생체전기

생체전위는 여러 생물학적 과정에 의해 생성되고 일반적으로 세기가 1mV에서 수백mV에 이르나, 전기뱀장어의 경우는 600~1,000V의 전압에 1A(암페어)의 전류가 흐른다.

생체전기의 영향은 아주 오랜 옛날에 나일메기(Nile catfish)나 전기뱀장어와 같은 전기어류들에 의해 잘 알려졌다.

18세기 루이지 갈바니와 알렉산드로 볼타가 행한 개구리와 그밖의 다른 동물들에서의 전기와 근수축과의 관계에 대한 실험은 물리학과 생리학의 발달에 있어서 매우 중요한 일이었다. 현대의 임상의학에서는 생체전위를 측정하는 것이 보편화되어 있다. 예를 들면 진단을 하기 위해서 심장과 뇌의 활동적인 세포에서 생기는 전기를 점검하고 분석한다.

생체전위는 전지나 발전기에서 생기는 전위와 같다.

그러나 거의 모든 경우에 생체전류는 이온(즉 전기적으로 전하를 띤 원자나 분자)의 흐름으로 되어 있는 반면, 등화·통신·동력에 이용하는 전류는 전자의 운동으로 생긴다. 이온 농도가 다른 두 용액을 이온의 흐름을 막는 막으로 분리시켜놓으면 농도차에 의해 용액 사이에 전위차가 생긴다. 대부분의 용액에서는 전하를 띤 이온들이 반대전하를 띤 이온과 함께 있기 때문에 용액 전체로 보면 전하를 띠지 않는다. 만약 농도가 다른 두 용액이 1종류의 이온만 통과시키는 막에 의해 나누어져 있으면, 통과할 수 있는 이온은 확산에 의해 평형을 이루려 하기 때문에 두 용액이 반대전하를 띠게 된다.

살아 있는 세포에서 이런 두 용액은 세포 안과 밖에서 볼 수 있다. 안팎을 분리시키는 세포막은 반투과성으로서 어떤 이온은 통과시키고 어떤 이온은 통과시키지 않는다. 특히 신경과 근세포막은 칼륨 양이온에 대해서 약간의 투과성이 있기 때문에 이러한 이온을 밖으로 확산시키고 세포 속은 전체적으로 음전하를 띤다.

세포막 사이의 생체전위는 보통 약 50mV쯤 되는데 이를 휴지전위(休止電位)라고 한다.

모든 세포들은 자신의 생체전위를 대사과정을 돕거나 조절하는 데에 사용하지만, 어떤 세포들은 독특한 생리적 역할을 수행하기 위해 특수하게 사용한다. 그러한 예들은 신경과 근육세포에서 볼 수 있는데, 이때 정보는 전기충격(활동전위라고도 함)에 의해 신경섬유를 따라 전달된다. 근육세포에서는 그와 비슷한 충격에 의해 근수축이 일어난다. 신경세포와 근육세포가 화학적 또는 전기화학적인 자극을 받으면 세포막의 투과성이 일시적으로 변하여 전류가 흐르게 되고, 이는 신경섬유를 따라 전달되거나 근섬유의 수축 메커니즘을 활성화시킨다.

나트륨 이온의 수송도 활동전위의 생성과 관련이 있다. 생체전위를 유지함으로써 특수한 기능을 하는 다른 세포들 가운데에는 빛·소리·접촉에 민감한 수용기세포들과 호르몬이나 다른 물질들을 분비하는 분비세포들이 있다.

바다와 담수에 사는 여러 어류들은 상당량의 전기를 방전할 수 있는 특수한 기관이 발달했고, 어떤 것들은 물 속의 미약한 전기장을 감지할 수 있는 조직을 갖고 있기도 하다. 200가지 이상의 어종들에서 생체 전기기관은 자기방어나 먹이사냥과 관련이 있다. 전기가오리와 전기뱀장어는 특히 강력한 전기기관을 가지고 있는데, 이것은 먹이를 움직이지 못하게 하거나 죽이는 데 사용된다.

전기뱀장어는 3쌍의 전기기관을 가지고 있다. 이 기관들은 몸무게의 대부분을 차지하고 있으며 길이는 전체의 약 4/5에 해당한다. 이 물고기는 사람을 기절시킬 만큼 강력한 전기충격을 일으킬 수 있다고 알려져 있다. 전기가오리는 원반형의 커다란 전기기관을 2개 가지고 있는데, 몸의 양쪽에 1개씩 있고 그 기관 때문에 몸이 원반형을 이루게 된다.

아프리카의 전기메기와 남아메리카의 뒷날개고기, 통구멍과의 물고기들의 경우는 아마도 전기기관을 다른 물고기들을 찾아내기 위한 감각기관으로 사용하는 것 같다.

생체 전기기관을 구성하는 기본요소는 전기반(電氣斑)이라고 하는 납작한 세포이다. 대다수의 전기반들은 연속적으로 평행하게 배열되어 있어서 전기기관이 전압과 전류를 만들어낼 수 있게 한다. 각각의 전기반이 정확히 신경충격에 맞추어 전기를 갑자기 방출함으로써 기관 전체가 동시에 반응할 수 있다.