소화: 잠수병 예방을 위해 폐를 비우는 전략은 수압에 저항하는 데에도 도움이 됩니다. 몸 안에 압축될 수 있는 공기 공간(폐, 부비동 등)을 최소화함으로써, 수압으로 인한 신체 손상 위험을 줄입니다.

중이(Middle Ear) 보호 메커니즘

사람이 잠수할 때 귀가 먹먹해지는 것을 ‘이퀄라이징’으로 해결하듯, 고래도 압력으로부터 민감한 귀를 보호해야 합니다.

• 혈액으로 채우는 공간: 고래의 중이와 부비동 주변에는 복잡한 혈관망이 발달해 있습니다.
• 압력 평형 유지: 잠수 시 이 혈관망에 혈액이 가득 차 부풀어 오릅니다. 혈액이라는 액체가 중이의 공기 공간을 채우면서, 외부의 높은 수압과 내부의 압력을 동일하게 맞춰줍니다. 이를 통해 고막이 파열되거나 민감한 청각 기관이 손상되는 것을 방지합니다.

이와 같이 고래의 신체는 강력한 수압에 맞서 싸우기보다, 오히려 압력을 수용하고 몸을 변형시켜 안전하게 적응하는 놀라운 전략을 선택했습니다. 딱딱함이 아닌 유연함으로 극한의 환경을 극복하는 것입니다.

어둠 속의 눈 | 소리로 세상을 보는 고래

깊고 어두운 바닷속에서는 시각에만 의존해 먹이를 찾거나 길을 찾기 어렵습니다. 특히 먹이를 찾아 심해로 잠수하는 고래들에게는 다른 감각이 필수적입니다. 이빨고래아목에 속하는 고래들은 바로 ‘소리’를 이용해 세상을 봅니다.

음파 탐지, 반향정위 (Echolocation)

반향정위는 동물이 소리를 내어 그 소리가 물체에 부딪혀 돌아오는 반향(메아리)을 듣고 주변 환경을 파악하는 능력입니다. 이는 일종의 생체 소나(Sonar) 시스템과 같습니다.

• 소리의 생성과 발사: 고래는 머리 앞부분에 있는 지방 조직인 ‘멜론(Melon)’을 렌즈처럼 사용하여 초음파를 생성하고 특정 방향으로 집중시켜 발사합니다. 이 소리는 사람이 들을 수 없는 매우 높은 주파수의 ‘클릭’ 소리입니다.
• 반향의 수신과 분석: 발사된 음파는 먹이나 지형지물에 부딪혀 되돌아옵니다. 고래는 이 메아리를 귀가 아닌 아래턱뼈를 통해 수신합니다. 턱뼈를 통해 전달된 진동은 내이로 전송되어 뇌에서 정밀하게 분석됩니다.
• 3차원 정보 파악: 고래는 이 과정을 통해 물체의 위치, 거리, 크기, 형태뿐만 아니라 움직이는 속도와 방향, 심지어 내부 구조까지 파악할 수 있습니다. 이는 한 치 앞도 보이지 않는 심해에서 먹이를 정확하게 추적하고 장애물을 피할 수 있게 해주는 경이로운 능력입니다.

깊은 바다의 사냥꾼 | 고래의 잠수 목적

고래가 이토록 복잡하고 위험한 잠수 능력을 발달시킨 주된 이유는 바로 ‘먹이 활동’입니다. 깊은 바다는 그들의 풍요로운 사냥터이기 때문입니다. 종에 따라 선호하는 수심과 사냥 방식이 뚜렷하게 나뉩니다.

이빨고래의 수직 사냥

• 사냥의 명수, 향고래: 잠수 능력의 제왕으로 불리는 향고래는 주식인 대왕오징어나 심해어를 사냥하기 위해 수심 2,000m 이상까지 잠수합니다. 이들은 강력한 반향정위 능력을 이용해 어둠 속에서 먹이의 위치를 정확히 찾아내고 추격합니다.
• 기회주의적 사냥꾼, 범고래: 범고래는 종종 집단으로 협력하여 물개, 바다사자, 심지어 다른 고래까지 사냥하며, 먹이의 종류에 따라 다양한 깊이에서 활동합니다.

수염고래의 거대한 식사

• 크릴 떼를 찾아서: 대왕고래나 혹등고래와 같은 수염고래는 주로 크릴 새우나 작은 물고기 떼를 먹습니다. 크릴 떼는 낮에는 깊은 곳에 머물다 밤이 되면 표면으로 올라오는 경우가 많아, 이들의 움직임에 맞춰 잠수 깊이를 조절합니다.
• 여과 섭식: 이들은 거대한 입을 벌려 바닷물과 먹이를 한입에 삼킨 뒤, 빗처럼 생긴 고래수염으로 먹이만 걸러내고 물은 밖으로 내보내는 방식으로 식사합니다. 이 과정은 엄청난 에너지를 필요로 하므로, 가장 효율적으로 먹이를 섭취할 수 있는 깊이와 장소를 찾아 잠수하는 것이 중요합니다.

새끼 고래의 첫 숨 | 물속에서의 탄생

육상 포유류와 달리, 고래는 모든 생애 주기를 물속에서 보냅니다. 이는 출산 역시 물속에서 이루어진다는 것을 의미하며, 새끼에게는 태어나자마자 생존을 위한 첫 번째 관문이 주어집니다.

물 위로 인도하는 어미의 본능

새끼 고래는 태어나는 순간부터 스스로 숨을 쉴 수 없습니다. 즉시 수면 위로 올라가 첫 호흡을 해야만 합니다.

• 꼬리부터의 출산: 대부분의 고래는 출산 과정에서 새끼가 익사하는 것을 방지하기 위해 꼬리부터 먼저 낳습니다. 머리가 마지막에 나옴으로써, 새끼가 물 밖으로 나가 첫 호흡을 하기까지의 시간을 최대한 확보하는 것입니다.
• 첫 호흡 돕기: 새끼가 태어나면 어미는 즉시 자신의 몸을 이용해 새끼를 수면으로 밀어 올립니다. 이 결정적인 순간을 통해 새끼는 생애 첫 공기를 폐로 들이마실 수 있게 됩니다. 때로는 다른 암컷 고래들이 이 과정을 돕기도 합니다.

생존을 위한 급속 성장

차가운 바닷물은 갓 태어난 새끼의 체온을 빠르게 앗아갈 수 있습니다. 새끼 고래는 생존을 위해 신속하게 성장해야 합니다.

• 고지방 모유: 고래의 젖은 지방 함량이 40~50%에 달하는 고농축 에너지원입니다. 크림치즈와 비슷한 질감의 이 젖을 먹고 자란 새끼는 하루에 수십 킬로그램씩 체중이 늘어나며, 두꺼운 지방층(Blubber)을 형성하여 체온을 유지하고 생존율을 높입니다.

어떻게 잠들까 | 고래의 뇌 반구 수면

호흡을 위해 의식적으로 수면에 올라와야 하는 고래는, 사람처럼 완전히 잠들어 버리면 익사할 위험이 있습니다. 이 딜레마를 해결하기 위해 고래는 아주 독특한 수면 방식을 발달시켰습니다. 바로 ‘뇌의 반만 잠자기’입니다.

뇌의 반만 잠자기 (Unihemispheric Slow-Wave Sleep)

• 한쪽 뇌만 휴식: 고래는 뇌의 절반은 잠이 들고 나머지 절반은 깨어 있는 상태를 유지할 수 있습니다. 한쪽 뇌가 활동을 멈추고 깊은 수면(서파 수면)에 빠지는 동안, 다른 한쪽 뇌는 깨어 있어 주변을 경계하고 호흡을 통제합니다.
• 의식적인 호흡: 깨어 있는 반쪽 뇌가 숨 쉴 때가 되면 수면으로 올라가도록 몸에 신호를 보냅니다. 이 덕분에 고래는 수면 중에도 익사하지 않고 안전하게 호흡을 이어갈 수 있습니다.
• 눈으로 확인: 깨어 있는 뇌의 반대쪽 눈은 뜨고, 잠든 뇌의 반대쪽 눈은 감는 방식으로 포식자의 접근과 같은 외부 위협을 감시합니다. 일정 시간이 지나면 잠드는 뇌와 깨어 있는 뇌의 역할을 서로 교대하여 양쪽 뇌가 모두 충분한 휴식을 취합니다.

수면 중의 유영과 자세

• 로그형(Logging): 일부 고래는 수면 가까이에서 통나무(log)처럼 가만히 떠서 잠을 잡니다. 움직임을 최소화하여 에너지를 아끼는 방식입니다.
• 느린 유영: 다른 고래들은 동료들과 함께 아주 천천히 헤엄치면서 수면을 취하기도 합니다. 무리를 지어 함께 움직이며 서로를 보호하고 호흡 주기를 맞춥니다.
• 수직 수면: 향고래와 같은 일부 고래는 머리를 위로 향한 채 물속에서 수직으로 서서 짧은 시간 동안 군집 수면을 취하는 모습이 발견되기도 했습니다. 이 시간 동안에는 양쪽 뇌가 모두 잠드는 완전한 수면 상태에 빠지는 것으로 추측됩니다.

뭍에서 바다로 | 경이로운 고래의 진화

고래가 이토록 바다 생활에 완벽하게 적응할 수 있었던 것은 약 5천만 년에 걸친 장대한 진화의 결과입니다. 놀랍게도 그들의 조상은 뭍에서 네 발로 걸어 다녔던 포유류였습니다.

육지 포유류였던 조상

• 최초의 고래: 화석 기록에 따르면, 고래의 가장 오래된 조상은 ‘파키케투스(Pakicetus)’로 추정됩니다. 이들은 늑대와 비슷한 크기로, 얕은 강가나 물가에 서식하며 물고기를 사냥하던 육식 포유류였습니다.
• 물로의 적응: 이후 ‘암불로케투스(Ambulocetus)’처럼 육지와 물을 오가며 생활하는 반수생(semi-aquatic) 단계를 거쳤습니다. 이 시기에 뒷다리는 여전히 걷는 데 사용되었지만, 물속에서는 꼬리를 흔들어 추진력을 얻기 시작했습니다.
• 완전한 수중 생활: 점차 물속 생활에 비중이 커지면서 뒷다리는 퇴화되어 몸속으로 사라졌고, 앞다리는 방향타 역할을 하는 가슴지느러미로 변했습니다. 강력한 꼬리 근육과 수평으로 넓어진 꼬리지느러미는 주요 추진 기관으로 발달했습니다.

코에서 분수공으로

• 콧구멍의 이동: 고래 진화의 가장 큰 특징 중 하나는 콧구멍의 위치 변화입니다. 육상 포유류처럼 주둥이 끝에 있던 콧구멍은 수백만 년에 걸쳐 점차 머리 뒤쪽으로 이동했고, 마침내 머리 꼭대기에 자리 잡아 현재의 분수공이 되었습니다.
• 효율적인 호흡: 이 변화 덕분에 고래는 몸 전체를 물 밖으로 드러내지 않고도 머리 일부만 수면 위로 내밀어 빠르고 효율적으로 호흡할 수 있게 되었습니다.

바다의 거인, 현재의 도전 과제

수천만 년의 진화를 거쳐 해양 생태계의 정점에 선 고래지만, 현대에 들어 급격한 해양 환경의 변화와 인간 활동으로 인해 새로운 생존의 위협에 직면하고 있습니다.

보이지 않는 위협 | 해양 소음 공해

• 소리의 세계 교란: 고래는 소리를 통해 의사소통하고, 먹이를 찾으며, 길을 탐색합니다. 하지만 선박의 엔진 소리, 군사 음파탐지기(소나), 해저 자원 탐사 등으로 인한 인위적인 소음은 고래의 청각에 직접적인 손상을 주거나 이들의 ‘소리 세계’를 교란합니다.
• 생존 활동 방해: 소음은 고래들의 의사소통을 방해하고, 먹이 탐지 능력을 저하시키며, 극심한 스트레스를 유발합니다. 때로는 강한 소음에 놀라 너무 빨리 상승하여 잠수병에 걸리거나, 방향감각을 잃고 해안으로 밀려와 좌초(Stranding)되는 원인이 되기도 합니다.

선박 충돌과 어구 혼획

• 바닷길의 위험: 선박의 대형화와 고속화로 인해 고래와 선박의 충돌 사고가 빈번하게 발생하고 있습니다. 특히 수면 가까이에서 휴식을 취하거나 느리게 유영하는 고래들이 큰 위험에 노출됩니다.
• 죽음의 덫, 폐어구: 바다에 버려지거나 유실된 그물(유령 그물)에 고래가 걸리는 사고, 즉 혼획(Bycatch)은 고래의 생명을 위협하는 심각한 문제입니다. 그물에 얽힌 고래는 움직임이 제한되어 먹이 활동을 할 수 없거나, 호흡을 위해 수면으로 올라오지 못해 질식사하기도 하며, 그물이 몸을 파고들어 생긴 상처로 인해 고통스럽게 죽어갑니다.

이 글에서는 고래는 물속에서 어떻게 숨쉴까 | 폐호흡과 잠수 생리에 대해 알아보았습니다. 감사합니다.