동물과 열생리

동물과 열생리

 

돼지는 하나의 에너지체이다. 즉 이것은 다시 말해서 돼지도 하나의 생명체이기 때문에 에너지 없이는 단 한 순간도 생명현상의 발현과 그리고 생명현상을 유지할 수 없다. 그래서 양돈을 하기 위해서는 반드시 돼지에게 에너지를 제공해주어야 한다. 그러나 양돈농가에서는 단순하게 사료를 급여하고 그리고 난방을 해줌으로써 모든 소임을 다한 것 같지만 실제로 양돈을 하기 위해서는 과거와는 달리 정밀한 에너지의 계산이 중요하다. 그 이유는 물론 오늘날 돼지의 개량이 너무 이루어져 열량의 계산에 따른 정밀한 환경을 제공하지 않으면 돼지들이 성장을 제대로 할 수 없기 때문이다.

그러나 사료의 경우 사료회사에서 이미 에너지의 계산이 이루어져 좋은 배합사료를 제공하고 있기는 하지만 농가에서는 이렇게 돼지가 섭취한 사료에너지와 그리고 환경에너지와의 관계를 잘 이해하지 못하고 있다는 것이 더 큰 문제가 되는 것이다. 결과적으로 우리나라에는 돈사환경과 에너지와의 관계를 이해하고 컨설팅할 수 있는 전문가가 없다는 점이 사실상 심각한 문제이다. 즉 돈사의 시설은 결과적으로 에너지를 소모하는 곳이다. 그러므로 돈사를 신축하거나 또는 리모델링한다는 것은 과거와는 달리 어떻게 에너지를 잘 보존할 수 있는가 하는 것을 가장 먼저 고려하여야 하는 문제가 중요하다.

 

1. 열이동의 원리

 

Figure 1-1-1 돼지의 열이동원리

 

그러나 위의 그림에서 알 수 있듯이 돈사에서 돼지의 몸에서 일어나는 열전달방식은 크게 4가지로 나타난다. 일반적으로 물질에서 나타나는 열전달방식은 위의 그림에서 돼지들의 호흡에 의한 증발열은 나타나지 않고 대신에 대류, 방사, 전도에 의해서만 열이 전달되는 특징을 가지고 있지만 돼지의 경우에는 생명체이기 때문에 열전달 방식 중 호흡할 때 일어나는 물의 기화현상으로 증발열(잠열)이 추가되는 것이 특징이다.

 

Figure 1-1-2 열손실의 정도

 

물론 이 증발열은 잠열의 가장 중요한 공급원으로 돈사의 숨은 열이라고 할 수 있다. 그 외에 돼지의 몸에서 공기의 유속이나 또는 움직임에 의해서 일어나는 대류현상으로 많은 열을 빼앗기게 되고 또한 돼지의 체열 방사에 의해서 열손실은 일어난다. 그러나 중요한 것은 바로 돈사바닥에 의한 전도방식으로 일어나는 열전달은 돼지의 생활습관 상 대단히 중요한 의미가 있고 또한 이러한 현상에 의해서 돼지들은 실제로 자신의 체열을 조절할 수 있기 때문에 대단히 중요하다고 할 수 있다.

위에서 언급했듯이 동물에서는 다음의 4가지의 방법에 의해서 열전달이 일어난다. 방사, 열전도, 대류 및 호흡에 의한 증발로 발생하는 잠열과 같은 방법에 의해서 동물들은 열전달이 발생하는데 이러한 열전달이 발생하는 것은 생명현상을 이어 가는 한 필연적인 것이라고 할 수 있다. 그러나 위의 그래프에서 알 수 있듯이 돼지에서 4가지의 방법 중 가장 많은 열전달이 일어나는 것은 바로 호흡에 의한 증발열이다. 그리고 그 다음이 공기의 이동에 의한 대류현상으로 열전달이 일어나고 3번째가 바로 돼지의 열전도에 의해서 일어난다. 그러나 위의 그래프에서 알 수 있듯이 제일 작은 열전달이 일어나는 것은 체열방사현상으로 돼지들이 생산하는 자체열에서 일어나는 방식이다.

특히 이러한 열전도에 의한 열전달은 돼지들이 돈사에서 생활하는 한 필연적이다. 왜냐하면 돼지들이 자기자신이 스스로 열량을 조절할 수 있는 방법은 이 열전도의 방법 밖에는 가지고 있지 않기 때문이다. 예를 들어 더운 여름에 더우면 돼지들이 바닥에 길게 누워 이 열전도에 의해서 자신의 체열을 바닥으로 전달하여 더위를 식힐 수 있는 유일한 방법이다.

하지만 겨울에는 반대로 돼지들이 바닥에 가장 작은 면적이 닿을 수 있도록 서로 뭉치며 모여서 웅크리고 있다. 바로 이렇게 돼지들은 더우면 퍼지고 추우면 모이는 반응으로 자신들의 열량을 조절한다. 하지만 우리는 이러한 돼지들의 반응에 의해서 돼지들이 가지고 있는 문제가 무엇인지 알 수 있다. 특히 이렇게 돼지들이 자신의 주변환경에 적응하는 방법은 바로 에너지를 주고 받는 것으로 에너지는 바로 돼지가 환경에 적응하기 위해서 일종의 매개체와 같이 작용하는 것을 의미한다.

Figure 1-1-3 돈사 내에서의 열이동

 

이와 같이 동물들은 자신의 주어진 환경과 이렇게 에너지의 교환에 의해서 생명활동을 하고 그 결과 돼지는 열전도에 의한 열교현상으로 주변환경에 적응할 수 있다. 그래서 돈사에서 바닥의 열전도에 의해서 일어나는 열손실은 돼지들이 환경에 적응하는데 있어서 필수적인 방법이다. 즉 생명체가 주변환경과 친화하며 적응을 하는 것은 바로 에너지의 평형에 의해서 이루어진다. 그래서 모든 생명체는 주변환경과 열에너지를 교환하면서 그 환경에 적응하려고 하는 특성을 가지고 있다. 하지만 돼지의 경우에는 좁은 공간에 많은 두수가 강제로 연금되어 있어 자기 스스로 환경에 적응할 수 있는 능력은 전혀 가지고 있지 않다. 그래서 우선적으로 돼지에서의 열손실과 열취득을 이해하고 그 다음에 다른 문제를 이야기하는 것이 순서이다.

그러나 돼지가 이러한 여러 가지 방식에 의해서 주변환경과 열에너지를 주고 받으며 그 환경에 적응하는 것이기 때문에 엄밀히 위의 4가지 모두는 열교류의 주 역할이라는 것에는 틀림이 없다. 그러면 돼지들의 열에너지에 대한 체감온도의 변화는 어떻게 일어나는 것일까? 즉 돼지의 요구온도가 16℃라고 하자. 그리고 공기의 온도가 또한 16℃라고 한다면 돼지는 바닥에 누웠을 때 당장 약간의 한기를 느낄 수 있게 된다. 그것은 바로 돼지가 누워있을 때 바닥재가 콘크리트인 경우 열전도에 의해서 열손실이 일어나는 체감온도저하가 -5~-7℃이므로 실제로 돼지가 느끼는 온도는 최대 16℃-7℃=9℃ 정도 밖에 못 느끼게 되기 때문이다.

하지만 위에서 지적한 바와 같이 돼지가 요구하는 온도보다 약 4~8℃정도 공기의 온도를 높게 요구하는 것은 바로 요구온도 16+4나 또는16+8은 20~24℃이므로 위에서 콘크리트 바닥의 체감온도 상실분 -7℃를 계산하면 13~17℃ 정도 된다는 것을 알 수 있다. 이러한 계산방법을 EET(Effective environmental temperature)라고 하며 전문 돈사나 축사환경 컨설턴트들은 이 EET를 잘 계산하여 적용할 수 있어야 한다. 그러나 보다 중요한 것은 이미 앞에서 언급한 바와 같이 축사의 내부에서 일어나는 열량의 제공원은 바로 돼지 자신이라는 사실이다. 그러면 보다 근본적인 열원을 바로 사료가 된다. 왜냐하면 돼지에게는 사료에 의해서 모든 에너지가 제공되기 때문에 실제로 돈사의 내부에서 발생하는 열의 근원은 바로 사료가 되는 것이다.

 

2. 현열과 잠열

 

Fig 4-3-4-14 현열과 잠열

우선 열을 구분하는 방법에 따라 여러 가지로 나눌 수 있지만, 열량의 증감에 따른 온도의 증감을 측정할 수 있는가의 유무에 따라 나누면 느낄 수 없는 열로서 잠열, 느낄 수 있는 열로서 현열이라고 구분한다. 즉 물체에 열을 가하고 제거 시에 물체의 온도가 변화하고 상태의 변화가 없는 것을 현열이라고 하고 또한 상태가 변화하는 대신에 온도의 변화가 없는 것을 잠열이라고 한다. 위에서 언급한 바와 같이 잠열이란 열량은 변화하고 있는 상태에서 온도의 변화는 온도계나 촉감에 의해서는 전혀 느낄 수 없는 숨은 열이다.

현열은 온랭의 증감에 따라 그리고 물질에 따라 다르지만 분명하게 온도의 변화를 측정하거나 느낄 수 있는 열이다. 그렇다면 잠열과 현열은 어떤 차이를 가지고 있는가? 잠열은 물질의 형태가 변화하면서 방출하거나 흡수하는 열을 말하고 종류로는 기화열, 승화열, 응축열, 응고열, 융해열 등으로 구분할 수 있으며 상태변화 과정 중에는 온도의 변화는 없이 가감되는 열량은 어떤 물질의 삼태 중 구성하는 비율이 달라지는 데 사용되는 열이다. 현열은 물질의 삼태 중 한가지 형태를 취한 비율이 100%인 하나의 상태를 유지하면서 온도의 변화가 일어날 때 가지는 열이다.

즉 현열이란 물질의 형태가 유지되면서 가감되는 열은 온도의 변화로 나타나는 열을 말한다. 즉 위의 그래프에서 알 수 있듯이 물의 상변화 시에 나타나는 경우 현열과 잠열은 열량과 온도를 두 축으로 하는 위의 그래프와 같이 표시할 수 있다. 즉 현열은 기울기를 가지고 열량에 비례해서 온도가 가감되는 사선의 형태를 띠는 것을 말한다. 그러나 잠열은 열량의 가감에도 불구하고 온도는 열량의 축과 평행한 직선을 그리는 것이 다르다. 이 직선구간이 바로 물질의 삼태가 변화되는 구간으로 고액비 및 기액비 등 어떤 물질이 구성한 한 계의 존재 비율이 변화하는 구역이다.

그러나 동물들에서 현열과 잠열은 쉽게 구분하기 어려운데 예를 들어 동물의 경우 현열은 바로 동물의 몸체에서 체온과 같이 일어나는 열변화를 의미하고 잠열은 바로 동물이 호흡을 할 때 발생하는 수증기에 의해서 일어나는 것이다. 예를 들어 동물이 호흡을 하게 되면 폐에서 증발되어 수증기가 함께 나오는 것을 우리 모두 알고 있다.

이 때 수증기는 물의 증발에 의해서 일어나므로 이 경우 증발열에 의해서 열손실이 일어나는 현상을 말하며 이것을 바로 잠열이라고 한다. 그래서 축사에서 환기량을 계산하거나 또는 동물들의 편안하고 안락함을 계산할 때는 반드시 잠열과 현열의 손실 정도를 구분해서 계산해 주어야 한다. 잠열과 현열에 대한 실험적 결과는 그 실험이 총생산열량에 초점이 맞추어진 실험이기 때문에 위의 잠열과 현열의 부분합과는 잘 맞지 않는 경향이 있다.

Fig 4-3-4-15 습기의 영향

위에서 이미 언급한 바와 있듯이 동물수준에서의 열생산량은 정밀하지는 않지만 매년 연구되는 연구보고서에 의해서 Updating되고 있는 실정이다. 그러나 축사수준에서의 열과 습기의 생산량은 훨씬 더 복잡하고 어렵다. 왜냐하면 사료로부터 증발하는 수증기와 돈분뇨에서 발생하는 수증기 그리고 마시는 물과 동물의 활동성, 태양광의 영향 또한 축사 내부에서의 전기적 또는 다른 발열장치, 그리고 작업동선 등의 영향에 의해서 많은 변화가 일어나는 곳이 바로 축사의 내부라고 할 수 있기 때문이다.

위의 표에서 알 수 있듯이 급이기와 급수기에서 발생하는 수증기는 우리가 상상하는 것보다 훨씬 많은 양으로 일반적인 비교를 한다면 돼지의 경우 하루에 마리당 2.5ℓ의 수증기가 발생하는 것으로 추정되고 있으며 이것은 결과적으로 모두 열을 운반할 수 있는 주체라는 사실이다. 그 결과 500두의 돼지가 들어있다면 1,250ℓ의 물이 수증기로 날라가고 있다는 것을 의미한다.

Fig 4-3-4-16 상태에 따른 습도의 변화

특히 돼지의 경우 위의 표에서와 같이 급이기와 급수기의 상태 그리고 빛 또는 열에너지의 공급상태 그리고 관리과정에서 나타나는 돈사 및 돼지들의 관리상태 등에 의해서 낮에는 축사에서 열과 습기의 변화가 일정한 패턴으로 일어나게 된다. 이와 같이 양돈농가도 비록 정확하게는 알지 못하고 있지만 축사에서 많은 습기가 발생하는 것은 잘 알고 있다. 그러나 실제로 습기가 발생하면서 농장건물과 기구들에 어떤 영향을 미치는지는 정확하게 알지 못하고 있다는 점에서 사실 어려움이 더 크다.

특히 양돈장에서 발생하는 습기는 바로 건축물의 수명과 그리고 여러 가지 양돈을 위한 기기들의 수명을 단축시키는 것이 더 큰 문제라고 할 수 있다. 그러나 더 근본적인 당장의 문제는 이렇게 습기가 많을수록 더 많은 열에너지를 운반할 수 있는 능력을 가지고 있어 환기장치가 가동되면 더 많은 에너지를 외부로 운반할 수 있는 능력을 가지고 있다는 점이 가장 큰 어려운 문제가 된다.

2. 돼지의 열에너지 이용방식

그러나 다음의 표와 같이 최적의 온도범위 내에서는 정상적으로 다른 돼지와 접촉을 하며 장난을 하게 되고 사료섭취량도 정상이고 또한 정상적인 행동양식을 보이면서 체온은 39℃로 안정적이다. 이렇게 안락한 온도에서의 돼지들은 모든 것이 정상적으로 반응하며 또한 많은 정육을 생산하기 때문에 우리의 입장에서는 이러한 최적의 온도범위 내의 온도대를 맞추어주는 것이 중요하다. 그리고 이 때의 최적의 온도범위 내에서의 호흡 또한 1분에 20~30회 정도로 안정되어 있어 돼지는 전혀 스트레스를 받지 않는다.

그러나 온도가 상승하면 할수록 돼지들은 서로 접촉을 꺼리며 넓게 퍼져 눕게 되고 숨을 헐떡거리며 호흡은 1분에 180회까지 상승하는 경우도 있다. 또한 사료 섭취량과 물의 섭취량도 저하하게 되고 돈방은 지저분해지고 돼지들은 물이 있는 곳이면 어디나 누워 시원하게 하려고 노력을 하여 몸은 더럽게 되는 것이 일반적인 돼지들의 행동양식이다. 그러나 이러한 임계온도를 넘게 되면 돼지의 체온은 급상승하여 43℃를 넘게 되고 결국 폐사하게 된다.

Figure 1-2-1 돈사의 임계온도범위와 돼지들의 반응

위의 표를 보면 돼지가 자기 스스로 환경에 적응하기 위해서 돼지는 자체적으로 열을 생산하게 되는데, 바로 위의 표와 같이 혹한기와 혹서기에 열적으로 많은 변화가 일어나면 돼지는 거기에 반응하고 적응하려고 노력하고 있다는 것을 확인할 수 있다. 즉 위의 표에서 알 수 있듯이 온도가 임계점 이하로 내려가면 열을 생산하여 적응하려고 반응하고 주변의 온도가 너무 상승하면 자신의 열을 발산하여 체온을 낮추려고 노력을 한다. 그래서 실제로 돼지가 요구하는 최적의 영역은 위의 표에서 녹색의 영역이다. 

그러나 우리는 이러한 녹색의 최적의 영역을 만들어 주기가 점점 더 어려워지고 있다. 그 이유는 과거와는 달리 오늘날 돼지의 최적의 환경을 만들어 주기 위한 영역의 한계를 등지방의 개량으로 우리 스스로 너무 좁혀 버렸기 때문이다. 결과적으로 최적의 영역을 가질 수 있는 폭이 점점 더 줄어든다는 것은 바로 이러한 최적의 환경을 가질 수 있는 영역이 줄어든 만큼 돼지 자신이 환경에 적응할 수 있는 폭이 함께 줄어든다는 사실을 의미한다. 

예를 들어 돼지가 최적으로 느끼는 온도를 체감온도기준 30℃라고 하고 이 온도를 초과상승하게 되면 돼지들은 자신의 사료를 섭취하는 양을 줄이도록 프로그램되어 있다. 그러면 돼지들의 생체반응은 자신들이 사용하여야 할 에너지 중 사료섭취의 절감으로 환경적응에 필요한 에너지를 제공하지 못하여 에너지가 모자라는 부분만큼 어쩔 수 없이 자신의 등에 저장하고 있는 지방에너지원에서 인출하여 사용하게 된다. 

그런데 육종학자가 줄여 놓은 등지방 두께로 오늘 날 돼지들이 이러한 자신의 위기에 사용할 에너지인 저장지방이 모자라 열악한 환경이 도래하면 많은 돼지들이 저장지방의 빠른 고갈로 어쩔 수 없이 폐사하게 된다. 또한 겨울에는 반대로 체감온도가 최적의 온도 이하로 내려가면 돼지들은 사료를 더 섭취하지만 자신이 섭취한 사료의 에너지로도 추위를 감당할 수 없을 때 또한 돼지들은 그 추위를 견디기 위하여 당연히 자신의 등에 저장한 에너지를 사용할 수 밖에 없다. 그런데 이 때도 역시 등에 저장된 에너지의 양이 모자라면 돼지들은 추운 환경을 견디지 못하면 폐사할 수 밖에 없다. 이와 같이 돼지는 몸에 자신이 가지고 있는 지방에너지에 의해서 환경조절에 참여하게 되는 것이다.

 

Figure 1-2-2 온도에 따라서 돼지의 바닥에 눕는 빈도

 

그러나 반대로 여름 철에는 집단적으로 모이기 보다는 떨어져 눕게 되고 찬 바닥을 찾아서 가능하면 자신의 신체를 그곳과 더 많이 접촉할 수 있도록 몸을 길게 뻗고 눕는 것을 확인할 수 있다. 즉 위의 그래프에서 알 수 있듯이 돈사의 모든 곳에서 열 침입이 일어나지만 유일하게 바닥에서만 열손실이 일어날 수 있기 때문이다. 그 결과 바닥이 차기 때문에 돼지들은 여름에는 거의 모두 바닥에 누워 있는 것이다. 이것이 바로 돼지들이 열전도에 의한 열손실을 알고 행동하는 것을 의미한다.

즉 위의 그래프와 같이 겨울 철 온도가 너무 낮을 때는 돼지들이 바닥에 누울 확률이 점점 더 낮아진다는 것을 보여주고 있다. 이렇게 돼지들은 환경온도에 의해서 “바닥에 누울 것인가 아닌가?”를 결정할 정도로 민감하다. 이렇게 볼 때 돼지들의 이러한 행동은 추운 겨울에 바로 자신의 열량과 그리고 주변환경과의 열량의 차이에 의한 당연한 반응이라고 할 수 있다.

즉 돼지들의 행동양식을 위의 그래프에서 알 수 있듯이 여름 철의 경우에 온도 올라가면 올라 갈수록 바닥에 누워있을 확률이 높다는 것을 보여주고 있다. 이렇게 여름에는 돼지들이 더위에 의해서 당연히 그 첫 번째 반응으로 누워서 바닥에 의한 열전도가 일어나 그 열손실로 자신의 체온을 조절하게 된다.

이것이 바로 돼지가 주변환경에 의한 열손실에 의해서 일어나는 열반응으로 이러한 행동양식과 그리고 돼지들이 생산하는 열량을 계산하여 전체적인 돈사의 환경조절에 적용하여야 한다는 것을 의미한다. 즉 일반적인 돈사에서 돼지들 스스로 열량을 조절할 수 있는 유일한 수단이 바로 바닥에 누울 것인가? 아닌가?에 의해서 결정되는 것이다.

 

 

그런데 돼지들은 자신들의 추위를 견디기 위해서 주변의 모든 것을 사용한다. 예를 들어 위의 사진과 같이 자신의 주위에 깔짚이 있다면 돼지는 그 재료를 최대한 이용하여 자신의 불리한 환경을 견디기 위해서 노력을 한다. 단지 자신이 호흡을 할 수 있을 정도로 코만 내놓고 자신의 몸은 깔짚에 묻어 버린다. 이것이 바로 돼지들이 환경에 적응하기 위해서 반응하는 행동양식이다. 그런데 사실 우리는 이러한 기본적으로 피할 수 있는 자재도 공간도 제공하지 않고 돼지가 잘 자라기만 바라지만 사실 이렇게 해서는 돼지들이 정상적으로 성장할 수 없다. (자료: 이재혁)