생명과학실험

고등학교 생명과학 실험 김재근 | 김학현 | 박미아 | 정효철 교과서 물려주기 기록표 교과서 사용자 연도 상태 학년 반 번호 이름 ● 상태 표기 예시 : 매우 좋음, 좋음, 보통, 나쁨 인공 지능, 사물 인터넷, 빅 데이터 등 지능 정보 기술이 중심이 되는 제4차 산업 혁명의 시대를 맞이했 다. 이에 걸맞게 생명과학은 매우 빠르게 발전하고 있으며, 새로 밝혀지는 내용 또한 방대하다. 지능 정보 기술의 이면에는 뇌에서 뉴런의 네트워킹과 같은 생명과학의 발전이 크게 기여하고 있으며, 발전을 위한 기본 정보는 생명과학자의 연구를 통해 얻어진다. ‘생명과학 실험’은 이와 같은 생명과학의 기본 정보가 어 떻게 생성되는지를 학생들에게 제시하고 학습하게 하는 다양한 실험 과정을 담고 있다. ‘생명과학Ⅰ’과 ‘생명과학Ⅱ’에도 다양한 탐구가 제시되고 있으나 수행할 시간과 교과서 지면의 제약 때 문에 대부분 단순한 실행이나 데이터 해석 위주의 탐구로 구성되었다. 이에 반해 ‘생명과학 실험’에서는 시 간을 좀 더 할애할 수 있고 교과서 지면에도 크게 구애하지 않는 내용으로 실험을 제시했으며, 심화된 내 용으로 실험을 제시했다. 그러므로 생명 현상 전반에 대한 기초 개념을 습득한 과학 계열 고등학교 학생이 나 일반계 고등학교에서 과학 과목 중점 교육과정을 이수하는 학생을 대상으로 저술되었다. 생명과학 전 반에 걸쳐 제시한 다양한 주제는 미래의 생명과학자가 되는 데 있어, 과학적으로 탐구하는 능력을 길러 주 고자 했으며, 앞으로의 연구 분야에 생명과학의 지식을 활용할 수 있는 방법을 제시하고자 했다. ‘생명과학 실험’은 진로 선택을 위한 과학 계열 전문 교과이다. 그러므로 생명의 특성을 통합적으로 이 해하고 이를 바탕으로 생명에 호기심과 흥미를 가질 수 있도록 구성했다. 즉, 생명과학 관련 전공으로 진 로를 선택하는 데 필요한 기초 소양을 기르고 실험 방법을 익히도록 구성했다. 내용으로는 생명과학의 발 달 과정, 세포의 특성, 물질대사, 세포 수준에서 나타나는 생명 현상의 분자적 원리, 생물다양성과 진화, 생명공학과 우리 생활 등을 중심으로 관련된 핵심 개념을 담고 있으며, 이들에 대한 이해와 탐구 능력을 함양하는 것을 목표로 했다. 이 교과서는 생물의 구조와 기능, 물질대사, 자극과 반응, 생식과 발생, 유전과 진화, 생물과 환경, 생 명 공학 분야의 핵심적인 실험으로 구성되었다. 특히, 이 교과서의 내용 수준은 과학 계열 고등학교 학생 이나 과학 과목 중점 교육과정을 이수하는 학생의 수준을 고려했으며, 교과서의 구성은 생명과학의 여러 분야를 전공하는 데 필요한 기초적인 실험 기기 사용법과 조작법을 익힐 수 있게 구성했다. 이 교과서는 다양한 탐구 중심의 학습이 이루어지도록 구성되었다. 제시된 실험을 진행하면서 기본 개 념을 통합적으로 이해하고 이를 통해 과학적 사고력, 과학적 탐구 능력, 과학적 문제 해결력, 과학적 의사 소통 능력, 과학적 참여와 평생 학습 능력 등 과학에 필요한 핵심 역량을 함양하도록 했다. 이 책의 집필자들은 이 교과서가 단순히 참고만 하는 참고용 도서가 아니라 학교 현장에서 실제로 사용 하는 교과서를 집필하려고 상당히 노력했다. 또한 간단하면서 조작이 쉽도록 내용을 구성했고, 이를 통해 더 쉽고 정확하게 이해할 수 있도록 했다. 정확한 이해와 흥미는 생명과학에 대한 탐구 능력을 키우는 데 중요하므로 흥미로운 주제 또는 앞으로 더 탐구할 수 있는 재미있는 주제를 제시하고자 했다. 무엇보다도 강조하고 싶은 것은 제시한 모든 실험을 저자가 직접 수행하면서 확인하고 수정하는 과정을 거쳐 내용을 완성했다는 것이다. 그러므로 교과서에 제시된 사진은 대부분 직접 실험을 수행하며 촬영한 것이다. 끝으로 이 교과서로 공부하는 학생 여러분이 실험 과정을 통해 생명 현상을 경외하고, 생명의 존엄성을 인식할 줄 아는 자질을 갖출 수 있기를 간절히 바라며, 생명 현상을 과학적으로 탐구하고, 생명과학, 기 술, 사회 문제를 합리적으로 해결하는 능력이 향상되기를 저자들은 진심으로 바란다. 대표 저자 김재근 단원의 시작 대단원이 시작되는 부분이며, 단원 내용을 상징적으로 나타내는 사진과 대단원에서 배울 내용을 ‘단원 열기’ 형식으로 간략히 제시했고, 대단원에서 다루는 실험의 제목을 제시하여 대단원이 어떤 내용의 실험으로 구성되었는지 한눈에 파 악할 수 있게 했다. *생물의 구조와 기능 I-1 광학 현미경의 구조와 사용법 I-2 주사 전자 현미경 I-3 동식물 세포 관찰 I-4 삼투 현상에 영향을 미치는 요인 I-5 식물 세포의 원형질 분리와 복귀 I-6 삼투압 측정 단원 열기 지구상에서 살아가는 생물은 다양한 환경에 적응하여 생활하고 있다. 또 생물체는 몸의 구조가 간단한 세균과 같은 미생물부터 구 조가 복잡한 다세포 생물인 사람에 이르기까지 모두 세포라는 기본 단위로 되어 있다. 그러므로 생물체에 대한 이해는 세포 연구 I-7 식물의 생식 기관 관찰 I-8 무척추동물 해부 I-9 척추동물 해부 에서 시작되며 현미경에 토대를 둔 생명체의 구조와 기능에 대한 해부학적인 정보가 생물체를 이해하는 기초가 된다. 여기에서는 생물체를 연구하는 기본이 되는 현미경의 구조와 사용법을 익히고 이를 통해 동식물 세포를 관찰하며, 세포막을 통한 물질 출입의 한 예로 삼투 현상을 탐구하고 생식 기관과 무척추동물, 척추동물의 해부를 통해 생명체에 대한 이해의 폭을 넓혀 보자. 사진 | 김승자 [물푸레생태교육센터] 10 11 학습 목표 실험에서 달성해야 할 학습 목표는 되도록 관찰할 수 있는 행동으로 제시했다. ① 도입 실험의 필요성 또는 중요성을 중심으로 제시했다. I 생물의 구조와 기능 실험 I-1 광학 현미경의 구조와 사용법 • 현미경의 구조를 설명할 수 있다. • 현미경을 사용하여 선명한 상을 찾을 수 있다. 학습 목표 ② 준비물 1 도입 생명과학 실험의 기본이 되는 기구가 광학 현미경이다. 광학 현미경을 사용 하면 세포를 약 1,000배까지 확대해 관찰할 수 있으며 미생물과 원생생물 같 실험에 필요한 기구와 시약을 구체적으로 제시했 은 작은 것까지 관찰할 수 있다. 광학 현미경을 통해 우리는 생명과학에 대한 이해의 폭을 넓힐 수 있다. 그러므로 광학 현미경의 구조와 기능을 배우고 익히 는 일은 생명과학을 탐구하는 데 매우 중요하다. 광학 현미경의 종류는 매우 다 양한데, 이 실험에서는 생명과학 연구의 기본이 되는 광학 현미경의 구조와 사 다. 일반적으로 흔히 사용하지 않는 기구인 경우 용법을 알아보자. 2 준비물 광학 현미경, 현미경 표본 사진으로 보여 주었다. 3 광학 현미경 각 부분의 명칭과 기능 가. 그림을 참고하여 광학 현미경 각 부분의 명칭을 알아보자. 경통 현미경을 이용한 생물의 구조 관찰. 생물의 구조 관찰은 학생의 호기심을 자극하고 접안렌즈 생명과학에 흥미를 불러일으킴. 경주 회전판 대물렌즈 전원 스위치 스프링 클립 재물대 광량 조절 나사 조리개 조절 나사 미동 나사 조동 나사 미동 나사 집광기 Y축 나사 광원 X축 나사 경각 그림 I-1 광학 현미경의 구조와 명칭 12 13 ③ 방법 및 절차 I 나. 현미경 각 부분의 기능을 알아보자. 읽고 따라 할 수 있을 정도로 자세히 설 1) 접안렌즈: 눈을 대고 물체를 관찰하는 렌즈이며, ×5, ×10, ×20의 배율이 적혀 있다. ×10의 배율이 적힌 렌즈가 현미경에 끼워져 있는 경우가 많다. 2) 경통: 현미경에서 접안렌즈와 대물렌즈의 길이를 일정하게 유지하는 통 명했다. 또한 필요한 경우 사진을 제시 3) 대물렌즈: 재물대 바로 위에 있는 렌즈이며, 보통 ×4, ×10, ×40, × 100의 배율이 적혀 있는 4개의 렌즈가 회전판에 붙어 있다. 배율이 높을 8) 회전판을 돌려서 원하는 배율로 관찰한다. 배율이 바뀌면 광량 조절 나사 1. 현미경의 배율은 ‘접안렌즈의 배율 ×대물렌즈의 배율’로 나타낸다. 2. 400배로 관찰한 뒤 1,000배로 관찰할 때는 그림1-2의 이머전 오일을 떨어뜨리는 사진처럼 × 100 대물렌즈로 맞추기 전에 이 머전 오일을 떨어뜨리고 관찰하며 관찰한 후에는 반드시 렌즈페이 퍼로 두세 차례 기름이 묻어 나오 지 않을 때까지 부드럽게 닦아 준 다. 이머전 오일은 굴절률을 높여 줌으로써 광량을 최대한 확보하여 해상력을 높여 주는 역할을 한다. 와 조리개로 광량을 조절해야 좋은 상을 관찰할 수 있다. 9) 관찰이 끝나면 조동 나사를 돌려서 재물대와 경통 사이의 간격을 벌린 후 10) 회전판을 돌려서 가장 저배율인 렌즈가 경통과 일치하도록 맞춘 후 램프 를 끈다. 11) 전원 플러그를 콘센트에서 뽑은 후 전선을 감아서 현미경 장에 넣는다. 수록 렌즈의 길이가 길다. 하여 쉽게 이해할 수 있도록 했다. 추가 추가 설명 현미경 표본을 뺀다. 으로 빛이 지나는 통로이다. 생물의 구조와 기능 7) 빛의 세기와 양을 조절하여 관찰하기 좋게 한다. 4) 재물대: 시료를 올려놓는 편평한 판으로 빛이 통과하는 구멍이 있다. 가 장자리와 안쪽에 눈금이 표시되어 있고 직각을 이룬 받침 유리 이동 장치 가 있다. 이 받침 유리 이동 장치의 안쪽에 받침 유리를 고정시킨다. 재물 대의 왼쪽 아래에는 아래로 돌출된 원통형 나사가 있는데, 이를 이용하여 설명은 보조단을 이용하여 제시했다. 재물대를 앞뒤와 좌우로 이동할 수 있다. 5) 집광기: 집광기는 재물대 중앙의 구멍 아래에 있는 것이며, 외부의 광선 을 모아 대물렌즈로 빛을 보내는 장치이다. 조리개가 있어서 간단한 조작 으로 광선의 양을 조절할 수 있다. 6) 조동 나사와 미동 나사: 재물대 아래쪽 좌 또는 우측에 부착되어 있으며, 현미경 사용법 과정 3) 현미경 사용법 과정 5) 현미경 사용법 과정 6) 현미경 사용법 과정 7) 직경이 큰 나사는 조동 나사이고 밖으로 돌출된 직경이 작은 나사는 미동 나사이다. 조동 나사와 미동 나사를 돌리면 재물대가 상하로 이동한다. ④ 결과 및 고찰 조동 나사를 움직이면 재물대가 많이 움직이고 미동 나사를 움직이면 미 세하게 움직인다. 4 현미경 사용법 및 물체의 길이 측정 실험에서 얻을 수 있는 결과를 필요한 가. 현미경 사용법(재물대 이동식 현미경) 1) 현미경 장에 보관된 현미경을 운반할 때는 반드시 두 손으로 잡아야 한 다. 한 손은 경주를 잡고, 다른 한 손으로 경각 아래를 받친다. 경우 말로 설명하는 부분과 표로 데이터 2) 진동이나 충격을 주지 말고, 관찰하기 편한 자세가 되도록 현미경을 놓 는다. 3) 전원을 콘센트에 꽂은 후, 전원 스위치를 켜고 광량 조절 나사로 빛의 양 을 조절한다. 를 얻는 부분으로 나누어 제시했다. 4) 현미경 관찰을 시작할 때는 저배율의 대물렌즈를 사용한다. 5) 재물대 위의 클립을 벌리고 현미경 표본을 올려놓는다. 6) 재물대를 최대한 위로 올린 후 조동 나사를 조정하여 재물대를 서서히 내리 이머전 오일 떨어뜨림 렌즈페이퍼로 닦기 면서 상을 찾고 초점을 맞춘다. 그림 I-2 현미경 조작 14 15 ⑤ 연구 과제 각 실험과 관련하여 추가적으로 할 수 있는 연구 주제를 제시했다. 교사는 추가 실험을 제시할 수 있고, 학생들은 자율 탐구를 수행하는 데 이용할 수 있다. 참고 자료: 실험을 하는 데 사용할 수 있는 참고 자료를 제시하여 방법이나 결과 정리를 돕거나, 새로운 이론적인 부분을 소개하고자 했다. 참고 문헌: 추가 실험을 할 때 필요한 정보를 찾기 쉽게 하고자 마지막 부분에 참고 문헌을 제시했다. 부록 부록 1 _ 토양 무척추동물 검색표 실험에서 사용하는 데 필요한 자료 계속 ⑥ ④ 촉각은 팔꿈치형으로 굽혀진 모양 앞날개는 거의 몸 전체를 덮는다 촉각은 팔꿈치형이 아님 ⑦ 앞날개는 짧고 복부가 거의 드러남 입은 흡수형, 침형 입은 저작형 를 부록에 제시했다. 여기에는 토 벌목개미과 딱정벌레목 성충 양 무척추동물의 검색표와 연못 생 촉각은 3~4마디 물 검색표가 포함되었다. 또한 실 촉각은 13마디 이상 꼬리 끝은 집게 모양 머리가 잘 보이지 않음 꼬리 끝은 가위 모양이 아님 머리가 잘 보임 집게벌레목 촉각은 작거나 가늘다 촉각은 크고 짧다 촉각은 채찍 모양 촉각은 구슬 모양 험실 안전과 사고 발생 시 응급조치 머리는 가늘고 길며 뾰족함 머리는 뾰족하지 않음 메뚜기목 바퀴목 촉각은 길다 ⑧ 요령을 제시하여 안전하게 실험에 노린재목 딱정벌레목 성충 다리는 4쌍 딱정벌레목 유충 톡토기목 다듬이벌레목 다리는 5쌍 이상 흰개미목 ⑤ 임할 수 있도록 했으며, 불의의 사 앞날개는 딱딱하고 불투명 뒷날개는 막질 앞날개, 뒷날개 모두 깃털 모양 앞날개는 작지 않으며 반은 막질 뒷날개는 막질 앞쪽에 집게가 있음 앞날개,뒷날개는 가운데서 접힌다 고 시 빠른 조치를 취할 수 있도록 앞쪽에 집게가 없음 앞날개, 뒷날개는 다소 겹침 주의) 다리를 셀 때 촉각을 세지 않도록 주의 12 10 했다. 총채벌레목 230 ⑥ ⑦ ⑨ 부록 ● 231 I 생물의 구조와 기능 13 1. 광학 현미경의 구조와 사용법 12 18 2. 주사 전자 현미경 23 3. 동식물 세포 관찰 27 4. 삼투 현상에 영향을 미치는 요인 31 5. 식물 세포의 원형질 분리와 복귀 35 6. 삼투압 측정 36 40 7. 식물의 생식 기관 관찰 44 8. 무척추동물 해부 48 9. 척추동물 해부 Ⅱ 물질대사 55 1. 효소의 촉매 작용 54 59 2. 온도와 pH 변화에 따른 효소 반응 속도 63 3. 빛과 온도 변화에 따른 광합성 속도 67 4. 온도에 따른 세포 호흡 속도 71 5. 효모의 발효(유기 호흡, 무기 호흡) 74 6. 혈색소 비율 측정 Ⅲ 자극과 반응 81 1. 물리적·화학적 자극에 대한 동물의 반응 80 85 2. 사람의 반사 작용 89 3. 식물의 굴중성 93 4. 식물의 굴광성 Ⅳ 생식과 발생 99 98 1. 체세포 분열 103 2. 감수 분열 106 3. 꽃가루관의 발아 110 4. 닭의 발생 Ⅴ 유전과 진화 117 1. 침샘 염색체 관찰 117 121 2. 핵형 분석 124 3. DNA 추출: DNA 목걸이 만들기 128 4. DNA 모형 제작 131 5. 초파리 돌연변이 관찰 136 6. 초파리 교배 실험을 통한 멘델의 유전 법칙 확인 137 141 7. 반성유전 144 8. 사람의 유전 형질 조사 148 9. 계통수 작성 154 10. 대립 유전자의 빈도 변화 Ⅵ 생물과 환경 161 1. 식물 채집과 분류 167 166 2. 토양 속 무척추동물 채집과 분류 169 3. 방형구법을 이용한 식물 군집 조사 174 4. 연못 생태계 조사 178 5. 개체군 생장 182 6. 수질 검사와 오염도 측정 175 187 7. 환경 오염이 식물의 생장에 미치는 영향 191 8. 환경 요인이 물수리 개체군에 미치는 영향 Ⅶ 생명 공학 199 1. 동물 세포 배양 201 204 2. 식물 조직 배양 208 3. 대장균 배양 212 4. DNA 전기영동과 제한 효소 216 5. 대장균 형질 전환 220 6. 생물 정보학 부록 226 1. 토양 무척추동물 검색표 236 2. 연못 생물 검색표 238 3. 실험실 안전 242 4. 안전사고 대처 요령 단원 열기 지구상에서 살아가는 생물은 다양한 환경에 적응하여 생활하고 있다. 또 생물체는 몸의 구조가 간단한 세균과 같은 미생물부터 구 조가 복잡한 다세포 생물인 사람에 이르기까지 모두 세포라는 기본 단위로 되어 있다. 그러므로 생물체에 대한 이해는 세포 연구 에서 시작되며 현미경에 토대를 둔 생명체의 구조와 기능에 대한 해부학적인 정보가 생물체를 이해하는 기초가 된다. 여기에서는 생물체를 연구하는 기본이 되는 현미경의 구조와 사용법을 익히고 이를 통해 동식물 세포를 관찰하며, 세포막을 통한 물질 출입의 한 예로 삼투 현상을 탐구하고 생식 기관과 무척추동물, 척추동물의 해부를 통해 생명체에 대한 이해의 폭을 넓혀 보자. 10 *생물의 구조와 기능 I-1 광학 현미경의 구조와 사용법 I-2 주사 전자 현미경 I-3 동식물 세포 관찰 I-4 삼투 현상에 영향을 미치는 요인 I-5 식물 세포의 원형질 분리와 복귀 I-6 삼투압 측정 I-7 식물의 생식 기관 관찰 I-8 무척추동물 해부 I-9 척추동물 해부 사진 | 김승자 [물푸레생태교육센터] 11 현미경을 이용한 생물의 구조 관찰 . 생물의 구조 관찰 은 학생의 호기심 을 자극하고 생명 과학에 흥미를 불 러일으킴. 12 I 생물의 구조와 기능 실험 I-1 광학 현미경의 구조와 사용법 • 현미경의 구조를 설명할 수 있다. • 현미경을 사용하여 선명한 상을 찾을 수 있다. 학습 목표 1 도입 생명과학 실험의 기본이 되는 기구가 광학 현미경이다. 광학 현미경을 사용 하면 세포를 약 1,000배까지 확대해 관찰할 수 있으며 세균과 원생생물 같은 은 작은 것까지 관찰할 수 있다. 광학 현미경을 통해 우리는 생명과학에 대한 이해의 폭을 넓힐 수 있다. 그러므로 광학 현미경의 구조와 기능을 배우고 익히 는 일은 생명과학을 탐구하는 데 매우 중요하다. 광학 현미경의 종류는 매우 다 양한데, 이 실험에서는 생명과학 연구의 기본이 되는 광학 현미경의 구조와 사 용법을 알아보자. 2 준비물 광학 현미경, 현미경 표본 3 광학 현미경 각 부분의 명칭과 기능 가. 그림을 참고하여 광학 현미경 각 부분의 명칭을 알아보자. 경통 접안렌즈 경주 회전판 대물렌즈 전원 스위치 스프링 클립 재물대 광량 조절 나사 조리개 조절 나사 미동 나사 조동 나사 미동 나사 집광기 Y축 나사 광원 X축 나사 경각 그림 I-1 광학 현미경의 구조와 명칭 13 나. 현미경 각 부분의 기능을 알아보자. 1) 접안렌즈: 눈을 대고 물체를 관찰하는 렌즈이며, ×5, ×10, ×20의 배율이 적혀 있다. ×10의 배율이 적힌 렌즈가 현미경에 끼워져 있는 경우가 많다. 2) 경통: 현미경에서 접안렌즈와 대물렌즈의 길이를 일정하게 유지하는 통 으로 빛이 지나는 통로이다. 3) 대물렌즈: 재물대 바로 위에 있는 렌즈이며, 보통 ×4, ×10, ×40, × 100의 배율이 적혀 있는 4개의 렌즈가 회전판에 붙어 있다. 배율이 높을 수록 렌즈의 길이가 길다. 4) 재물대: 시료를 올려놓는 편평한 판으로 빛이 통과하는 구멍이 있다. 가 장자리와 안쪽에 눈금이 표시되어 있고 직각을 이룬 받침 유리 이동 장치 가 있다. 이 받침 유리 이동 장치의 안쪽에 받침 유리를 고정시킨다. 재물 대의 왼쪽 아래에는 아래로 돌출된 원통형 나사가 있는데, 이를 이용하여 재물대를 앞뒤와 좌우로 이동할 수 있다. 5) 집광기: 집광기는 재물대 중앙의 구멍 아래에 있는 것이며, 외부의 광선 을 모아 대물렌즈로 빛을 보내는 장치이다. 조리개가 있어서 간단한 조작 으로 광선의 양을 조절할 수 있다. 6) 조동 나사와 미동 나사: 재물대 아래쪽 좌 또는 우측에 부착되어 있으며, 직경이 큰 나사는 조동 나사이고 밖으로 돌출된 직경이 작은 나사는 미동 나사이다. 조동 나사와 미동 나사를 돌리면 재물대가 상하로 이동한다. 조동 나사를 움직이면 재물대가 많이 움직이고 미동 나사를 움직이면 미 세하게 움직인다. 4 현미경 사용법 및 물체의 길이 측정 가. 현미경 사용법(재물대 이동식 현미경) 1) 현미경 장에 보관된 현미경을 운반할 때는 반드시 두 손으로 잡아야 한 다. 한 손은 경주를 잡고, 다른 한 손으로 경각 아래를 받친다. 2) 진동이나 충격을 주지 말고, 관찰하기 편한 자세가 되도록 현미경을 편 평한 곳에 놓는다. 3) 전원을 콘센트에 꽂은 후, 전원 스위치를 켜고 광량 조절 나사로 빛의 양 을 조절한다. 4) 현미경 관찰을 시작할 때는 저배율의 대물렌즈를 사용한다. 5) 재물대 위의 클립을 벌리고 현미경 표본을 올려놓는다. 6) 재물대를 최대한 위로 올린 후 조동 나사를 조정하여 재물대를 서서히 내리면 서 상을 찾는다. 대략의 상을 찾은 다음 미동 나사를 이용하여 초점을 맞춘다. 14 I 생물의 구조와 기능 7) 관찰이 용이하도록 광량을 조절한다. 추가 설명 8) 회전판을 돌려서 원하는 배율로 관찰한다. 배율이 바뀌면 광량 조절 나사 1. 현미경의 배율은 ‘접안렌즈의 배율 ×대물렌즈의 배율’로 나타낸다. 2. 이머전 오일 대물렌즈가 있을 경 우 1,000배로 관찰할 때는 그림 1-2의 이머전 오일을 떨어뜨리 는 사진처럼 ×100 대물렌즈로 맞추기 전에 이머전 오일을 떨어 뜨리고 관찰하며 관찰한 후에는 반드시 렌즈페이퍼로 두세 차례 기름이 묻어 나오지 않을 때까지 부드럽게 닦아 준다. 이머전 오일 은 굴절률을 높여 줌으로써 광량 을 최대한 확보하여 해상력을 높 여 주는 역할을 한다. 와 조리개로 광량을 조절해야 좋은 상을 관찰할 수 있다. 9) 관찰이 끝나면 조동 나사를 돌려서 재물대와 경통 사이의 간격을 벌린 후 현미경 표본을 뺀다. 10) 회전판을 돌려서 가장 저배율인 렌즈가 경통과 일치하도록 맞춘 후 램프 를 끈다. 11) 전원 플러그를 콘센트에서 뽑은 후 전선을 감아서 현미경 장에 넣는다. 광량조절나사로 빛의 양 조절 재물대에 표본 올려 두기 초점 맞추기 조리개로 빛의 양 조절 이머전 오일 떨어뜨림 렌즈페이퍼로 닦기 그림 I-2 현미경 조작 15 나. 마이크로미터를 이용한 물체의 길이 측정 1) 접안 마이크로미터 눈금 길이 측정 그림 I-3 대물 마이크로미터 받침 유리 형태의 가운데 원이 있고 그 원 중앙에 한 눈의 크기가 0.01 mm(10μm)인 눈금 100개가 자 형 태로 새겨져 있다. 1 접안 마이크로미터는 접안렌즈 쪽에 끼우고 대물 마이크로미터는 재 물대 위에 올려놓는다. 2 대물 마이크로미터의 눈금에 초점을 맞춘 다음 접안렌즈를 알맞게 돌 려서 대물 마이크로미터의 눈금과 접안 마이크로미터의 눈금이 평행 하게 겹치도록 한다. 3 접안 마이크로미터의 눈금과 대물 마이크로미터의 눈금이 겹치는 두 곳을 찾는다. 4 겹치는 부분의 눈금 수를 각각 센다. 5 대물 마이크로미터의 한 눈금의 크기는 10μm이므로 접안 마이크로 미터 한 눈금의 크기를 아래 수식을 사용하여 구한다. 그림 I-4 대물 마이크로미터와 접안 마이크로미터(X100) 접안 마이크로미터 한 눈금의 크기 = 겹친 대물 마이크로미터의 눈금 수 겹친 접안 마이크로미터의 눈금 수 ×10μm 길고 진하게 보이는 것이 대물 마이 크로미터이고, 위쪽에 숫자가 새겨 진 것이 접안 마이크로미터이다. 2) 영구 현미경 표본의 관찰 및 크기 측정 1 대물 마이크로미터 대신 측정하려는 현미경 표본을 재물대 위에 놓는다. 2 측정하려는 물체의 길이를 접안 마이크로미터의 눈금으로 측정한다. 5 결과 및 고찰 가. 배율에 따른 상의 모습의 차이점을 비교해보자. 저배율 고배율 작동 거리 시야의 범위 밝기 해상력 나. 현미경으로 관찰한 표본의 길이를 측정하는 방법을 설명해 보자. 16 I 생물의 구조와 기능 6 연구 과제 현미경용 마이크로미터는 접안 마이크로미터와 대물 마이크로미터가 한 세 트로 되어 있다. 현미경의 배율이 달라짐에 따라 대물 마이크로미터와 접안 마 이크로미터의 크기는 어떻게 달라지는가? 현미경 관찰 시 꼭 기억해야 할 3가지 포인트 1. 대물렌즈를 저배율에서 고배율로 바꿔가며 관찰한다. 고배율로 초점 을 맞출 때는 미동 나사를 사용한다. 2. 재물대를 최대한 위로 올렸다가 내리면서 상을 찾는다. 3. 초점이 맞으면 광원의 밝기와 조리개를 조절하여 관찰하기 가장 좋은 상태로 맞춘다. 너무 어둡거나 너무 밝으면 보이지 않을 수 있다. 현미경 보조 기술 세포 구조를 좀 더 세밀하게 관찰하려면 현미경의 발달과 더불어 관찰 할 재료를 적절하게 처리하는 기술 또한 발달해야 한다. 가령 마이크로 톰은 현미경으로 관찰할 재료를 5~10㎛ 정도로 얇게 자를 수 있어서 다 양한 시료의 현미경 관찰을 용이하게 한다. 고정법은 세포가 변질되지 않고 살아 있을 때와 같은 상태를 유지하게 하는 방법이며, 염색법은 관 찰하고자 하는 세포 내 구조물을 다른 부분과 구분하여 명확하게 관찰하 게 해 준다. 염색 안한 양파 표피세포 염색 한 양파 표피세포 그림 I-5 양파표피세포(X100) 참고 문헌 권혁빈 외 11인. 2011. 생명과학 실험서. 라이프사이언스. 김미경 외 4인. 2010. 생물 실험. 교육과학기술부. 백인영 외 14인. 2013. 고등학교 1학년 과학영재반 영재교육교재. 서울특별시과학전시관. 17 실험 I-2 학습 목표 주사 전자 현미경 • 주사 전자 현미경의 구조와 원리를 설명할 수 있다. • 주사 전자 현미경의 사용법을 설명할 수 있다. 1 도입 주사 전자 현미경은 1935년 독일의 막스 크놀(Max Knoll)에 의해 원리가 발견된 이후 1960년 초에 제품으로 출시되어 실용화되었다. 주사 전자 현미경 은 전자선(electron beam)을 이용한 3차원 이미지의 고분해능을 갖는다. 같 은 저배율이라도 일반 광원을 이용하는 실체 현미경보다 더욱 선명한 이미지 를 얻을 수 있다. 주사 전자 현미경은 일반 광학 현미경의 광원인 가시광선보다 약 1/100 정도 짧은 파장인 나노미터 파장의 전자선을 이용하여 관찰 대상 표 본 위를 빠르게 주사함으로써 관찰하고자 하는 표본의 요철(凹凸) 부위에서 반 사하는 2차 전자를 검출하여 증폭시킨 후에 PC 모니터에서 입체 구조(3D)를 관 찰할 수 있다. 주사 전자 현미경에서 발생하는 전자선은 관찰 대상의 표면 깊이 10nm 이하에서 방출하는 각종 에너지 신호를 발생시켜 표본에서 여러 가지 정 보를 얻을 수 있다. 여기에서 주사 전자 현미경을 이용하여 생물 표본을 관찰하는 방법에 대해 살펴보자. 일반적으로 실험에서는 생물 표본의 전처리 과정을 마친 후 관찰 대상 표본 을 재료대(stub)에 고정하기 위해 전도성 양면테이프 혹은 은 접착제(silver paste)로 부착한 후 금 혹은 백금을 이온 스퍼터링 코팅 장치(gold ion sputtering coater)로 코팅한 후에 주사 전자 현미경으로 관찰하는 방법에 대 해 간단히 알아본다. 2 준비물 준비된 표본, 재료대(stub), 주사 전자 현미경, PC, 표본 고정용 양면테이프 혹은 은 접착제(silver paste), USB 메모리, 1회용 비닐장갑 18 I 생물의 구조와 기능 3 방법 및 절차 가. 기기 준비 1) 주사 전자 현미경의 경통 몸체 하부 패널에서 전원(EVAC POWER) 스위치를 켜고 이어서 옆에 있는 화면 스위치(DISPLAY)를 켠다(그 림 I-6). 이때 오른쪽 패널의 진공 조절 패널(evacuation control panel)에 있는 LOW(red signal lamp)와 WAIT(yellow signal lamp)에 불이 각각 켜진다(그림 I-7). 약 10분에서 15분이 지나면 진 공이 준비된 상태를 알리는 HIGH에 녹색 램프가 켜진다. 그림 I-6 EVAC POWER ON 그림 I-7 LOW와 WAIT LAMP ON 나. 표본 장착 및 관찰 1) HIGH에 녹색 램프가 켜지면 EVAC 버튼을 눌러 AIR 상태에서 2~3분 기 다린 후(그림I-8) 진공을 해제한다. 그리고 표본 장착을 위해 주사 전자 현 미경 표본 장착실(specimen cylinder) 문을 앞으로 당겨서 열고 관찰하고 자 하는 표본을 내부에 잘 고정한다. 표본 장착실의 문을 닫고 EVAC 방향 으로 녹색 버튼을 다시 누르면 2~3분 후 HIGH에 녹색 램프가 켜진다. 그 후부터는 PC 모니터에서 HV(High Voltage) 상태에서 표본을 관찰할 수 있다. 만일 관찰이 끝난 후 다른 표본으로 교체하여 관찰할 때는 PC 화면에서 HV를 OFF 후에 경통 오른쪽 하부에 EVAC 버튼을 AIR 버튼 상 태(그림I-8)로 한 후 2~3분 후 진공이 해제되면 표본 장착실을 열고 새로운 표본을 동일한 방법으로 장착한 후에 관찰한다. 그림 I-8 EVAC ON/OFF 19 2) 표본의 크기에 따라 직경이 15mm 또는 26mm 재료대를 사용한다. 이 때 표본의 높이는 조절대(Z축)를 이용하여 적당하게 조절한다. 표본의 높 이를 높여 최종 주사 전자선과 거리를 짧게 할수록 분해능이 높아지므로 고 배율 관찰에 좋다(그림I-9). 그림 I-9 표본의 장착 3) 진공 상태를 알리는 녹색 램프가 켜지면 HV 버튼을 마우스로 클릭한다. 이때 Vacc 창 아래에 현재의 HV를 알리는 숫자(20.0kV)가 나오는데 표본 관찰을 위한 적당한 가속 전압을 선택한다(그림I-10). 보통 전처리 없이 건조된 표본을 금속 코팅(gold coating)한 생물 표 본을 관찰할 때나 저배율로 관찰할 때는 낮은 전압을 선택한다. 예를 들면 약 5kV 전후의 HV를 선택한다. 이때 HV는 표본 혹은 분해능에 따라 경험적으로 선택한다. 그림 I-10 가속 전압 4) 조정을 마친 후 대화 상자에서 ON을 클릭하면 HV의 테두리가 붉은색으 로 나타난다. 5) 화면상에서 표본의 이미지가 나타나며 Vacc(가속 전압)에서 선택한 전압 (kV)과 전류 값(uA)이 표시된다. 만일 이때 전류 값이 0으로 표시된다면 전자총의 필라멘트의 수명이 다했으므로 관련 매뉴얼에 따라서 새것으로 교체해야 한다. 표본을 관찰할 때 저배율 상태에서 트랙 볼(track ball)을 이동하여 이 20 I 생물의 구조와 기능 미지를 찾는다. 저배율에서 시작해서 점진적으로 고배율로 관찰한다. 표본을 이동할 때는 트랙 볼 대신 대화 상자 우측 부분의 마우스를 이용해도 된다. Image shift multi function 트랙 볼 Stigmator 그림 I-11 트랙 볼과 ROTARY KNOB, 조정 장치 KNOB 6) 주사 속도 TV1을 선택하면 주사 속도가 가장 빠르므로 관찰하려는 대상을 신속하게 찾을 수 있다. 7) 경통 아래 표본 장착대에 부착된 ROTARY KNOB과 X, Y, Z축 조정 장치 KNOB을 이용하여 원하는 이미지를 찾아 초점을 맞춘다. 이때 컴 퓨터 화면의 주사 이미지 창에 나타나는 도구 상자에서 RED(이미지의 일 부 포착)를 이용하여 초점과 대조, 밝기 등을 적당히 조정한다. 또한 이 미지를 원하는 배율보다 3~5단계 높게 배율을 설정하여 초점을 맞춘 후 본 래 관찰하고자 하는 배율로 낮추어 관찰하거나 이미지 기록을 위한 사진 을 촬영하면 좋다. 8) 또 가속 전압을 올리고 집속렌즈와 대물렌즈의 조리개를 작은 구경으로 선 택하고 WD를 짧게 설정하여 이미지 왜곡 현상을 보정하면 분해능을 높일 수 있다. 9) 컴퓨터 화면에 Capture 도구 상자를 클릭하면 이미지 창이 형성된 다. 잠시 후 capture image 창에 이미지가 들어온다. 대화 상자 의 capture standard를 클릭하면 capture image 창이 형성되고 condition과 memory를 클릭하여 이미지와 조건 값을 저장한다. 정리 하자면 보통 다음과 같은 과정을 거쳐 정확한 초점을 맞춘다. 1 고진공 모드와 저진공 모드를 설정하기 위한 조건 2 가속 전압 설정 3 이미지의 대조 및 밝기 조정 4 대략적인 초점 조정 21 5 관찰 시야 범위 선택 6 배율 설정 7 비점 수차(이미지 왜곡 현상) 보정 8 초점의 미세 조정 9 사진 촬영을 위한 기록 다. 주사 전자 현미경 촬영 마치기 1) 필요한 이미지를 모두 PC에 파일을 만들어 저장하고 HV를 OFF한다. 2) 경통 하부의 패널에 EVAC 버튼을 눌러 AIR 상태에서 2~3분 기다려 표본 장착실의 진공 상태가 대기압 상태로 되면 표본 장착 장치를 당겨 열고 관찰 했던 표본을 꺼내어 제습 혹은 진공 상태인 표본 보관 상자에 넣어 보관한 다. 다시 주사 전자 현미경에서 경통 하부 패널 판에 있는 EVAC 버튼이 눌린 상태에서 2~3분 후에 HIGH에 불이 들어오면 경통 패널(column unit)에 있는 EVAC POWER를 아래로 내려 OFF한다. 이는 항상 경통 내부를 깨끗한 진공 상태로 유지하기 위한 수단이다. 마지막으로 주사 전자 현미경 가동 중에 가열된 확산 오일 펌프를 부속 장치인 냉각수 순환 장치 를 통해 약 20분간 냉각시킨다. 3) 컴퓨터 프로그램을 종료하고 전원을 끈다. 4 연구 과제 가. 머리카락이나 개미, 나비의 날개와 같은 우리 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료를 이용하여 주사 전자 현미경으로 관찰해 보자. 나. 주사 전자 현미경을 이용하여 관찰할 때 시료를 전처리하는 일반적인 과정 을 조사하여 발표해 보자. 다. 주사 전자 현미경을 이용하여 관찰할 시료를 코팅하는 과정을 조사하여 발 표해 보자. 참고 문헌 신학수 외 12인. 2010. 과학기기 활용법 과학영재학교 교재. 서울특별시교육청. 윤철종 외 5인. 2009. 2009학년도 전자현미경 직무연수 교재. 서울특별시과학전시관. 22 I 생물의 구조와 기능 실험 I-3 학습 목표 동식물 세포 관찰 • 식물 세포와 동물 세포를 현미경으로 관찰할 수 있다. • 식물 세포와 동물 세포의 차이점을 설명할 수 있다. 1 도입 생물체는 세포로 이루어져 있고, 세포는 생물체의 구조와 기능의 기본 단위이 다. 세포는 크게 원핵 세포와 진핵 세포로 구분한다. 원핵 세포는 핵과 막으로 둘 러싸인 세포 소기관이 없다. 반면에 진핵 세포는 핵이 있고 막으로 둘러싸인 세포 소기관을 갖고 있다. 동물 세포와 식물 세포는 대표적인 진핵 세포이다. 동물 세포와 식물 세포는 같 은 진핵 세포이기에 대체로 유사하다. 그런데 식물은 광합성을 하지만 움직일 수 없고, 동물은 광합성은 못 하지만 움직일 수 있기에 몇 가지 다른 점이 있다. 특히 식물 세포는 세포막 바깥쪽에 셀룰로스로 된 세포벽이 있어서 세포를 보호하고 형 태를 유지하며, 엽록소를 함유한 엽록체를 갖고 있다. 그리고 유기산과 단백질, 무기염류 등이 들어 있는 중심 액포가 발달되어 있다. 이 실험에서는 식물 세포인 양파의 비늘잎과 동물 세포인 구강 상피 세포를 관찰함으로써 차이점을 알아본다. 세포를 현미경으로 잘 관찰하기 위해 염색 후 관찰해 보자. 2 준비물 광학 현미경, 덮개 유리, 받침 유리, 핀셋, 면도칼, 증류수, 여과지, 렌즈페이퍼, 이머전 오일, 메틸렌 블루 용액, 아세트올세인 용액 혹은 아세트산카민 용액, 양파 비늘잎, 지우개, 면봉 그림 I-12 준비물 3 방법 및 절차 가. 양파 세포 관찰 1) 양파 비늘잎 안쪽 표피에 면도칼로 가로와 세로가 4~5mm 가량 되도 록 #자 모양으로 칼금을 내고 핀셋으로 벗겨 낸다. 2) 받침 유리 위에 벗겨 낸 표피를 올려놓고 증류수를 한 방울 떨어뜨린다. 23 칼금 내기 양파 표피 한 겹 벗겨내기 프레파라트 만들기 그림 I-13 방법 및 절차 과정 1), 2) 3) 덮개 유리를 기포가 생기지 않게 조심스럽게 덮고 지우개로 가볍게 두드 려 기포를 없앤다. 4) 여과지를 사용하여 덮개 유리에서 넘쳐 나온 물기를 제거한 후 관찰한다. 덮개 유리 덮기 기포 없애기 여분 물기 제거 그림 I-14 방법 및 절차 과정 3), 4) 5) 관찰이 끝나면 다시 아세트올세인이나 아세트산카민과 같은 염색약을 덮 개 유리의 한쪽에 떨어뜨린 후 반대쪽에서 여과지를 사용하여 빨아들이 는 방법으로 염색한 후 관찰한다. 24 I 생물의 구조와 기능 아세트산 카민 염색 면도칼을 사용해 덮개 유리를 몇 번 들썩이면 여분 염색약 제거 염색약을 고르게 퍼지게 할 수 있음 그림 I-15 방법 및 절차 과정 5) 6) 저배율로 먼저 관찰하고 나서 고배율로 관찰한다. 7) 각 배율에서 관찰한 결과는 휴대 전화 사진기로 촬영하거나 그림을 그린다. 8) 1,000배로 관찰할 때는 이머전 오일을 떨어뜨리고 관찰한다. 나. 구강 상피 세포 관찰 1) 면봉으로 입안의 뺨 부분을 가볍게 문지른다. 2) 면봉에 묻힌 상피 세포를 받침 유리에 넓게 편 다음 물을 한 방울 떨어뜨린다. 3) 그 위에 메틸렌 블루 용액 한 방울을 떨어뜨린다. 4) 덮개 유리를 덮고 여분의 염색약을 여과지로 빨아들인다. 5) 현미경 표본을 관찰하되 저배율에서 시작해서 고배율로 관찰한다. 6) 1,000배로 관찰할 때는 이머전 오일을 떨어뜨리고 관찰한다. 7) 각 배율에서 관찰한 결과는 휴대 전화 사진기로 촬영하거나 그림을 그린다. 8) 관찰이 끝나면 100배의 대물렌즈는 렌즈페이퍼로 가볍게 닦아 준다. 4 결과 및 고찰 가. 염색 전의 양파 세포를 관찰하고, 그 결과를 그리거나 촬영한 후 인쇄하여 붙인다. 25 (X ) (X ) 나. 염색 후의 양파 세포를 관찰하고, 그 결과를 그리거나 촬영한 후 인쇄하여 붙인다. (X ) (X ) 다. 세포를 염색하기 전과 후의 차이는 무엇일까? 모둠원과 토의해 보자. 라. 동물 세포와 식물 세포를 다른 염색약으로 염색하는 까닭은 무엇일까? 모 둠원과 토의해 보자. 5 연구 과제 식물 세포 관찰에 양파의 비늘잎 표피 세포를 사용하는 까닭은 무엇일까? 양 파의 비늘잎 표피는 안쪽에도 있고 바깥쪽에도 있다. 왜 굳이 안쪽 비늘잎 표피 세포를 사용하여 실험하는 것일까? 모둠원과 그 까닭을 토의해 보자. 참고 문헌 권혁빈 외 11인. 2011. 생명과학 실험서. 라이프사이언스. 김학현 외 2인. 2010. 일반생물학 실험I. 서울시교육청. 26 I 생물의 구조와 기능 실험 I-4 학습 목표 삼투 현상에 영향을 미치는 요인 • 삼투 현상에 영향을 미치는 요인을 말할 수 있다. • 삼투 현상에 영향을 미치는 요인을 알아보기 위한 실험을 설계하고 수행할 수 있다. 1 도입 물은 삼투라고 하는 확산 과정에 의해 막에 있는 특수화된 통로를 거쳐 통과 한다. 삼투가 일어나는 방향은 막의 양쪽 면에 있는 물 분자의 상대적 농도에 따라 달라진다. 특정 용액에서 전체 용질 농도가 더 높을수록 물 분자의 농도는 더 낮다. 서로 다른 용액을 분리하는 막이 용질이 아닌 물만 통과시키는 상황을 고려해 보자. 물 분자는 물의 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동할 것이다. 여기서 순수한 물의 이동을 생각해 보자. 막을 가로질러 지속적으로 세포의 안 팎으로 이동할 것이다. 이때 막의 양쪽 면 사이에 농도 차가 있다면 전반적인 이동 속도는 어느 한쪽에서 더 클 것이다. 두 용질의 농도를 비교할 때 고장액, 등장액, 저장액이라는 말을 쓴다. 고장 액은 비교 대상의 용액보다 농도가 더 높은 용액을 말하고, 용질의 농도가 같 으면 등장액, 비교 대상의 용액보다 용질의 농도가 더 낮으면 저장액이라고 한 다. 배추에 소금을 뿌려 두면 물이 빠져나오면서 조직이 쪼그라드는 현상은 이 같은 삼투 현상에 의해 일어난다. 실험을 통해 이러한 삼투 현상이 온도와 용액 의 농도에 어떤 영향을 받는지 알아보자. 2 준비물 반구형 깔때기 관, 스탠드, 클램프, 비커, 막대자, 고무줄, 가위, 유성 펜, 피 펫, 항온 수조, 온도계, 셀로판 튜브, 0.1M 설탕물, 증류수, 설탕물(20%, 40%, 60%), 투석 주머니, 고무줄, 전자저울 3 방법 및 절차 가. <실험 1> 삼투 현상의 시범 실험을 실행해 보자. 27 0.1M 설탕물 증류수 셀로판 튜브 그림 I-16 삼투압 시범 실험 한쪽 끝이 반구 모양인 깔때기 관을 셀로판지로 싸매어 [그림Ⅰ-16]과 같이 증류수에 담그고 여기에 0.1M 설탕물을 수조의 수면과 일치시켜 하루 정도 방 치하여 설탕물의 높이가 올라간 것을 보여 준다. 나. <실험 2> 용질의 농도가 삼투 현상에 미치는 영향을 알아보기 위한 실험을 수행해 보자. 1) 투석 주머니 A, B, C, D, E를 준비하여 한 끝을 접어서 실이나 고무줄 로 졸라맨다. 2) 투석 주머니 A에는 증류수 15mL, B에는 20% 설탕물 15mL, C에는 40% 설탕물 15mL, D에는 60% 설탕물 15mL, E는 증류수 15mL를 채 운다. 3) 주머니의 아래쪽을 살짝 눌러 공기를 제거하고 끝의 5cm 정도를 접어서 고무줄이나 실로 졸라맨다. 4) 주머니의 물기를 닦아 내고 무게를 0.5g 수준까지 측정하고 표에 기록한다. 시간 (분) 0 10 20 30 40 50 28 주머니 A 무게 변화 0 주머니 B 무게 변화 0 주머니 C 무게 변화 0 주머니 D 무게 변화 0 주머니 E 무게 변화 0 I 생물의 구조와 기능 5) 주머니 A, B, C, D는 증류수가 담긴 비커 4개에 각각 담그고, 주머니 E는 60% 설탕물이 들어 있는 비커에 담근다. 6) 50분 동안 10분 간격으로 각 주머니를 꺼내어 수분을 닦아 내고 무게를 측 정하여 표에 기록한다. 7) 시간 경과에 따른 각 주머니의 무게 변화를 그림에 나타낸다. 시간(분) 0 무게 변화(∆wt) 10 20 30 40 50 그림 I-17 삼투 결과 다. <실험 3> 모둠별로 용액의 종류와 온도가 삼투에 미치는 영향을 알아보는 실험 을 설계해 보자. 1) 각 모둠별로 조작 변인을 선택하고 가설을 세워 보자. 조작변인 가 설 용액의 종류 (전해질과 비전해질) 온도 2) 이 가설을 검증하기 위한 실험을 모둠별로 설계한 후 발표해 보자. 실험 과정 3) 실험의 결과를 예상해 보자. 그렇게 생각하는 근거는 무엇인지 적어 보자. 29 결과 근거 4) 실험 계획에 따라 실험을 수행하고 결과를 얻어 보자. 4 결과 및 고찰 가. <실험 1>에서 설탕물이 든 깔때기 관의 수면 높이가 높아지는 이유는 무엇 인가? 나. <실험 2>에서 설탕물 농도와 삼투 속도 사이에는 어떤 관계가 있는가? 설 탕 농도와 삼투 속도 사이에 관찰된 차이를 어떻게 설명할 수 있는가? 다. <실험 3>의 결과를 표나 그래프 형태로 정리해보자. 라. <실험 3>의 결과로부터 결론을 내려 보자. 마. <실험 3>의 결과가 자신들의 예상과 일치하는지 비교해 보고 일치하지 않 는다면 그 이유를 오차 분석을 통해 알아보자. 참고 문헌 고석찬 외 7인. 2004. 생명과학 실험서. 제주대학교 출판부. 민철기, 강창수. 2006. 생물학실험서. 라이프사이언스. 30 I 생물의 구조와 기능 실험 I-5 학습 목표 식물 세포의 원형질 분리와 복귀 • 삼투 현상에 의한 원형질 분리와 복귀를 설명할 수 있다. • 현미경을 사용하여 식물 세포의 원형질 분리와 복귀를 관찰할 수 있다. 1 도입 세포를 둘러싸고 있는 세포막은 물질을 선택적으로 세포 안팎으로 통과시키 는 특성을 가지고 있다. 살아 있는 세포의 세포질 조성이 주위와 판이하게 다 른 것도 세포막의 선택적 투과성 때문이다. 즉 세포막은 어떤 물질은 통과시키 지만 어떤 물질은 통과시키지 않는데, 이와 같은 막의 성질을 반투과성이라 한 다. 일반적으로 물질은 수동 수송과 능동 수송이라고 하는 두 가지 방법으로 세 포막을 통과한다. 그중 수동 수송은 물질이 농도 차이에 의해 이동하는 것이 다. 수동 수송의 대표적인 예로는 확산이 있다. 잉크 방울을 물에 떨어뜨리면 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 천천히 퍼져 나가는데, 이러한 현상을 확산이라고 한다. 용질의 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 용매인 물이 이동하는 삼투도 일종의 확산이다. 이 과정은 막의 양쪽 면 에서 물 분자의 상대적인 농도에 의존한다. 특정 용액에서 전체 용질 농도가 더 높을수록 물 분자의 농도는 낮다. 두 용액을 분리하는 막이 용질은 통과시키지 않고 물만 통과시킨다고 하면 물 분자는 물의 농도가 높은 부위에서 낮은 부위 로 이동할 것이다. 이런 상황에서 식물 세포를 세포질보다 농도가 진한 고장액 에 넣으면 삼투에 의해 물이 세포 밖으로 빠져나가 세포가 수축하게 된다. 세 포가 수축함에 따라 원래는 세포벽에 붙어 있던 세포막이 세포벽에서 떨어지게 되는데, 이런 상태를 원형질 분리라고 한다. 원형질 분리가 일어난 세포를 다 시 저장액 속에 넣으면 세포 안으로 물이 이동하여 원래의 상태로 되돌아가는 데, 이러한 현상을 원형질 복귀라고 한다. 원형질 분리와 복귀는 식물 세포에 서 삼투 현상에 의해서 관찰할 수 있는 현상이다. 이 실험을 통해 삼투 현상에 의한 원형질 분리와 복귀 현상을 실제로 관찰해 보자. 2 준비물 현미경, 받침 유리, 덮개 유리, 핀셋, 면도칼, 비커, 거름종이, 스포이트, 양 파, 포도당 용액(0%, 5%, 15%, 25%), 유성 펜 31 3 방법 및 절차 가. 비커에 4가지 농도(0%, 5%, 15%, 25%)의 포도당 용액을 각 20mL씩 넣고 농도를 표시한다. 나. 양파 안쪽의 표피 조각을 적당한 크기로 잘라서 각 농도의 포도당 용액에 한 조각씩 담가 놓는다. 그림 I-18 포도당 용액에 양파 표피 담그기 다. 10분 이상 담가 놓은 후 각 표피 조각을 5mm×5mm 정도로 잘라서 받침 유리 위에 놓고, 같은 농도의 포도당 용액을 한 방울씩 떨어뜨린 후 덮개 유리를 덮는다. 라. 현미경으로 저배율부터 고배율로 관찰하여 원형질 분리 현상을 확인하고 그림을 그리거나 휴대 전화 사진기로 촬영한다. 그림 I-19 현미경 상 촬영하기 그림 I-20 원형질 분리 마. 원형질 분리가 일어난 세포에서 본래의 길이와 수축한 원형질의 길이를 마 이크로미터로 측정하여 원형질 분리도를 계산한다. 원형질 분리도(D) = 32 세포의 본래 길이 - 수축된 원형질의 길이 세포의 본래 길이 I 생물의 구조와 기능 바. 원형질 분리가 일어난 양파 표피 현미경 표본의 덮개 유리를 벗기고 증류수 를 떨어뜨린 후 다시 덮개 유리를 덮은 후 원형질의 변화 상태를 관찰한다. 사. 변화 과정을 그림으로 그리거나 휴대 전화 사진기로 촬영한다. 4 결과 및 고찰 가. 각 농도에서 현미경으로 관찰한 양파의 표피 세포의 모습을 그려 보자. 0%(X ) 5%(X ) 15%(X ) 25%(X ) 나. 원형질 분리도를 구하여 아래 표에 적어 보자. 포도당 농도(%) 0 5 15 25 1회 2회 평균 33 다. 원형질 분리가 일어난 까닭은 무엇인가? 라. 원형질 분리가 일어난 세포에 증류수를 떨어뜨리면 어떻게 되는가? 증류수 떨어뜨리기 전 ×400 증류수 떨어뜨린 후 ×400 5 연구 과제 적혈구를 저장액과 등장액, 고장액 속에 넣으면 어떻게 될까? 채혈침으로 찔러서 나오는 피를 3개의 받침 유리에 각각 한 방울씩 떨어뜨리고, 여기에 증 류수와 생리 식염수, 5% NaCl 용액을 각각 한두 방울 떨어뜨린 다음 적혈구 의 모양을 관찰해 보자. 그림 I-21 등장액 속에서의 적혈구 사진(x1000) 그림 I-22 고장액 속에서의 적혈구 사진(×400) 참고 문헌 고석찬 외 7인. 2004. 생명과학 실험서. 제주대학교 출판부. 민철기, 강창수. 2006. 생물학 실험서. 라이프사이언스. 34 I 생물의 구조와 기능 실험 I-6 학습 목표 삼투압 측정 • 삼투압과 수분 퍼텐셜을 측정할 수 있다. • 삼투압과 수분 퍼텐셜의 의의를 설명할 수 있다. 1 도입 농도가 다른 두 용액을 반투과성 막으로 나누어 놓았을 때 농도가 낮은 쪽 에서 농도가 높은 쪽으로 물의 이동에 의해 나타나는 압력을 삼투압이라고 한 다. NaCl과 같은 용질이 순수한 물에 추가되면 물에 녹아 있는 용질의 농도 가 높아지고 삼투압도 커지게 된다. 삼투압(π)은 반트호프 방정식(Van’t Hoff equation)으로 추정이 가능하다. π=(n /V)RT π=CRT 여기서 C는 삼투 농도, R은 이상 기체 상수(8.314J/mol·K), T는 캘빈으로 표시되는 절대 온도이다. 식물학자들은 흔히 식물 내에서 물에 작용하는 힘을 ‘수분 퍼텐셜’의 관점으로 설명한다. 수분 퍼텐셜(Ψ, Psi)은 물의 자유 에너지 상 태를 나타내며, 대개 용질 퍼텐셜(Ψs=삼투 퍼텐셜)과 압력 퍼텐셜(Ψp)을 더 한 값을 MPa(megapascal)라는 압력 단위로 표시한다. 식물 세포를 각기 다른 농도의 설탕물에 넣은 후 충분한 시간이 경과되면 세포 안팎의 수분 퍼텐셜(Ψ) 의 차이에 따라 세포 내로 물이 삼투되어 조직의 무게나 부피가 증가되거나 물 이 빠져나가서 무게나 부피가 줄어들게 된다. 만일 외부 용액의 Ψ이 세포의 Ψ 과 같을 경우에는 삼투 평형이 이루어져서 세포의 무게나 부피가 변하지 않게 된다. 이러한 원리를 이용하여 식물 세포의 수분 퍼텐셜(Ψ)을 간단히 측정할 수 있다. 한편, 러시아의 차르다코프(Chardakov)가 개발한 방법을 이용하면 현미 경이나 화학 저울 등의 정밀 기기나 장치 없이도 수분 퍼텐셜을 비교적 쉽고 빠 르게 측정할 수 있다. 각각 정해진 농도의 용액에 식물 조직을 잠기게 하면 식 물 조직과 용액 사이의 수분 퍼텐셜의 차이에 의해 물이 삼투되어 용액의 농도 가 증가되거나 감소된다. 만일 용액의 농도가 변하지 않았다면 그 용액의 수분 퍼텐셜(Ψ)은 잠겨 있었던 식물 조직의 수분 퍼텐셜(Ψ)과 같다고 추정할 수 있 다. ΔΨ=0일 때에는 물의 순 이동이 일어나지 않기 때문이다. 이때 조직과 용 35 질 사이에서 용질은 이동하지 않는다고 가정한다. 이 실험에서는 삼투에 의해 식물 조직으로 물이 들어가거나 빠져나오면 용액이 미세하게 희석되거나 농축 되는 현상을 이용하여 감자 덩이줄기의 수분퍼텐셜 값을 측정한다. 2 준비물 감자의 덩이줄기, 볼텍스 교반기(vortex mixer), 눈금 실린더, 비커, 페트리 접시, 시험관, 시험관대, 코르크 보러, 저울, 온도계, 마이크로피펫, 핀셋, 자, 1M 설탕물, 증류수, 랩, 면도칼, 흡수지, 메틸렌 블루 용액 3 방법 및 절차 가. 1M 설탕물을 희석하여 0.20M, 0.25M, 0.30M, 0.35M, 0.40M로 만들어 A, B, C, D, E 시험관에 20mL씩 넣고 a, b, c, d, e 시험관에 는 각 용액을 10mL씩 넣는다. 나. 각 시험관의 온도를 측정한 후 기록한다. 다. 코르크 보러로 감자에서 15개 이상의 조직을 얻고 가능한 한 1cm 크기로 잘라 페트리 접시에 담은 후 랩으로 싼다. 라. 감자 조각을 3개씩 취하여 무게를 측정한다. 방법 및 절차 과정 다. 방법 및 절차 과정 다. 방법 및 절차 과정 라. 방법 및 절차 과정 아. 그림 I-23 방법 및 절차 마. 무게를 측정한 감자 조각 3개를 설탕물이 농도별로 담겨 있는 A, B, C, D, E 시험관에 담근다. 36 I 0.20M 0.25M 0.30M 0.35M 생물의 구조와 기능 0.40M 설탕물 20mL 감자 조각 A B C D E 그림 I-24 방법 및 절차 과정 마. 바. 꺼낸 감자를 흡수지로 물기를 잘 닦고 다시 무게를 측정하여 무게 변화율 (%)을 계산한다. 최종 무게 - 처음 무게 감자 조각 무게 변화율(%)= 처음 무게 ×100 사. a, b, c, d, e 시험관에 메틸렌 블루 용액 200μℓ를 넣고 잘 섞는다. 아. 가는 파스퇴르 피펫을 이용하여 A, B, C, D, E 시험관 용액의 중간쯤에 a, b, c, d, e 시험관에 들어 있는 색소가 포함된 각 농도의 용액을 한 방울씩 넣고 주입한 방울이 이 용액 속에서 가라앉는지 뜨는지를 관찰한다. 0.20M 0.25M 0.30M 0.35M 0.40M 설탕물 20mL 메틸렌 블루 용액 A B C D E 그림 I-25 방법 및 절차 과정 자. 자. 그래프를 작성하여 무게가 변하지 않은 경우에 해당하는 설탕물 농도를 알아 낸 후, 이 용액의 삼투 퍼텐셜(Ψs)을 구한다. 이때 감자 조직의 삼투 퍼텐셜 은 용액의 삼투 퍼텐셜과 같은데, 대기압 하에서 외부 용액은 Ψp=0이므로 용액의 삼투 퍼텐셜은 수분 퍼텐셜(Ψ)과 같은 값이다(즉, 수분 퍼텐셜(Ψ)= 삼투 퍼텐셜(Ψs)+압력 퍼텐셜(Ψp), 이때 압력 퍼텐셜(Ψp)=0이므로 수분 퍼텐셜(Ψ)=삼투 퍼텐셜(Ψs)). 37 차. 각 농도의 설탕물의 삼투 퍼텐셜(Ψs)은 다음 식으로 구한다. Ψs=-CsiRT Cs=용액의 용질 농도(molality: mole/L) i=ionization constant(sucrose, glucose 경우는 1) R=이상 기체 상수(0.00831 liter Mpa·mol-1·K-1) T=절대 온도(K)(섭씨온도 + 273) 4 결과 및 고찰 가. 농도별 처리구에 대한 변화를 표에 기록하고 그래프를 그려보자. 감자 조 직과 등장용액의 수분 퍼텐셜을 구해 보자. 설탕물 농도(M) 처음 무게 최종 무게 무게 변화량 변화율(%) 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 나. 메틸렌 블루 염색액을 이용한 과정 자.의 관찰 결과를 표에 적어 보자. 설탕물 농도(M) 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 염색액 움직임 5 연구 과제 그림Ⅰ-27 그래프는 세포의 용적에 따른 삼투 퍼텐셜, 압력 퍼텐셜과 수분 퍼텐셜과의 상호 관계를 나타낸 것이다. 가. 그래프 상에서 식물세포 A~C의 위치를 정하고 압력, 수분, 삼투 퍼텐셜 간의 관계를 논의해 보자. A B 그림 I-26 용액의 농도에 따른 식물세포 38 C I 생물의 구조와 기능 나. 그래프의 기울기가 의미하는 것은 무엇인가? 1.0 압력 퍼텐셜(Ψp) 퍼 텐 셜(MPa) 0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 세포의 용적 -0.5 수분 퍼텐셜(Ψ) 삼투 퍼텐셜(Ψs) -1.0 -1.5 그림Ⅰ-27 세포의 용적과 삼투 퍼텐셜, 압력 퍼텐셜 및 수분 퍼텐셜과의 상호 관계 다. 식물 조직의 무게를 측정한 것은 어떤 현상을 관측하기 위한 것인가? 라. 감자 세포 안에서 압력 퍼텐셜, 수분 퍼텐셜, 삼투 퍼텐셜의 관계는 어떠한 가? 무게가 증가한 경우, 감소한 경우, 변하지 않은 경우 각각에 대해서 설 명해 보자. 마. 이 실험에서 가장 흔하게 범하게 되는 실험상의 실수는 무엇인가? 참고 문헌 고석찬 외 7인. 2004. 생명과학 실험서. 제주대학교 출판부. 김순영 외 3인. 2012. 식물생리학 실험. 월드사이언스. 39 실험 I-7 학습 목표 식물의 생식 기관 관찰 • 식물의 생식 기관을 관찰하고 구조와 기능을 설명할 수 있다. 1 도입 식물체의 주요 기관은 영양 기관, 생식 기관으로 구분된다. 줄기, 잎, 뿌리 는 식물이 자라는 데 필요한 양분을 합성하거나 물과 무기 염류를 흡수하고 광 합성에 의해 합성된 양분을 이동하여 저장하므로 영양 기관이라 하고, 꽃, 열 매, 씨는 생식과 번식을 담당하므로 생식 기관이라 한다. 식물의 꽃은 씨방이 성숙하여 열매로 발달하며 배주가 성숙하면 씨가 된다. 꽃은 꽃받침, 꽃잎, 수 술, 암술의 4가지 기본 기관이 붙어 만들어지며 그것이 시작되는 줄기의 끝을 화탁이라고 한다. 가. 꽃의 구조 꽃의 구조는 그림Ⅰ-28과 같다. 암술 (pistil) 암술머리(stigma) 암술대(style) 꽃밥 (anther) 씨방(ovary) 꽃잎(petal) 수술대 (filament) 밑씨(ovule) 꽃자루(peduncle) 그림 I-28 꽃의 구조 40 수술 (stamen) 꽃받침(sepal) I 꽃의 구조 가. 꽃의 구조 꽃받침(calyx) 부속 구조 생물의 구조와 기능 설명 악편(sepal) 꽃받침의 낱개 화피(perianth) 꽃받침, 꽃잎의 구별이 어려운 경우 화피편(tepal) 화피의 낱개 화관(corolla) 꽃잎을 총칭 화판(petal) 꽃잎 낱장 수술대(filament) 꽃밥 지지 꽃밥(anther) 꽃가루 주머니 씨방(ovary) 성숙하여 씨가 되는 밑씨(배주 (ovule))가 있는 부분 암술대(style) 암술머리와 씨방 연결 암술머리(stigma) 꽃가루가 닿아 수분이 일어남 꽃잎 수술(stamen) 암술(pistil): 기본 단위 = 심피(carpel) 나. 꽃의 다양성 •완전화: 꽃받침, 수술, 암술, 꽃잎의 4가지 기관을 모두 지닌 꽃 •불완전화: 완전화의 4가지 기관 중 특정 부위가 없는 꽃 •양성화: 암술과 수술이 함께 있는 꽃 •단성화: 수술과 암술 중 하나만 지닌 꽃(수꽃, 암꽃) •자웅 동주: 양성화 또는 암꽃과 수꽃이 한 그루에 있는 식물 •자웅 이주: 암꽃과 수꽃이 따로 피는 식물 •이판화: 화판이 분리된 경우 •합판화: 화판이 붙어서 통으로 된 경우 •방사 대칭: 꽃의 화관이 방사 상칭인 경우 •좌우 대칭: 꽃의 화관이 좌우 대칭인 경우 •화서: 화축에 꽃들이 붙어 이루는 배열 상태 •유한 화서: 정점에서 아래쪽을 향해 개화 •무한 화서: 정점에서 아래쪽으로부터 위를 향해 개화 다. 꽃가루 모든 종자식물은 종의 보존을 위한 종자(seed) 형성을 위해 필연적으로 꽃가 루(pollen)를 만든다. 이 꽃가루들은 꽃밥에서 만들어지며, 각 종은 서로 다른 형태의 종자와 꽃가루를 가지고 있다. 41 아카시아 소나무 개나리 제비꽃 사과 꽃잔디 수박 진달래 호박꽃 채송화 그림 I-29 여러 식물의 꽃가루 모양 2 준비물 꽃(계절적으로 개화 시기를 맞추어 적절하게 선택), 핀셋, 해부 침, 실체 현미경, 받침 유리, 덮개 유리, 스포이트, 증류수 3 방법 및 절차 가. 꽃의 관찰 1) 맨눈 또는 실체 현미경으로 꽃을 겉부터 관찰한다. 2) 관찰한 꽃의 전체적인 구조와 각 부분을 그린다. 3) 각 구조를 확인하고, 각 부위의 숫자, 색깔, 방사(또는 좌우) 대칭의 여부, 같은 부분의 융합, 다른 부분끼리의 융합 상태 등을 유의하면서 그림을 그 리고 명칭을 기록한다. 4) 암술을 떼어 내어 실체 현미경으로 관찰한 후 씨방을 횡단면으로 쪼개어 밑 씨를 실체 현미경으로 관찰한다. 5) 씨방의 횡단면 구조와 관찰한 밑씨를 그린다. 나. 꽃가루의 관찰 1) 각 식물의 꽃밥에서 붓으로 꽃가루를 묻혀 받침 유리 위에 털어 놓는다. 2) 물 한 방울을 떨어뜨린 후 덮개 유리를 덮고 현미경으로 관찰한다. 3) 관찰한 꽃가루를 그린다. 42 I 생물의 구조와 기능 4 결과 및 고찰 가. 꽃을 그리고, 각 부분의 명칭을 적어 보자. 나. 씨방을 잘라 내부 구조를 그리고, 각 부위의 명칭을 기록해 보자. 다. 각 식물의 꽃가루를 그리고, 공통점과 차이점을 설명해 보자. 5 연구 과제 가. 꽃이 줄기에 배열되는 화서에는 어떤 종류가 있는지 알아보자. 자신이 관 찰한 꽃은 어떤 화서인가? 나. 벼나 보리 등은 어떤 화서에 속하는 식물일까? 이들은 장미와 비교하여 어 떤 구조적인 차이를 가질 것이라고 예상하는가? 다. 꽃들이 가지는 다양한 색깔과 형태학적 구조, 대칭성, 향기 등을 진화학적 으로 어떻게 해석할 수 있는지 논의해 보자. 참고 문헌 권오길 외 7인. 2004. 일반생물학실험. 강원대학교 출판부. 권 pp. 98-102. 권혁빈 외 9인. 2008. 일반생물학실험. 지코사이언스. pp.347-349. 경희대학교 생물학과 한양대학교 생명과학과 교수진 공저. 2010. 일반생물학 실험. (주)이퍼블릭 코리아. pp. 421-425. 한국교원대학교 과학교육연구소. 2002. 생물 실험. 교육인적자원부. pp. 142-144. 43 실험 I-8 학습 목표 무척추동물 해부 • 무척추동물을 해부하여 각 기관의 구조와 기능을 설명할 수 있다. 1 도입 내부 골격을 갖추고 있는 척추동물과 달리 등뼈가 없는 무척추동물은 오늘 날 생존하는 동물의 90% 이상을 차지한다. 무척추동물은 세계 각지에 분포하 며 미세한 원생동물(原生動物)에서 거대한 오징어에 이르기까지 크기가 다양 하다. 척추가 없다는 것 외에 무척추동물들 간의 공통점은 거의 없다. 이들은 보통 부드러운 몸체를 지닌 동물인데, 근육이 붙을 수 있는 견고한 내골격을 가 지고 있지 않다. 그러나 어떤 것은 단단한 외골격으로 몸을 보호한다(예를 들어 연체동물, 갑각류, 대부분의 곤충). 암컷 수컷 연골 맹장 정소 난소 속의 알 대동맥 대정맥 위 아가미성 심장 신관 생식소 음경 아가미 먹물주머니 직장 간 외투막 깔때기 외투막 연골 눈 그림 I-30 오징어의 구조 44 I 생물의 구조와 기능 오징어는 작은 어류, 갑각류, 플랑크톤, 환형동물 등을 먹고 산다. 평소에는 지느러미로 헤엄치며, 적의 공격에서 도망을 칠 때는 출수공을 통해 물을 내뿜어서 순간적으로 빨리 이동하거나 먹물을 생산하여 방출함으로써 포식자 를 피하는 행동을 한다. 15～50개의 줄로 연결된 난소에는 수백 개의 알이 있으며 짝짓기로 수정 후에 바다 밑바닥에 불어 있다가 10일 후에 부화한다. 2 준비물 오징어, 해부 세트, 실체 현미경, 수술용 장갑 그림 I-31 오징어와 해부 세트 3 방법 및 절차 가. 오징어의 지느러미가 아래쪽으로 놓이도록 오징어를 해부 접시 위에 놓고 겉모습을 관찰한다. 나. 다리 사이를 해부칼로 절개하여 입(부리), 눈, 뇌를 관찰한다. 다. 해부 가위를 사용하여 외투막을 끝까지 절개한다. 이때, 가위 날이 내장 기관(특히 간)에 손상을 주지 않도록 주의한다. 라. 외투막과 출수관의 구조를 관찰한다. 마. 아가미, 위, 생식소, 심장, 간, 먹물주머니 등의 기관을 관찰한다. 45 오징어를 가지런히 놓 핀셋으로 깔때기부분을 내장이 다치지 않도 머리쪽 지느러미 끝 는다. 잡고 가위의 둥근부분을 록 자른다. 까지 자른다. 아래로 넣어 자른다. 후크 부분을 확인하다. 내부가 잘 보이도록 펼 각 내장 기관을 조심스럽 친다. 게 분리해 본다. 그림 I-32 오징어의 해부 순서 4 결과 및 고찰 가. 오징어의 입과 눈, 뇌의 관찰 결과와 특징을 적어 보자. 나. 오징어의 외투막과 출수공의 관찰 결과를 적고 외투강 속 물의 흐름을 생각 해 보자. 다. 오징어의 내장 기관, 생식 기관, 호흡 및 순환 기관의 관찰 결과를 적어 보자. 5 연구 과제 오징어의 구조 중에서 해양 생활에 적응한 특징은 무엇인지 생각해 보자. 46 I 생물의 구조와 기능 두족류의 Chromatophore에 대하여 대부분의 두족류 피부에는 크로마토포어(chromatophore)라고 하는 특별한 색소가 있어서 이 색소가 확장 또는 수축되면서 색깔이 변화된다. 이것은 신경계와 호르몬에 의해 조절된다. 어떤 색 변화는 배경 색조 와 일치되어 보호색으로 작용하며, 경고나 구애를 위한 신호를 나타내기 도 한다. 그림 I-33 모래 색깔을 흉내 내는 샌프란시스코 오징어(Loligo opalescens) 두족류의 광수용체는 막대꼴 소체(rhabdomere cell)이며, 이것은 척추동물의 간상세포나 원추세포와 다르다. 색깔을 구별하려면 세 종류 의 시각 색소가 있어야 하는데, 대부분의 두족류는 이러한 시각 색소가 한 종류밖에 없어 색깔을 구분할 수 없다. 예외적으로 발광 반딧불 오징 어(bioluminescent firefly squid)에는 사람이 지닌 것과 비슷한 세 가지 종류의 시각 색소가 있다. 사람이 이들의 피부에서 볼 수 있는 놀라 운 색깔의 형태가 다른 두족류에게는 편광된 형태로 보인다. 모든 두족류는 편광의 차이를 감지할 수 있으며, 이를 통해 반투명한 먹 이나 은빛으로 번쩍거리는 물고기 등을 구분할 수 있다. 이는 어부들이 수 면에서 반사되는 밝은 빛을 차단하려고 쓰는 편광 안경 같은 기능을 한다. 참고 문헌 권오길 외 7인. 2004. 일반생물학실험. 강원대학교 출판부. pp. 113-121. 유상근. 2014. 생명과학 실험Ⅱ. 서울과학고등학교. pp.22-29. Hickman 외 4인. 2011. Animal Diversity. McGraw-Hill. p. 207. 47 실험 I-9 학습 목표 척추동물 해부 • 척추동물을 해부하여 각 기관의 구조와 기능을 설명할 수 있다. 1 도입 척추동물은 모든 동물문 중에서 가장 복잡한 형태이며, 몸은 좌우 대칭이고, 내골격 구조를 이루고 있다. 배아 시기에 척삭(notochord)이 생겨나고, 나 중에 그 주위에 많은 척추뼈가 생겨서 몸의 중축을 이룬다. 척추의 앞 끝에 두 개골이 있어 뇌를 보호하며, 아가미를 지지한다. 척추와 두개골은 미삭 동물 및 두삭 동물과 차별화되는 척추동물의 특징이다. 아가미는 소화관 앞 끝부분 에 있는데, 양서류 이상의 동물 성체에서는 소실되고, 그 대신 인두 뒤쪽에 허 파가 생긴다. 몸통은 내골격의 부속지를 가지는데, 어류에서는 지느러미가 있 으나, 양서류 이상에서는 4개의 발이 발달되어 있다. 중추 신경계는 소화 기 관 등 쪽에 있으며, 뇌와 척수에서는 각각 뇌신경과 척추 신경이 나와 있고 감 각 기관이 발달되어 있다. 소화 기관은 넓은 체강 속에 있으며, 부속 기관으로 서는 간, 이자 등이 있다. 순환계는 폐쇄 혈관계이며, 동맥, 정맥, 모세 혈관을 갖추고 있다. 생식 기관과 배설 기관은 발생학적으로 긴밀한 관계가 있다. 척추동물인 쥐는 사람과 같이 포유류에 속하기 때문에 쥐와 사람의 유전자들 은 매우 유사하다. 그리고 쥐는 오랫동안 동계 교배계(inbred strain)가 개발, <동물보호법 제23조 (동물실험의 원칙)> ② 동물실험을 하려는 경우에는 이를 대체할 수 있는 방법을 우선적으로 고려하여야 한다. ③ 동물실험은 실험에 사용하는 동물 의 윤리적 취급과 과학적 사용에 관 한 지식과 경험을 보유한 자가 시행 하여야 하며 필요한 최소한의 동물 을 사용하여야 한다. 유의사항 : 부득이하게 동물실험을 실 시할 때 제23조2(미성년자 동물 해부 실습 금지의 적용 예외)에 부합되는지 살펴보고, 학교운영위원회 심의를 거 친 경우 가능하다. 제24조2(미성년자 동물 해부실습의 금지) 48 보전되어 있는 유일한 포유류이기 때문에 유전학적 연구가 용이하며, 따라서 쥐를 대상으로 하는 유전자 연구는 사람에게 직접 적용할 수 있는 장점이 있다. 흰쥐(rat)는 분류학적으로 척추동물문, 포유강, 설치목, 쥣과, 쥐속, 쥐종 에 속한다. 생쥐(mouse)는 쥣과, 생쥐속, 생쥐종에 속하여 흰쥐와는 속과 종 이 다른 동물이다. 흰쥐는 생활력이 강하고 온순하며 수술 등 기타 실험에 편리 하게 사용할 수 있고 번식력도 강하다(한 배에서 15~17마리까지 출산). 임신 기간이 21일이고, 3주면 젖을 떼기 때문에 세대가 짧다. 사육 관리도 다른 실 험동물보다 용이하여 실험동물로 많이 쓰인다. 생쥐는 크기가 흰쥐보다 작고 가볍다(몸길이 6.5~9.5cm, 꼬리길이 6~10.5cm, 몸무게 12~30g). 생쥐는 작고 관리가 용이하여 실험동물 중에 가장 많이 쓰이고 있다. 이번 실험에서는 생쥐를 해부하여 척추동물의 특징을 이해하도록 한다. I 림프 마디 바깥 눈물샘 겉목정맥 턱밑샘 속목정맥 가슴샘 오른쪽 위 대정맥 심장 아래 대정맥 식도 맹장 간 이자 위 작은창자 지라 지방 정낭샘 방광 전립샘 음낭 직장 생물의 구조와 기능 그림 I-34 쥐의 내부 구조 2 준비물 생쥐, 해부 세트(핀셋, 메스, 해부 가위, 해부 침 등), 실체 현미경, 수술용 장갑 3 방법 및 절차 가. 생쥐를 다루는 법과 안락사 1) 쥐를 다루는 법 - 실험동물을 다룰 때는 알러지 반응을 차단하고 안전 사고를 방지하기 위해 장갑을 착용하도록 한다. 생쥐는 흰쥐에 비해서 공격성이 강하므로 쥐를 잡는 방법을 숙지하지 않으면 쥐에게 손을 물릴 수 있다. 생쥐를 잡을 때는 꼬리의 항문 쪽 부분을 엄지와 검지로 감싸 듯이 잡는다. 너무 가깝게 잡거나 멀게 잡으면 생쥐가 손을 타고 올라와 서 실험자가 다루기 힘들고, 자칫 손을 물릴 수도 있다. 2) 경추 탈골법 - 목의 척수를 순간적으로 끊어지게 하여 빠르게 안락사시 키는 방법이며, 실험동물이 고통받는 시간이 짧다. 화학 물질을 사용하 지 않기 때문에 신선한 장기와 조직을 얻을 수 있는 방법이다. 한 손으 추가 설명 * 실험동물 구입 방법: 일반적으로 실험동물을 실험실에 전문적 으로 공급하는 업체에 부탁하거나 “식품의약품안전처-통계-통 계간행물-통계자료(http:// www.mfds.go.kr/index. do?mid=1681&seq=30012)에 서 첨부 파일로 찾을 수 있음” * 실험 후 사체 처리: 환경부 「폐기물 관리법」에 따라 소각하거나 관리형 매립 시설에 매립하여야 함. 로 생쥐의 꼬리를 잡고 사육장(cage)이나 해부 판에 올려놓고 잡아당기 면 자연스럽게 몸이 펴지게 된다. 49 이 상태에서 목을 잡은 손을 앞쪽으로 밀어 주면 목뼈가 빠지는 느낌이 든 다. 손 대신 막대를 사용할 수도 있다. 이때 꼬리를 잡은 손을 너무 세게 당기 면 꼬리가 빠질 수 있으니 주의한다. 그림 I-35 쥐의 목을 잡는 방법(경추 탈골법) 3) 마취법 - 유리병에 솜을 넣고, 에틸 에테르나 클로로폼을 충분히 넣 는다. 유리병에 쥐를 넣고 뚜껑을 닫은 후, 쥐의 움직임이 정지될 때까지 충 분히 마취한다. 마취하는 데는 약 5분이 소요되며, 마취제는 독성이 있으므로 후드를 사용한다. 그림 I-36 마취법 나. 생쥐 해부 및 관찰 실험 주의 사항 에틸 에테르는 눈과 피부에 접촉 시 자극을 유발하며 흡입하면 식욕 저 하, 두통, 현기증, 구토, 졸음 등을 동반한 중추 신경계 억제 증상을 일 으킨다. 인화성 물질이므로 화기에 주의한다. 클로로폼은 흡입 시 현기증과 실신 하는 느낌을 유발할 수 있고, 두통, 혼미, 피로, 정신 무감각 등을 유발 할 수 있으므로 주의한다. 1) 안락사된 쥐의 성별을 확인하고 외부 형태를 관찰한다. 2) 해부 판에 배가 위쪽으로 향하게 둔 다음 해부핀으로 사지를 고정하고 70% 에탄올로 복부를 소독한다. 3) 복부 하단의 가죽을 핀셋으로 잡아당기고 가위로 5㎜ 정도 자른 후 해부 가위로 목까지 절개한다. 4) 사지와 연결되는 부분까지 가죽을 자른 다음 가죽을 펼쳐서 해부 침으로 고정한다. 5) 같은 방식으로 내부 표피도 절개하여 펼친 다음 고정시킨다. 6) 흉부를 관찰한다. 심장 박동이 있을 경우 아드레날린과 아세틸콜린을 처 리하여 심장 박동 속도의 변화를 측정한다. 7) 복부를 관찰한다. 8) 생식 기관, 배설 기관을 관찰한다. 50 I 생물의 구조와 기능 4 결과 및 고찰 쥐의 내부 구조를 관찰하고 기관계별로 관찰 결과를 스케치한 뒤 각 부위의 명 칭과 특징을 써 보자(명칭은 앞쪽의 그림Ⅰ-34를 참고한다). 5 연구 과제 가. 생체 실험 시 유의해야 할 사항은 무엇이 있는지 알아보자. 나. 동물을 마취하거나 안락사시키는 방법에는 무엇이 있는지 알아보자. 다. 다른 포유류에 비해 설치류에게 특별히 발달한 기관은 무엇인지 알아보자. 라. 실험용 동물로서 쥐 사용의 장점과 단점은 무엇인지 알아보자. 참고 문헌 권오길 외 7인. 2004. 일반생물학실험. 강원대학교 출판부. pp. 151-159. 권혁빈 외 9인. 2008. 일반생물학실험. 지코사이언스. pp. 315-317. 경희대학교 생물학과 한양대학교 생명과학과 교수진 공저. 2010. 일반생물학 실험. (주)이퍼블릭 코리아. pp. 317-322. 박용철 외 3인. 2010. 생물학 실험서. 국민대학교 출판부. 유상근. 2014. 생명과학 실험 Ⅱ. 서울과학고등학교. pp. 68-77. 51 단원 열기 생물체의 특성 가운데 하나는 물질대사를 한다는 것이다. 물질대사는 효소의 촉매 작용에 의해 신속하게 일어난다. 효소는 단백질 로 되어 있기 때문에 온도와 pH의 영향을 받는다. 또한 광합성과 호흡, 효모의 발효 등은 쉽게 관찰할 수 있는 물질대사 중 하나 이며, 온도와 pH의 영향을 받는다. 여기에서는 탐구 활동을 통해 효소와 물질대사의 특성을 알아보자. 52 ** 물질대사 II-1 효소의 촉매 작용 II-2 온도와 pH 변화에 따른 효소 반응 속도 II-3 빛과 온도 변화에 따른 광합성 속도 II-4 온도에 따른 세포 호흡 속도 II-5 효모의 발효(유기 호흡, 무기 호흡) II-6 혈색소 비율 측정 53 효소의 촉매 작용 관찰 54 실험을 실시하며 감자 디스크가 떠오르 는 모습을 관찰하 는 학생. II 물질대사 실험 II-1 효소의 촉매 작용 학습 목표 • 생물체 내에서 효소의 촉매 작용을 설명할 수 있다. • 효소와 무기 촉매의 차이점을 설명할 수 있다. • 카탈레이스의 촉매 작용을 설명할 수 있다. 1 도입 자신은 변하지 않고 물질의 반응 속도를 빠르게 해 주는 물질을 촉매라고 한 다. 일반적으로 촉매는 자연적인 반응보다 생성물을 쉽게 얻을 수 있도록 도와 준다. 생물체 내에서 일어나는 생화학 반응인 물질대사도 촉매의 작용에 의해 서 신속하게 화학 반응이 일어난다. 생물체 내에서 일어나는 생화학 반응에 촉 매로서 관여하는 것은 효소다. 효소가 있기 때문에 생물이 영양소를 분해하고 필요한 물질을 합성하는 등 다양한 화학 반응이 신속하게 일어나는 것이다. 생체 촉매인 효소는 생명체 내에서 일어나는 반응에서 어떤 역할을 할까? 보 통 생명체 내에서 화학 반응을 시작하려면 초기에 투입되는 에너지가 필요하 다. 기질을 뒤틀리게 하거나 화학 결합을 끊는 데 에너지가 필요한데, 이와 같 이 화학 반응이 일어나는 데 필요한 최소한의 에너지를 활성화 에너지라고 한 다. 활성화 에너지는 에너지 장벽 또는 언덕 위로 반응물을 밀어 넘겨서 반응이 진행될 수 있도록 하는 데 필요한 에너지의 양으로 이해할 수 있다. 효소가 없을 때 반응물 효소가 있을 때 활성화 에너지 반응물 생성물 활성화 에너지 생성물 그림 II-1 효소와 활성화 에너지 반응물을 더 반응하기 쉽게 활성화시키면 반응물은 전이 상태라고 하는 불안 정한 상태가 된다. 이 상태에서 화학 반응이 쉽게 일어날 수 있고, 기존의 결합 이 깨지고 새로운 결합이 형성될 수 있다. 효소는 촉매와 마찬가지로 활성화 에 너지를 감소시켜 반응이 잘 일어나도록 도와준다. 카탈레이스는 세포 대사의 55 부산물인 동시에 생체에 해로운 과산화 수소를 물과 산소로 분해하는 과정을 촉매하는 효소이다. 카탈레이스는 생체에 다량으로 존재하기 때문에 추출이 쉬 워 실험 재료로 많이 사용된다. 이 실험에서는 생체 촉매인 카탈레이스와 무기 촉매인 이산화 망가니즈(MnO2)에 의한 촉매 작용이 어떻게 다른지를 알아보 자. E1: 카탈레이스가 있을 때의 활성화 에너지 E: 카탈레이스가 없을 때의 활성화 에너지 에 너 지 E E1 반응열 H2O 2 화학 반응의 방향 H2O+ 1 2 O2 그림 II-2 카탈레이스가 활성화 에너지에 미치는 영향 2 준비물 시험관, 시험관대, 피펫, 핀셋, 저울, 약수저, 약포지, 비커, 알코올램프, 삼 발이, 쇠그물, 라벨, 성냥, 동물의 간, 감자, 모래, 증류수, 3% 과산화 수소수 (H2O2) 용액, 이산화 망가니즈(MnO2), 선향 3 방법 및 절차 가. 시험관 A, B, C, D, E, F, G 7개에 3% 과산화 수소 용액을 2mL씩 넣는다. 나. 시험관 A에는 이산화 망가니즈 0.5g을 넣고, 시험관 B에는 간 0.5g을 넣 는다. 그림 II-3 방법 및 절차 과정 가. 56 II 물질대사 다. 시험관 C에는 끓는 믈속에 1분간 두었던 이산화 망가니즈 0.5g을, 시험관 D에는 끓는 물속에 1분간 두었던 간 0.5g을 넣는다. 라. 시험관 E에는 아무것도 넣지 않는다. 마. 시험관 F와 G에는 감자와 모래를 0.5g씩 넣는다. 그림 II-4 방법 및 절차 과정 나. 바. 각 시험관에서 발생되는 기포를 관찰한다. 사. 거품이 생기는 시험관에 선향의 불씨를 대어 보고 변화를 관찰한다. 그림 II-5 방법 및 절차 과정 사. 57 4 결과 및 고찰 가. 실험 결과를 다음 표에 정리해 보자. 구분 A B C D E F G 기포 발생 불씨에 대한 반응 나. 반응이 활발하게 일어난 시험관과 반응이 일어나지 않은 시험관은 각각 무 엇인가? 또한 그 이유는 무엇인가? 다. 이 실험에서 발생한 기포는 어떤 기체인가? 라. 시험관 A와 시험관 B에 반응이 끝난 후 다시 H2O2를 넣으면 어떻게 될까? 마. 실험 결과를 바탕으로 효소와 무기 촉매의 차이점과 공통점을 각각 설명하 시오. 5 연구 과제 상처가 난 곳에 과산화 수소수를 바르면 거품이 나는 이유는 무엇일까? 또 상처 난 곳에 과산화 수소수를 바르는 이유를 알아보자. 참고문헌 고석찬 외 7인. 2004. 생명과학 실험서. 제주대학교 출판부. 민철기, 강창수. 2004. 생물학 실험서. 라이프사이언스. 박희송 외 4인. 2011. 고등학교 생명과학II. 교학사. 58 II 물질대사 실험 II-2 온도와 pH 변화에 따른 효소 반응 속도 • 온도의 변화가 효소의 반응 속도에 미치는 영향을 설명할 수 있다. • pH의 변화가 효소의 반응 속도에 미치는 영향을 설명할 수 있다. 학습 목표 1 도입 촉매가 관여하는 화학 반응은 반응이 일어나는 상태에 따라 영향을 받는다. 일 반적으로 온도가 상승하면 화학 반응의 속도가 증가한다. 높은 온도에서 반응 분 자들이 화학 반응을 하기 위한 활성화 에너지를 제공받기 때문이다. 효소가 관여 하는 화학 반응도 그렇다. 생명체 내에서 일어나는 화학 반응도 주로 생체 촉매인 효소에 의해 일어나므로 반응이 일어나는 조건에 따라 영향을 받는다. 효소는 전 체 성분이 단백질로 이루어진 것도 있고, 일부 비단백질 성분이 포함된 효소도 있 다. 따라서, 효소는 단백질의 특성이 동일하게 나타난다. 효소는 주로 단백질로 구성되어 있기 때문에 단백질의 구조에 영향을 미치는 요인들, 즉 온도와 pH 등에 영향을 받는다. 효소는 최적 온도를 넘어서 고온이 되면 단백질의 입체 구조가 변하여 활성을 잃어버리게 된다. 반 응 반 응 효소 속 도 펩신 아밀레이스 트립신 상(댓값 상(댓값 속 도 ) ) 0 10 20 30 40 온도(℃) 그림 II-6 온도에 따른 효소의 활성 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 pH 그림 II-7 pH에 따른 효소의 활성 대부분의 효소는 일정 범위 내에서 온도가 높아질수록 반응 속도가 점점 빨 라져 35~40℃에서 가장 높은 활성을 보인다. 효소의 활성이 최대로 되었을 때의 온도를 최적 온도라고 한다. 그러나 그 이상의 온도에서는 열에 의해 단백 질이 변성되므로 반응 속도가 다시 급격하게 떨어진다. 변성된 효소는 온도를 다시 낮추어도 원래대로 활성이 회복되지 않는다. 59 또 대부분의 효소는 pH 7 근처에서 최적의 활성을 나타낸다. 그러나 펩신과 트립신 등은 최적 pH가 다르다. 이것은 효소를 구성하는 단백질의 아미노산 서열이 다르기 때문이다. 효소마다 반응 속도가 가장 높게 나타나는 pH를 최 적 pH라고 한다. 이 실험에서는 온도와 pH가 효소의 반응 속도에 미치는 영 향을 카탈레이스를 이용하여 알아보자. 2 준비물 감자, 코르크 보러, 30% 과산화 수소 용액, 핀셋, 유성펜, 얼음, 안전 면도 날, 얼음, 페트리 접시, 비닐장갑, 50mL 시험관, 250mL 비커, 시험관대, 항온기, 수산화 나트륨(NaOH) 용액, 염산(HCl) 용액, 증류수, 자, 피펫 3 방법 및 절차 가. <실험 1> 온도의 영향 1) 직경 10㎜인 코르크 보러를 사용하여 얻은 감자 막대를 안전 면도날로 1~2㎜ 두께로 잘라서 페트리 접시에 담는다. 그림 II-8 코르크 보러를 사용해 감자 막대를 얻음 그림 II-9 안전 면도날로 1~2mm 두께로 잘라서 페트리 접시에 담음 2) 30% 과산화 수소 용액을 500배로 희석하여 0.06% 과산화 수소 용액 1L를 만든다. 3) 희석한 과산화 수소 용액 10mL를 A, B, C, D, E 5개의 시험관에 넣는다. 그 후 각 시험관을 0℃, 20℃, 35℃, 50℃, 70℃의 항온 수조에 각각 넣는다. 4) 과정 1) 에서 준비한 감자 디스크를 A~E 각각의 시험관에 넣어 준 후 감자 디스 크가 떠오를 때까지의 시간을 측정한다. 그림 II-10 시험관을 얼음에 꽂아 0℃로 유지함 5) 3회 반복 실험하여 평균값을 구한다. 60 그림 II-11 감자 디스크를 시험관에 넣음 II 물질대사 그림 II-12 상온과 항온수조에서 감자 디스크가 떠오를 때까지 시간 측정 나. <실험 2> pH의 영향 1) 직경 10㎜인 코르크 보러를 사용하여 얻은 감자 막대를 면도칼로 1~2㎜ 두께로 잘라서 페트리 접시에 담는다. 2) 30% 과산화 수소 용액을 500배로 희석하여 0.06% 과산화 수소 용액 1L를 만든다. 3) 희석한 과산화 수소 용액 10mL을 A, B, C 3개의 시험관에 넣은 후 35℃ 항온 수조에서 3분간 유지한다. 4) A에는 묽은 염산 3mL, B에는 증류수 3mL, C에는 묽은 NaOH 용액 3mL를 넣는다. 5) 과정 1)에서 준비한 감자 디스크를 각각의 시험관에 넣어 준 후 감자 디스크가 떠오를 때까지의 시간을 3회 반복하여 측정한 후 평균값을 구한다. 그림 II-13 35℃에서 감자 디스크를 A, B, C 세 개의 시험관에 넣은 후 디스크가 떠오르는 시간 측정 61 4 결과 및 고찰 가. <실험 1> 결과를 표로 정리해 보자. 구분 0℃ 20℃ 35℃ 50℃ 70℃ 1회 2회 3회 평균값 나. <실험 2> 결과를 표로 정리해 보자. 구분 A B C 1회 2회 3회 평균값 다. 온도와 pH를 x축으로, 감자 디스크가 떠오르는 시간의 역수 값을 y축으로 하 여 그래프를 그려 보자. 라. 감자 속 카탈레이스가 가장 활발하게 작용하는 온도와 pH를 발표해 보자. 5 연구 과제 위의 실험을 발전적으로 보완한다면 어떤 점을 개선할 수 있을까? 62 II 물질대사 실험 II-3 빛과 온도 변화에 따른 광합성 속도 • 빛, 온도 등의 환경 요인에 따른 광합성 속도를 측정하는 실험을 설계·수행하 고 결과를 바르게 해석할 수 있다. 학습 목표 1 도입 DPIP(2,6-Dichlorophenolindophenol)는 푸른색 염료이며, 환원된 상태에서는 무색이며 산화 환원 반응을 할 수 있다. 산성 조건에서 DPIP는 푸 른색을 띠고 환원제와 반응하여 무색이 된다. 이 반응은 가역적이다. N H N Cl + 2H + 2e + HO - O OH HO Cl Cl Cl 그림 II-14 DPIP의 환원 과정 Electron acceptor DPIP 푸른색의 DPIP가 전자의 최종 수용체 역할을 하여 무색으로 변한다. Disrupted thylakoid membrane 그림 II-15 전자를 얻어 환원된 DPIP의 농도에 따른 DPIP의 색깔 변화 광합성률은 엽록체에 빛을 비췄을 때, DPIP의 색깔 변화로 측정할 수 있다. DPIP는 페레독신보다 더 높은 전자 친화도 때문에 식물에서 전자 전달 정도를 측 DPIP 다이클로로페놀인도페놀 정하는데 이용된다. 예를 들어 DPIP와 광합성률을 비교하면 명반응 동안 일어나 는 환원 반응 때문에, DPIP는 전자의 최종 운반체인 NADP+를 대체할 수 있다. 63 명반응이 진행되면서 DPIP가 환원됨에 따라 점차 무색으로 변한다. 분광 광도계로 측정하면 점차로 흡수되는 빛의 양이 적어짐을 알 수 있다. 2 준비물 분광 광도계(spectrophotometer), 큐벳(disposable) 3개, 알루미늄 포 일, 100W 전등, 초시계, 아이스박스, 일회용 피펫, DPIP/인산염 완충 용액, 0.5M 설탕 용액, 엽록소 현탁액, 끓인 엽록소 현탁액, 얼음, 전자저울, 약수 저, 약포지, K2HPO4(Ⅱ), K2HPO4(Ⅰ), 증류수, 시금치, 믹서기, 1L 비커 2개, 거즈, 약병, 1L부피 플라스크 2개 3 방법 및 절차 DPIP/인산염 완충용액과 엽록체 현탁액은 실험전에 교사가 미리 만 들어 놓는다. 1. Henderson-Hasselbalch 일반식을 이용하여 만들고자 하는 완충용액의 정량적인 용질질량을 구 할 수 있다. pH = pKa + log([짝염기]/[약산]) 가. DPIP/인산염 완충 용액 만들기 1) K2HPO4(Ⅱ) 174g을 증류수에 넣어 총 부피를 1L로 맞춘다(A). 2) K2HPO4(Ⅰ) 136g을 증류수에 넣어 총 부피를 1L로 맞춘다(B). 3) 두 용액을 pH6.5가 되도록 섞는다. 대략 685mL의 (A)에 315mL의 (B)를 섞는다(C). 두 용액을 pH 6.5가 되도록 맞춘다. 4) DPIP 용액은 0.072g의 DPIP를 총 부피 1L가 되도록 증류수와 섞는다. ※ 이 용액은 갈색 시약병에 넣어 냉장 보관했다가 사용한다. 5) DPIP 용액:완충 용액(C):증류수가 1:1:3이 되도록 섞는다. 2. 완충용액 만들기(실제적인 방법) KH2PO4의 분자량 = 136.09 K2HPO4의 몰 질량 = 174.18 각각 1M 용액 1L씩을 만든 후 두 개의 용액을 조금씩 부어가면서 pH6.5로 맞춘다.(Merck Index 검색하면 두 종류의 용액을 얼마큼 나. 엽록체 현탁액 만들기 1) 신선한 시금치를 수 시간 동안 빛에 노출시킨다. 2) 0.5M의 설탕용액 30mL와 시금치 잎 5.5g을 믹서기에 넣고 10초간 3 번 정도 분쇄한다. 씩 넣으면 pH가 얼마가 나오는지 3) 비커에 거즈를 씌우고 혼합물을 걸러, 가능한 한 많은 액을 얻는다. 알 수 있다.) 4) 2mL 정도를 덜어 차가운 약병에 담아 둔다. 약병은 빛이 투과하지 못하 3. DPIP는 pH에 의존적인 산화와 도록 알루미늄 포일로 싼다. 환원 지시약이므로 실험 조작 외의 다른 요소로 인한 pH 변화를 막기 위해 중성에 가까운 pH6.5인 완충 요액이 필요하다. 다. 광합성률 측정하기 1) 일회용 피펫 3개와 큐벳 3개를 다음과 같이 구분하여 표시한다. 일회용 피펫 3개에는 U(안 끓임), B(끓임), D(암 처리)라고 쓴다. 큐벳 3개에는 U(안 끓임), B(끓임), D(암 처리)라고 쓴다. 64 II 물질대사 그림 II-16 실험 과정 모식도 2) 600mL 비커에 물을 채우고 램프를 준비한다. 그림과 같이 비커와 램프 를 배열한다. 3) 끓이지 않은 것과 끓인 엽록체 현탁액을 준비한다. U 피펫을 이용하여 1mL의 끓이지 않은 엽록체 현탁액을 채취한다. B 피펫을 이용하여 1 mL 의 끓인 엽록체 현탁액을 채취한다. 두 피펫은 얼음이 들어 있는 작 은 비커에 보관하고, 엽록체는 시원하게 보관한다. 4) 2.5mL 의 DPIP/인산염 완충 용액을 각 큐벳에 넣는다. ※ 주의: 다음 과정을 최대한 빨리하고, 과정 5로 바로 넘어간다. 1 큐벳 U: U 엽록체를 3방울 넣는다. 큐벳을 흔들어 천천히 섞는다. 거 품이 생기지 않도록 주의한다. 램프 앞에 큐벳을 놓되, 항상 같은 지점 에 놓일 수 있도록 큐벳의 위치를 표시한다. 2 큐벳 B: B 엽록체를 3방울 넣는다. 큐벳을 흔들어 천천히 섞는다. 거 품이 생기지 않도록 주의한다. 램프 앞에 큐벳을 놓되, 항상 같은 지점 에 놓일 수 있도록 큐벳의 위치를 표시한다. 3 큐벳 D: 3 방울의 U 엽록체를 넣는다. 큐벳을 흔들어 천천히 섞는다. 거품이 생기지 않도록 주의한다. 램프 앞에 큐벳을 놓되, 항상 같은 지 점에 놓일 수 있도록 큐벳의 위치를 표시한다. 큐벳을 알루미늄 포일 로 감싸 빛이 투과하지 않도록 유의한다. 5) 각 큐벳의 초기 흡광도를 600nm 파장에서 측정한다. 측정 후 다음과 같 이 램프 앞의 원래 위치에 놓는다. 1 큐벳 U: 흡광도 측정 후 램프 앞의 원래 위치에 놓는다. 2 큐벳 B: 흡광도 측정 후 램프 앞의 원래 위치에 놓는다. 3 큐벳 D: 포일을 벗겨 흡광도를 측정한 후, 포일로 다시 싸서 램프 앞 의 원래 위치에 놓는다. 6) 램프를 켠다. 7) 5분, 10분, 15분, 20분이 경과할 때마다 과정 5)를 반복한다. 65 4 결과 및 고찰 흡광도 측정 시간 (min) 안 끓임(Unboiled) 끓임(Boiled) 암 처리(Dark) 0 5 10 15 20 광합성률 구하는 방법 : 광합성률 속도는 기울기로 결정할 수 있으므 로, 시간에 따른 흡광도 변화를 구한 안 끓임(Unboiled) 다. 이 때, DPIP의 흡광도와 빛을 비춘 시간은 반비례한다는 것을 유의한 끓임(Boiled) 다. 기울기=(튜브의 마지막 시간 흡광 암 처리(Dark) 도-처음 시간 흡광도)/시간 (또는 엑셀을 이용하여 추세선을 그 려 기울기를 구할 수 있다.) 5 연구 과제 가. 엽록체가 DPIP의 흡광도를 줄일 수 있다는 증거는 무엇인가? 나. 암 처리된 엽록체와 끓인 엽록체가 DPIP의 흡광도를 줄일 수 있는가? 참고문헌 권오길 외 7인. 2004. 일반생물학실험. 강원대학교 출판부. pp. 47-52. 안주현, 유상근. 2014. 일반생물학 실험 Ⅰ. 서울과학고등학교. pp. 88-93. 66 II 물질대사 실험 II-4 학습 목표 온도에 따른 세포 호흡 속도 • 환경 요인에 따른 세포 호흡의 속도를 측정하는 실험을 설계·수행하고 결과 를 바르게 해석할 수 있다. 1 도입 생물체가 생명을 유지하려면 일정량의 에너지를 필요로 한다. 이때 필요한 에너지는 우리가 섭취하는 음식물 속에 화학 결합 에너지의 형태로 저장되어 있는데, 세포는 이것을 직접 이용할 수 없다. 이 에너지는 호흡에 의해 생물이 이용할 수 있는 형태인 ATP로 전환된다. 동물 세포와 같이 식물 세포 또한 산소 호흡을 하여 필요한 에너지를 얻는 다. 일반적으로 발아 중인 씨앗은 에너지를 많이 필요로 하기 때문에 발아 중인 콩은 왕성하게 호흡을 한다. 호흡량을 측정하는 방법은 소모되는 산소량을 측 정하거나 호흡의 결과 생성되는 이산화 탄소량을 측정한다. 호흡 속도는 온도, 공기 중 산소의 농도, 수분 등의 영향을 받는다. 이 실험에서는 콩의 호흡에 온 도가 미치는 영향에 대해 간략히 가설을 세워 보고 실험을 통해 가설을 검증해 보자. 2 준비물 발아 콩 25개, 종이 타월, 비닐 주머니, 따뜻한 물, 얼음, 컴퓨터, MBL 접속 장치, 데이터 수집 소프트웨어, CO2(g) 센서, 메스실린더, 250mL 삼각 플라 스크, 1L 비커, 500mL 비커, 페트리 접시 1개, 유리 막대, 온도계, 핀셋 3 방법 및 절차 가. 세포 호흡 속도 측정 시범 실험 1) 컴퓨터에 접속 장치를 연결하고, CO2 센서를 MBL 접속 장치에 연결한다. 2) 프로그램을 실행하고, ‘측정 간격’ 을 5초, ‘실험 시간’ 을 180초로 설정한다. 67 그림 II-17 호흡 속도 측정 실험 준비물 센서가 400ppm으로 안정되어 야 하는 이유 : 대기중의 이산화탄소 최저 농도는 400ppm보다 아주 약간 높다. 실내 공간에서는 사람이 숨을 쉬면 이산화 3) 핀셋을 이용하여 수분을 제거한 발아 콩 5개를 삼각 플라스크 안에 넣는다. 4) 온도계로 상온의 온도를 확인한 다음, CO2 센서가 400ppm 정도로 안 정되었을 때 삼각 플라스크 안에 CO2 센서를 꽂는다. 5) 그래프의 변화를 확인한다. 탄소 농도가 약간 증가할 수 있으나 일반적인 경우, 센서 측정 기본값을 400ppm으로 정한다. 그림 II-18 실험 장치 꾸미기 68 II 물질대사 나. 조별 실험 설계 1) 각 조별로 온도에 따른 세포 호흡 속도를 검증하기 위한 실험을 설계해 보자. 2) 실험 결과를 예상한다. 이때 반드시 근거를 제시하도록 한다. 3) 실험 절차를 세우고 절차에 따라 실험해 보자. 69 4 결과 및 고찰 다음 식을 이용하여 특정 온도에서 콩의 세포 호흡 속도를 계산하여 기록한다. 호흡 속도 = (이산화 탄소 농도 최댓값 - 이산화 탄소 농도 최솟값) 시간(분) 이산화 탄소 농도(ppm) 온도 농돗값 최댓값 농돗값 최솟값 호흡 속도 (ppm/분) 최곳값-최젓값 이산화 탄소 농도의 변화량으로 세포 호흡 속도를 측정하는 이유는 무엇인가? 5 연구 과제 가. 콩의 세포 호흡 속도를 다른 방법으로 측정할 수 있을까? 어떤 방법이 있을지 생각해 보자. 나. 동물의 세포 호흡 속도는 온도에 따라 어떻게 다른가? 변온 동물과 항온 동물을 비교해 보자. 참고문헌 문태주 외 3인. 2010. 생물 실험. 서울특별시교육청. pp. 68-70. 70 II 물질대사 실험 II-5 학습 목표 효모의 발효(유기 호흡, 무기 호흡) • 효모 발효 실험을 통하여 산소 호흡과 발효의 차이점을 설명할 수 있다. 1 도입 발효는 해당 과정과 전자를 NADH로부터 피루브산이나 피루브산 유도체로 전달하여 NAD+를 재생시키는 반응으로 구성되어 있다. 기질 수준의 인산화로 총 2분자의 ATP를 생성하는 해당 과정에서 NAD+는 포도당을 계속 산화하기 위해서 재사용된다. 여러 가지 발효의 유형은 피루브산에서 형성되는 최종 생 성물의 종류에 따라서 구분된다. 발효의 대표적인 예는 알코올 발효와 젖산 발 효가 있다. 진핵세포는 산소가 없을 때는 일시적으로 발효를 하지만, 대부분은 유기 호 흡으로 생활 에너지를 얻는다. 그러나 식물의 뿌리나 단세포 균류인 효모는 계 속해서 발효를 할 수 있다. 효모는 산소가 없는 상태에서도 포도당을 분해하여 에탄올을 만들고, 이 과정에서 생성된 에너지를 사용하여 살아간다. 알코올 발 효는 포도당이 해당 과정을 거쳐 피루브산이 된 다음, 해당 과정에서 만들어진 NADH를 이용하여 에탄올과 이산화 탄소를 만든다. 2 준비물 발효관, 비커, 깔때기, 항온기, 스포이트, 증류수, 솜, 거름종이, 시계, 건조 효모, 1M 설탕 용액, 1M 포도당 용액, 1M 갈락토스 용액, 40% 수산화 칼륨 (KOH) 용액, 루골(I2KI) 용액, 전자 저울, 시험관, 70~80℃ 물 3 방법 및 절차 가. 건조 효모 6g을 증류수 50mL에 풀어 효모액을 만든다. 나. A~D 발효관에 표와 같이 용액을 섞어서 잘 흔들어 준다. 71 발효관 처리 방법 A 설탕용액 20mL + 증류수 15mL B 설탕용액 20mL + 효모액 15mL C 포도당 용액 20mL + 효모액 15mL D 갈락토스 용액 20mL + 효모액 15mL 다. 맹관부에 기체가 들어가지 않도록 발효관을 세우고 둥근 부분의 입구에 솜 마개 를 한 다음, 항온기에 넣어 40℃로 유지시킨다. 라. 발생하는 기체의 부피를 맹관부의 눈금으로 10분 간격으로 측정하고, 그 기체 의 부피 증가량을 계산한다. 마. 맹관부에 기체가 모이면 스포이트를 사용하여 팽대부의 용액을 가능한 한 많이 뽑아내고, 40% 수산화 칼륨 용액 15mL를 넣는다. 바. 맹관부를 약간 기울여 발생된 기체와 발효관 용액의 접촉면을 넓힌다. 사. 위의 용액을 여과하여 시험관에 넣고, 루골 용액을 가한 다음 70~80℃의 더운 물에 1분 정도 담가 두었다가 꺼내어 냄새를 맡아 본다. 아. 다른 발효관의 실험도 같은 방법으로 실시한다. 건조 효모 6g 증류수 50ml 맹관부 효모액을 만든다. 발효관에 효모액과 당 용액을 넣는다. 40℃로 유지한다. 루골 용액 70~80℃ 물 팽대부의 용액을 뽑아낸다. KOH 용액을 넣는다. 맹관부를 약간 기울인다. 발효관의 용액을 여과한다. 그림 II-19 실험 과정 72 여과한 용액에 루골 용액을 첨가한다. II 물질대사 4 결과 및 고찰 가. 시간에 따른 발효관별 기체 발생량의 변화를 표와 그래프로 나타내 보자. 시간(분) 0 10 20 30 40 50 발효관 A B C D 기체 발생량 (mL) 0 10 20 30 40 50 시간(분) 나. 기체가 가장 많이 발생하는 발효관은 무엇인가? 그 이유는 무엇인가? 다. 설탕을 포도당과 같이 발효의 기질로 이용할 수 있는 것은 효모의 어떤 성분 때문인가? 라. 발효관에 수산화 칼륨 용액을 넣은 이유는 무엇이며, 맹관부 기체와 이 용액의 접촉면을 크게 하는 이유는 무엇인가? 마. 발효가 진행된 용액에 루골 용액을 넣으면 어떤 냄새가 나며, 어떤 현상이 나타 나는가? 5 연구 과제 가. 알코올 발효와 유기 호흡을 비교하여 설명하시오. 나. 알코올 발효 과정에서 ATP의 수지 관계(생성량-소모량)를 서술하시오. 참고문헌 안주현, 유상근. 2014. 생명과학 실험 Ⅰ. 서울과학고등학교. pp. 22-29. 한국교원대학교 과학교육연구소. 2005. 생물 실험. 교육인적자원부. pp. 91-94. 73 실험 II-6 학습 목표 혈색소 비율 측정 • 혈액을 원심 분리하여 혈액에서 적혈구가 차지하는 비율을 측정하고 적혈구의 산소 운반 기능을 설명할 수 있다. 1 도입 전체 혈액에 포함된 혈색소(적혈구)의 비율을 적혈구 용적률이라고 한다. 이를 확인하기 위해서 혈액을 모세관에 넣어 원심 분리하면 적혈구가 맨 아래로 가 라앉고, 그 위에 흰색 띠 형태로 백혈구가 쌓이며, 맨 위에는 투명한 혈장이 모 인다. 적혈구 용적률을 측정하면 건강 상태를 파악할 수 있는데, 적혈구 용적 률의 비율이 낮으면 빈혈이 있음을, 백혈구 비중이 커지면 몸에 염증이 있음을 추 측할 수 있다. 메니스커스 100% 혈장 백혈구 42% 적혈구 0% 청색띠 종이찰흙 그림 II-20 적혈구 용적률 2 준비물 혈액, 소독용 알코올, 채혈 기구, 채혈침, 적혈구 용적률 원심 분리기, 모세관, 종이 찰흙, 판정판 3 방법 및 절차 가. 손가락을 소독용 알코올로 소독한 후 채혈침으로 찌른다. 나. 방출된 혈액에 모세관을 대고 모세관 현상을 이용하여 모세관의 80% 이상 혈액을 빨아올린다. 74 II 물질대사 그림 II-21 혈액 채취하기 다. 종이 찰흙으로 모세관의 한쪽을 막고 적혈구 용적률 원심 분리기에 넣는다. 이때 찰흙으로 막은 부분이 바깥쪽을 향하도록 한다. 그림 II-22 모세관 끼워 넣기 라. 원심 분리기 덮개를 덮고 10,000~12,000g에서 2분 동안 원심 분리한다. 그림 II-23 원심 분리 후 꺼내기 마. 모세관을 꺼내어 판정판에 넣고 혈액에서 적혈구 용적률을 측정한다. 자를 사용하여 비율을 측정할 수도 있다. 그림 II-24 적혈구 용적률 측정 75 4 결과 및 고찰 가. 혈장, 백혈구, 적혈구에 해당하는 각각의 띠를 관찰할 수 있는가? 나. 자신의 적혈구 용적률을 구해 보자. 혈장(B) 백혈구(C) 혈액(A) 적혈구(D) 적혈구 용적률(Hematocrit: 적혈구 용적률) 혈액 전체 부피에 대한 적혈구 부피의 비율 = D A 정상 성인 남자: 0.41~0.51 정상 성인 여자: 0.36~0.45 그림 II-25 적혈구 용적률 적혈구 용적률(Hct, 혈색소 비율) = 적혈구 혈구+혈장 ×100 다. 모둠별로 적혈구 용적률 비율을 정리해 보자. 비율(%) 인원(명) 76 30 이하 31~35 36~40 41~45 46~50 50 이상 II 물질대사 5 연구 과제 자신의 적혈구 용적률을 통해 자신의 건강 상태를 추정해 보자. Plasma(혈장): -Water(물), proteins (단백질), nutrients(영양분), hormones(호르몬), etc. Buffy coat(연막): -White blood cells(백혈구), platelets(혈소판) Hematocrit(적혈구 용적률): -Red blood cells(적혈구) Normal Blood(정상 혈액): 37%-47% hematocrit 42%-52% hematocrit Anemia(빈혈): Polycythemia(다혈구증): 감소한 적혈구 용적률 % 증가한 적혈구 용적률 % 그림 II-26 적혈구 용적률에 따른 혈액의 상태 참고문헌 문태주 외 3인. 2010. 생물 실험. 서울특별시교육청. pp. 75-78. 유상근. 2014. 생명과학 실험Ⅱ. 서울과학고등학교. pp. 4-13. 77 단원 열기 생물은 외부로부터 자극을 받으면 반응을 한다. 사람은 추우면 몸을 움츠리고, 눈에 무엇이 다가오면 눈을 감거나 피한다. 또 창 가의 식물은 빛이 들어오는 창밖을 향해 자라고, 파리지옥에 작은 곤충이 닿으면 잎이 닫힌다. 자극에 대한 어떤 반응은 빠르고, 어떤 반응은 느리게 일어난다. 자극과 반응은 무엇이며, 생물이 자극에 대해 나타내는 반응의 종류는 얼마나 다양한지 알아보자. 78 III 자극과 반응 *** 자극과 반응 III-1 물리적·화학적 자극에 대한 동물의 반응 III-2 사람의 반사 작용 III-3 식물의 굴중성 III-4 식물의 굴광성 사진 | 김승자 [물푸레생태교육센터] 79 올빼미의 야간 사 냥 80 III 자극과 반응 실험 III-1 학습 목표 물리·화학적 자극에 대한 동물의 반응 • 빛, 중력, 접촉, 호르몬 등의 물리•화학적 자극에 반응하는 동물의 행동을 관찰하고 일반화할 수 있다. 1 도입 모든 생물은 외부 환경의 다양한 자극에 대하여 반응한다. 이와 같이 동물의 반응은 동물이 생존하는 데 큰 역할을 하며, 다양한 자극원에 대하여 독특하게 나타난다. 주성은 동물이 어떤 자극에 대해 몸을 움직여 반응하는 것인데, 자극원을 향 해 나아갈 때는 양성 반응이라 하며, 자극원의 반대 방향으로 나아갈 때는 음성 반응이라고 한다. 호르몬은 극히 적은 양만 방출되지만 인체에 미치는 영향은 매우 크다. 에피 네프린은 위기 상황에 대비하기 위해서 분비되는 스트레스 호르몬인데, 심장 박동 수와 대사율을 높이는 것이 그 예이다. 2 준비물 가. 빛, 중력, 접촉에 대한 반응 : 플라나리아, 해부침, 시험관, 숟가락, 작은 손전등, 알루미늄 포일, 흰 종이, 페트리 접시, 코르크 마개, 배양액(우물 물, 생수 또는 (1~2일간 실내에 놓아둔) 수돗물) 나. 호르몬에 대한 반응 : 물벼룩, 오목 받침유리, 스포이트, 덮개유리, 휴지, 에 피네프린 용액(0.01%, 0.001%, 0.0001%), 거름종이, 실체 현미경, 초 시계 3 방법 및 절차 가. 빛에 대한 반응 1) 플라나리아가 모든 곳으로 움직일 수 있도록 시험관을 플라나리아 배양 용액으로 가득 채운다. 2) 작은 숟가락으로 플라나리아 한 마리를 시험관으로 옮겨 넣은 후 코르크 마개로 막는다. 81 3) 시험관 주변 환경을 어둡게 하기 위해 실험실 불을 끈다. 4) 알루미늄 포일로 시험관 절반을 덮을 수 있는 덮개를 만든다. 5) 플라나리아가 들어 있는 시험관을 흰 종이 위에 수평으로 놓는다. 6) 플라나리아가 시험관의 정중앙에 올 때까지 기다린다. 7) 플라나리아가 정중앙 근처에 오면 알루미늄으로 만든 덮개로 시험관 절 반을 가만히 덮는다. 8) 손전등으로 불을 비추어 플라나리아가 어느 쪽으로 움직이는지를 관찰한다. 플라나리아 알루미늄 포일 과정 7) 플라나리아가 들어 있는 시험관을 알루미늄 포일로 싼 다음 흰 종이 위에 놓는다. 과정8) 플라나리아가 중앙에 왔을 때 손전등을 비춘다. 그림 III-1 빛에 대한 반응 나. 중력에 대한 반응 1) 플라나리아가 모든 곳에 스스로 움직일 수 있도록 시험관을 플라나리아 배양 용액으로 가득 채운다. 2) 작은 숟가락으로 플라나리아 한 마리를 시험관으로 옮겨 넣은 후 입구를 코 르크 마개로 막고 시험관을 수평으로 놓는다. 3) 플라나리아가 중앙 근처에 오면 시험관을 수직으로 세운다. 4) 플라나리아가 어느 쪽으로 이동하는지 관찰한다. 과정 2) 플라나리아가 들어 있는 시험관을 수평으로 놓고 가운데에 올 때까지 기다린다. 과정 3) 시험관을 수직으로 세워 놓고 플라나리아의 움직임을 관찰한다. 그림 III-2 중력에 대한 반응 82 III 자극과 반응 다. 접촉에 의한 반응 1) 페트리 접시에 배양액을 담고 플라나리아를 놓는다. 2) 해부침으로 플라나리아의 머리 부분을 살짝 자극한 후 반응을 관찰한다 3) 해부침으로 플라나리아의 꼬리 부분을 살짝 자극한 후 반응을 관찰한다. 과정 2) 플라나리아의 머리 부분을 자극하고 반응을 관찰한다. 과정 3) 플라나리아의 꼬리 부분을 자극하고 반응을 관찰한다. 그림 III-3 접촉에 의한 반응 라. 호르몬에 대한 반응 1) 물벼룩 한 마리를 스포이트를 사용해서 오목 받침유리로 옮긴다. 덮개유 리를 덮고 현미경으로 물벼룩을 관찰하고, 심장의 위치를 확인한다. 2) 초시계를 이용해서 10초간 물벼룩의 심장 박동 수를 측정하고, 측정값에 6을 곱하여 분당 심박수를 구한다. 측정 결과를 표에 기록하고 5번 반복 한 다음 평균을 구한다. 3) 거름종이로 물기를 제거한 후, 물벼룩을 오목 받침유리에 놓고 0.0001%의 에피네프린 용액을 떨어뜨리고 덮개유리를 덮는다. 4) 약 60초간 방치하여 에피네프린의 효과가 나타나게 한 다음 심장 박동 수를 측정하고 결과를 표에 기록한다. 5) 받침유리와 덮개유리를 잘 닦고, 새로운 물벼룩을 받침유리에 올려놓은 다음 다른 농도의 에피네프린에 대한 심장 박동 수를 측정하고 결과를 표에 기록한다. 4 결과 및 고찰 가. 플라나리아의 자극에 대한 반응 결과를 정리해 보자. 양성 음성 반응 없음 빛 중력 접촉 83 나. 플라나리아의 머리 부분과 꼬리 부분은 접촉 자극에 대해 어떻게 반응하는가? 다. 물벼룩의 호르몬에 대한 반응 결과를 정리해 보자. 심장 박동률 에피네프린 용액 박동 수 / 분 (1차) 박동 수 / 분 (2차) 박동 수 / 분 (3차) 박동 수 / 분 (4차) 박동 수 / 분 (5차) 0% 0.0001% 0.001% 0.01% 심장 박동률 (박동 수/분) 0 0.0001 0.001 0.01 에피네프린 농도(%) 라. 물벼룩의 심장 박동에 영향을 주는 에피네프린의 역치 농도는 얼마인가? 5 연구 과제 가. 플라나리아의 운동 기관은 무엇인가? 나. 플라나리아는 뇌가 있다고 할 수 있는가? 다. 물벼룩 심장 박동에 대한 에피네프린의 영향을 생각할 때, 에피네프린이 사람의 심장 박동에 어떤 영향을 줄 것으로 생각하는가? 참고문헌 문태주 외 3인. 2010. 생물 실험. pp. 80-83. 서울특별시교육청. 한국교원대학교 과학교육연구소. 2005. 생물 실험. 교육인적자원부. pp. 113-117. 84 III 자극과 반응 실험 III-2 학습 목표 사람의 반사 작용 • 사람의 몸에서 일어나는 여러 가지 반사를 실험을 통해 확인하고 신호 전달 경로를 설명할 수 있다. 1 도입 반사 작용은 자극을 의식하고 반응하는 것이 아니라 무의식적이고 자동적으로 일어나는 반응이다. 반사 작용은 반사궁에 의해 일어나는데, 반사궁이란 자극에 의해 감각 수용기에 생긴 흥분이 구심성 뉴런에 의해 반사 중추에 전달되고, 그곳 으로부터 원심성 뉴런을 통해 실행기에 전해지기까지의 경로를 말한다. 반사 작용을 통해 특정 자극에 대해 자동적으로 빠르게 반응하여 신체를 위험 에서 보호할 수 있다. 예를 들어 몸의 일부가 난로나 뜨거운 냄비 등에 접촉하면 자극이 뇌로 전달되기 전에 반사 작용에 의해 빠르게 신체를 뗄 수 있다. 두 사람이 한 모둠이 되어 사람의 반사 작용을 간단히 알아보자. 2 준비물 손전등, 투명한 아크릴판(30cm×30cm), 종이, 자 3 방법 및 절차 가. 동공 반사 1) 두 사람이 한 모둠이 되어 실험한다. 주의 사항 2) 일상의 정상적인 밝기에서 한 사람이 다른 사람의 동공 크기를 관찰하여 LED 전등을 포함하여 눈에 심한 손 상을 줄 수 있는 전등은 사용하지 않 도록 주의한다. 지름을 측정한다. 3) 실험자는 눈을 감은 상태로 손으로 눈을 3분 정도 가린다(안대를 사용할 수 있 다). 실험자가 눈을 뜨자마자 관찰자가 실험자의 동공의 지름을 측정해 기록 한다. 동공의 크기가 처음 상태로 돌아갈 때까지 관찰하고 결과를 기록한다. 4) 실험자가 눈을 감고, 관찰자가 손전등을 이용하여 실험자의 왼쪽 눈에 빛 을 비추면 실험자가 눈을 뜬다. 이때 관찰자가 실험자의 왼쪽 눈의 동공 지름을 측정해 기록한다. 85 그림 III-4 동공 반사 실험 나. 원근 반사 1) 실험자가 실험실에서 창밖 먼 곳을 바라보면서 초점을 맞춘다. 2) 관찰자가 실험자의 동공의 변화를 관찰하고 기록한다. 3) 실험자가 눈의 초점을 가까운 곳(눈앞 15cm)에 있는 물건에 맞춘다. 관 찰자는 이때 실험자의 동공 크기 변화를 관찰하고 기록한다. 4) 몇 차례 동일한 실험을 반복하여 결과를 기록한다. 그림 III-5 원근 반사 실험 다. 깜박임 반사 1) 실험자의 얼굴에서 10cm 되는 거리에 투명 아크릴판을 설치한다. 2) 관찰자가 실험자의 얼굴을 가린 투명 아크릴판을 향해 종이를 던진다. 3) 종이를 던질 때 실험자가 눈을 깜박이는지 관찰하여 기록한다. 86 III 자극과 반응 그림 III-6 깜박임 반사 실험 라. 피부 통증 반사 1) 관찰자가 실험자 앞에 서서 실험자의 동공 크기를 관찰한다. 2) 관찰자가 실험자의 동공을 보면서 실험자의 목뒤를 꼬집는다. 3) 관찰자는 실험자의 동공 크기 변화를 관찰하고 결과를 기록한다. 마. 평형 반사(전정 반사) 1) 실험자는 발을 모으고 바른 자세로 서서 양팔을 곧게 뻗는다. 2) 2분 정도, 관찰자는 실험자의 평형 유지 노력을 관찰한다. 3) 다음으로 실험자가 한 발을 들고 서 있을 때의 몸의 움직임을 관찰하여 기 록한다. 4) 눈을 가리고 과정1)~3)을 반복하여 결과를 기록한다. 4 결과 및 고찰 가. 빛의 밝기에 대한 동공의 크기 밝기 동공의 크기(mm) 정상 상태 눈을 감았다 뜰 때 손전등을 비추었을 때 나. 원근에 따른 동공의 크기 초점 동공의 변화 먼곳 작아짐/커짐 가까운 곳 작아짐/커짐 87 다. 통증 자극에 대한 동공의 크기 자극 동공의 변화 통증 작아짐/커짐 라. 몸의 자세와 눈으로 볼 때의 눈의 상태와 몸의 움직임 몸의 움직임 서 있는 자세 눈을 뜬 상태 눈을 감은 상태 두발 한발 5 연구 과제 가. 실험에서 관찰한 반사 작용이 의식적인 행동이 아니라는 것을 무엇을 통해 알 수 있는가? 나. 평형을 유지하는 데 시각이 기여하는 바는 무엇인가? 다. 반사 작용이 필요한 이유를 말해 보자. 참고문헌 한국교원대학교 과학교육연구소. 2005. 생물 실험. 교육인적자원부. pp. 118-121. 88 III 자극과 반응 실험 III-3 학습 목표 식물의 굴중성 • 식물의 굴중성을 확인하는 실험을 설계•수행하고 결과를 바르게 해석할 수 있다. 1 도입 식물은 외부 자극에 대하여 다양한 반응을 나타낸다. 빛이 한쪽에서만 들어 오면 식물의 줄기는 그 방향으로 빛을 향해 자란다. 이렇게 식물의 기관이 자극 의 방향에 대하여 굽는 생장 반응을 굴성(tropism)이라고 한다. 식물이 자극 을 항하여 자라는 것을 양성 굴성이라 하고, 자극에서 멀어지는 방향으로 자라 는 것을 음성 굴성이라 한다. 그림 III-7 뿌리는 양성 굴중성을 보이며 줄기는 음성 굴중성을 보인다. 굴성에는 빛이 자극원이 되어 반응하는 굴광성(phototropism), 중력에 대해 아래 혹은 위로 자라는 성질인 굴중성(geotropism 혹은 gravitropism), 다른 사물과 접촉한 방향으로 굽는 성질인 굴촉성(thigmotropism) 등 다양한 종류가 있다. 굴중성에 있어서 뿌리는 양성 굴중성을 보이며, 줄기는 음성 굴중성을 보인다. 씨앗이 발아함과 동시에 굴중성이 작용하므로 씨앗이 어떤 방향으로 놓이더라도 뿌리는 중력 방향으로 자라고 줄기는 중력의 반대 방향으로 자란다. 이러한 굴중 89 성은 식물이 평형석(statolith)이라는 밀도가 높은 녹말 덩어리를 포함하고 있 는 특수한 색소체가 중력 방향으로 가라앉는 성질을 통해 반응하는 것으로 알려 져 있다. 이 평형석은 뿌리골무의 특정한 세포에만 존재한다는 가설이 있다. 이번 탐구에서는 여러 가지 씨앗을 이용하여 뿌리의 굴중성을 확인하고 뿌리 끝부분을 잘라 내면 식물이 어떤 성장을 보이는지 탐구해 보자. 2 준비물 다양한 씨앗, 핀셋, 마이크로피펫과 팁, 10% 차아염소산 나트륨 용액, 증류수, 멸균수, 유성펜, 페트리 접시, 비커, 설탕, MS(Murashige & Skoos) 배지, NaOH 용액, HCl 용액, 식물 배양기, 탁상용 원심분리기, 고압 멸균기, 1.5mL 용 원심분리 튜브, 파라필름, 테이프, 한천 분말 3 방법 및 절차 가. 고체 배지 제작 1) 증류수 80mL에 설탕 1g, 한천 분말 1g, MS배지 0.5mL를 넣은 후 다 시 증류수를 사용하여 100mL가 되게 한다. 2) NaOH 용액이나 HCl 용액을 이용하여 pH 5.7로 맞춘다. 3) 고압 멸균 후 식힌 뒤 멸균한 페트리 접시에 부어 식힌다. 뚜껑을 덮고 하 루 정도 말린 후 냉장 보관한다. 나. 씨앗의 배양 1) 씨앗을 1.5mL용 원심분리 튜브에 적당량을 넣은 후 10% 차아염소산 나트륨 용액 0.5mL를 넣고 5분간 기다린다. 2) 탁상용 원심 분리기로 2초간 돌린 후 피펫을 사용하여 용액을 버린다. 3) 멸균수 0.5mL를 넣고 강하게 흔들어 씻어 준다. 다시 원심분리기로 살 짝 돌린 후 용액을 버리고 다시 두 번 정도 같은 방법으로 씻어 준다. 4) 고체 배지 뒷면에 중력 방향을 의미하는 화살표를 그린다. 5) 멸균수 0.5mL을 넣고 멸균한 핀셋을 사용하여 고체 배지에 씨앗을 두 줄로 심어 준다. 이때 씨앗을 잘 고정해야 한다. 6) 씨앗을 심으면 고체 배지를 파라필름으로 밀봉한 후 수직으로 세워 암 조 건의 25℃ 식물 배양기에 3일 정도 배양한다. 7) 배양하는 과정 동안 뿌리가 자란 방향을 관찰하고 기록한다. 8) 3일 정도 후 페트리 접시의 2줄 씨앗에서 한쪽 줄만 뿌리 끝을 약 5mm 90 III 자극과 반응 정도 잘라 낸다. 9) 원래의 방향에 대해 반시계 방향으로 90° 돌려 다시 2~3일 정도 배양한 다. 뿌리가 자란 방향을 관찰 후 기록한다. 반시계 방향으로 3일 정도 배양 90° 회전 씨앗 접종 한쪽 줄 뿌리 5mm 절단 그림 III-8 굴중성 확인 실험 과정 4 결과 및 고찰 가. 각 시기별로 씨앗이 자라는 모습을 관찰하고 사진을 찍어 다음 표에 붙여 보자. 특징 : 서 있는 자세 몸의 움직임 1일 후 3일 후 특징 : 4일 후 특징 : 5일 후 특징 : 91 나. 끝이 절단된 뿌리와 절단되지 않은 뿌리의 생장에는 차이점이 있는가? 다. 이 실험을 암 조건에서 수행하는 이유는 무엇일까? 라. 줄기의 음성 굴중성을 확인하려면 어떻게 해야 할까? 5 연구 과제 식물의 굴중성을 확인하는 실험은 간단한 실험 재료만으로도 가능하다. 식 물의 씨앗은 싹이 트고 발아할 정도의 양분을 가지고 있다는 점에 착안하여 집 에서 쉽게 실험할 수 있는 방법을 찾아보자. 그림 III-9 배추씨 발아 실험 (물에 적신 거름종이 활용) 그림 III-10 옥수수씨 발아 실험 (고체 배지 활용) 참고문헌 문태주, 최승규, 김승수, 김미경. 2010. 고등학교 생명과학 실험. 서울특별시교육청. http://www.vanderbilt.edu/viibre/CellCultureBasicsEU.pdf 92 III 자극과 반응 실험 III-4 식물의 굴광성 학습 목표 • 식물의 굴광성을 확인하는 실험을 설계•수행하고 결과를 바르게 해석할 수 있다. 1 도입 굴광성(phototropism)은 빛 자극이 식물의 생장에 미치는 효과를 말하는 데, 빛이 오는 방향으로 굽는 성질을 양성 굴광성, 빛이 오는 반대 방향으로 굽 는 성질을 음성 굴광성이라고 한다. ← 빛이 오는 방향 그림 III-11 위쪽 : 정상인 애기장대, 아래쪽 : 돌연변이 애기장대. 정상의 애기장대는 빛이 오는 방향으로 휘어 자라나돌연변이 애기장대는 빛이 오는 방향과 관계없이 위로 자란다. 굴광성은 청색광에 의해 유도되며 포토트로핀(phototropin)이라는 막단백 질로 이루어진 두 개의 청색광 수용체(phot1, phot2)가 관여한다. phot1은 넓 은 광도의 빛(약한 빛~강한 빛)에 반응하여 굴광성을 매개하며, phot2는 강한 빛에 의해 유도되는 양성 굴광성만 매개한다. 빛에 의해 포토트로핀은 옥신 수 송체를 재배치하여 옥신을 빛이 오는 반대 방향으로 이동시킨다. 옥신은 줄기 신 장에 촉진하는 호르몬이며, 빛에 의해 줄기의 반대 방향이 신장되므로 줄기는 빛 방향으로 굽게 된다. 이번 탐구에서는 포토트로핀의 돌연변이를 가지고 있는 돌 연변이 애기장대와 야생형의 애기장대를 이용하여 식물의 굴광성을 알아보자. 2 준비물 애기장대(야생형, 돌연변이형), 핀셋, 마이크로피펫과 팁, 10% 차아염소산 나트 륨 용액, 멸균수, 네임 펜, 페트리 접시, 비커, 설탕, MS 용액, NaOH 용액, HCl 용액, 식물 배양기, 탁상용 원심분리기, 고압 멸균기, 1.5mL용 원심분리 튜브, 파라필름, 테이프, 한천 분말, 알루미늄 포일, 증류수, 전자 저울, 냉장고, 가위 애기장대 (Arabidopsis thaliana ) 모델 식물이며, 꽃 발생, 굴광성을 포함한 식물 특징을 연구할 때 많이 쓰이는 식물이다. 93 3 방법 및 절차 가. 고체 배지 제작 1) 증류수 80mL에 설탕 1g, 한천 분말 1g, MS 용액 0.5mL를 넣은 후 다시 증류수를 사용하여 100mL가 되게 한다. 2) NaOH 용액이나 HCl 용액을 이용하여 pH 5.7로 맞춘다. 3) 121℃에서 20분 멸균 후 식힌 뒤 멸균한 페트리 접시에 부어 식힌다. 하 루 정도 말린 후 냉장 보관한다. 나. 야생형과 돌연변이 애기장대의 굴광성 실험 * 애기장대 종자 구입처 야생형 애기장대(Col-0): Carolina 돌연변이 애기장대(phot1phot2) : Nottingham Arabidopsis Stock Centre 또는 울산대 생 명공학연구실(http://biology. ulsan.kr) 1) 씨앗을 1.5mL용 원심분리 튜브에 적당량을 넣고 10% 차아염소산 나트 륨 용액 0.5mL를 넣고 5분간 기다린다. 2) 탁상용 원심분리기로 2초 돌린 후 피펫을 사용하여 용액을 버린다. 3) 멸균수 0.5mL를 넣고 강하게 흔들어 씻어 준다. 다시 원심분리기로 살 짝 돌린 후 용액을 버리고 다시 두 번 정도 같은 방법으로 씻어 준다. 4) 멸균수를 0.1mL 넣고 씨앗과 잘 섞어 준다. 5) 고체 배지 뒷면에 네임 펜으로 선을 긋고 한쪽은 야생형(WT), 다른 쪽은 돌연변이형(MT)으로 적는다. 6) 200μL 팁 끝을 가위로 살짝 잘라 준 후 피펫을 사용하여 고체 배지에 씨 앗을 심는다. 7) 고체 배지를 파라필름으로 밀봉한 후 균일하게 발아가 일어날 수 있게 알 루미늄 포일로 페트리 접시를 감싼 후 4℃에서 3일간 냉처리 한다. 8) 알루미늄 포일을 벗기고 햇볕이 드는 곳(적색광)에 2시간 동안 방치한 후 다시 알루미늄 포일로 싼 후 22℃에서 3일간 키운다. 9) 굴광성 실험을 위해 알루미늄 포일을 벗기고 어린싹이 빛(청색광)에 수직 으로 노출되도록 위치를 조정한 뒤 2~5시간 빛에 노출시킨다. 그림 III-12 암상자 94 III 자극과 반응 그림 III-13 적당량의 WT(정상인 애기장대)와 그림 III-14 MT(돌연변이 애기장대) 씨앗을 차아염소산 나트륨 용액에 넣어 살균한다. 피펫을 사용하여 고체 배지에 씨앗을 심는다. 4 결과 및 고찰 가. 각 시기별로 애기장대가 자라는 것을 관찰하고 사진을 찍어 다음 표에 붙여 보자. 서 있는 자세 몸의 움직임 냉처리 후 2시간 방치 후 특징 : 특징 : 햇빛 노출 3일 후 특징 : 햇빛에 노출 후 특징 : 나. 야생형(WT)과 돌연변이형(MT)이 빛에 어떻게 반응하는지 비교해 보자. 다. 빛에 대한 반응이 생기는 원인을 생각해 보자. 5 연구 과제 무중력 상태에서 야생형 애기장대는 빛에 의해 굴광성이 나타나는지 생각해 보자. 이를 확인하려면 어떻게 실험해야 할지 설계해 보자. 참고문헌 Akhi Moni, 박형식, 한인섭. 2014. 중고등학생 탐구학습을 위한 애기장대(Arabidopsis)의 굴광성과 굴중성 실험. 현장과학교육 8(3): 199-201. 95 단원 열기 생물은 생식 세포의 수정을 통해 발생한 후, 세포 분열을 통해 증식하는 특징을 가지고 있다. 세포 분열은 체세포 분열과 생식 세 포 분열로 구분할 수 있다. 체세포 분열은 몸을 구성하는 체세포를 만드는 현상이며, 생식 세포 분열은 정자와 난자 같은 생식 세 포를 만드는 현상이다. 이 단원에서는 체세포 분열과 감수 분열을 직접 관찰하고 각각의 특징을 알아본다. 또 꽃가루관의 발아와 닭의 발생 과정을 관찰함으로써 생명의 특성을 이해하는 것을 목표로 한다. 96 ō 생식과 발생 IV-1 체세포 분열 IV-2 감수 분열 IV-3 꽃가루관의 발아 IV-4 닭의 발생 97 감수1분열 말기 의 세포(×1,00 0) 감수1분열 전중기의 세포(×1,000) 98 Ⅳ 생식과 발생 실험 IV-1 학습 목표 체세포 분열 • 체세포 분열 과정의 특징을 설명할 수 있다. • 체세포 분열 과정을 관찰하여 세포 분열 단계를 구별할 수 있다. 1 도입 세포 분열은 단세포 생물에서 복잡한 다세포 생물에 이르기까지 공통적으로 관찰되는 현상이며, 체세포 증식 과정인 체세포 분열과 생식세포 형성 과정인 감수 분열로 구분된다. 진핵세포는 일정한 세포 주기를 통하여 같은 유전 정보를 갖는 자손 세포 들로 증식해 나가는데 세포 주기를 간기와 분열기로 나눈다. 간기 동안에는 DNA 복제가 일어나는데 이것은 제한된 특정 시기에만 일어나며 간기를 G1기, S기, G₂기로 구분한다. G1기에는 세포의 성장과 분화가 일어나고, S기 동안 에는 DNA 복제가 일어나 DNA 양이 두 배가 되며, G₂기에는 분열을 위한 준 비를 한다. 체세포 분열을 전기, 전중기, 중기, 후기, 말기로 나누는데 전기에 는 2개의 염색사가 염색체로 응축되기 시작하고 방추사가 나타난다. 전중기에 는 핵막이 소멸되며 방추사는 동원체에 부착된다. 중기가 되면 염색체는 동원 체를 중심으로 인접하게 나열되어 적도판에 정렬된다. 후기에는 쌍을 이룬 염 색분체가 분리되면서 양극으로 이동한다. 말기에는 양극에 도달한 염색체가 응 축된 것이 풀려서 염색사의 형태로 되돌아가고 핵막과 인이 형성되어 딸핵이 만들어진다. 핵분열이 끝나면서 세포질 분열이 시작되는데 동물 세포에서는 세 포막의 만입으로 딸세포를 형성하고, 식물 세포에서는 적도판을 따라 세포판을 만들어 딸세포를 형성한다. 체세포 분열의 유전적 의의는 간기에서 DNA가 정확하게 복제되는 것과 복 제된 유전자가 염색분체의 분리 과정을 통해 2개의 딸세포로 정확하게 분배되 는데 있으며, 이를 통하여 세대 간 유전 물질의 연속성이 보장된다. 이 실험에서는 체세포 분열 과정을 관찰하여 분열 과정에서 염색체의 행동과 세포 분열의 일반적인 특징을 알아보자. 99 2 준비물 현미경, 해부침, 페트리 접시, 받침 유리, 덮개 유리, 거름종이, 항온수조, 거 즈, 면도날, 온도계, 고무 달린 연필, 성냥, 1M HCl, 1% 아세트산카민 용 액 혹은 아세트올세인 용액, 증류수, 스포이트, 은박지, 비커, 양파, 고정액 (아세트산:에탄올=1:3), 이멀전 오일, 렌즈 페이퍼 3 방법 및 절차 가. 은박지로 싼 비커에 물을 가득 붓고 양파를 올려놓아 뿌리가 자라도록 준비 한다(이틀 이상 걸림). 나. 양파의 뿌리 끝을 약 1.5cm로 잘라 고정액(acetic acid : ethanol=1:3) 에 넣고 약 10분간 고정한다. 다. 고정된 양파 뿌리를 증류수에 담가 씻은 후 거즈로 싸서 60℃ 정도의 1M HCl 용액에 8분간 넣어 조직을 해리한 다음 HCl 용액을 깨끗이 증류수로 씻는다. 라. 뿌리 조각을 받침 유리에 놓고 면도칼로 뿌리 끝에서 1㎜ 정도를 자른 후 끝부분을 제외한 나머지는 버린다. 마. 뿌리 끝에 1% 아세트산카민 용액이나 아세트올세인 용액을 한두 방울 떨 어뜨리고 5분가량 둔다. 바. 해부침이나 면도칼로 잘게 부순 후 덮개 유리를 덮는다. 덮개 유리 위에 거름종 이를 올려놓고 체중을 실어 지그시 수직으로 눌러 준 후 현미경으로 관찰한다. 과정 라. 과정 라. 과정 마. 과정 바. 과정 바. 과정 바. 과정 바. 과정 바. 과정 바. 그림 IV-1 방법 및 절차 라.~ 바. 과정 100 Ⅳ 생식과 발생 사. 항상 저배율에서 고배율로 관찰한다. 아. 1,000배로 관찰할 때에는 이멀전 오일을 떨어뜨리고 관찰한다. 자. 1,000배로 관찰이 끝난 후에는 대물렌즈를 렌즈 페이퍼로 닦는다. 4 결과 및 고찰 가. 현미경으로 각 시기의 세포를 관찰하고 그려 보자. 중기(X 전기(X ) 간기(X 시기 ) 후기(X ) 말기(X ) ) 특징 간기 전기 중기 후기 말기 101 나. 간기와 세포 분열 중인 세포를 찾아서 다음 표를 완성하고 각 단계에서 머무 는 세포의 상대적인 시간을 계산해 보자. 개인 관찰 세포 수 간기 단계의 세포 조 평균 시간의 백분율 세포 수 100 시간의 백분율 100 전기 단계의 세포 중기 단계의 세포 후기 단계의 세포 말기 단계의 세포 1) 염색체는 어느 시기에 가장 뚜렷이 보이는가? 2) 간기와 전기의 세포핵은 어떤 점이 다른가? 3) 가장 많이 보이는 세포는 어느 단계의 세포인가? 그 이유는 무엇인가? 4) 양파 체세포의 염색체는 몇 개로 관찰되는가? 5) 동원체와 방추사는 관찰할 수 있었는가? 6) 동물에서 체세포 분열을 관찰하고 싶다면 어떠한 재료를 준비하는 것이 좋을까? 참고문헌 권혁빈 외 11인. 2011. 생명과학 실험서. 라이프사이언스. 김미경 외 3인. 2010. 생물 실험. 교육과학기술부. 102 Ⅳ 생식과 발생 실험 IV-2 학습 목표 감수 분열 • 감수 분열 과정의 특징을 설명할 수 있다. • 감수 분열 과정을 관찰하여 세포 분열 단계를 구별할 수 있다. • 감수 분열과 체세포 분열의 공통점과 차이점을 말할 수 있다. 1 도입 유성 생식을 하는 생물은 암수 생식 세포를 만들고 이들의 결합을 통해 자손 을 생산한다. 암수 생식 세포를 만들어 내는 분열을 생식 세포 분열 혹은 염색 체 수가 반으로 줄어드는 분열이기에 감수 분열이라고 한다. 감수 분열의 특징 은 DNA는 한 번만 복제되지만 핵은 두 번 분열하기 때문에 염색체 수가 반감 된다는 것이다. 유성 생식을 하는 생물이 세대를 거듭해도 체세포의 염색체 수 가 증가하지 않는 것은 바로 배우자가 형성될 때 감수 분열이 일어나 염색체 수 가 반감되어 배우자의 염색체가 체세포의 1/2이 되고 이러한 암수의 배우자가 결합하여 새로운 개체를 만들기 때문이다. 감수 분열은 고등 식물에서는 꽃가루 모세포와 배낭 모세포, 동물에서는 정 모세포와 난모세포에서 일어난다. 감수 분열의 실험 재료로는 꽃가루 모세포와 정모세포가 적합하다. 감수 분열은 감수 1분열과 감수 2분열의 2회 분열을 거치며 염색체 수의 반 감은 감수 1분열에서 일어난다. 감수 1분열의 기본 과정은 상동 염색체의 접 합, 염색체의 교차, 상동 염색체의 분리이며 감수 1분열은 상동 염색체가 접합 하기 위하여 복잡한 과정을 거친다. 이 실험에서는 감수 분열 과정을 관찰하여 그 특징을 알아보고, 체세포 분열 과의 공통점 및 차이점을 알아보자. 2 준비물 현미경, 핀셋, 해부침, 1% 아세트올세인 용액, 받침유리, 덮개유리, 꽃 피기 전 의 호밀 이삭, 거름종이, 70% 에탄올, 고정액, 페트리 접시 103 3 방법 및 절차 가. 꽃 피기 전의 호밀 이삭(4월 중순 ~ 5월 초순)을 따서 고정액에 바로 넣는다. 나. 고정된 이삭을 70% 에탄올이 든 페트리 접시에 꺼내 놓는다. 다. 호밀 이삭에서 낱꽃(수술) 하나를 떼어 내어 받침유리 위에 놓는다. 그림 IV-2 방법 및 절차 가. ~ 다. 과정 라. 해부침을 이용하여 꽃밥(보통 3개)을 싸고 있는 포에서 발라낸다. 마. 1% 아세트올세인 용액을 1방울 떨어뜨린다. 그림 IV-3 방법 및 절차 라.~ 마. 과정 바. 해부침으로 꽃밥 하나를 잡고 다른 해부침으로 5분 정도 조직을 잘게 부순다. 사. 찌꺼기(수술의 막 조직)를 제거한 후 덮개 유리를 덮는다. 아. 거름종이를 덮개 유리 위에 놓고 엄지손가락으로 지그시 누른다. 그림 IV-4 방법 및 절차 바.~ 아. 과정 자. 현미경으로 저배율부터 고배율로 관찰한다. 4 결과 및 고찰 가. 감수 1분열, 감수 2분열의 전 과정을 나타내 보자. 또 체세포 분열과 각 단계를 비교해 보자. 104 Ⅳ 생식과 발생 나. 감수 1분열과 감수 2분열의 차이점을 볼 수 있는가? 다. 간기의 세포, 감수 분열이 끝난 직후의 세포, 감수 분열 중에 있는 세포의 크기 는 어떻게 다른가? 라. 2가염색체, 염색체의 교차도 관찰되는가? 마. 감수 분열에서 염색체의 수를 헤아리는 데 가장 알맞은 시기는? 5 연구 과제 이 실험을 보완한다면 어떤 점을 개선할 수 있을까? 참고문헌 권혁빈 외 11인. 2011. 생명과학 실험서. 라이프사이언스. 김희수, 박기석, 우제창, 전상학. 2007. 실험탐구수업을 이용한 감수 분열 과정의 이해. 현장과학교육 1(1): 12-19. 105 실험 IV-3 학습 목표 꽃가루관의 발아 • 꽃가루관의 발아와 속씨식물의 수분을 설명할 수 있다. 1 도입 꽃가루는 수술의 꽃밥에서 모세포의 감수 분열을 통하여 생성된다. 이렇게 만들어진 꽃가루는 암술머리로 이동하면 생식핵과 꽃가루관핵으로 분열하고, 꽃가루관핵은 꽃가루관을 만들어 암술의 밑씨를 향해 자란다. 꽃가루관이 자라 는 동안 생식핵은 2개의 정핵을 만든다. 꽃가루관의 발아 시간은 식물의 종에 따라 매우 다양하지만, 봉숭아의 꽃가 루는 2~4분 정도로 매우 짧아 실험하기에 적당하다. 이 실험에서는 현미경으로 발아하는 꽃가루관과 꽃가루관 속의 핵들을 관찰 해 보자. 생식핵 생식핵 꽃가루관 꽃가루관 꽃가루관핵 꽃가루관핵 그림 IV-5 꽃가루관의 발아 2 준비물 꽃(봉숭아, 백합, 나리 등), 현미경, 오목 받침유리, 덮개 유리, 페트리 접시, 스포이트, 솜, 저울, 눈금실린더(100mL), 삼각 플라스크(250mL), 붓, 붕 산, 아세트산카민 용액, 설탕, 한천, 전자 레인지, 증류수, 핀셋 106 Ⅳ 생식과 발생 3 방법 및 절차 가. 250mL 삼각 플라스크에 설탕 10g, 붕산 0.1mg, 증류수 90mL를 넣 고 전자레인지를 사용하여 녹인다. 나. 녹인 배양 배지를 스포이트를 이용하여 오목 받침유리 위에 떨어뜨려 고 르게 펴서 굳힌다. 다. 암술머리를 핀셋으로 떼어 준비한 오목 받침유리의 설탕물에 으깬다. 라. 붓을 이용하여 꽃에서 꽃가루를 묻혀 배양 받침유리 위로 떨어뜨린 후 덮개 유리를 덮는다. 마. 물에 적신 솜을 페트리 접시에 깔고 그 위에 꽃가루를 묻힌 배양 받침유 리를 올려놓는다. 바. 5~10분 간격으로 현미경으로 관찰한다. 사. 꽃가루관이 충분히 발아한 후 아세트산카민 용액을 한 방울 떨어뜨려 핵 을 염색한 후 현미경으로 관찰한다. 스포이트 핀셋 암술 오목 받침유리 백합꽃 핀셋으로 으깨는 모습 붓 암술머리 꽃가루 물에 적신 솜 그림 IV-6 꽃가루관 발아 관찰 과정 107 4 결과 및 고찰 가. 발아하는 꽃가루관을 그려 보자. 나. 꽃가루관의 생장 속도를 계산해 보자. 각 시간(분) 후 길이(mm) 꽃 이름 5 10 15 20 25 30 생장 속도 다. 꽃가루관 속의 핵을 관찰해 보자. 5 연구 과제 가. 꽃가루관핵의 역할은 무엇일까? 나. 다른 종의 암술머리에 꽃가루를 묻혔을 때 꽃가루에서 꽃가루관이 자라지 못하 는 이유는 무엇일까? 다. 식물마다 꽃가루관의 생장 속도가 다른 이유는 무엇일까? 꽃가루에 대하여 수술의 꽃밥 속에는 꽃가루주머니가 있고, 꽃가루주머니 속에는 많은 꽃가루 모세포가 있다. 꽃가루 모세포는 감수 분열을 통해 각 꽃가루 모 세포마다 꽃가루를 4개씩 만든다. 108 Ⅳ 생식과 발생 꽃가루로 성숙하는 과정은 보통 1~2일에서 2주까지 걸리며 다음과 같은 중요한 변화가 일어난다. 첫째, 꽃가루주머니 속에서 감수 분열을 마친 각각의 세포는 체세포 분열을 한 번 더하여 크기가 서로 다른 2개의 세포가 된다. 이 중 크기가 큰 영양세포 안에 크기가 작은 생식세포가 가 리잡은 형태가 된다. 둘째, 동시에 영양세포 바깥층에 세밀하게 조각된 그림 IV-7 다양한 꽃가루의 전자 현 미경 사진 두 층의 벽이 세포 주위에 발달한다. 이런 변화가 모두 일어난 후 각각은 꽃가루립, 즉 꽃가루가 된다. 외막 (exin)이라는 꽃가루 벽의 바깥층에는 나중에 꽃의 암술머리 안의 다른 화 학 물질과 반응하는 화학 물질이 들어 있다. 이런 반응의 결과로 꽃가루는 같은 식물에서 온 것인지, 같은 종에 속하는 다른 식물인지, 다른 종의 식 물인지에 따라 발아하기도 하고 더 발달하지 못하기도 한다. 꽃가루의 세포질은 보통 비타민이 풍부하기 때문에 꽃가루를 수집하 여 건강 보조 식품으로 판매되기도 한다. 많은 꽃가루의 외막은 잘 파괴 되지 않아 수천 년 전 퇴적물에 보존되어 있는 것이 발견되기도 하며, 이 러한 것은 고고학적으로도 매우 귀중한 자료가 된다. 다양한 종의 꽃가루 외막 조각 형태는 과, 속, 심지어는 어떤 경우 종 까지 충분히 동정이 가능할 정도로 특징적이며, 이런 특징이 종종 범죄 사건을 다루는 법정 조사에도 사용된다. 많은 꽃가루의 벽에는 구멍 같은 3개의 얇은 부분이 있는데, 작은 구 멍의 수는 하나에서 여러 개까지 매우 다양하다. 수분 후에 꽃가루는 암 술머리에서 액체를 흡수하여 관의 형태로 작은 구멍 중 하나를 통과하여 꽃가루관이 되고 이 관은 암술머리와 암술대 사이를 지나 밑씨에 이를 때 까지 자란다. 옥수수의 경우 50cm 이상 자라야 하지만, 일반적으로는 그 거리가 상당히 짧은 편이다. 꽃가루관의 성장은 보통 24시간 이내 일 어나지만 일부 식물의 경우 일 년 이상 걸리기도 한다. 관이 자라면서 대 부분 꽃가루의 내용물이 꽃가루관 속으로 방출되는데, 생식핵이 뒤에 처 져 있다가 체세포 분열을 통해 분리되어 2개의 정핵을 만든다. 때때로 생 식핵은 꽃가루관이 형성되기 전에 분열하기도 한다. 참고문헌 권혁빈 외 9인. 2008. 일반생물학실험. 지코사이언스. pp. 347-349. 문태주 외 3인. 2010. 생물 실험. 서울특별시교육청. pp. 106-109. 109 실험 IV-4 학습 목표 닭의 발생 • 닭의 발생 과정을 관찰하고 시기별 특징을 설명할 수 있다. 1 도입 달걀은 대량의 난황에 배가 될 세포질이 극단적으로 치우쳐 있는 강단황란이 다. 배가 될 부분은 접시 모양이므로 배반이라고 한다. 반투명한 배반을 자세히 관 찰하려면 분리하여 염색한 후 관찰하며, 영구 생물 표본을 제작하여 관찰하거나 먹물을 이용하여 관찰할 수 있다. 수정란은 부화기에 넣어 21일 동안 발생시키면 서 발생 과정을 단계별로 관찰한다. 초기 발생 시기의 배는 생체 염색 방법으로 관 찰할 수 있으며, 발생 중인 배의 난각과 난막을 떼어 내고 창을 만들어 관찰하는 생체 관찰 방법을 사용하기도 한다. 닭의 발생은 파충류 및 포유류와 함께 배가 양 막으로 둘러싸여 있어 육상에서도 발생이 진행될 수 있는 조건을 지니고 있다. 2 준비물 가. 알의 부화(발생), 영구 표본의 제작 : 24시간 · 48시간 · 72시간 발생시 킨 종란, 부화기, 검란 상자, 해부 세트, 유리 사발, 페트리 접시, 거름종이, 끝을 가늘게 한 파스퇴르 피펫, 받침 유리, 덮개 유리, 면도날, 생리 식염수 (0.9% NaCl), 고정액, 보락스-카민, Li2CO3로 포화된 70% 에탄올, 에탄올 (95%, 100%), 자일렌, 봉입제(캐나타 발삼 또는 합성 봉입제) 나. 생체 관찰법 : 검란 상자, 줄칼, 미세 수술용 핀셋, 탈지면, 투명테이프,실 체 현미경, 종란, 부화기, 연필, 해부침 3 방법 및 절차 가. 알의 부화(발생) 양계장 또는 대형 식품점에서 구입한 신선한 종란을 38~39℃인 부화기에 넣어 발생시킨다. 나. 영구 생물 표본의 제작 : 배반을 자세히 관찰하기 위해서는 배반을 떼어 내어 염색하는 것이 좋다. 110 Ⅳ 생식과 발생 1) 배반 분리 1 유리 사발에 깊이 1.5㎝가 되도록 생리 식염수 를 붓고, 노른자가 터지지 않도록 주의하면서 달걀을 깨뜨려 넣는다. 검란 상자 검란 상자를 이용해 배반의 위치를 확인한다. 백열등 2 배반이 공기 중에 노출되지 않도록 생리 식염 수를 가한 뒤 배반이 위로 오도록 손가락 또는 0.9% 식염수 배(배반) 유리 사발 끝이 부드러운 도구로 닭의 배를 조금씩 움직 인다. 3 배반의 크기보다 조금 크게 거름종이를 오려 배 거름종이 반 위에 조심스럽게 올려놓고, 거름종이 바깥 쪽의 난황막을 해부 가위로 오려 낸다. 4 앞서 잘라 낸 배반(거름종이에 부착된 상태)의 주 그림 IV-8 닭의 배반 분리 과정 변에 남아 있는 난황을 조심스럽게 제거한다. 난 황을 제거하는 과정에서는 되도록이면 끝이 날카 로운 물체가 배에 직접 닿지 않도록 하는 것이 좋다. 끝을 가늘게 한 파스퇴 르 피펫을 이용하여 물을 분사하여 난황을 제거하는 것도 하나의 방법이다. 5 난황이 거의 제거되었으면 생리 식염수가 담긴 페트리 접시에 배반이 붙 은 거름종이를 담가 물의 흐름을 이용하여 배반이 거름종이로부터 떨어 지도록 한다. 이때 배반이 겹쳐지지 않도록 주의해야 한다. 6 현미경용 받침유리를 물속에 담근 상태에서 위로 들어 올리면서 받침유 리 표면에 앞에서 분리한 배반이 부착되도록 한다. 7 받침유리에 부착된 배반을 깨끗한 생리 식염수에 넣고 다시 남아 있는 난 황과 난황막을 제거한다. 거름종이를 제거하는 과정에서 난황막은 거름 종이에 부착된 상태로 함께 제거되기도 하지만 아직 난황막이 배반에 부 착된 상태로 남아 있으면 조심스럽게 제거하도록 한다. 제거하는 방법은 분리된 배반(아직 난황막이 부착된 상태임)의 끝을 핀셋으로 잡고 용액 내에서 부드럽게 흔들어 난황막이 배반으로부터 자연스럽게 떨어져 나오 도록 한다. 8 배반이 분리되면 직경이 5cm인 페트리 접시를 유리 사발에 넣고 위로 들 어 올리면서 배반을 생리 식염수에 담근 채로 회수한다. 9 회수한 배반에 겹쳐진 부분이 있으면 생리 식염수 내에서 조심스럽게 펴 고, 이어 생리 식염수를 제거하여 배반이 배양 접시 바닥에 붙도록 한다. 10 바닥에 붙은 배반의 중심부에 고정액을 한 방울 떨어뜨리고 점차 주변부 에 고정액을 첨가하여 배반이 고정액에 완전히 잠기도록 한다. 111 2) 염색 및 영구 생물 표본 제작 1 배양 접시에 있는 배반이 고정액에 완전히 잠기게 하여 2시간～15시간 고정한다. 2 고정이 끝난 다음 배반의 주변을 면도날로 잘라 사각형 형태로 만들고, 피크린산을 제거한다. 피크린산은 Li2CO3로 포화된 70% 에탄올을 여러 번 바꾸면서 노란색이 완전히 없어질 때까지 제거한다. 3 피크린산이 제거되었으면 배반을 보락스-카민 용액에서 충분히 염색한 다(18시간 정도). 4 염색이 완료되었으면 에탄올을 6회에 걸쳐 교환하면서 6시간 동안 탈염색 하여 과량의 보락스-카민을 배반으로부터 제거한다. 5 95% 에탄올에서 10분간 탈수한 뒤, 100% 에탄올에서 10분씩 2회 탈 수한다. 6 자일렌(xylene)에서 10분씩 2회 담가 여분의 염색약을 제거한다. 7 배반을 받침유리에 옮긴 후 봉입제를 이용하여 봉입한다. 이때 배반이 두 꺼우면 덮개 유리 조각을 이용하여 배반 주변에 턱을 만들어 배반이 충분 한 양의 봉입제에 잠기도록 한다. 다. 생체 관찰법 생체 관찰 방법은 종란을 부화기 내에서 발생시키면서 발생 과정을 관찰하는 방법으로 난각과 난막을 떼어 내고 창을 만들어 발생 중인 배를 관찰한다. 1) 기구 및 재료 1 기구 : 줄칼, 미세 수술용 핀셋, 탈지면, 투명 테이프, 실체 현미경 2 재료 : 70% 에탄올 2) 방법 1 부화기에서 3일 동안 발생시킨 종란에서 배와 공기방의 위치를 검란 상자를 이용하여 확인하고 연필로 표시한다. 2 배가 위치하고 있는 바로 위쪽 난각에 1cm×1cm 크기의 정사각형을 연필로 그리고 이 부위와 공기방 부위를 70% 에탄올을 적신 탈지면 으로 닦아 이물질을 제거한다. 3 해부침으로 공기방 위치에서 난각에 작은 구멍을 뚫는다. 이렇게 하 면 창을 낸 뒤 배반이 난막으로부터 잘 분리 된다 4 표시한 난각을 줄칼과 미세 수술용 핀셋을 사용하여 제거한다. 이때 특히 난막이 상하지 않도록 주의한다. 5 112 배가 상하지 않도록 주의하며 난막을 미세 수술용 핀셋으로 제거하여 창 Ⅳ 생식과 발생 을 만든다. 창을 통하여 배의 발생 시기를 저배율 현미경으로 관찰한다. 6 투명 테이프로 창을 봉한 후 다시 부화기에 넣어 배의 발생이 지속되 도록 한다. 7 필요에 따라 적절한 시기에 부화기에서 발생 중인 달걀을 꺼내어 투명 테이프를 떼어 내고 발생 과정을 관찰한 후 다시 봉하여 부화기에 넣 고 발생이 지속되도록 한다. 4 결과 및 고찰 가. 종란은 어떤 구조를 하고 있으며 각 부분의 기능은 무엇인가? 나. 부화 후 24시간·48시간·72시간 된 배의 모양과 길이를 조사해 보자. 다. 48시간 지난 배의 체절은 몇 쌍인가? 5 연구 과제 가. 닭의 수정은 어디에서 이루어지며 배란 시 발생은 어느 정도까지 진행되었 는지 알아보자. 나. 난할과 낭배 운동은 어떤 양상으로 일어나는지 조사해 보자. 다. 양막, 요막, 장막의 기능은 무엇인가? 체절 장막 양막강 양막 요막 알부민 공기방 배외강 난각 난황낭 그림 IV-9 발생 중인 달걀 내부의 모식도 참고문헌 권혁빈 외 9인. 2008. 일반생물학실험. 지코사이언스. pp. 391-396. 문태주 외 3인. 2010. 생물 실험. 서울특별시교육청. pp. 114-120. 민철기, 강창수. 2006. 생물학 실험서. 라이프사이언스. pp. 227-229. 113 단원 열기 모든 생명체는 DNA의 유전 정보를 자손에게 전달하며 생명을 영속해 나간다. DNA는 단백질과 결합하여 염색체 형태로 존재하 며, 세포가 살아가는 데 필요한 정보를 저장하고 세포 분열 시 복제되어 딸세포에게 전달된다. 이번 단원에서는 유전 원리를 확인 하고 유전자 풀의 변화가 진화로 이어짐을 모의실험을 통해 확인해 보도록 한다. 114 Ŏ 유전과 진화 V-1 침샘 염색체 관찰 V-2 핵형 분석 V-3 DNA 추출 : DNA 목걸이 만들기 V-4 DNA 모형 제작 V-5 초파리 돌연변이 관찰 V-6 초파리 교배 실험을 통한 멘델의 유전 법칙 확인 V-7 반성유전 V-8 사람의 유전 형질 조사 V-9 계통수 작성 V-10 대립 유전자의 빈도 변화 115 무엇이 펭귄을 서로 닮게 하거나 생쥐의 털 길이에 영향을 줄까? 황제펭귄(Apten odytes patago nicus), 서로 닮 은 이유는? 웃시킨 생쥐(좌), 털 길이에 영향을 주는 유전자를 녹아 116 정상 생쥐(우) Ⅴ 유전과 진화 실험 V-1 학습 목표 침샘 염색체 관찰 • 초파리의 침샘 염색체를 현미경으로 관찰할 수 있다. • 초파리의 침샘 염색체와 일반 염색체의 차이를 설명할 수 있다. 1 도입 쌍시목(Diptera)에 속하는 곤충의 유충은 침샘(salivary gland)에서 세포 질의 분열 없이 염색체만 10번 분열하여 1,000개 이상의 염색체가 결합한 다사 염색체(polytene chromosome)를 가진다. 이런 특징 때문에 초파리의 침샘 염색체는 다른 세포의 염색체보다 100배 정도 거대하여 관찰이 용이하다. 또한 초파리 침샘 세포의 염색체는 각 상동 염색체가 접합하여 마치 하나의 *Drosophila melanogaster 초파리, 쌍시목(Diptera) 곤충 4 쌍의 염색체를 가지고 있는 모델 생 물로 게놈(genome)의 크기는 약 170Mb이다. 유전자 약 15,000개 를 가진다고 알려져 있다. 염색체처럼 되어 있어 4쌍이 아니라 염색체가 4개 있는 것처럼 보이며, 그림Ⅴ -1과 같이 동원체에 모두 결합되어 있어 팔을 8개 가진 한 덩어리의 염색체로 관찰된다. 2R 2L 3L X 4 4 2R 2L X 3R 3L A : 염색체가 붙지 않은 상태 3R B : 다사 염색체를 형성하여 붙어 있는 모습 그림 V-1 초파리 염색체 모식도 또한 그림 V-2와 같이 진하게 염색 된 부분과 그렇지 않은 부분이 특정한 밴 드 패턴으로 관찰되며, 퍼프(puff)라는 혹과 같이 부풀어 오른 구조도 관찰된다. 이 부분은 염색체의 응축이 풀어져 유전 자의 전사 활동이 활발한 곳이다. 이번 탐구에서는 실체 현미경을 사용 그림 V-2 초파리 침샘 염색체 관찰 (X1,000) 하여 초파리의 침샘을 얻은 후 광학 현미 경으로 초파리의 침샘 염색체를 관찰해 보자. 117 2 준비물 * 링거액 860mg NaCl, 30mg KCl, 35mg CaCl2를 증류수에 녹여 100mL가 되게 한다. 4℃에서 보관한다. 3령 초파리 유충 여러 마리, 해부용 핀셋이나 해부침(2개), 파스퇴르 피펫, 용액을 버릴 수 있는 빈 용기, 식염수 또는 링거액, 아세트올세인 용액, 45% 아세트산, 받침유리, 덮개 유리, 거름종이, 지우개, 이머전 오일, 광학 현미 경, 실체 현미경 3 방법 및 절차 * 암수 초파리가 들어 있는 관 병을 10일 전에 준비하여 3령 유충을 얻는다. 가. 받침유리에 식염수 또는 링거액을 한 방울 떨어뜨리고 핀셋을 사용하여 초파리 배양 관 병으로부터 얻은 3령 유충 2～3마리를 올려놓는다. 그림 V-3 받침유리에 식염수를 떨어뜨린 후 유충을 올려놓고 실체 현미경으로 관찰한다. 그림 V-4 초파리 유충의 관찰, 위쪽이 뒷 부분이며 아래쪽이 앞 부분이다. 나. 실체 현미경으로 관찰하며 한 손으로 초파리 유충의 뒤로부터 약 2 지점 3 을 핀셋으로 꽉 잡고, 다른 손은 핀셋이나 해부 침으로 입 부분을 아래로 누른 후 잡아당겨 침샘 부위가 딸려 나오도록 한다. 핀셋 핀셋 (A) 뒤 앞 (B) 지방체 침샘 (C) 입 그림 V-5 침샘 주위를 지방체가 감싸고 있다. 다. 파스퇴르 피펫을 사용하여 식염수를 제거하고 아세트산을 한 방울 떨어뜨 려 침샘을 고정한다(약 3분). 라. 고정하는 동안 되도록 침샘을 제외한 다른 부분을 제거하는 것이 좋다. 파 118 Ⅴ 유전과 진화 스퇴르 피펫을 사용하여 잔여물과 남은 아세트산을 제거한다. 모든 단계 는 실체 현미경으로 관찰하며 진행한다. 마. 아세트올세인 용액을 떨어뜨린다(약 10분). 염색액을 떨어뜨리면 침샘이 잘 드러난다. 잠시 시간이 지나면 침샘의 핵이 염색되므로 이를 확인하고 아세트산을 떨어뜨려 염색액을 제거한다. 두 번 정도 반복하는 것이 좋다. 핵 침샘 지방체 x40 그림 V-6 침샘을 제외하고 나머지 부분은 제거한다. 바. 염색된 침샘을 기포가 생기지 않게 주의하며 덮개 유리로 덮은 후 지우개 로 가볍게 톡톡 쳐 염색체가 잘 퍼지게 한다. 또 거름종이를 사용하여 엄 지로 눌러 고여 있는 액체를 제거한다. 이때 덮개 유리가 밀리지 않게 주 의한다. 사. 광학 현미경을 사용해 저배율로 먼저 관찰하여 염색체의 기본 구조를 확인하 고, 고배율로 관찰한다. 이때 침샘 염색체의 밴드 모양과 퍼프를 확인한다. 4 결과 및 고찰 가. 유충에서 분리한 침샘의 사진을 붙이고 특징을 적어 보자. 특징: 침샘(배율: ) 119 나. 저배율과 고배율로 관찰한 침샘의 염색체의 사진을 붙이고 특징을 적어 보자. 침샘 염색체(배율: 특징: ) 침샘 염색체(배율: ) 특징: 다. 초파리 핵에서 염색체 몇 개가 관찰되는가? 각각의 염색체는 서로 분리되 어 있는가? 라. 그림Ⅴ-7은 분열 중인 양파의 뿌리 세포이다. 초파리의 침샘 염색체는 일 반적인 세포의 염색체와 어떻게 다른지 설명해 보자. 그림 V-7 분열 중인 양파의 뿌리 세포 5 연구 과제 각 염색체에서 진하게 염색된 띠와 그렇지 않은 부분은 어떤 차이가 있을까? 진한 부분과 그렇지 않은 부분의 유전자 발현 양상이 어떻게 다른지 추론해 보자. 참고문헌 정진수 외 3인. 2009. 일반생물학 탐구실험. 대구대학교 출판부. 한국유전학회. 2004. 유전학 실험서. 라이프사이언스. 120 Ⅴ 유전과 진화 실험 V-2 학습 목표 핵형 분석 • 사람의 염색체 사진 자료로 핵형을 분석하고 결과를 바르게 해석할 수 있다. 1 도입 19세기 후반에 이르러 슐라이덴은 현미경으로 염색체(chromosome)를 관 찰할 수 있었다. 1950년대에는 과학자들이 사람의 세포를 배양하여 사람의 염 발다이어(W. Waldeyer)는 세포 분 열 중기에 보이는 강하게 염색된 구 조물을 염색체라고 처음 명명하였다. 색체는 23쌍이며, 22쌍의 상염색체(autosomal chromosome)와 성염색체 인 XY(sex chromosome)로 되어 있는 것을 알게 되었다. 현재는 크기뿐 아 니라 여러 기술로 사람의 염색체를 구별할 수 있다. FISH(Fluorescence in situ hybridization)로 형광 표지를 붙이면 염 * 김자액 메틸렌블루와 에오신의 혼합물 색체를 그림 Ⅴ-8과 같이 형광 현미경으로 명확하게 동정할 수 있다. 또 김자 액에 의해 A-T가 풍부한 서열과 G-C가 풍부한 서열이 달리 염색되어 염색 체마다 독특한 패턴이 나타나는 것을 이용하여 염색체를 분석하기도 한다. 이 렇게 염색체를 여러 가지 특징에 의해 구별하는 것을 핵형 분석(karyotype analysis)이라고 한다. 세포 세포 염색체 염색체 핵핵 DNA DNA 그림 V-8 FISH를 통해 각기 다른 형광 표지로 염색된 염색체 핵형 분석을 통해 염색체의 수 이상과 구조의 이상을 알 수 있으며 다양한 기 그림 V-9 진핵생물에서 염색체의 위치 술을 통해 암이나 유전적 결함과 연관된 염색체 이상도 확인할 수 있다. 이번 탐구에서는 김자 염색 방법에 의해 염색된 염색체 사진을 사용하여 핵 형 분석을 해 보자. 121 2 준비물 가위, 테이프 또는 풀, 자, 돋보기, A4 용지, 그림 확대 복사본 3 방법 및 절차 가. 각 모둠별로 2개의 서로 다른 핵형 분석을 한다(정상인 중 택1, 검사자 중 택1). 나. 염색체를 오려 내고 크기순으로 배열한다. 동원체의 위치, 팔의 길이, 밴드 형태를 고려하여 분류한다. 다. 그림 V-10을 참고하여 염색체를 동정한다. 염색체의 짧은 팔이 위로 가도록 결과지에 붙이며, 이때 동원 체는 실선에 위치시킨다. 동정한 염 색체의 상동 염색체를 찾아 옆에 붙 그림 V-10 사람의 G-밴드 핵형 분석 인다. 정상인 1 정상인 2 검사자 1 검사자 2 검사자 3 검사자 4 그림 V-11 정상인과 검사자의 염색체 모형 122 Ⅴ 유전과 진화 4 결과 및 고찰 가. 핵형도를 완성해 보자(확대 복사하여 사용한다). 1 2 3 6 7 8 13 14 15 19 20 9 21 4 5 10 11 12 16 17 18 22 XY 또는 XX 나. 자신의 모둠에서 분석한 핵형의 결과를 적어 보자. 정상인 검사자 염색체 수 : 염색체 수 : 성별 : 성별 : 염색체 이상 여부 및 유형 : 염색체 이상 여부 및 유형 : 핵형 분석 1 핵형 분석 2 5 연구 과제 핵형 분석을 통해 특정 유전자의 돌연변이를 확인할 수 있을까? 확인할 수 있다면 그 방법은 무엇일까? 참고문헌 박상대 역. 2010. 필수 세포생물학(3판). 교보문고. http://www.spectral-imaging.com/applications/cytogenetics/ karyotyping/grcq-banding http://www3.nd.edu/~nismec/biomodel/mod9/9%20 Human%20Karyotyping%20Activity.pdf 123 실험 V-3 학습 목표 DNA 추출: DNA 목걸이 만들기 • 구강 상피 세포에서 DNA를 추출할 수 있다. • DNA 추출 과정의 의미를 설명할 수 있다. 1 도입 일반적으로 사람 세포의 DNA는 총 길이가 2m 정도이지만 DNA는 핵 속에 염색사의 형태로 풀려 있기 때문에 맨눈으로는 볼 수 없다. 우리가 볼 수 있는 것은 DNA가 들어 있는 핵이거나 혹은 DNA와 단백질로 이루어져 염색사의 형태로 풀려 있던 것이 세포 분열 시기에 응축되어 염색체의 모습을 띨 때이다. 세포 내 DNA는 많은 양의 단백질과 결합하여 여러 단계로 응축되어 존재하 며, 세포 분열 시기에는 이러한 DNA가 더욱 꼬이고 응축되어 염색체로 관찰 되는 것이다. 따라서 세포에서 DNA를 추출하려면 먼저 세포막과 핵막을 터뜨 려야 하며, DNA와 결합하고 있는 단백질을 제거하고 DNA를 뭉치게 해야 한 다. 이렇게 DNA를 추출하여 뭉치게 한 후에야 DNA를 눈으로 확인할 수 있 다. 이 실험에서는 자신의 구강 상피 세포에서 DNA를 추출해 보고 각 추 출 과정이 어떤 의미를 가지는지 알아보자. 2 준비물 15mL 튜브, (1.5mL 튜브에 담긴) 단백질 분해 효소, Lysis buffer, 1회용 피펫, 유성펜, 1회용 컵, 일회용 피펫, 시험관대, (-20℃로 보관한) 95% 에 탄올, 항온수조, 바이알, 물, 강력 본드, 소켓, 끈 3 방법 및 절차 가. 15mL 튜브 안에 물 3mL를 넣고 튜 브에 유성펜으로 이름이나 이니셜을 적는다. 그림 V-12 방법 및 절차 가. 과정 124 Ⅴ 유전과 진화 나. 많은 구강 상피 세포를 얻기 위해 입 안쪽을 30초 정도 부드럽게 씹는다. 다. 튜브 속의 물을 입에 머금고 30초 정도 입안에서 세게 가글한다. 그림 V-13 방법 및 절차 다. 과정 라. 입속의 가글액을 주의해서 15mL 튜브에 다시 넣는다. 마. 일회용 피펫을 사용하여 lysis buffer 2mL를 가글액이 들어 있는 튜브 에 넣어 준다. Lysis buffer 그림 V-14 방법 및 절차 마. 과정 바. 튜브의 뚜껑을 닫고 5번 정도 아주 부드럽게 위아래로 뒤집어 준다. 절 대 세게 흔들면 안 된다. 이때 어떤 변화가 있는지 관찰한다. 사. 단백질 분해 효소와 염이 녹아 있는 용액이 들어 있는 1.5mL 튜브에서 일회용 피펫으로 용액을 취해 가글액이 들어 있는 튜브에 5방울 넣어 준 다. 그림 V-15 방법 및 절차 사. 과정 아. 뚜껑을 닫고 세포 추출액(가글액)을 위아래로 부드럽게 5번 뒤집어서 섞 어 준다. 자. 10분 동안 50℃ 항온수조 속의 시험관대에 꽂은 후 방치한다. 항온 수조 50℃에서 10분간 놓아 둠 그림 V-16 방법 및 절차 아~자. 과정 125 차. 일회용 피펫을 차가운(-20℃) 에탄올로 채운다. 카. 세포 추출액이 들어 있는 15mL 튜브를 45° 각도로 기울이고 조심스럽 게 에탄올을 흘려서 넣는다. 그림 V-17 방법 및 절차 카. 과정 타. 여러 번 피페팅하여 알코올로 15mL 튜브를 채운다(10mL 정도 필요하 다). 파. 튜브 안에 용액이 두 층이 되었는지 확인하고 경계면을 주시하여 관찰하 고 결과를 적는다. 하. 튜브 뚜껑을 닫고 시험관대에 꽂은 후 5분간 섞지 말고 그 상태 그대로 방치한다. A. 5분 후 튜브를 다시 관찰하되 특별히 알코올과 세포 추출액의 경계면을 유심히 살펴보고 관찰한 것을 기록한다. 다른 동료의 것과 비교한다. B. 뚜껑이 꽉 닫힌 것을 확인하고 아주 천천히 위아래로 다섯 번 정도 뒤집어가 며 섞어 준다. 무언가 끈적이고 하얀 혹은 투명한 물질을 볼 수 있는가? C. 튜브에서 자신의 DNA를 일회용 피펫으로 취하여 작은 바이알에 조심스 럽게 넣고 바이알의 뚜껑을 닫는다. DNA를 바이알로 옮김 그림 V-18 방법 및 절차 C. 과정 D. 바이알의 뚜껑과 위에 강력 본드를 바르고 소켓을 씌운 후 본드가 굳기를 기다린다. X. 소켓 위의 구멍에 끈을 끼워서 목에 건다. ※ 목걸이를 만들고 남은 DNA는 1.5mL 튜브에 담아서 뚜껑을 닫고 오랫 동안 보관할 수도 있다. 126 Ⅴ 유전과 진화 4 결과 및 고찰 바이알에 소켓을 씌우고 끈을 끼워서 목걸이를 완성 그림 V-19 결과 및 고찰 과정 가. Lysis buffer를 넣은 후 어떤 변화가 있었는가? 나. 5분간 방치 후 알코올과 세포 추출액의 경계면에서 무엇을 관찰했는가? 다. 에탄올을 혼합 용액에 넣어 준 까닭은 무엇인가? 라. 과정 자.에서 50℃ 항온수조에 방치한 까닭은 무엇인가? 5 연구 과제 가. 식물 세포에서 DNA를 추출하는 실험을 설계해 보자. 나. 동·식물 세포의 구조상 차이점을 고려할 때 어떤 과정이 추가되어야 할까? 다. 실험 과정에서 Lysis buffer에는 어떤 성분이 들어 있는지 알아보자. 라. 실험 과정에서 단백질 분해 효소와 염은 어떤 역할을 하는지 조사해 보자. 마. 세포 추출액과 알코올을 섞어 줄 때 아주 천천히 섞어 주는 까닭은 무엇인 지 조사해 보자. 바. 브로콜리나 바나나에서 DNA를 추출하는 실험에서 세제를 사용하기도 한 다. 세제는 이 실험에서 무엇을 대신하여 쓴 것일까? 참고문헌 문태주 외 3인. 2010. 생물 실험. 서울특별시교육청. Hermanson-Miller, I. and Woodrow, M.. Biotechnology Explorer-Genes in a bottle kit; DNA Extraction Module(Catalogue Number 166-2000Edu). Bio-Rad. 127 실험 V-4 학습 목표 DNA 모형 제작 • DNA 이중 나선 구조 모형을 만들 수 있다. • DNA 이중 나선 구조의 특징을 설명할 수 있다. 1 도입 DNA 이중 나선 구조는 1953년 왓슨과 크릭에 의하여 밝혀졌다. 이들에 의 하면 DNA는 두 가닥의 폴리뉴클레오타이드 사슬이 서로 마주 보며 오른쪽 방 향으로 꼬여 있는 이중 나선 구조이다. 인산과 당은 나선의 바깥쪽 골격을 형 성하고 있고 염기는 당에 결합하여 이중 나선의 안쪽에 배치되어 있다. DNA 이중 나선의 각 가닥에서 서로 마주 보는 염기끼리는 수소 결합으로 연결되어 있는데 A는 항상 T와 G는 항상 C와 상보적으로 결합한다. 이중 나선의 폭은 2nm로 일정하며, 이중 나선이 한 바퀴 도는 데에는 10개의 염기쌍이 들어가 있고 염기쌍 사이의 거리 역시 일정하다. 또한 DNA 이중 나선은 염기들의 상 보적 수소 결합을 통해 연결된 두 가닥의 폴리뉴클레오타이드 사슬이 서로 반 대 방향을 향하고 있는 역평행한 구조를 갖고 있다. 이 실험에서는 모둠별로 창 의적인 DNA 이중 나선 모형을 만들어 보자. NH2 O CH3 C CH C N N H CH C CH O H C N N 타이민(T) C O O H 타이민(T) 인산기 사이토신(C) CH3 O- 피리미딘 O P CH O HOCH2 O- N CH NH C C NH2 O C C N N HC N CH NH C C N NH C C C N O H C H C C H H H 2N (디옥시리보스) 아데닌(A) 구아닌(G) 퓨린 그림 V-20 4가지 염기의 구조와 DNA 기본 단위를 이루는 뉴클레오타이드 128 H C H C H OH N O Ⅴ 유전과 진화 3 5 C 인 G T A 인-당 주축 속의 탄소 C G G T C A C 수소 G 산소 T A 3.4nm A T C G A T C G G A 5´ C C T 0.34nm 염기 G 3´ 2nm 그림 V-21 DNA 이중 나선 모형 2 준비물 모둠별로 준비 3 방법 및 절차 가. 탐구 활동 전 모둠별 토의 활동 1) 모둠 토의 활동을 통하여 DNA 이중 나선 구조에 바탕을 둔 모형을 제작 할 방법을 토의한다. 2) 구조 제작 시 유의점 1 왓슨-크릭의 이중 나선 모형의 특징을 반영해야 한다. 2 3차원 모형이어야 한다. 3 뉴클레오타이드 염기쌍이 15개 이상 포함되어야 한다. 4 시판 중인 과학 교구를 구입하거나 인쇄·복사하여 사용하지 않는다. 5 모형 제작의 재료는 종이, 수수깡, 빨대, 블록, 레고, 찰흙 등 어떤 것 이든 관계없다. 3) 모둠별로 고안한 이중 나선 모형 제작 방법에 따라 준비물을 준비한다. 나. 탐구 활동 1) 모둠별 준비물을 사용하여 DNA 이중 나선 모형을 제작한다. 2) 탐구 활동 보고서를 작성한다. 3) 제작한 DNA 이중 나선 모형의 특징과 장점을 소개하는 발표를 준비한다. 129 다. 발표 활동 1) 모둠별로 제작한 DNA 모형의 특징을 발표한다. 2) 발표는 5분 내외로 한다. 4 결과 및 고찰 가. 각 모둠별로 제작한 DNA 모형에 대한 발표를 듣고 그 특징과 장점을 정 리한다. 특징 장점 1모둠 2모둠 3모둠 4모둠 5모둠 나. 모둠별로 제작한 DNA 모형은 왓슨과 크릭의 이중 나선 모델의 특징을 제 대로 나타내고 있는가? 다. DNA 이중 나선이 회전할 때 몇 개의 염기쌍이 사용되었는가? 라. 모둠별로 제작한 DNA 모형에 대한 발표 내용을 평가해 보자. 독창성 실용성 심미성 발표 유창성 1모둠 ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ 2모둠 ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ 3모둠 ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ 4모둠 ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ 5모둠 ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆☆ 5 연구 과제 DNA와 RNA는 어떤 구조적 차이점이 있는지 조사해 보자. 참고문헌 이광웅 외 3인 역. 2010. 생명; 생물의 과학(7판). 교보문고. 130 Ⅴ 유전과 진화 실험 V-5 초파리 돌연변이 관찰 학습 목표 • 야생형 초파리와 구별되는 다양한 돌연변이 형질을 찾을 수 있다. • 야생형 초파리와 돌연변이 형질을 설명할 수 있다. 1 도입 초파리는 생활사가 짧고 자손을 많이 생산하므로 유전학 연구에 유리하다. *모건(Tomas Morgan) 또한 돌연변이를 유도하는 것이 비교적 쉬워 교배 실험을 통해 염색체 속 유전 초파리 연구를 통해 유전학과 발생 학 연구에 크게 기여했다. 초파리의 유전적 전달 메커니즘을 밝혔으며 노벨 생리의학상을 받았다. 자의 위치를 밝히고 유전 양상을 알아내는 데 좋은 실험 재료로 사용된다. 초파리는 25℃에서 10일이면 수정란에서 성체가 되며 약 40~50일 정 도 산다. 초파리는 알 → 유충 → 번데기 → 성체의 네 단계를 거치는 완전 변태 (complete metamorphosis)를 하며, 유충은 1령, 2령, 3령의 세 단계로 나뉜다. 성체 앞날개 겹눈 알 홑눈 번데기 평균곤 더듬이 3령 유충 1령 유충 2령 유충 배 머리 그림 V-23 초파리의 생활사 항문 가슴 입 발톱 기문 그림 V-22 초파리 성체의 구조 성체는 그림 Ⅴ-22와 같이 크게 머리, 가슴, 배로 구성된다. 머리에는 더 듬이, 눈 등이 있으며, 가슴은 세 개의 체절(prothorax, mesothorax, metathorax)로 구성되어 있는데 두 번째 가슴에는 한 쌍의 날개와 다리가 나 오며, 세 번째 가슴에는 날개의 흔적 기관인 평균곤(haltere)과 한 쌍의 다리 가 나온다. 131 성체의 수컷은 첫 번째 다리에 성즐을 가지고 있어 암컷과 구별된다. 성즐은 약 10개의 굵은 털이 모여 있어서 주위의 털과 쉽게 구별된다. 그림 V-24 성즐 또 수컷은 배(abdomen)의 등 면의 5, 6번째 체절의 전 표면이 검은색을 띠는 반면, 암컷은 각 체절의 끝부분에만 검은 줄이 나타난다. 하지만 바로 태 어난 수컷의 경우 등 면의 색깔이 매우 엷으므로 이 시기에 등 면의 색깔로 암 수를 구분하는 것은 바람직하지 않다. 2/10(mm) ×4 ♂ ♀ 그림 V-25 초파리 수컷(좌)과 그림 V-26 초파리 수컷(좌)과 암컷(우)의 사진 암컷(우)의 모식도 또 복부 끝에 있는 생식 기관을 비교해서 성별을 구별할 수 있다. 암컷에 비 해 수컷은 생식 기관이 좀 더 검고 뚜렷하게 보인다. 번데기에서 바로 태어난 성체는 암수 모두 투명하게 보인다. 특히 성체가 바 로 된 암컷의 경우 배 부분에 장이 검게 비친다. 이런 특징을 이용하여 성체가 된 암컷을 골라낼 수 있다. 이런 암컷을 미교배 암컷(virgin)이라고 하며 수컷 으로부터 분리하여 교배 실험에 사용한다. 성체의 구조는 초파리의 발생을 연구하는 데 큰 공헌을 하였다. 특히 호메 오 유전자 중 Antennapedia라는 한 우성 돌연변이에서는 더듬이가 두 번째 다리로 형질의 전환이 일어난다. 또 Bithorax 유전자의 결함은 세 번째 가슴 의 평균곤(haltere)이 날개로 전환되는 큰 변화를 유발한다. 이런 연구로부터 발생 과정의 유전자 발현 조절을 좀 더 이해할 수 있었다. 132 Ⅴ 유전과 진화 그림 V-27 좌: Antennapedia 돌연변이, 우: Bithorax 돌연변이 이번 탐구에서는 야생형 초파리와 돌연변이 초파리를 관찰하고 야생형과 구별되는 다양한 돌연변이 형질을 찾아 비교해 보자. 2 준비물 실체 현미경, 마취 기구 세트(붓, 마취 병, 에틸 에테르(ethyl ether), 마 취 깔때기, 솜, 거름종이), 관 병 속 야생형 초파리 및 여러 돌연변이 초파리 3 방법 및 절차 1) 마취 병에 솜을 넣고 솜이 젖을 정도로 에테르를 붓는다. 2) 끝이 망으로 씌워진 깔때기(그림Ⅴ-30)를 마취 병에 얹은 후, 그림Ⅴ -28과 같이 야생형 초파리가 들어 있는 관 병을 거꾸로 잡고 솜 마개를 빼면서 관 병을 손으로 쳐서 초파리를 깔때기로 털어 넣는다. 3) 초파리가 깔때기로 떨어지면 손으로 깔때기의 입구를 감싸서 공기가 통 하지 않게 하여 초파리를 2～3분 정도 마취한다. 그림 V-30 깔때기 끝에 망을 접착제로 붙여 사 용한다. 4) 마취 병에서 그림Ⅴ-29와 같이 초파리를 꺼내 거름종이 위에 놓는다. 그림 V-31 그림 V-28 초파리를 마취시킨다. 그림 V-29 마취된 초파리를 거름종이 위에 놓는다. 에테르를 이용하여 마취할 수도 있지만 그림과 같이 이산화 탄소를 조금씩 흘려 주며 초파리를 관찰할 수도 있다. 5) 붓을 사용하여 초파리를 거름종이 위로 옮긴 다음 실체 현미경으로 관찰 한다. 133 유의점 마취된 초파리를 배지가 든 관 병에 넣을 때는 초파리의 마취가 깰 때까 지 관 병을 눕혀 놓는다. 관 병을 세 워 놓으면 배지의 수분에 의해 초파 리의 날개가 젖어 초파리가 죽는다. 6) 관찰이 끝난 초파리는 관 병에 넣은 후 뉘여 놓는다. 그 후 초파리가 움직 이면 세워 보관한다. 그림 V-32 붓을 사용하여 초파 그림 V-33 초파리가 마취에서 깰 때까지 리를 거름종이 위로 올린다. 관 병을 뉘여 놓는다. 4 결과 및 고찰 가. 실체 현미경으로 관찰한 야생형 초파리 암수 사진을 붙이고 각 기관의 명 칭을 적어 보자. 또 암컷과 수컷의 형태적 차이점을 찾아 적어 보자. 초파리 암컷 (배율: ) 특징: 초파리 수컷 (배율: ) 특징: 나. 평균곤의 기능은 무엇인가? 다. 여러 가지 초파리 돌연변이를 관찰하고, 그 돌연변이체의 명칭과 특징을 134 Ⅴ 유전과 진화 적어 보자. 또한 돌연변이 형질을 결정하는 유전자가 어느 염색체에 존재 하는지 조사해서 다음 표에 기록하자. 돌연변이체의 명칭 및 유전자 위치 돌연변이체의 종류 관찰 내용 돌연변이체 이름 붙이기 실제 명칭 유전자 위치 및 우열 관계 돌연변이체 1 돌연변이체 2 돌연변이체 3 돌연변이체 4 돌연변이체 5 돌연변이체 6 돌연변이체 7 5 연구 과제 가. 모델 생물인 초파리의 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에 과학자들이 관심 갖고 진행하는 초파리를 재료로 한 연구에는 어떤 것이 있을까? 나. 야생형 초파리와 돌연변이형 초파리가 있다. 이것을 이용하여 과제 연구 를 진행한다면 어떤 연구를 하고 싶은지 생각해 보자. 참고문헌 김규태. 2007. 한국과학재단 교사 현장연구 프로그램 개발 보고서. 문태주, 최승규, 김승수, 김미경. 2010. 고등학교 생명과학 실험. 서울특별시교육청. 135 실험 V-6 초파리 교배 실험을 통한 멘델의 유전 법칙 확인 • 초파리 교배 실험을 통해 멘델의 유전 법칙을 확인할 수 있다. • 초파리 교배 실험 결과를 바르게 해석할 수 있다. 학습 목표 1 도입 χ2-검정 멘델은 완두를 이용하여 우열의 원리, 분리의 법칙, 독립의 법칙 등 유전 현 χ2 분포에 기초한 통계적 방법이며 상의 기본 원리를 발견하였다. 그 이후 유전학과 분자 생물학의 발달로 염색체 관찰된 빈도가 기대되는 빈도와 의미 위에 유전자가 있으며 이 유전자의 발현 조절로 인해 생명 현상이 나타난다는 있게 다른지를 검증하는 방법이다. χ2 = { ]관측값-기댓값g 2 것이 밝혀졌다. 현재는 교배 실험을 통해 염색체상에서의 유전자 위치를 확인 하지 않아도 DNA 분석을 통해 유전자의 위치를 알 수 있다. 기댓값 이번 탐구에서는 초파리 교배 실험을 통해 멘델의 기본 유전 법칙을 확인하 며 이 단계에서 관찰 결과가 기대치에 얼마나 일치하는지 χ2-검정을 통해 실험 결과와 예상(이론)값을 비교해 본다. 2 준비물 증류수 1,000ml, 실체 현미경, 마취 기구 세트(붓, 마취 병, 에틸 에테르 (ethyl ether), 마취 깔때기, 솜, 거름종이), 관 병 속 야생형 초파리 및 여러 돌연변이 초파리, 배지가 들어 있는 관 병 여러 개, 스펀지 마개, 항온기, 콘밀 배지 재료(콘밀, 설탕, 효모 분말, 한천 분말, Propionic Acid, methyl 4-Hydroxy benzoate, Molase), 저울, 냄비, 가열도구, 거즈 3 방법 및 절차 가. 콘밀 배지 만들기 증류수 콘밀 설탕 효모 분말 한천 분말 1000mL 84g 37.5g 24g 7.5g Propionic Acid 5.7mL methyl 4-Hydroxy benzoate 2.5g/14mL (E tOH) Molase 10mL 표 V-1 콘밀 배지 조성표 1) 증류수 1,000mL에 콘밀, 설탕, 효모 분말, 한천 분말을 넣고 잘 섞어 준다. 136 Ⅴ 유전과 진화 2) 냄비에 위의 혼합액을 넣고 죽처럼 끓인다(계속 저어 줌). 유의점 3) molase를 넣고 저어 준 뒤 불을 끄고 Propionic Acid와 methyl 관 병에 배지를 부을 때 배지가 사육 병 마개 부분과 벽면에 묻지 않도록 주의한다. 4-Hydroxy benzoate를 넣는다. 4) 관 병에 2~3cm 높이로 배지를 넣어 주고 2~3겹의 거즈로 덮어 수분을 증발시킨다. 5) 다음 날 스펀지 마개로 관 병을 막아 밀폐된 통에 보관하며 교배 실험 시 사용한다. 6) 초파리를 배양하기 전 건조 효모를 배지 위에 떨어뜨려 효모를 증식시킨다. 나. 분리의 법칙 확인 1) 순종의 야생형 초파리(WT)와 하나의 형질이 돌연변이 된 순종의 초파리 (검은 체색 또는 암갈색 눈) 한 종류를 택해 각각 배양한다. 야생형(WT) 흰 눈(w) 암갈색 눈(se) 막대 눈(Bar) 검은 체색(e) 굽은 날개(Cy) 노란 체색, 흰 눈(y;w) 흔적 날개, 암갈색 눈 노란 체색, 흰 눈, 곱슬 강모 (vg;se) (y;w;sn) 그림 V-34 야생형 초파리와 다양한 돌연변이 형질의 초파리 2) 마취 도구를 사용하여 순종의 초파리가 들어 있는 관 병으로부터 거름종 이 위로 마취된 초파리를 올려놓는다. 3) 붓을 사용하여 부모 세대 중 한쪽의 미교배 암컷을 5마리 골라서 새로운 관 병에 넣는다. 이때 다른 대립 형질을 갖는 수컷 5마리를 얻어 관 병에 넣어 교배한다. 또한 암컷과 수컷을 바꿔서 교배한다. 관 병을 25℃ 항온 기에 넣어 초파리를 배양한다. 4) 번데기가 나오기 시작하면 성체(P, 부모 세대)를 제거한다. 5) 자손 1세대(F1)가 깨어 나오면 표현형을 관찰하고 개체수를 센 후, 이 F1 을 다른 관 병으로 옮겨 자기들끼리 교배시킨다. 6) F₁을 교배하는 관 병에서 번데기가 나오기 시작하면 F₁ 초파리를 제거한다. 137 7) F₂가 깨어나면 표현형을 관찰하고, 그 개체 수를 센다(5일간 측정). 8) 그 결과를 χ2-검정을 통해 통계 처리한다. 참고: 미교배 암컷(virgin)의 구별 암수를 교배하여 유전적인 결과를 얻으려면 미교배 암컷(virgin)을 필 요로 한다. 암수를 막론하고 번데기에서 바로 태어난 것은 아직 몸이 검 어지기 전이어서 투명하게 보인다. 또한 깨어난 지 얼마 되지 않은 암컷 의 복면 부분을 보면 장이 검게 비친다. 초파리 중 암컷을 골라 수컷으로 부터 분리하여 교배에 이용한다. 일반적으 로 많은 수의 암컷을 얻고자 할 때는 25℃ 에서 4시간마다 암컷 초파리를 골라내면 실 수 없이 미교배 암컷을 얻을 수 있다. 그림 V-35 미교배 암컷 다. 독립의 법칙 확인 1) 순종의 야생형 초파리(WT)와 두 개의 형질이 돌연변이 된 순종의 초파리 한 종류를 택해 각각 배양한다. 2) 이후의 실험 방법은 분리의 법칙 확인 실험 방법과 동일하다. 4 결과 및 고찰 가. 분리의 법칙 확인 1) 단성 잡종 실험에서 관찰한 사항을 교배 일지에 기록해 보자. 날짜 실험 내용 · · · 138 Ⅴ 유전과 진화 2) 교배 결과를 기록해 보자. P 교배 1 : ♂ ( ) × ♀( 교배 2 : ♂ ( ) ) × ♀( ) 구분 세대 표현형 개체 수 비율(%) 표현형 ♂ ♂ ♀ ♀ ♂ ♂ ♀ ♀ 개체 수 비율(%) F₁ F₂ 3) F₁에서 나온 표현형은 무엇인가? 이를 근거로 우열 관계를 판단해 보자. 4) 위 교배 과정을 유전자형과 표현형을 써서 나타내 보자(단, 우성 대립 유 전자를 A와 B, 열성 대립 유전자를 a와 b로 표시한다). 5) 이 실험 결과가 멘델의 분리의 법칙을 따르는지를 χ2-검정을 이용하여 통 계 처리해 보자. 나. 독립의 법칙 확인 1) 양성 잡종 실험에서 관찰한 사항을 교배 일지에 기록해 보자. 날짜 실험 내용 · · · 139 2) 교배 결과를 기록해 보자. P 교배 1 :♂ ( ) × ♀( 교배 2 : ♂ ( ) ) × ♀( ) 구분 세대 표현형 개체 수 비율(%) 표현형 ♂ ♂ ♀ ♀ ♂ ♂ ♀ ♀ 개체 수 비율(%) F₁ F₂ 3) F₁에서 나온 표현형은 무엇인가? 이를 근거로 우열 관계를 판단해 보자. 4) 위 교배 과정을 유전자형과 표현형을 써서 나타내 보자. (단, 우성 대립 유전자를 A와 B, 열성 대립 유전자를 a와 b로 표시한다.) 5) 본 실험 결과가 멘델의 독립의 법칙을 따르는지를 χ2-검정을 이용하여 통 계처리 해 보자. 5 연구 과제 가. [교배 1]과 [교배 2]에서 부모의 표현형을 바꾸었을 때, F₁과 F₂세대에서 표현형과 그 비율이 변하는가? 나. 만약 양성 잡종 교배에서 사용된 두 대립 유전자가 동일 염색체상에 존재 할 경우 그 결과는 어떻게 변할까? 참고문헌 김규태. 2007. 한국과학재단 교사 현장연구 프로그램 개발 보고서. 김규태, 전상학. 2009. 중등교육현장에서 초파리를 이용한 실험교육. 현장과학교육 3(1): 37-47. 140 Ⅴ 유전과 진화 실험 V-7 학습 목표 반성유전 • 반성유전의 원리를 알아보는 교배 실험을 수행할 수 있다. • 반성유전의 교배 결과를 바르게 해석할 수 있다. 1 도입 성을 나타내는 방법에는 종에 따라 차이가 있지만 초파리와 사람은 같은 형 태의 성염색체 구성을 가지며, 암컷 또는 여자가 XX, 수컷 또는 남자가 XY이 다. 따라서 초파리의 성염색체의 유전 현상에 대한 연구를 통해 사람의 성염색 반성유전 모계의 형질이 아들에게 나타나고, 부계의 형질이 딸에게 나타난다. 체에 의한 유전을 좀 더 쉽게 이해할 수 있다. X염색체에 의해 유전되는 형질로서 식별이 용이한 경우가 바로 눈 색깔의 X 차이이다. 야생형 초파리는 빨간 눈이며, 돌연변이는 흰 눈이다. 빨간 눈은 정자 X+, 흰 눈은 X-로 유전자를 표시할 수 있다. 이 유전자는 X염색체에 있기 때문에 암수를 달리 교배하면 다른 결과가 나오 난자 며, 수컷은 암컷보다 더 큰 영향을 받는다. 수컷은 성염색체 구성이 XY이므로 X 염색체에 있는 눈 색깔 유전자에 돌연변이가 생기면 흰 눈의 수컷이 나타난다. 하 지만 암컷은 성염색체 구성이 XX이므로 한 염색체에 돌연변이가 생기더라도 다 른 X염색체에 돌연변이 유전자가 있지 않다면 이 암컷은 정상이 된다. 이번 탐구에서는 눈 색깔에 돌연변이 형질을 가지고 있는 초파리를 교배하여 그림 V-36 초파리 눈 색 유전 성에 따라 유전 양상에 어떤 차이가 있는지 탐구한다. 2 준비물 실체 현미경, 마취 기구 세트(붓, 마취 병, 에틸 에테르(ethyl ether), 마취 깔때기, 솜, 거름종이), 관 병 속 야생형 초파리 및 여러 돌연변이 초파리, 배 지가 들어 있는 관 병 여러 개, 스펀지 마개, 항온기 3 방법 및 절차 가. 순종의 야생형 초파리(WT)와 순종의 돌연변이 초파리를(흰 눈, 막대 눈 등) 한 종류 택해 각각 배양한다. 나. 이후 실험 방법은 분리의 법칙 확인 실험과 같다. 141 4 결과 및 고찰 가. 반성유전 실험에서 관찰한 사항을 교배 일지에 기록해 보자. 날짜 실 험 내 용 · · · 나. 교배 결과를 기록해 보자. P 교배 1 : ♂ ( ) × ♀( 교배 2 : ♂ ( ) ) × ♀( ) 구분 표현형 세대 개체 수 비율(%) 표현형 ♂ ♂ ♀ ♀ ♂ ♂ ♀ ♀ 개체 수 비율(%) F₁ F₂ 다. 위 교배 과정을 유전자형과 표현형을 써서 나타내 보자(단, 빨간 눈은 X+, 흰 눈은 X-로 표시한다.) 라. [교배 1]과 [교배 2]에서 부모의 표현형을 바꾸었을 때, F₁과 F₂ 세대에서 표현형과 그 비율은 어떻게 달라지는가? 142 Ⅴ 유전과 진화 마. 이 실험 결과가 멘델의 독립의 법칙을 따르는지를 χ2-검정을 이용하여 통계 처리해 보자. 5 연구 과제 가. 사람의 유전자 지도를 찾아보고 각 염색체에 어떤 질병 유전자가 있는지 조사해 보자. 또 성염색체(X 또는 Y)에 연관된 유전자에는 어떠한 것이 있는지 알아보자. 사이트를 방문하여 각 유전자가 염색체의 어디에 위치하는지 확인해 보자. 나. ‘Fly Base’ 사이트를 방문하여 GBrowse로 초파리의 염색체를 열람해 보자. GBrowse를 클릭하여 우측 상단의 Jump to Gene에 ‘white’를 입력하여 이 유전자가 어떤 염색체에 있는지 알아보자. 그림 V-37 검색 화면 참고문헌 김규태. 2007. 한국과학재단 교사 현장연구 프로그램 개발 보고서. 한국유전학회 실험서 집필위원회. 2004. 유전학 실험서. 라이프사이언스. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/mapview/, http://flybase.org/ 143 실험 V-8 학습 목표 사람의 유전 형질 조사 • 가계 조사와 집단 조사를 통해 사람 유전 형질의 유전 원리를 설명할 수 있다. 1 도입 사람마다 갖는 각각의 특징을 나타내는 유전 형질은 매우 다양하다. 사람의 유전 현상은 멘델 유전의 원리가 적용된다. 그러나 사람은 다른 생물처럼 임의 교배가 불가능하고, 한 세대가 길며, 자손의 수가 적기 때문에 직접적인 방법 을 이용한 연구가 어렵다. 요즈음에는 사람 유전자 클로닝, 유전체 연구를 통 해 분자 수준에서 유전 연구가 활발히 일어나고 있지만 가계도 조사, 집단 조 사, 쌍생아 연구를 통해서도 사람의 유전 형질을 연구할 수 있다. 지문은 손가락 끝에 나타난 피부 융선의 배열에 따라 만들어진 무늬이며 사 람마다 독특한 형태를 지닌다. 융선 수는 태아 발생 6주에서 13주 사이에 태아 의 손가락과 발가락이 양수 막에 닿는 정도에 따라 달라질 수 있어서 일란성 쌍 생아끼리도 다를 수 있다. 지문형은 크게 궁상문, 제상문, 와상문 3가지 형태 로 나눈다. 그림 V-38 지문의 형태(왼쪽부터 궁상문, 제상문, 와상문) 손바닥 무늬는 장문이라고 하며, 그림Ⅴ-39와 같이 손가락 근처의 삼각도 그림 V-39 atd 각도 측정 (triradius)와 손목 근처의 삼각도를 연결하면 atd 각도를 잴 수 있다. 이 atd 각도는 선천성 유전병 등을 진단하는 기초 자료로도 활용된다. 예를 들면, 선 천성 심장병이나 다운증후군 같은 유전병 환자의 atd 각도는 정상인보다 더 넓 게 나타난다. 정상인 사람은 atd 각도가 40~45°이다. 이번 탐구에서는 손가 락 지문을 통해 지문의 형태를 분류하고 유전 양상을 탐구한다. 144 Ⅴ 유전과 진화 2 준비물 스탬프, 종이, 각도기 3 방법 및 절차 가. 지문 채취 1) 피검자 손가락 첫째 마디의 지문이 있는 곳을 스탬프에 눌러 잉크를 묻힌다. 2) 종이 위에 지장을 찍듯 손가락을 반쯤 돌리면서 눌러 찍는다. 3) 양쪽 열 손가락을 모두 찍고 손가락마다 번호를 부여한다. 4) 종이에 찍힌 지문을 충분히 말린다. 5) 지문의 형태를 분류한다. 나. 장문 채취 1) 지문과 같은 방법으로 잉크를 손바닥에 묻힌 후 종이에 장문을 찍어 보자. 2) 각도기를 사용하여 atd 각도를 측정해 보자. 4 결과 및 고찰 가. 열 손가락의 지문을 표에 찍고 정리해 보자. 본인 지문 찍기 145 나. 각 지문 유형에 대한 각자의 측정치를 모아 학급별로 표를 작성해 보고 가 장 많은 유형이 무엇인지 알아보자. 지문 카드 ( 엄지 )반 ( )번 이름( 검지 ) 중지 약지 소지 오른손 ( )형 ( )형 ( )형 ( )형 ( )형 ( )형 ( )형 ( )형 ( )형 ( )형 왼손 지문의 종류 궁상문 제상문 와상문 학생 수 5 연구 과제 가. 자신의 가족을 대상으로 지문과 장문 채취 실험을 하여 결과를 정리해 보자. 우1 본인 가족 1 가족 2 가족 3 가족 4 146 우2 우3 우4 우5 좌1 좌2 좌3 좌4 좌5 지문형태 atd각도 Ⅴ 유전과 진화 나. 선천성 이상이 장문에 잘 나타나는 이유는 무엇인가? 편평발의 유전 편평발이란 발의 모양을 묘사한 것인데, 근본적으로 족적 궁이 침강 또는 완전히 소실된 경우를 말한다. 즉, 발꿈치부터 발가락 끝에 이르는 골격 구조의 만곡이 낮은 상태로서 만곡이 낮아 발바닥에서 땅을 밟지 않 는 면이 적어진 상태를 흔히 평발이라고 한다. 편평발은 선천성, 외상성, 마비성으로 구분된다. 선천성은 태어날 때부터 궁부분이 없는 것을 말하며, 외상성은 발목 관절의 골절 등의 요인으로 발 안쪽이 삐끗하여 스프링 역할을 하는 족저 근막이 늘어나 궁이 주저앉는 경우이다. 늘 무거운 짐을 져서 발생한 편평 발은 작업에 의한 환경 요인 때문에 발생한 경우이다. 그러나 보통 편평 발은 가족력이 있으며, 선천성인 경우 반드시 발현되는 유전 형질이다. 그림 V-40 족적의 비교 참고문헌 한국유전학회. 2004. 유전학 실험서. 라이프사이언스. pp. 49-54. 147 실험 V-9 학습 목표 계통수 작성 • 생물체의 구조와 기능을 진화의 관점에서 이해할 수 있는 탐구를 설계하고 수행할 수 있다. 1 도입 분류는 어떤 기준에 따라서 생물들을 체계적으로 구분하여 무리 짓는 것이 며, 분류의 목적은 생물 상호 간의 유연관계나 진화 관계를 가늠하여 생물의 계 통을 밝히는 데 있다. 분류는 진화의 역사를 반영한다. 즉, 지구상의 모든 생물은 공통 조상으로부 터 진화해 왔고, 그로 인하여 상동인 특징을 공유한다. 생물들의 진화의 역사 는 계통수(phylogenetic tree)라고 하는 나뭇가지가 갈라지는 모양으로 그림 Ⅴ-41과 같이 나타낸다. A G E K C y x z 그림 V-41 계통수의 형태 그림Ⅴ-41의 계통수에서 종 A와 종 G가 공통 조상 x에서 진화되었다고 생 각했기 때문에 두 종을 같은 속으로 볼 수 있다. 한 속 안에 3종 이상이 있을 때는, 이 종들 중에서 다른 종들과는 공유하지 않는 공통 조상을 가진 두 종을 결정해 야 한다. 위 그림Ⅴ-41에서 종 E와 종 K가 종 C보다 더 가까운 관계임을 나타 낸다. 종 E와 종 K는 종 C가 공유하지 않는 공통 조상 y를 공유하기 때문이다. 지구상의 생물들은 분류 형질들을 기준으로 하여 조사해 보면 공통점과 차이 점을 발견할 수 있는데, 공통점이 많을수록 가까운 종으로 간주한다. 이 실험 에서는 가상의 생물을 분류하고 진화 계통수를 작성해 보자. 2 준비물 가위, 풀, 1m 자, 유성펜, 흰색 전지 148 Ⅴ 유전과 진화 17 ? 3 방법 및 절차 가. 가상 생물 분류하기 1) 활동 자료의 <자료 1>에 제시된 14마리의 살아있는 가상 생물을 주의 깊게 살펴보고 그들 사이의 공통점과 차이점을 알아본다. 2) 가상 생물의 부속지(다리), 몸통 모양, 무늬 등의 여러 형태에 주목하여 아래 예시와 같이 이들 종을 위계적으로 분류해 보자. < 예시 > 예시의 가장 아래 칸의 A, B, ⋯ 대신에 가상 생물 종의 번호를 이용한다. 가상 생물 문 강1 강2 목1 과1 속1 A 속2 G H 속3 D B J 목2 목3 과2 과3 과4 속4 속5 속6 L E K C F I 3) 가상 생물의 부속지(다리), 몸통 모양, 무늬 등의 유사성을 통해 어떤 종들 이 같은 속에 속하는지를 결정한다. 같은 속에 속하는 종들은 다른 속의 종 들에서는 발견되지 않는 특성들을 공유한다(예: 가상 생물 19, 20). 4) 속 중에서 더 유사한 속을 결정한다. 이런 식으로 속이 모인 과, 과가 모 인 목을, 목이 모인 강 수준까지 구성한다(계나 문 수준까지 갈 필요는 없다). 나. 가상 생물의 진화 계통수 구성하기 1) 종이 위에 같은 간격으로 가로줄 20개를 그린다. 줄 사이의 간격은 백만 년을 나타낸다. ? 2) 가장 아랫줄에는 19(1,900만 년 전)를, 가장 윗줄에는 0(현재)을 적는다. 3) <자료 2>의 모든 가상 생물(생물, 화석 모두) 그림을 가위로 잘라 그들이 18 74 살았던 시대에 따라 모아 둔다. 4) 가장 오래된 화석을 시작으로, 오른쪽 그림과 같이 그들의 진화적 관계에 그림 V-42 가상 생물 배열 방법 따라 가상 생물을 배열한다. 5) 진화 경로를 나타내는 선은 처음에는 희미하게 연필로 그리고, 지도 교사 의 확인 후 그림을 붙이고 선을 진하게 표시한다. 149 6) 가지치기는 그림Ⅴ-43의 왼쪽 그림처럼 한 번에 오직 두 선만 포함해야 한다(셋이 유사해도 그들 중 더 유사한 두 가지를 판단한다). 7) 가상 생물의 숫자는 무작위로 매겨진 것이며, 그 수가 진화 관계의 실마 리를 제공하지는 않는다. 8) 이 활동에서 정확한 계통수는 오직 하나가 나온다. 완성한 후 정답과 비 교해 보자. 그림 V-43 계통수 가지치기 요령(바른 예(좌), 그른 예(우)) 4 결과 및 고찰 가. 살아있는 가상 생물 분류하기 문 강 목 과 속 종 150 가상 생물 문 Ⅴ 유전과 진화 나. 가상 생물의 진화 계통수 구성하기 1) 전지에 살아있는 가상 생물과 화석상의 가상 생물의 진화 계통수를 그려 보자. 2) 자손을 남기지 않고 멸종한 가상 생물 종은 어떤 것들이 있는가? 실제 세계에서 어떤 요인이 한 종의 멸종 가능성을 증가시키는지 논의해 보자. 3) 박쥐, 새, 벌의 날개는 공통 조상으로부터 형질을 물려받은 것이 아니 기 때문에 상사 기관으로, 수렴 진화의 사례가 된다. 각기 독자적으 로 진화한 둘 이상의 종들이 유사한 형질을 가진 사례를 가상 생물의 계통수에서 두 가지 찾아보자. 예) “종___과/와 종___은/는 둘 다______을/를 가지고 있지만 그들의 가장 최근의 공통 조상 _____은/는 공유하지 않는다.” 4) 사람의 귀 근육과 꼬리뼈와 같은 흔적 구조의 사례를 가상 생물에서 찾아 보자. 또 흔적 구조가 한 종의 과거에 대해 어떻게 실마리를 제공하는지 사람의 흔적 기관을 예를 들어 설명해 보자. 5 연구 과제 가. 어떤 계통들(예: 종 56의 자손들)은 많은 가지를 치고, 살아있는 종들을 많이 남기는 것을 알 수 있다(실제 사례: 공룡 멸종 직후인 신생대 초 포유 류의 급작스러운 증가). 어떤 계통의 급격한 다양화를 유발하는 생태학적 상황에 대해서 토론해 보자. 나. 어떤 계통들은 시간이 지나도 거의 변화가 없다. 투구게나 바퀴벌레와 같 이 ‘살아있는 화석’들이 좋은 예가 된다. 장기간의 진화적 정체를 가져오는 생태학적 상황에 대해서 토론해 보자. 참고문헌 문태주 외 3인. 2010. 생물 실험. 서울특별시교육청. pp. 176-179. 151 6 활동 자료 자료 1 : 가상 생물의 진화 계통수 구성하기 1 2 16 3 19 4 20 9 12 13 22 14 24 28 자료 2 : 화석이 된 가상 생물(괄호 안의 수는 살았던 시기, 단위: 백만 년 전) 2 (1) 12 (1) 75 (1) 63 (3) 152 20 (1) 24 (2) 66 (3) 28 (2) 35 (4) 22 (1) 47 (1) 68 (2) 41 (4) 69 (1) 9 (3) 64 (4) 53 (3) 31 (5) Ⅴ 46 (5) 65 (5) 15 (6) 42 (11) 33 (11) 77 (10) 67 (12) 55 (14) 60 (16) 13 (13) 36 (15) 32 (17) 14 (13) 62 (15) 37 (17) 76 (6) 44 (11) 30 (13) 70 (15) 52 (17) 19 (7) 51 (9) 34 (9) 61 (8) 56 (8) 50 (8) 43 (7) 18 (6) 유전과 진화 45 (12) 40 (13) 38 (16) 58 (18) 57 (12) 48 (14) 49 (16) 74 (18) 54 (14) 59 (16) 73 (19) 153 실험 V-10 학습 목표 대립 유전자의 빈도 변화 • 진화적 관점에서 대립 유전자의 빈도 변화를 알아볼 수 있는 모의실험을 설계하고 수행할 수 있다. 1 도입 낫 모양 적혈구 빈혈증은 헤모글로빈 유전자에 돌연변이가 나타나 발생하는 질병이다. 유전자 이상에 따른 헤모글로빈 단백질의 아미노산 서열 중 하나가 정상의 것과 다르게 바뀌어 있다. 이는 11번 염색체상에 존재하는 헤모글로빈 베타 유전자의 염기 서열 GAG가 GTG로 바뀌고, 이로 인해 글로빈 단백질의 아미노산 서열 중 6번째 글루탐산이 발린으로 바뀐다. 이러한 돌연변이 헤모글 그림 V-44 낫 모양 적혈구 로빈은 산소와 결합하지 않은 상태에서 서로 달라붙어 긴 바늘 모양의 구조가 되고, 결과적으로 적혈구의 둥근 모양이 길게 찌그러진 낫 모양으로 바뀐다. 이렇게 낫 모양으로 변한 적혈구는 산소 운반 능력이 떨어져 악성 빈혈을 유 발한다. 유전자형이 AA인 사람은 정상이며, 유전자형이 SS인 사람은 병을 앓 게 된다. 잡종인 AS인 사람은 일부 정상 헤모글로빈과 낫 모양 적혈구가 나타 날 수 있다. 그러나 말라리아가 많이 발생하는 지역에서는 유전자형이 AA인 정상인 사 람은 말라리아에 감염되어 사망할 위험이 높아 이 지역 유전자 풀에서 대립 유 전자 A가 제거되는 경향이 있다. 낫 모양 적혈구는 말라리아 원충에 대해 강한 저항력을 보인다. SS인 사람은 20세가 되기 전에 사망하기 때문에 유전자 풀 에서 서서히 제거되지만, 유전자형이 AS인 사람은 낫 모양 적혈구 빈혈증이 잘 발생하지 않으면서 말라리아에도 잘 감염되지 않으므로 말라리아가 많이 발 생하는 지역에서 생존과 자손의 번식에 오히려 유리하다. 이번 탐구에서는 모의실험을 통해 대립 유전자의 빈도에 영향을 주는 자연 선택 과정에 대하여 탐구해 본다. 2 준비물 플라스틱 통 4개(1개는 불투명한 것), 눈가리개, 펜, 검은색 바둑돌 75개, 흰 색 바둑돌 25개 154 Ⅴ 유전과 진화 3 방법 및 절차 가. 3개의 플라스틱 통에 ‘AA’, ‘AS’, ‘치사’, 불투명한 플라스틱 통에 ‘개체군 유전자 풀’이라고 표시한다. 나. 75개의 검은색 바둑돌과 25개의 흰색 바둑돌을 ‘개체군 유전자 풀’ 통에 넣는다. 이때, 75개 검은색 바둑돌은 대립 유전자 A를 의미하며, 25개의 흰색 바둑돌은 대립 유전자 S를 의미한다. 다. ‘개체군 유전자 풀’ 통 안의 바둑돌들이 잘 섞이도록 흔들어 준다. 이 통 속 의 바둑돌은 제1 세대의 집단 내에 들어 있는 대립 유전자들이며, 2개를 짝지을 경우 자손 개체의 유전자형이 된다. 라. 모둠원 중 한 사람이 ‘개체군 유전자 풀’ 통에서 통 안을 보지 않고 한 번에 바둑돌 2개를 꺼낸다. 꺼낸 바둑돌의 색깔을 확인하고 자손의 유전자형을 확인하여 기록한 후, 각 유전자형에 알맞게 ‘AA’, ‘AS’, ‘치사’ 플라스틱 통에 바둑돌을 넣는다. ‘개체군 유전자 풀’ 통 속의 바둑돌이 모두 없어질 때까지 50회 반복한다. 마. 과정 라.에서 바둑돌을 꺼내기 전에 다른 모둠원이 말라리아가 감염률 50%가 되도록 25번 ‘말라리아’라고 말한다. 바. 라. 마.의 과정의 결과를 다음과 같이 처리한다. 말라리아 발생 여부 유전자형 미발생 발생 AA AA 통 치사 통 AS AS 통 AS 통 SS 치사 통 치사 통 사. 한 세대의 선택이 끝난 후 제2 세대가 형성되는 과정에서 만들어진 자손 의 유전자형을 다음 표에 기록한다. 자손의 유전자형 세대 AA 출생 AS 생존 출생 생존 제2 세대 아. 한 세대에 대한 선택이 끝난 후 ‘AA’와 ‘AS’ 통의 바둑돌을 모두 ‘개체군 유전자 풀’ 통에 넣어 제2 세대의 대립 유전자를 구성한다. 155 자. 과정 라.~아.를 반복하되, 말라리아 감염률이 50%가 되도록 다른 모둠 원이 몇 번 말라리아라고 말할지 정한다. 아프리카 개체군 AA 생존 불능 AS 그림 V-45 자연 선택 실험 과정 4 결과 및 고찰 가. 제2 세대로부터 제4 세대 형성 과정까지의 결과를 다음표에 기록해 보자. 자손의 유전자형 세대 AA 출생 AS 생존 출생 생존 제2 세대 제3 세대 제4 세대 나. 결과 가.를 바탕으로 각 세대의 개체군에 남아있는 대립 유전자인 A, S의 빈도를 계산해 보자. 개체군 세대 대립 유전자 S 세대 개체군 대립 유전자 총수 수 빈도(%) 수 빈도(%) 제1 세대 100 75 75 25 25 제2 세대 제3 세대 제4 세대 156 대립 유전자 A Ⅴ 유전과 진화 다. 세대가 진행될수록 각 대립 유전자의 빈도는 어떻게 변하는지 살펴보고, 그 이유를 설명해 보자. 라. 아프리카와 비교했을 때 우리나라 사람들에서의 대립 유전자 S의 빈도는 어떨 것이라고 예상되는가? 그 이유는 무엇인가? 5 연구 과제 유전자형이 AS인 사람이 AA인 사람보다 말라리아에 잘 감염되지 않는 이 유는 무엇인지 생물학적인 이유를 알아보자. 그림 V-46 말라리아 원충(Plasmodium falciparum)에 감염된 적혈구 참고문헌 한국교원대학교 과학교육연구소. 2005. 생물 실험. 교육인적자원부. pp. 206-210. 157 단원 열기 늦은 가을 어스름이 깔리는 저녁때 천수만에 찾아가면 가창오리의 군무를 볼 수 있다. 가창오리는 우리나라에서 겨울을 나고 봄이 되면 시베리아로 가서 번식을 한다. 가을이 되면 다시 우리나라로 내려와 겨울을 난다. 가창오리 개체군의 크기는 생물 환경과 비 생물 환경에 의해 결정된다. 즉, 개체군의 크기는 생물이 환경에 적응하는 정도에 따라 달라진다. 이 단원에서는 생물과 환경과의 관계를 파악하는 데 필요한 실험 방법을 다루고자 한다. 158 ŏ 생물과 환경 VI-1 식물 채집과 분류 VI-2 토양 속 무척추동물 채집과 분류 VI-3 방형구법을 이용한 식물 군집 조사 VI-4 연못 생태계 조사 VI-5 개체군 생장 VI-6 수질 검사와 오염도 측정 VI-7 환경 오염이 식물의 생장에 미치는 영향 VI-8 환경 요인이 물수리 개체군에 미치는 영향 사진 | 김승자 [물푸레생태교육센터] 159 야외에서 채집한 시료는 실험실에서 다양한 기구를 사용하여 분석한다. 실체 현미경을 사 용하여 토양 소형 무척추동물을 동 정하는 모습 원소 분석기를 사용하여 수질을 분석하는 160 모습 Ⅵ 생물과 환경 실험 VI-1 학습 목표 식물 채집과 분류 • 식물을 채집하여 건조 표본을 만들 수 있다. • 형태적인 특징을 통하여 채집한 식물을 동정할 수 있다. • 식물의 형태적인 다양성에 관심을 갖는다. • 생명을 존중하는 태도를 기른다. 1 도입 야외에서 식물을 동정하고, 다양한 특징을 조사하기에는 시공간적인 제약 이 따를 수 있다. 따라서 과학자들은 여러 가지 연구 목적으로 식물의 전체 또 는 일부를 채집하여, 이들을 실험실로 가져와서 조사한다. 채집한 식물로 만든 표본은 이들이 존재했던 ‘시간과 장소’에 대한 영구적인 연구 기록이 된다. 식 물 표본을 제작하는 가장 일반적인 방법은 식물체의 수분을 제거한 후 대지에 붙이는 것이다. 이러한 방법으로 제작된 표본을 건조 표본이라 하며, 적절하게 관리한다면 수백 년 동안 보존할 수도 있다. 식물 표본의 가치는 적절한 식물체를 선정하여 바람직한 방법으로 채집하 고, 표본 제작 과정에서 얼마나 정성을 기울이고 세심하게 표본을 보관하는지 에 따라 결정된다. 표본 제작을 위한 식물은 한 개체군의 특징을 대표할 수 있 는 것으로 선정한다. 초본을 채집할 때는 지하부와 지상부가 모두 포함되도록 식물체 전체를, 목본의 경우에는 한두 개의 가지를 채집한다. 채집한 식물은 실험실로 운반한 후 특징을 관찰하여 동정한다. 식물 동정은 도감이나 검색표 를 이용하거나 다른 표본과 대상 식물을 비교하여 이루어지기도 하고, 전문가 의 의견에 따라 이루어지기도 한다. 야외 노트와 필기도구 전정가위 호미 모종삽 2 준비물 목장갑 모종삽(또는 호미), 전정가위, 비닐봉지, 야외 노트, 필기 도구, 사진기, 장갑, 야책(압착판과 벨트), 신문지, 골판 돋보기 지, 표본 대지(29cm×42cm), 종이테이프, 식물 표본용 접착제, 가위, 칼, 명세표, 실체 현미경, 돋보기(또는 루 비닐봉지 루페 페), 식물도감, 80% 알코올, 기름종이 봉지, 나프탈렌, 종이봉투, 지퍼백, 병 그림 VI-1 채집 도구 161 3 방법 및 절차 식물 채집 시 유의 사항 1. 꼭 필요한 식물만 선택하여 채집 한다. 2. 보호 지역과 개인 사유지에서 식 물을 채집할 경우에는 반드시 관 리자의 허가를 받는다. 3. 채집 식물이 보호종이거나 특정 한 개인이 재배하는 식물의 경우 에는 반드시 관리자의 허가를 받 는다. 4. 긴바지, 긴소매 옷, 운동화를 착 용한다. 가. 식물 채집과 운반 전체 과정에서 채집된 식물체가 상하지 않도록 주의한다. 특히 꽃잎과 같이 연한 기관은 쉽게 떨어질 수 있다. 1) 채집할 식물을 선정한 후, 필요한 경우에 사진을 촬영한다. 2) 초본의 경우 가능하다면 모종삽을 사용하여 생식 기관이 있는 초본 전체 를 2~3개체 채집한다. 뿌리에 붙은 흙은 가능한 한 깨끗이 털어 낸다. 3) 목본의 경우 전정가위를 사용하여 표본 대지에 들어갈 수 있는 크기의 가 지를 1~2개 채집한다. 4) 채집한 식물체를 채집 번호를 기입한 비닐봉지에 넣고 밀봉한다. 비닐봉 지보다 큰 초본의 경우에는 표본 대지에 붙일 식물체 모양대로 줄기를 1 회 이상 꺾어서 넣는다. 5) 채집 과정에서 훼손된 주변 환경을 정리한다. 6) 채집 번호, 식물 이름(확인된 경우), 채집 장소, 채집 일자, 환경 특성, 채집한 식물체의 상태 등을 야외 노트에 기록한다. 식물의 동정 국가생물종지식정보시스템 (국립수목원) http://www.nature.go.kr/ index.jsp 그림 VI-2 식물 채집 과정 나. 식물 동정하기 식물의 동정은 야외 현장 혹은 실내에서 식물체를 건조하기 전에 하는 것이 원칙이다. 식물 동정을 위해서는 다음과 같은 특징을 중심으로 관찰하며, 필요 에 따라 실체 현미경이나 돋보기, 루페를 이용한다. 1) 꽃이 있는지, 포자낭이 있는지 확인한다. 2) 꽃차례의 형태를 확인한다. 3) 꽃이 좌우 대칭인지, 방사 대칭인지 확인한다. 4) 꽃잎의 색과 꽃잎, 암술, 수술의 개수를 확인한다. 162 Ⅵ 생물과 환경 5) 열매가 있는 경우 모양, 색, 표면의 상태를 확인한다. 식물 동정에 유용한 사이트 6) 초본은 뿌리의 형태를 확인한다. 한반도 생물자원(국립생물자원관) http://www.nibr.go.kr/ species/home/main.jsp 7) 잎차례가 어긋나기, 마주나기, 돌려나기 중 어느 것인지 확인한다. 8) 잎이 단엽인지, 복엽인지를 확인한다. 9) 잎몸의 모양과 가장자리의 톱니 모양을 확인한다. 10) 잎의 표면과 뒷면 또는 잎자루에 털이 있는지 확인한다. 11) 관찰한 특징을 식물도감 또는 검색표와 비교하여 동정한다. 이때 사진과 그림뿐만 아니라 설명이 일치하는지 확인한다. 다. 식물 건조와 표본 제작 국가생물종정보시스템 (국립수목원) http://www.nature. go.kr/kbi/plant/pilbk/ selectPlantPilbkGnrlList.do 한국의 수목 (서울대학교 수우식물표본관) http://florakorea. myspecies.info/en 채집한 식물체는 시들거나 상하지 않도록 가능한 한 빨리 실험실로 운반하여 펼쳐서 건조한다. 1) 식물에 붙은 흙이나 이물질을 깨끗이 털어 내거나 물로 씻는다. 2) 펼친 신문지의 절반 위에 식물을 보기 좋게 펼쳐 놓는다. 1 대지보다 큰 식물은 대지에 전체가 들어가도록 구부리거나 꺾는다. 2 식물의 잎과 꽃은 앞면과 뒷면이 모두 나타나게 정리한다. 3 잎이나 꽃이 너무 많을 때는 솎아 낸다. 4 두꺼운 열매, 줄기, 덩이뿌리 등은 가위로 절개하여 두께를 줄인다. 잘라 내어 별도로 종이봉투에서 건조하거나, 80% 알코올을 넣은 병에 보관 한다. 5 열매는 건조하여 별도의 기름종이 봉지나 병에 보관하거나, 80% 알코올 에 보관한다. 3) 신문지에 채집 번호를 직접 기록하거나, 별도의 종이에 기록하여 신문지 사이에 넣는다. 4) 식물체가 들어간 신문지와 골판지를 번갈아 가며 쌓는다. 특히 식물체가 두꺼운 경우에는 반드시 골판지나 적당한 두께의 신문지를 끼워 넣어, 식 물체가 평평하게 눌리도록 한다. 5) 위와 같은 방법으로 식물체를 모두 쌓은 후, 압착판 사이에 넣고 벨트를 단단히 조여서 압착한다. 벨트가 없을 때는 무거운 물체를 올려놓는다. 처음에는 벨트를 세게 조여 주며, 식물체가 어느 정도 건조된 이후에는 조금 헐렁하게 풀어 준다. 6) 하루가 지난 후, 야책을 풀어서 식물체가 접힌 부분이나 잘못 배치된 부 분을 다시 제대로 고정한다. 7) 처음에는 매일, 식물체가 적당히 건조된 이후에는 2~3일에 한 번씩 식물 체가 완전히 건조될 때까지 신문지를 갈아 준다. 163 8) 식물 이름(지역명과 학명), 채집 날짜, 채집 장소, 채집자, 기타 내용(환 경 특성, 채집한 식물체의 상태 등)을 기입하여 명세표를 작성한다. 일반 적으로 명세표는 가로 10cm~13cm, 세로 5cm~7cm의 중성지로 만 든다. 9) 건조된 식물체, 명세표를 표본 대지 위에 보기 좋게 놓는다. 일반적으로 식물체는 표본 대지의 중앙, 명세표는 우측 하단에 배치한다. 식물체가 표본 대지 바깥으로 돌출되어서는 안 된다. 표 VI-1 표본 명세표(예) 표본 명세표 채집 일자 : 2018년 0월 00일 과 명: 제비꽃과 학 명: Viola mandshurica W. Becker 지역명 : 제비꽃 채집 장소 : 서울시 00구 00공원 잔디밭 채집자 : 홍길동 기 타: 폐쇄화가 달려 있음. 10) 식물체가 너무 작을 경우에는 한 장소에서 함께 채집한 여러 개체를 한 장에 배치한다. 반대로 식물체가 너무 클 때는 한 개체를 여러 장의 표 본 대지에 나누어 배치한다. 11) 두꺼운 열매나 덩이뿌리 등 따로 건조한 부분이나 건조 과정에서 떨어진 부분(종자, 꽃가루, 꽃잎 등)은 별도로 종이봉투에 넣어서 표본 대지 위 에 함께 배치한다. 필요한 경우에는 표본 대지 위에 식물체의 전체 모양 을 알아볼 수 있는 사진을 붙이기도 한다. 12) 배치한 식물체, 명세표, 종이봉투, 사진을 종이테이프 또는 식물 표본용 접착제로 표본 대지에 붙인다. 식물체가 너무 두꺼울 경우 실과 바늘로 고정한다. 13) 완성된 표본은 지퍼백 속에 넣는다. 지퍼백 속에 나프탈렌을 함께 넣어 보관하면 좀이 스는 것을 예방할 수 있다. 14) 식물 표본을 쉽게 찾을 수 있도록 일련번호, 식물명 또는 과와 속으로 정렬하여 표본 장에 보관한다. 164 Ⅵ 생물과 환경 그림 VI-3 식물의 건조와 표본 제작 4 결과 및 고찰 가. 채집한 식물의 뿌리, 줄기, 잎, 꽃 또는 열매는 어떤 특징을 가지는가? 나. 채집한 식물의 지역명과 학명은 무엇인가? 다. 채집한 식물은 분류학적으로 어떤 무리에 속하는가? 계, 문, 강, 목, 과의 순으로 나타내 보자. 라. 채집한 식물을 동정하기 위한 가장 핵심적인 특징은 무엇인가? 이를 바탕 으로 친구에게 식물을 설명해 보자. 마. 식물 표본을 제작할 때 주의해야 할 점을 발표해 보자. 5 연구 과제 가. 우리 학교에 살고 있는 식물을 조사하여 동정할 수 있는 검색표를 만들어 보자. 나. 생식 기관의 구조와 명칭이 겉씨식물과 속씨식물에서 어떻게 다른지 조사 해 보자. 다. 꽃의 여러 가지 구조와 각 명칭을 자세히 조사해 보자. 라. 열매의 종류와 특징을 조사해 보자. 마. 속씨식물은 어떤 형태의 겨울눈을 가지는지 조사해 보자. 참고문헌 김재근. 2012. 분류학개론. 라이프사이언스. pp. A-3~A-6. 이유성. 2002. 현대 식물분류학 2차 개정증보판. 도서출판 우성. pp. 237-248. 환경부, UNDP/GEF국가습지보전관리사업단. 2008. 제3차 전국내륙 습지조사 지침. pp. 85-88. Simpson, M. G. 2010. Plant Systematics. Academic press. pp. 517-524. 165 실험 VI-2 학습 목표 토양 속 무척추동물 채집과 분류 • 토양 속 무척추동물을 채집할 수 있다. • 토양 속 무척추동물을 동정하고 분류할 수 있다. • 무척추동물 표본을 만들 수 있다. 1 도입 토양 속에는 지렁이와 개미를 비롯하여 많은 환형동물, 연체동물, 절지동물 등 무척추동물이 서식한다. 이들은 토양 속의 유기물 또는 다른 토양 동물을 먹 으면서 먹이 그물을 형성한다. 토양 속 무척추동물은 유기물을 무기물로 분해 하는 데 기여하여 생태계의 물질 순환을 완성한다. 또 토양을 잘게 부수고 섞는 과정을 통하여 통기성을 증대시키고, 무기 양분을 고르게 분배하여 식물을 포 함한 모든 생물이 살기 좋은 토양을 생성한다. 토양 무척추동물은 환경과 밀접 하게 연관되어 있기 때문에, 토양 지표 생물로 이용되는 등 토양 무척추동물을 대상으로 다양한 생물학 연구가 수행되고 있다. 토양 무척추동물의 연구에서 가장 기본이 되는 것은 채집과 동정이다. 토양 무척추동물은 연구 대상이 되는 분류군과 연구의 목적에 따라 다양한 방법으로 채집되는데, 일반적으로 사용되는 것이 벌리스-툴그렌 장치이다. 벌리스-툴그 렌 장치는 열을 피하여 이동하는 무척추동물의 습성을 이용하여 채집한 토양 속 에서 주로 0.2㎜~2㎜에 해당하는 중형 무척추동물을 추출하는 방법이다. 2 준비물 모종삽, 전정가위, 톱칼, 나무젓가락, 끈, 장갑, 토양 채취 관, 명세표, 야외 노트, 필기도구, 비닐봉지, 줄자(1m), 해부판(또는 화분 받침), 벌리스-툴그 렌 장치(삼발이, 툴그렌 깔때기, 받침판, 철사 망, 30W 백열전구, 전등갓), 표본병, 실험용 장갑, 80% 알코올, 비커, 페트리 접시, 핀셋, 스포이트, 실체 현미경, 토양 무척추동물 도감 3 방법 및 절차 가. 표본 추출 지역을 두 곳 이상 선정한 후 나무젓가락과 끈을 이용하여 20cm×20cm 크기의 방형구를 설치한다. 166 Ⅵ 생물과 환경 나. 전정가위 혹은 톱칼을 사용하여 방형구의 가장자리를 따라 낙엽이나 뿌리 를 자른다. 다. 방형구 내의 모든 낙엽을 채집하여 채집 장소를 기입한 비닐봉지에 넣고 밀 봉한다. 라. 방형구 내에서 깊이 10cm까지의 모든 토양을 채집하여 채집 장소를 기입 한 비닐봉지에 넣고 밀봉한다. 그림 VI-4 채집 과정과 대형 무척추동물 분리 마. 채집한 토양을 실험실로 운반하여 해부판 또는 화분 받침에 펼쳐 놓고, 육 안으로 관찰되는 대형 무척추동물을 분리하여 80% 알코올이 들어 있는 표 본병에 보관한다. 바. 벌리스-툴그렌 장치를 설치하여 3일 동안 토양 속 무척추동물을 추출한다. 전등갓 * 벌리스-툴그렌 장치 설치 방법 툴그렌 깔때기를 삼발이를 사용하여 고정한다. 툴그렌 깔때기 안에 받침 백열전구 판과 철사 망을 넣는다. 받침판은 토양이 쏟아지는 것을 막고 무척추동 철사 망 물만 깨끗하게 추출하기 위한 것이며, 일반적으로 2중 다공판이 사용된 다. 그 위에 대형 무척추동물을 분리하고 남은 낙엽이나 토양을 넣는다. 받침판(2중 다공판) 이때 툴그렌 깔때기 아래로 쏟아진 토양은 제거하고, 그 자리에 80% 알 툴그렌 깔때기 코올을 담은 표본병을 놓는다. 30W 백열전구를 연결한 전등갓을 덮고 전구를 켠다. 삼발이 사. 표본병에 보관된 무척추동물의 일부를 스포이트나 핀셋을 사용하여 페트리 표본병 접시에 옮기고, 실체 현미경으로 관찰한다. 아. 부록 1의 토양 무척추동물 검색표를 이용하여 동정한다. 30W 백열전구 자. 동정이 완료된 무척추동물은 액침 표본을 만들기 위하여 80% 알코올을 담 은 표본병에 넣는다. 차. 동물 이름, 채집 날짜, 채집 장소, 채집자를 기록한 명세표를 표본병 안에 넣고 뚜껑을 닫아 보관한다. 깔대기 고정 삼발이 철사판 받침판 * 무척추동물 액침 표본의 명세표 액침 표본에서는 표본병과 명세표가 분리되는 것을 막기 위하여 명세표 80% 알코올이 들어있는 표본병 를 표본병 안에 넣는 것이 일반적이다. 명세표는 중성지로 만들고, 글 씨가 알코올에 지워지지 않도록 인쇄한다. 적당한 프린터가 없는 경우 연필로 직접 기록한다. 그림 VI-5 벌리스-툴그렌 장치 167 4 결과 및 고찰 가. 채집한 무척추동물을 크기에 따라 분류해 보자. 나. 채집한 무척추동물을 문 또는 강, 목 수준으로 동정하여 채집 장소별로 결 과를 표에 정리해 보자. 다. 채집 장소에 따라 무척추동물의 종류와 수가 어떻게 다른지 살펴보고, 그 원인에 대하여 토의해 보자. 라. 채집한 무척추동물을 동정할 수 있는 중요한 특징이 무엇인지 판별하고, 이를 이용하여 검색표를 작성해 보자. 5 연구 과제 가. 토양 속 무척추동물이 생태계에서 어떤 역할을 하는지 조사해 보고, 이를 밝히기 위한 실험을 설계해 보자. 나. 토양 속 무척추동물의 종류와 개체 수에 영향을 주는 요인을 조사해 보자. 다. 주로 토양 표면을 기어 다니는 동물을 채집하는 방법은 무엇인가? 이 외에 도 여러 가지 동물 채집 방법을 조사하고, 각 방법이 동물의 어떤 특성을 이용한 것인지 생각해 보자. 참고문헌 여천생태연구회. 2005. 현대생태학실험. 교문사. pp. 120-122. 䱿木淳一. 1991. 日本産土෹動物ṉ索ఠ㿙. 東海大႓出版部. 최성식. 1996. 토양동물학. 원광대학교출판국. 한국동물분류학회. 2003. 동물분류학. 집현사. pp. 284-301. Coleman, D.C., Crossley, D.A., and Hendrix, Jr. P. F. 2004. Fundamentals of Soil Ecology 2nd ed. Elsvier Inc. pp. 79-185. Nakashizuka, T. and Stork, N. (eds). 2002. Biodiversity Research Methods: IBOY in Western Pacific and Asia. Kyoto University Press and Trans Pacific Press. pp. 63-67. 168 Ⅵ 생물과 환경 실험 VI-3 학습 목표 방형구법을 이용한 식물 군집 조사 • 방형구법을 이용하여 식물 군집의 밀도, 피도, 빈도를 조사할 수 있다. • 방형구법으로 측정한 결과를 이용하여 상대 밀도, 상대 피도, 상대 빈도, 중요치 를 계산하고, 우점종을 결정할 수 있다. 1 도입 식물 군집은 한 지역에서 유기적으로 상호 작용하며 살아가는 여러 식물 개 체군의 집합체이다. 식물 군집은 개개의 개체군이 가지지 않는 독특한 구조적· 기능적 속성을 가지며, 생태학 연구에서 하나의 단위로 다루어진다. 생태학자 들은 식물 군집의 속성을 이해하기 위하여 종 조성, 종 다양성, 층위 구조, 먹이 그물, 생산성과 같은 여러 가지 생태적 특성을 확인한다. 한 지역의 식물 군집을 조사할 때는 전체를 조사하기보다는 표본을 추출하여 조사하며, 방형구법이 널리 이용된다. 방형구의 위치와 크기는 연구의 목적과 연구할 식물의 크기에 따라서 달라지며, 일반적으로 가장 키가 큰 개체의 높이 를 한 변으로 하는 정사각형으로 결정된다. 보통 초원에서는 1m×1m, 식물 의 키가 3~4m인 관목림에서는 3m×3m 또는 4m×4m, 키가 10m 이상인 교목림에서는 10m×10m 또는 20m×20m의 방형구를 사용한다. 방형구의 수는 그 수를 늘려 가면서 구성 종의 피도가 더 변화하지 않을 때까지의 수를 취하여 사용한다. 방형구법을 통하여 측정되는 밀도, 피도, 빈도는 정량적 개 념으로 식물 군집의 객관적 특성을 나타낸다. 식물 군집의 우점종은 밀도, 피 도, 빈도를 고려한 중요치가 가장 큰 종으로 결정된다. 줄자(50m) 초본 군집 조사용 방형구 야외 노트와 필기구 2 준비물 라벨 테이프 방형구(1m×1m) 또는 1m 대자, 50m 줄자, 비닐봉 지, 전정가위, 식생 조사표(야외 노트), 필기도구, 라벨 대자 전정가위 테이프 비닐봉지 그림 VI-6 실험 도구 169 3 방법 및 절차 가. 식물 군집을 조사할 지역을 선정한다. 나. 조사 지역에 적절한 크기의 방형구를 무작위 또는 규칙적으로 설치한다. 제작된 방형구 또는 대자, 줄자를 들고 있거나 바닥에 내려놓는다. 다. 방형구 안에 있는 모든 식물을 종 수준에서 동정한다. 야외에서 동정이 어려운 경우에는 임시 번호를 부여하고, 비닐봉지에 채집하여 실내에서 동정한다. 라. 방형구 안에 있는 모든 종의 개체수와 각 개체가 차지하는 면적을 측정하여 B c 결과표에 기록한다. 면적은 방형구의 면적에서 해당 개체가 차지하는 비율 을 %로 나타낸다. 초본과 같이 각 개체가 공간적으로 심하게 겹쳐지고, 위 B A 그림 VI-7 피도의 결정. A 식물이 있는 곳에 점선으로 그려진 원에서 방형구 내에 포함된 부분을 A 식물 의 피도에 포함시킨다. 에서 한눈에 파악되는 경우에는 한 종에 속한 각 개체별이 아닌 모든 개체 의 피도 합계를 한꺼번에 측정한다. 마. 과정 나와 동일한 방법으로 방형구 몇 개를 추가로 설치하고 과정 라와 동 일한 방법으로 조사하여 결과표에 기록한다. 바. 방형구별 식물 군집 조사 결과를 모아 식물 군집 조사 종합표를 작성한다. 사. 식물 군집 조사 종합표를 보고 종별로 밀도, 피도, 빈도, 상대 밀도, 상대 피도, 상대 빈도, 중요치를 계산하여 식물 군집 조사 분석표에 기록한다. 1) 밀도: 단위 면적에 분포하는 특정 생물종의 개체수 A종의 밀도 = A 종의 개체수 방형구의 면적 2) 피도: 조사 면적에서 특정한 생물종이 차지하는 면적의 비율 A 종의 피도 = A 종이 차지하는 면적 방형구의 면적 3) 빈도: 전체 표본 수(방형구의 수)에 대한 특정 생물종이 출현한 표본 수의 비율 A 종의 빈도 = A 종이 출현한 방형구의 수 조사한 모든 방형구 수 4) 상대 밀도: 출현한 모든 종의 전체 개체수에 대한 특정 생물종의 개체수 비율 A종의 상대 밀도 ]%g = A종의 밀도 # 100 출현한 모든 종의 밀도 합 5) 상대 피도: 출현한 모든 종의 피도의 합에 대한 특정 생물종의 피도 비율 A 종의 상대 피도 ]%g = 170 A종의 피도 # 100 출현한 모든 종의 피도 합 Ⅵ 생물과 환경 6) 상대 빈도: 출현한 모든 종의 빈도의 합에 대한 특정 생물종의 빈도의 비율 A 종의 상대 빈도 ]%g = A종의 빈도 # 100 출현한 모든 종의 빈도 합 7) 중요치: 특정 생물종의 상대 밀도, 상대 피도, 상대 빈도의 합으로 군집 안에서 이 생물종의 중요성 또는 영향력의 정도를 나타낸다. A 종의 중요치 = A 종의 상대 밀도 + A 종의 상대 피도+ A 종의 상대 빈도 4 결과 및 고찰 가. 실험 결과 표 VI-2 식물 군집 조사 결과표 조사자 성명: 조사 연월일: 조사 장소: 방형구 면적: 방형구 번호: 방형구의 면적에서 각각의 식물 개체가 차지하는 면적의 비율(%) 식물종 개체 번호 식물명 식물명 식물명 식물명 식물명 식물명 1 2 3 4 5 • • • • • • • • • • • • • 합 개체수 계 면적(%) 171 표 VI-3 식물 군집 조사 종합표 조사자 성명: 조사 연월일: 조사 장소:의 비율(%) 식물종 방형구 번호 식물명 개체수 식물명 면적(%) 개체수 식물명 면적(%) 개체수 면적(%) 식물명 개체수 식물명 면적(%) 개체수 식물명 면적(%) 개체수 면적(%) 1 2 3 4 5 6 • • • • • 평균 표 VI-4 식물 군집 조사 분석표 조사자 성명: 조사 연월일: 조사 장소: 식물종 합계 172 밀도 피도(%) 빈도(%) 상대 밀도 (%) 상대 피도 (%) 상대 빈도 (%) 중요치 중요치 순위 Ⅵ 생물과 환경 나. 우점종 결정 중요치가 가장 큰 식물을 우점종으로 결정한다. 5 연구 과제 가. 피도를 육안으로 파악하기 어려운 교목이 우점하는 숲의 경우, 상대 피도를 구하는 다른 방법을 조사해 보자. 나. 식물 군집을 분류하기 위하여 사용하는 식물 사회학적 방법을 조사해 보자. 다. 우점종을 결정하는 환경 요인을 조사해 보자. 방형구 설치 방법을 보여 주는 모형 식물 군집 그림 VI-8 모형 식물 군집에 설치한 방형구 참고문헌 김재근, 박정호, 최병진, 심재한, 권기진, 이보아, 이양우, 주은정. 2004. 생태조사방법론. 보문당. pp.153-183. 여천생태연구회. 2005. 현대생태학실험. 교문사. pp.94-102. Barbour, M.G., Burk, J.H., Pitts, W.D., Gilliam, F.S., Schwartz, M.W. 1998. Terrestrial Plant Ecology 3rd ed. Benjamin-Cu㎜ings. pp. 217-227. 173 실험 VI-4 학습 목표 연못 생태계 조사 • 연못 생태계의 대표적인 생산자, 소비자, 분해자를 알 수 있다. • 연못 생태계의 비생물적 요인을 조사할 수 있다. • 연못 생태계의 비생물적 요인이 생물에게 미치는 영향을 설명할 수 있다. 1 도입 생태계는 생물적 요소와 비생물적 요소로 구성되며, 둘은 서로 밀접한 영향 을 주고받는다. 연못 생태계에서 가장 중요한 비생물적 환경 요인은 생물이 살 아가는 공간인 물이다. 온도, 용존 산소량, pH, 무기 염류량과 같은 물의 특성 은 생물의 분포와 생존을 결정하는 중요한 요소이다. 연못에는 육상 생태계의 양분이 유입되어 쌓이기 때문에 일반적으로 연못 생태계는 생산성이 높고 다양 한 생물이 살아간다. 생물적 요소에는 생산자, 소비자, 분해자가 있으며, 이들 뜰채 은 복잡한 먹이 그물을 형성한다. 이 실험에서는 연못 생태계의 pH, 수온, 전기 전도도, 용존 산소량 등 비생 물적 요인을 측정하고, 연못에 살고 있는 생물을 찾아 이들이 연못 생태계에서 어떤 역할을 하는지 알아본다. 가슴 장화 온도계 2 준비물 가슴 장화, 뜰채, 갈퀴, 장갑, 대자, 채수 통(1L), 비닐봉지, 야외 노트, 필기 야외 노트와 필기구 긴 뜰채 도구, 온도계, 용존 산소 측정기(DO meter), pH 측정기, 전기 전도도 측정기, 해부판(또는 화분 받침), 핀셋, 표본병, 페트리 접시, 비커(250mL), 깔때기, 거름종이, 원심분리용 시험관, 실체 현미경, 광학 현미경, 받침 유리, 덮개 유리, 갈퀴 스포이트, 80% 알코올, 물, 원생생물 도감, 무척추동물 도감, 곤충 표본용 핀 대자 라벨 테이프 채수 통 (1L) 목장갑 3 방법 및 절차 가. 야외 조사 용존 산소 측정기 비닐 봉투 1) 조사 대상으로 삼을 연못을 찾는다(되도록이면 오래전에 만들어졌으며, 오염되지 않고, 위험하지 않은 연못을 대상으로 한다). 그림 VI-9 수서 무척추동물 채집 도구 174 2) 연못이나 주변에 육안으로 관찰 가능한 생물(목본, 조류, 양서류 등)이 있다면 이들의 이름을 야외 노트에 기록한다. Ⅵ 생물과 환경 3) 가슴 장화를 신고 연못의 중앙 부근으로 들어간다. 연못이 깊을 때에는 물에 빠지지 않도록 안전한 곳까지만 이동한다. 4) 수면에서부터 5cm~10cm의 깊이에서 채수 통을 넣어 물을 채우고, 물 속에서 뚜껑을 닫는다. 5) 같은 위치에서 온도계와 용존 산소 측정기를 이용하여 수온과 용존 산소 량을 측정한다. 그림 VI-10 채수 통에 물 채집 6) 연못의 다양한 미소 서식지에서 뜰채를 이용하여 수서 무척추동물을 채 집한다. 육안으로 관찰되는 경우에는 개체를 직접 채집하고, 그렇지 않 은 경우에는 낙엽, 줄기와 같은 유기물과 모래를 통째로 채집하여 비닐봉 지에 담아 밀봉한다. 7) 채수 통과 채집한 수서 무척추동물을 실험실로 운반한다. 그림 VI-11 수서 무척추동물 채집 * 풀이 우거진 곳은 뜰채를 휘저어 나. pH와 전기 전도도의 측정 및 원생생물의 관찰 1) 채수 통에 담아 온 물 100mL를 거름종이에 통과시켜 비커로 받는다. 2) 거른 물 50mL를 원심분리용 시험관에 넣고, pH 측정기와 전기 전도도 측정기를 이용하여 pH, 전기 전도도를 측정한다. 3) 물이 모두 걸러지면 거름종이의 위쪽을 받침 유리 위에 붙였다가 뗀다. 4) 받침 유리 위에 스포이트로 물을 한 방울 떨어뜨린 후 덮개 유리를 덮고 광학 현미경으로 관찰한다. 생물을 채집한다. 연못 바닥의 경 우에는 뜰채로 바닥을 긁으면서 유기물과 모래를 통째로 채집한 다. 물이 깊거나 뜰채로 긁기 어 려운 환경에서는 발로 두드리거나 갈퀴로 긁어서 떠오르는 유기물을 뜰채로 휘저어 생물을 채집한다. 돌이 있는 경우에는, 돌을 들어내고 돌 아래에 있거나 돌에 붙어 있는 무척추동물이 있는지 확인한다. 5) 원생생물 도감을 이용하여 생물을 동정하고 특성을 조사한다. 다. 수서 무척추동물의 관찰 1) 비닐봉지에 담아 온 것을 80% 알코올을 담은 해부판 또는 화분 받침에 붓고, 헤쳐 보면서 핀셋이나 스포이트로 수서 무척추동물을 골라 80% 알코올을 담은 표본병에 넣는다. 생물을 살아있는 상태로 관찰할 경우에 는 알코올 대신 연못 물을 깨끗하게 거른 것을 이용한다. 2) 표본병에 넣은 수서 무척추동물의 일부를 페트리 접시에 옮기고 실체 현 미경으로 관찰한다. 3) 부록 2의 검색표와 수서 무척추동물 도감을 이용하여 생물을 동정하고 특 그림 VI-12 수서 무척추동물 골라내기 성을 조사한다. 4) 관찰한 수서 무척추동물을 액침 표본이나 건조 표본으로 만든다. 일반적 으로는 ‘실험 VI-2 토양 속 무척추동물의 채집과 분류’(166쪽)와 동일한 방법으로 액침 표본을 만든다. 생물이 크고, 바깥 부분이 딱딱한 경우에 는 곤충 표본용 핀을 사용하여 건조 표본을 만들 수 있다. 175 4 결과 및 고찰 가. 조사한 연못 물의 특성을 정리해 보자. 나. 채집된 원생생물의 분류군별 개체수를 표로 정리해 보자. 다. 채집된 수서 무척추동물의 종별 개체수를 표로 정리해 보자. 라. 연못에 서식하는 생물의 종류와 색, 운동성을 다음 표에 적고, 이들을 생산 자, 소비자, 분해자로 구분해 보자. - 생물의 색과 운동성은 생태계에서 생산자와 소비자의 어떤 역할과 관련이 있는가? 표Ⅵ-5 연못에 서식하는 수서생물 조사표 생물 이름 색 운동성 생산자/소비자/분해자 마. 그림Ⅵ-13과 같이 연못 생태계를 구성하는 생물의 먹이 그물을 만들어 보자. 5 연구 과제 가. pH가 생물의 분포를 결정하는 중요한 요소가 되는 이유를 조사해 보자. 나. 전기 전도도의 높고 낮음이 생물에게 어떤 영향을 주는지 조사해 보자. 다. 용존 산소량을 증가시키는 요인과 감소시키는 요인을 조사해 보자. 라. 용존 산소량이 감소하면 어떤 생물들이 영향을 받을지 토론해 보자. 마. 수서 무척추동물을 지표생물로 이용하여 수질을 평가하는 방법을 찾아보고, 이를 이용하여 자신이 조사한 연못의 상태를 판단해 보자. 176 Ⅵ 생물과 환경 경기도 민간인 통제 구역에 있는 반달둠벙에서의 먹이 그물 쇠백로 물자라 물방개 왕등줄실잠자리 유충 송장헤엄치개 깔따구류 고추잠자리 유충 올챙이 미세 조류 게아재비 수생식물 알물방개 털모기류 낙엽 그림 VI-13 반달둠벙에서의 먹이 그물 참고문헌 김명철, 천승필, 이존국. 2013. 하천생태계와 담수무척추동물. 지오북. 동화기술편집부. 2002. 수질오염, 폐기물, 토양오염 공정시험방법. 도서출판 동화기술. pp. 333-356.(부록 I 담수조류분류표, 담수조류) 원두희, 권순직, 전영철. 2005. 한국의 수서곤충. 생태조사단. 정준. 1993. 한국담수조류도감. 아카데미서적. p. 496. 최중기, 신웅기, 김종임, 한명수. 2016. 한국의 원생생물(전 3권). 학술정보센터. Key to Life in the Pond - Wisconsin's Citizen-Based Water Monitoring Network http://watermonitoring.uwex.edu/pdf/ level1/pondkey.pdf Offwell Woodland & Wildlife Trust. http://www.countrysideinfo. co.uk/talks/centre_intro/foodweb.htm 177 실험 VI-5 학습 목표 개체군 생장 • 제한된 환경에서의 배양 실험을 통해 효모의 개체군 생장 곡선을 그릴 수 있다. • 생장 곡선을 모델로 나타내어 생장 곡선의 변화를 설명할 수 있다. • 환경 수용 능력을 결정할 수 있다. 1 도입 일정 지역에서 서로 상호 작용하는 한 종의 무리를 개체군이라 한다. 생물이 새로운 장소를 개척하는 경우 개체군의 크기는 초기에 서서히 커지다가 일정 시간이 지나면 급격히 커지게 된다. 이후 개체군 생장을 제한하는 환경 요인에 의해 개체군이 몰락하지 않는 한 그 크기는 커지고 작아지기를 반복하다가 일 정한 크기로 유지된다. 이상적인 환경에서 생물 개체군의 생장은 J자형 생장 곡선으로 나타난다. 그러나 대부분의 생물은 개체군의 크기가 커지면서 환경 저항을 받게 되어 생 장이 둔화된다. 이는 환경이 생물을 무한히 부양할 수 있는 것이 아니라 일정한 수만큼만 부양할 수 있기 때문이다. 특정 환경이 생물을 부양할 수 있는 최대치 를 환경 수용 능력이라 한다. 이와 같은 환경에서 개체군의 생장 곡선은 S자형 으로 나타난다. 2 준비물 광학 현미경, 시험관(50mL), 시험관대, 비커, 눈금 실린더, 삼각 플라스크 (200mL), 마개용 솜, 마이크로 피펫(20μL, 1,000μL), 저울, 유산지, 멸균 기, 항온 진탕 배양기, 분광 광도계, 혈구 계수기(또는 받침유리와 덮개유리), 라벨 테이프, 유성펜, 제빵용 생효모, 증류수, 설탕, 과즙 100%로 표시된 포 그림 VI-14 혈구 계수기 도주스(또는 사과주스, 매실주스), 알루미늄 포일 3 방법 및 절차 가. 효모 배양액으로 증류수(배양액 A), 10% 설탕물(배양액 B), 증류수로 10배 희석한 포도주스(배양액 C), 증류수로 100배 희석한 포도주스(배양액 D)를 준비한다. 178 Ⅵ 생물과 환경 * 사과주스는 포도주스와 동일하게 준비하나, 매실주스를 사용할 경우에는 원액을 사용한다. 나. 삼각 플라스크에 라벨 테이프를 이용하여 배양액의 종류를 기입하고, 각각 의 배양액을 100mL씩 담아 121℃, 2기압의 멸균기에서 15~20분 동안 멸균한다. 이때 마개로 활용할 솜도 함께 멸균한다. 그림 VI-15 멸균한 배양액 다. 증류수 25mL가 담긴 시험관에 제빵용 생효모 10g을 넣은 뒤 뚜껑을 닫고 효모가 완전히 풀릴 때까지 흔든 뒤 뚜껑을 연다. 라. 활성화된 효모액을 증류수로 100배 희석한다. 마. 배양액 5ml를 따로 보관하여 흡광도의 영점으로 활용한다. 희석한 효모액을 1mL 취하여 배양액이 담긴 삼각 플라스크에 넣고 잘 흔든다. 바. 각 배양 플라스크에서 배양액 1mL를 취하여 분광 광도계로 600nm에서 흡 광도를 측정한다. 사. 각 배양 플라스크에서 배양액 20μl을 취하여 광학 현미경 100배 배율에서 혈구 계수기로 효모 개체수를 세어 밀도를 계산한다. 아. 400배의 현미경 시야에 보이는 효모의 생김새를 그린다. 그림 VI-17 혈구 계수기에 담은 배 양액을 100배의 현미경에서 관찰한 모습 자. 각 배양 플라스크의 입구를 멸균한 솜으로 막고, 30℃ 진탕 배양기에서 70rpm의 속도를 유지하면서 진탕 배양한다. 그림 VI-16 진탕 배양기에서 배양하는 모습 차. 약 24시간 동안 6시간 간격으로 바.~사. 과정을 반복하여 결과를 표에 기록한다. 179 4 결과 및 고찰 가. 현미경으로 관찰한 효모의 생김새를 그려 보자. 나. 배양 시간에 따른 효모 개체수를 다음 표에 정리하고, 배양 시간과 개체수 개체수 개( / ) 사이의 관계를 왼쪽 그래프와 같이 가로축을 시간, 세로축을 개체수나 흡광 도로 하는 그래프로 그려 보자. 표 VI-5 시간에 따른 효모 배양액의 흡광도 변화 시간(h) 배양액 시간(h) 0 6 12 18 24 12 18 24 배양액 A 배양액 B 배양액 C 배양액 D 표 VI-6 시간에 따른 효모 배양액의 효모 개체수 변화 시간(h) 배양액 0 6 배양액 A 배양액 B 배양액 C 배양액 D 다. 각 배양액에서 배양 시간에 따른 효모 개체수의 증가를 나타낸 그래프는 어 떤 모양인가? 라. 효모의 개체수는 계속 증가하는가? 아니라면 그 까닭은 무엇인가? 마. 효모에 대한 각 배양액의 환경 수용 능력은 얼마인지 구해보자. 환경 수용 능력은 시간에 따른 개체수 변화 그래프에서 개체수의 증가가 멈출 때의 개 체수이다. 바. 현미경 시야에 개체수가 너무 많이 보여 세는 것이 불가능할 때에는 어떻게 하는 것이 좋겠는가? 5 연구 과제 가. 포도주스의 성분을 기초로 효모 배양에 필요한 성분을 조사해 보자. 나. 일정 시간 간격으로 효모 배양액의 절반을 새것으로 바꾸어 준다면 효모 개 체군은 어떤 생장을 보일지 조사해 보자. 다. 효모의 개체군 생장이 더 이상 이루어지지 않게 하는 요인에는 어떤 것이 있 는지 조사해 보자. 180 Ⅵ 생물과 환경 혈구 계수기 사용법 혈구 계수기는 그림 Ⅵ-18과 같이 칸으로 나누어져 있다. 붉은색으로 표시된 곳의 한 변의 길이는 1㎜이며, 이것은 9개의 칸으로 구성된다. 색 으로 표시된 곳의 면적과 부피는 그림 Ⅵ-18과 같다. 1. 혈구계수기 위에 커버글라스를 덮은 후 배양액 10μL를 혈구 계수기 홈에 넣는다. 2. 한 칸(그림의 노란색 부분)의 세균 수를 센다. 여러 칸을 세어 평균을 내는 것이 좋다. 3. 한 칸은 부피는 0.04mm³이므로 1mL당 효모 수는 한 칸의 효모 수에 2.5×105를 곱해준다. 눈금 크기 면적 깊이가 0.1㎜일 때의 부피 3mm 1mm 0.25mm 0.2mm 그림 VI-18 혈구 계수기와 단위 면적별 부피 참고문헌 김희백, 김영수, 이준규, 전상학, 2003년 고등학교 교사 생물 실험 연수 교재. 교육인적자원부. pp. 211-214. Houseley, J. 2016. Yeast culture v1.6. http://babraham.ac.uk/our-research/epigenetics/jonhouseley/protocols (http://babraham.ac.uk/files/download/f0a5bf39cb5867d) 접 속: 2016. 7. 19 Richards, O. W. 1928. The growth of the yeast Saccharomyces cerevisiae. I. The growth curve, its mathematical analysis, and the Annals of Botany 42: 271-283. SENN High School. 2016. Lab 8-1 Population growth in yeast. http://www.sennhs.org/ourpages/auto/2012/10/7/47478369/ LAB%208-1%20Population%20Growth%20in%20Yeast.pdf 접 속: 2016. 7. 19 Steane, R. 2016. Direct observation of yeast population growth by counting the number of yeast cells. http:// www.biotopics.co.uk/pot/yeast2.html 접속: 2016. 7. 19 181 실험 VI-6 학습 목표 수질 검사와 오염도 측정 • 수환경 오염의 정도를 측정할 수 있다. • 물의 오염 원인을 제시할 수 있다. 1 도입 지구 표면의 75%가 물로 덮여 있지만 생물이 이용할 수 있는 물의 양은 극 히 적다. 이에 더하여 이용할 수 있는 물의 양은 기후 변화로 인한 집중 호우와 인간에 의한 오염 등으로 인해 더욱 줄어들고 있다. 수질 오염을 일으키는 오염 원으로는 유기물, 병원성 미생물, 독성 물질, 폐열 등이 있다. 우리나라에서는 물의 pH, 생물학적 산소 요구량(BOD), 화학적 산소 요구 량(COD), 총유기 탄소(TOC), 부유 물질량, 용존 산소량(DO), 총인, 대장균 수를 측정하여 수질 환경을 ‘매우 좋음’, ‘좋음’, ‘약간 좋음’, ‘보통’, ‘약간 나쁨’, ‘나쁨’, ‘매우 나쁨’의 7등급으로 나눈다. 이러한 요인을 측정하는 방법이 잘 정 립되어 있으며, 간단하게 사용할 수 있는 수질 측정용 시약 또는 수질 측정용 팩이 개발되었다. 수질 측정용 팩은 종류별로 물속의 측정 성분에 반응하여 색 이 변하도록 되어 있으며, pH, COD, 경도, 알칼리도, 질산염, 아질산염, 인 산염, 암모니아, 잔류 염소량, 페놀, 중금속 등을 측정할 수 있다. DO는 DO 측정기를 이용하여 현장에서 간단히 측정할 수 있으며, BOD는 20℃ 암 상태 에서 5일 동안의 DO 변화로 구할 수 있다. 2 준비물 온도계, pH 측정기, DO 측정기, 야외 노트, 필기구, 채수 통, 암 병, 시약병, 시험관, 시험관대, 스포이트, 유리 막대, 메틸렌블루 용액, 질산은 용액, 네슬 러 시약, 묽은 황산, 0.5% 과망가니즈산 칼륨 용액, 수질 측정용 팩(간이 수질 검사 팩 또는 수질 검사 키트), 압정 182 메틸렌블루 용액 네슬러 시약 과망가니즈산 칼륨 용액 산소가 풍부할 때 푸른색이나 산소가 없으면 무색 요오드 화합물을 수산화 칼륨에 녹인 시약으로 암모늄 이온과 반응하여 갈색 앙금 형성 보라색 시약으로 유기물이 많을 수록 보라색이 엷어지다 사라짐 Ⅵ 생물과 환경 3 방법 및 절차 가. 기본 수질 검사 1) 하천의 상류에서 하류로 내려가면서 일정한 간격으로 물을 채집하여 채수 통에 담는다. * 서로 다른 지역의 물을 대상으로 수질 검사를 하는 것도 가능하다. 2) 부유물의 존재와 정도를 확인하고 시험관에 넣고 세게 흔든 다음 냄새를 맡 아 본다. 3) 온도, pH, DO를 측정한다. 4) 채집해 온 물의 일부를 밀폐된 암 병에 넣고 뚜껑을 닫는다. 20℃로 유지되는 항온수조에 5일간 배양한다. DO 측정기로 DO를 측정한다. 5) 현장에서 측정한 초기 DO에서 20℃에서 5일 후 측정한 말기 DO를 뺀 값 그림 VI-19 현장에서의 DO 측정 이 BOD가 된다. 6) 측정 결과를 표로 정리하고 분석한다. 나. 시약을 이용한 수질 검사 1) 채집한 물을 4개의 시험관에 넣는다. 2) 첫 번째 시험관에 메틸렌블루 용액을 2~3방울 떨어뜨리고 흔든 후 색의 변 화를 관찰한다. 3) 두 번째 시험관에 질산은 용액을 2~3방울 떨어뜨리고 앙금이 형성되는지 관찰한다. 4) 세 번째 시험관에 네슬러 시약을 2~3방울 떨어뜨리고 앙금이 형성되는지 관찰한다. 5) 네 번째 시험관에 묽은 황산을 2~3방울 떨어뜨린 후 과망가니즈산 칼륨 용 액을 2~3방울 떨어뜨리고 잘 섞어준 뒤 색의 변화를 관찰한다. 6) 측정 결과를 표로 정리하고 분석한다. 다. 간이 수질 검사 팩을 이용한 수질 검사 1) 발색용 시약이 들어 있는 튜브형과 시험지형이 있다. 2) 튜브형을 이용할 경우, 측정용 팩을 다음과 같이 처리한다. - 측정용 팩의 약품이 없는 쪽을 압정으로 구멍을 뚫는다. - 손가락으로 눌러 팩 속의 공기를 뺀다. - 팩을 손가락으로 누른 상태에서 구멍 뚫은 부분을 검사할 물에 담그고, 스 2 포이트를 사용하듯이 물을 빨아들인다. 이때 팩 속에 물이 3 정도 차 도록 물을 빨아들인다. 3) 팩을 흔들어 시약과 물을 잘 섞은 다음 제시된 시간이 경과한 후 색의 변화 를 관찰한다. 183 그림 VI-20 간이 수질 검사 팩 사용법 4) 시험지형을 이용할 경우 시험지의 측정 표시 부분을 검사할 물에 담갔다 꺼낸다. 물기를 털고 제품 용기에 있는 수치별 색상과 비교해 수치를 읽 는다. 물에 담그는 시간과 물기를 털고 관찰하는 시간은 검사 항목마다 다르기 때문에 설명서를 반드시 확인하여야 한다. ① 측정 용액에 담그기 ② 대기 ③ 색상표 읽기 00초 동안 측정 용액에 측정 표시 스트립을 꺼내 조심히 물기를 제품 용기에 표시된 수치별 색상 부분이 잠기도록 충분히 담근다. 털고 다시 00초를 기다린다. 과 비교해 수치를 읽는다. ※ 담그는 시간과 대기 시간은 검사 항목에 따라 다르므로, 반드시 설명서를 확인한다. 그림 VI-21 간이 수질 검사 시험지 사용법 5) 측정 성분의 함량을 수질 환경 기준과 비교하여 수질 오염도를 판단한다. 4 결과 및 고찰 가. 기본 수질 검사 1) 측정한 결과를 다음 표에 정리해 보자. 측정 시료 측정 항목 부유 물질 냄새 수온(℃) pH DO(mg/L) 5일 후 DO(mg/L) BOD(mg/L) 184 채집한 물 상-1 채집한 물 상-2 채집한 물 중-1 채집한 물 ____ 채집한 물 하-2 Ⅵ 생물과 환경 2) BOD가 의미하는 것은 무엇인가? 3) 측정 결과를 바탕으로 채집한 물의 오염 정도에 대한 자신의 의견을 제시 해 보자. 나. 시약을 이용한 수질 검사 1) 측정한 결과를 다음 표에 정리해 보자. 측정 시료 측정 항목 채집한 물 상-1 채집한 물 상-2 채집한 물 중-1 채집한 물 _______ 채집한 물 하-2 메틸렌블루 용액 질산은 용액 네슬러 시약 과망가니즈산 칼륨 용액 2) 각 측정 용액의 색으로 무엇을 알 수 있는지 찾아보자. 3) 측정 결과를 바탕으로 채집한 물의 오염 정도에 대한 자신의 의견을 제시 해 보자. 다. 간이 수질 검사 팩을 이용한 수질 검사 1) 측정한 결과를 다음 표에 정리해 보자. 측정 시료 측정 항목 채집한 물 상-1 채집한 물 상-2 채집한 물 상-3 채집한 물 _______ 채집한 물 하-2 COD 질산염 인산염 중금속 페놀 2) 채집한 물은 무엇으로 오염되었으며, 오염 정도는 어떠한가? 185 5 연구 과제 가. 물에 다량의 무기 염류가 유입되면 어떤 현상이 나타나는지 조사해 보자. 나. 물에 유기물이 유입되면 수질 조사 항목 중 어떤 항목의 값이 증가할지 조사 해 보자. 다. 수돗물 공급을 위하여 물속의 오염 물질을 제거하는 방법을 조사해 보자. 하천 생태계의 생활 환경 기준 기준 상태 등급 (캐릭터) 수소 이온 농도 생물 화학적 화학적 산소 요구량 산소 요구량 총유기 탄소량 부유 물질량 용존 산소량 (pH) (BOD) (mg/L) (COD) (mg/L) (TOC) (mg/L) (SS) (mg/L) (DO) (mg/L) 총인 (T-P) (mg/L) 대장균군 (군수 / 100mL) 총 대장균군 분원성 대장균군 매우 좋음 Ia 6.5~8.5 1 이하 2 이하 2 이하 25 이하 7.5 이상 0.02 이하 50 이하 10 이하 좋음 Ib 6.5~8.5 2 이하 4 이하 3 이하 25 이하 5.0 이상 0.04 이하 500 이하 100 이하 약간 좋음 Ⅱ 6.5~8.5 3 이하 5 이하 4 이하 25 이하 5.0 이상 0.1 이하 1,000 이하 200 이하 보통 Ⅲ 6.5~8.5 5 이하 7 이하 5 이하 25 이하 5.0 이상 0.2 이하 5,000 이하 1,000 이하 약간 나쁨 Ⅳ 6.0~8.5 8 이하 9 이하 6 이하 100 이하 2.0 이상 0.3 이하 나쁨 Ⅴ 6.0~8.5 10 이하 11 이하 8 이하 쓰레기 등이 떠 있지 않을 것 2.0 이상 0.5 이하 매우 나쁨 Ⅵ 10 초과 11 초과 8 초과 2.0 미만 0.5 초과 참고문헌 권혁빈 외. 2011. 생명과학 실험서. 라이프사이언스. pp. 422-428. 김재근 외. 2004. 생태조사방법론. 보문당. pp. 72-151. 김희백, 김영수, 전상학, 이준규. 2003. 2003년 고등학교 교사 생물 실험 연수 교재. 교육인적자원부. pp. 228-229. 문태주, 최승규, 김승수, 김미경. 2010. 고등학교 생명과학 실험. 서울특별시교육청. pp. 220-226. 환경정책기본법 시행령. http://www.law.go.kr/lsInfoP.do?lsiSeq=129965& efYd=20130101 #0000 186 Ⅵ 생물과 환경 실험 VI-7 학습 목표 환경 오염이 식물의 생장에 미치는 영향 • 이산화 황이 어린 식물의 생장에 미치는 영향을 설명할 수 있다. • 환경 오염이 생물에게 미치는 영향을 조사하여 정리할 수 있다. 1 도입 대부분의 환경 오염 물질은 생물에게 영향을 미친다. 생물의 생리 대사에 영 향을 미치거나, 세포의 분화에 영향을 미쳐 생물의 생존에 영향을 준다. 공장 지대나 도시에서 발생되는 가장 큰 대기 오염 물질로는 황 화합물과 질소 화합 물을 들 수 있다. 황을 포함한 화석 연료가 연소될 때 발생하는 이산화 황은 기 공을 통하여 식물체 내로 들어와 수분에 용해되어 아황산 수소(HSO3-)와 아 황산(SO32-)이 된다. 수용액 속에서 이 두 황화물의 평형 상태는 pH에 의존한 다. 식물의 잎에서 아황산이 알데하이드류와 반응하여 만들어진 중아황산 화 합물은 광합성을 통한 이산화 탄소 고정을 감소시킨다. 또 이산화 황은 광합 성이 일어나는 엽록체의 엽록소를 파괴하여 잎에 황백색의 반점이 생기게 하 며, 심한 경우 식물을 고사시키기도 한다. 대기 중의 이산화 황은 비가 올 때 빗물에 용해되어 산성비를 내리게 하여 식물에게 영향을 미친다. 대기 중에서 0.035ppm SO2는 물에 35ppm이 될 때까지 녹을 수 있다. SO2 + H2O H2SO3 HSO3- H⁺ + HSO3-, H⁺ + SO32- 이산화 황은 독성을 가진 기체이기 때문에 다루기가 어렵다. 그래서 이 실 험에서는 이산화 황이 물에 녹는 경우에 만들어지는 것과 동일한 아황산과 아 황산 수소가 만들어지는 Na2SO3를 이용한다. Na2SO3가 식물의 아포플라스 트로 들어갈 경우에 물과 반응하여 이산화 황을 방출하기도 한다. Na2SO3 수 용액은 pH에 따라 황화물의 종류가 달라진다. 1M Na2SO3 수용액의 pH는 10.6이며, pH 9에서는 용액 속 황의 90% 이상이 SO32-로 존재하며, pH 6.6에서는 약 80%가 HSO3-로, 약 20%가 SO32-로 존재한다. pH 4에서는 SO2가 발생하며, pH의 작은 변동이 SO2의 발생에 100배 정도까지 영향을 준다. pH 4 이하 용액에서는 다음과 같은 반응이 일어난다. Na2SO3 + 2HCl SO2 + 2NaCl + H2O 187 2 준비물 페트리 접시, 자, 거름종이, 스포이트, 상추씨, Na2SO3 수용액(Na2SO3 1.969g을 증류수에 녹여 1L로 만든 용액, 진공펌프, 1,000㎍ SO2/mL, pH 7), 묽은 HCl과 NaOH 용액 각각 100mL, 1% 차아염소산 나트륨 용 액 100mL, 라벨지, 코르크 보러, 알루미늄 포일, 증류수, 비커, 저울, 전등 3 방법 및 절차 가. SO2 수용액의 농도에 따른 어린 식물의 생장에 미치는 영향 1) 페트리 접시 5개에 거름종이를 깔고, 1% 차아염소산 나트륨 용액으로 소독한 상추씨를 25개씩 고르게 배열하고, 거름종이가 축축하게 젖을 정 도로 증류수를 부은 후 25℃에서 2~3일간 발아시킨다. 2) Na₂SO₃ 원액(1,000㎍ SO2/mL)을 증류수로 희석하여 200, 400, 600, 800㎍ SO2/mL를 만든다. 3) 상추씨가 발아한 1~2일 후 각 접시에 증류수, 200, 400, 600, 800㎍ SO2/mL 용액을 각각 5mL씩 붓고 덮개를 덮는다. 4) 햇볕이 잘 드는 창가에서 1주일간 키운다. 매일 페트리 접시를 관찰하여 수분이 부족하면 해당 용액을 보충한다. 5) 1주일 후 어린 식물의 물기를 제거하고 무게를 우선 측정한 후, 뿌리 길 그림 VI-22 발아한 상추씨 이, 하배축(떡잎 아래 몸통) 길이를 측정한다. 나. SO2 수용액의 pH 변화에 따른 어린 식물의 생장에 미치는 영향 1) Na2SO3 원액 150mL를 증류수로 희석하여 250mL가 되게 한다. 이때 용액의 농도는 600㎍ SO2/mL가 된다. 2) 희석한 용액을 비커 5개에 50mL씩 나누어 담고, 묽은 HCl과 NaOH 용액으로 pH가 각각 4, 5, 7, 9, 11이 되도록 맞춘다. 3) 페트리 접시 6개에 각각 거름종이를 깔고, 1% 차아염소산 나트륨 용액 으로 소독한 상추씨를 25개씩 고르게 배열한다. 증류수를 부은 후 25℃ 에서 2~3일간 발아시킨다. 4) 상추씨가 발아한 1~2일 후 각 접시에 증류수와 pH가 다른 5개의 SO2 용액을 각각 5mL씩 붓고 덮개를 덮는다. 5) 햇볕이 잘 드는 창가에서 1주일간 키운다. 매일 페트리 접시를 관찰하여 수분이 부족하면 해당 용액을 보충한다. 6) 1주일 후 어린 식물의 물기를 제거하고 무게를 우선 측정한 후, 뿌리 길 이, 하배축(떡잎 아래 몸통) 길이를 측정한다. 188 Ⅵ 생물과 환경 다. SO2 수용액의 농도에 따른 엽록소의 탈색 효과 1) 200, 400, 600, 800㎍ SO2/mL 용액(pH 7)을 준비한다. 2) 페트리 접시 5개에 각 농도의 SO₂와 증류수를 각각 25mL씩 넣은 것을 한 세트로 하여 4세트를 준비하고, 각 페트리 접시에 농도와 식물을 라벨 지로 표지한다. 3) 상춧잎과 은행잎을 직경 1cm인 코르크 보러로 구멍을 내어 원형의 잎을 만든 다음 증류수에 담가 약 –2,000kPa로 15~20분간 진공펌프를 이 용하여 감압한다. 4) 감압을 마친 상춧잎과 은행잎을 각각 2세트의 페트리 접시 모두에 각각 5장씩 띄운다. 5) 각각의 식물 종에 해당하는 한 세트의 페트리 접시는 알루미늄 포일로 싸 고(암 처리), 다른 한 세트는 싸지 않은 채 창가 또는 전등 아래에 둔다(빛 판정 등급 1. 완전히 탈색되어 누런색이다. 2. 많이 탈색되었다. 처리). 6) 1일 후 원형의 잎의 탈색 정도를 관찰하여 오른쪽의 5등급으로 판정한 3. 반쯤 탈색되었다. 다. 판정은 암 처리와 빛 처리로 나누어 각 농도마다 원형의 잎 5장씩 판 4. 다소 탈색되기 시작했다. 정하여 평균을 구한다. 5. 전혀 탈색되지 않은 녹색이다. 4 결과 및 고찰 2) 어린 상추의 생장은 어느 농도에서 가장 크게 억제되었는가? 크게 억제되었는가? ( ) 3) 식물체 전체 무게, 뿌리 길이, 하배축 길이 중 어느 부분의 생장이 가장 (또 ) 는 무게 1) SO2 수용액의 농도에 따른 어린 상추의 생장을 그래프로 그려 보자. 길이 가. SO2 수용액의 농도에 따른 어린 식물의 생장에 미치는 영향 SO2 농도(㎍ SO2/mL) 나. SO2 수용액의 pH 변화에 따른 어린 식물의 피해 1) SO2 수용액의 pH에 따른 어린 상추의 생장을 그래프로 그려 보자. 억제되었는가? ( ) 4) Na2SO3 수용액에서 황화물이 pH의 변화에 따라 어떻게 변하는지, 어느 (또 ) 는 무게 3) 뿌리 길이, 하배축 길이, 식물체 무게 중 어느 부분의 생장이 가장 크게 길이 2) 어린 상추의 생장은 어느 pH에서 가장 크게 억제되었는가? 황화물이 식물의 생장에 가장 큰 피해를 주는지 토론해 보자. 다. SO2 수용액의 농도에 따른 엽록소의 탈색 효과 SO2 수용액의 pH 1) 어느 농도에서 엽록소가 가장 많이 탈색되었는가? 2) 상추와 은행잎 중 SO2에 의한 엽록소 탈색이 강한 잎은 무엇인가? 189 5 연구 과제 가. SO2가 발생하는 원인을 찾아 정리해 보자. 나. SO2의 pH에 따른 식물 생장 실험 시, SO2의 pH에 따른 결과인지 pH 자체 의 변화에 의한 결과인지 확인하기 위한 실험을 설계해 보자. 다. 가로수로 이용되는 식물과 이용되지 않는 식물의 SO2에 대한 저항성을 알아보자. 대기 환경 기준 (환경부) 항목 기준 아황산 가스(SO2) 연간 평균치 : 0.02ppm 이하, 24시간 평균치 : 0.05ppm 이하, 1시간 평균치 : 0.15ppm 이하 일산화 탄소(CO) 8시간 평균치 : 9ppm 이하, 1시간 평균치 : 25ppm 이하 이산화 질소(NO2) 연간 평균치 : 0.03ppm 이하, 24시간 평균치 : 0.06ppm 이하, 1시간 평균치 : 0.10ppm 이하 미세 먼지(PM10) 연간 평균치 : 50㎍/m3 이하, 24시간 평균치 : 100㎍/m3 이하 초미세 먼지(PM2.5) 연간 평균치 : 15㎍/m3 이하, 24시간 평균치 : 35㎍/m3 이하 오존(O3) 납(Pb) 벤젠 8시간 평균치 : 0.06ppm 이하, 1시간 평균치 : 0.1ppm 이하 연간 평균치 : 0.5㎍/m3 이하 연간 평균치 : 5㎍/m3 이하 참고문헌 민철기, 강창수. 2006. 생물학 실험서. 라이프사이언스. pp. 273-277. 한국생물과학협회. 1993. 생물학 실험. 아카데미서적. pp. 373-377. 환경부, 대기환경기준 Fine, J.M., T. Gordon, D. Sheppard. 1987. The roles of pH and ionic species in sulfur dioxide- and sulfiteinduced bronchoconstriction. The American Review of Respiratory Disease 136: 1122-1126. Lee, M.Y. 2002. Effects of Na2SO3 on the activities of antioxidant enzymes in geranium seedlings. Phytochemistry 59: 493-499. 190 Ⅵ 생물과 환경 실험 VI-8 환경 요인이 물수리 개체군에 미치는 영향 학습 목표 • 개체군에 영향을 주는 생물적 환경 요인과 비생물적 환경 요인을 비교하여 설 명할 수 있다. • 특정 환경에서 개체군의 크기에 영향을 주는 요인이 무엇인지 가설을 설정할 수 있다. • 개체군의 크기에 영향을 주는 특정 환경 요인을 선택하여 이를 확인하기 위한 실험 설계를 할 수 있다. 1 도입 일정한 지역에서 서로 상호 작용하는 한 종의 무리를 개체군이라 한다. 개 체군의 크기는 섭식 환경, 번식 환경(둥지 지을 장소), 휴식 환경, 경쟁자, 포 식자, 질병 등의 다양한 환경에 따라 달라진다. 스라소니 개체군과 스라소니의 피식자인 눈신토끼 개체군 사이에는 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 왔다. 즉, 눈신토끼 개체군이 늘어나면 이를 포식하는 스라소니 개체군이 늘어나고, 이에 따라 눈신토끼 개체군은 줄어들게 된다. 먹이가 줄어들자 스라소니 개체 군이 줄어들고, 다시 포식자가 줄어들면 피식자인 눈신토끼가 늘어난다. 이때 눈신토끼의 먹이는 이들의 개체수 변동 폭을 더욱 증가시킬 수 있음이 알려졌 다. 이와 같이 먹이에 따라 개체군의 크기가 변하게 된다. 먹이 수의 변화는 경 쟁자에 의해 발생할 수도 있으며, 다른 물리·화학적인 환경에 의해 발생할 수 있다. DDT와 같은 환경 오염 물질이 조류 개체군에 영향을 주기도 한다. 이는 이 물질이 조류의 알에 농축되면 알 껍질이 단단해지지 못해 어미새가 알을 품 는 동안 어미의 몸무게로 인해 쉽게 깨지기 때문이다. 물수리는 물고기를 먹이로 한다. 한 연구에 다르면 성체의 경우 하루에 최 소한 286g의 물고기를 먹어야 한다고 한다. 물수리가 30cm인 붕어를 먹는 다고 하면 이틀 동안 붕어 1마리를, 20cm인 붕어를 먹는다고 하면 이틀 동 안 붕어 3마리를 먹어야 한다는 것을 의미한다(어류의 길이-몸무게 관계식 : W(g)=aLb(cm), 붕어의 경우 a=0.0620, b=2.65). 먹이가 부족해지는 경 우 물수리는 죽거나 먹이를 찾아 다른 장소로 이동하게 된다. 이 실험에서는 호 수, 물고기, 물수리를 모형화하여 물수리 개체군이 환경 요인에 따라 어떻게 변할 수 있는지 확인한다. 191 2 준비물 그래프용지(눈금 1cm 이하, 20cm×20cm), 자, 칼, 마분지, 흰쌀 400통, 검은 쌀 100통 3 방법 및 절차 가. 물수리의 물고기 사냥 1) 그림 Ⅵ-24와 같이 모눈종이 두 장으로 가로와 세로가 각각 20cm인 호수 모형 2장를 준비한다. 이때 모눈종이는 물수리가 사냥하는 4km²(20cm = 2km) 넓이의 호수를 나타내며, 물수리는 물고기만 먹고 산다고 가정한다. 2) 마분지를 가로와 세로가 각각 1cm인 정사각형으로 잘라 물수리 모형을 그림 VI-23 물수리 만든다. 두 개를 잘라 하나는 암컷 표시(♀)를 하고, 다른 하나는 수컷 표 시(♂)를 한다. 3) 호수 모형 (A)에는 흰쌀 160톨을 고르게 흩어 놓는다. 이때 흰쌀은 물수 리의 먹이가 되는 호수 속의 물고기를 나타낸다. 4) 호수 모형 (B)에서는 물수리가 사냥 활동을 하는 것을 모델화한다. 눈의 위치(약 40cm 높이)에서 수컷 물수리 모형을 호수 모형 (B)를 향하여 떨 어뜨린다. 호수 모형 (A) 호수 모형 (B) 그림 VI-24 물수리의 사냥터(4km²)를 나타내는 모눈종이 호수 모형과 물고기 모형(쌀), 물수리 모형(♂,♀) 5) 물수리 모형이 호수 모형 (B)에 떨어진 위치를 호수 모형 (A)에서 찾아 해당되는 모눈(1cm×1cm 모눈 단위로 여러 모눈에 걸친 경우 4개의 모 눈 이내에서) 안에 있는 쌀을 모두 제거한다. 이것은 물수리가 호수 표면 으로 내려가 물고기를 잡는 것을 모델화한 것이다. 물수리 암컷 모형을 이용하여 같은 방법으로 물고기를 사냥한다. 6) 물수리 수컷과 암컷은 각각 하루에 두 번씩 사냥을 한다. 다음 사냥을 할 때는 남은 쌀을 다시 고르게 흐트러뜨리고 과정 4)와 5)를 반복한다. 첫날 각 물수리에 의해 잡힌 물고기의 수를 모두 합해 표 VI-7에 기록한다. 192 Ⅵ 생물과 환경 7) 10일 동안 과정 4)~6)을 반복하여 물고기를 사냥한다. 이것은 물고기의 수가 증가하지 않는 가을에 일어나는 과정을 의미한다. 물수리는 잡은 물 고기를 암컷과 나누어 먹기도 하지만, 자신이 먼저 먹는다. 즉, 자신이 먹이를 먹고 남을 때에만 나누어 먹는다. 만약 물수리가 3일 동안 물고기 9마리를 먹지 못한다면 너무 약해져 사냥할 수 없게 되어 죽는다고 가정 하자. 3일마다 사냥한 물고기 수를 확인하여 물수리가 충분한 먹이를 먹 었는지 확인하자. 만약 물수리 한 마리가 죽는다면 나머지 기간 동안에는 남은 한 마리로만 사냥을 계속한다. 표 VI-7 물고기의 수가 증가하지 않을 때 물수리가 잡는 물고기의 수 날짜 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 수컷이 잡은 물고기의 수 암컷이 잡은 물고기의 수 나. 경쟁자가 존재할 때의 물고기 사냥 1) 해오라기 2마리가 이 호수로 들어와서 물고기를 하루 평균 3마리를 각각 잡는다면 물수리에게 어떤 일이 일어날지 가설을 세워 보자. 2) 호수 모형 (A) 위에 흰쌀 160톨을 다시 흩어 놓고, 하루에 흰쌀을 6톨씩 제거하면서 과정 가.의 4)～7)을 반복한다. 표 VI-7과 같은 표를 만들어 결과를 기록한다. 다. 가뭄으로 호수 수위가 낮아져 물고기가 감소했을 때의 물고기 사냥 1) 가뭄으로 호수 수위가 낮아져 물고기의 1/4이 죽었다고 가정하고, 흰쌀 40톨을 제거하자. 2) 과정 가.의 4)～6)을 10번 반복한 후 표 VI-7과 같은 표를 만들어 결과 를 기록한다. 라. 산란으로 작은 물고기의 수가 증가하였을 때의 물고기 사냥 1) 봄에 큰 물고기가 산란하여 호수 안에 물고기의 수가 2배로 증가하였다. 흰쌀 320톨을 호수 모형 (A)에 흩어 놓는다. 2) 과정 가.의 4)～6)을 10번 반복한 후 표 VI-7과 같은 표를 만들어 결과 를 기록한다. 193 마. 호수에 DDT와 같은 오염 물질이 유입되었을 때 1) 호수 주변에서 농약으로 DDT가 사용되었고, 오염된 물이 호수로 들어왔 다. 물고기는 생물 농축을 통하여 DDT에 절반이 오염되었다. 오염된 물 고기는 검은 쌀로 대체하자. 2) 과정 가.의 4)~6)을 10번 반복한 후 결과를 표 VI-8에 기록한다. 만약 물수리가 3일 동안 물고기 9마리를 먹지 못하거나, 오염된 물고기를 6마 리 이상 먹는다면 죽는다고 가정하자. 3일마다 사냥한 물고기 수를 확인 하자. 만약 물수리 한 마리가 죽는다면 나머지 기간 동안에는 남은 한 마 리로만 사냥을 계속한다. 표 VI-8. 물고기의 수가 증가하지 않을 때 물수리가 잡는 물고기의 수 날짜 수컷이 잡은 물고기 암컷이 잡은 물고기 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 오염되지 않은 것 오염된 것 오염되지 않은 것 오염된 것 4 결과 및 고찰 물고기 수 마(리 1) 조사 결과를 ‘시간-잡은 물고기의 수’로 나타내는 그래프로 그려 보자. 2) 포식자인 물수리는 피식자인 물고기 개체군에 어떤 영향을 미치는가? ) 3) 먹이의 감소는 포식자 개체군에 어떤 영향을 주겠는가? 4) 경쟁자가 나타나는 경우 물수리 개체군은 어떤 영향을 받는가? 날짜(일) 5) 기후 변화는 어떻게 물수리 개체군에 영향을 미치겠는가? 6) 먹이의 증가는 포식자 개체군에 어떤 영향을 주겠는가? 7) 4계절이 나타나는 경우 물수리 개체군은 어떤 변화를 보이겠는가? 8) 호수가 DDT에 오염되면 물수리 개체군은 어떤 영향을 받는가? 그 과정 에 대해 논의해 보자. 9) 인이나 질소와 같은 양분의 과다 유입으로 일어나는 수질 오염이 물수리 개체군에 어떻게 영향을 줄 수 있는가? 10) 포식자의 개체수와 피식자의 개체수 사이에는 어떤 관계가 나타날지 예 상해 보자. 194 Ⅵ 생물과 환경 5 연구 과제 대부분의 피식-포식 관계는 두 종류의 생물 사이의 관계만을 대상으로 하였 다. 그렇다면 초식 동물의 먹이인 초본, 초식 동물, 초식 동물을 먹이로 하는 포식 동물의 개체수 사이에는 어떤 관계가 있을까? 눈신토끼의 개체수 변화가 눈신토 끼의 먹이 양과 포식자인 스라소니의 개체수와 어떤 관계가 있는지 조사해 보자. 생물의 몸에 외부 물질이 축적되는 과정 및 현상을 나타내는 세 가지 개념 가. 생물 축적(bioaccumulation): 생체 이물이 직접 또는 간접의 모든 경로를 통해 흡수되어 생물체 내에 쌓이는 현상이며, 생물 농축과 생 물 증폭에 의해 일어남. 나. 생물 농축(bioconcentration): 생물체가 식이 경로를 제외한 호흡 기 관이나 피부를 통해 생물체 안에서 정상적으로 생산되거나 존재하지 않 는 생체 이물을 직접적으로 흡수하여 체내에 쌓이는 현상. 다. 생물 증폭(biomagnification): 먹이 섭취 과정을 통해 먹이 생물 내에 있는 생체 이물이 흡수되어 먹이 생물에서보다 더 높은 농도로 상위 영양 단계의 생물체 내에 쌓이는 현상. 참고문헌 강혜순, 백경진. 2005. 멸종위기종 반달가슴곰의 현장 내 복원을 위한 행동권 평가. 한국생태학회지 28(6): 395-404 김재근, 김흥태 (역). 2014. 생태학: 개념과 적용 6판. 라이프사이언스. pp.318-322. 김흥태, 김재근. 2014. 생물 축적 관련 교과서 삽화 분석. 현장과학교육 8(3): 257-267. 문태주, 최승규, 김승수, 김미경. 2010. 고등학교 생명과학 실험. 서울특별시교육청. pp. 214-219. 전상학 외 20인 (편저). 2016. 생명과학 길라잡이 7판. (주)라이프사이언스. pp. 546-549. Erguden, S.A., M.Z.L. Goksu. 2009. Length–weight relationships for 12 fish species caught in Seyhan Dam Lake in southern Anatolia, Adana, Turkey. Journal of Applied Ichthyology 25: 501-502. Lind, G.S. 1976. Production, nest site selection, and food habits of ospreys on Deschutes national forest, Oregon. Thesis of Oregon State University 195 단원 열기 현대 생물학을 연구하려면 다양한 생명 공학 기술이 뒷받침되어야 한다. 이 단원에서는 먼저 동물 세포, 식물 세포, 원핵세포를 배양하는 기본 방법에 대해 탐구해 보고, 생명 현상을 이해하기 위해 이를 활용할 수 있는 방법을 생각해 본다. 또 분자 생물학의 가장 기초적인 기술인 DNA 조작 및 분석을 실시해 보고, 플라스미드를 이용하여 대장균을 형질 전환시켜 본다. 현대 생명과학은 수많은 생물학적 데이터를 정리하고 분석하여 생명 현상의 의미를 찾아내야 한다. 이를 위해 생물 정보학을 이용하는 방법을 익혀 보자. 196 Ő 생명 공학 VII-1 동물 세포 배양 VII-2 식물 조직 배양 VII-3 대장균 배양 VII-4 DNA 전기영동과 제한 효소 VII-5 대장균 형질 전환 VII-6 생물 정보학 197 생명체가 지니는 유전, 번식, 성장, 물질대사 등의 기능과 정보를 이용해 인류는 필요한 물질과 서비스를 가공 생산할 수 있게 되었다. HeLa 세포의 다 광자 형광 이미지 ; 미세 섬유(적색 세포 핵(파란색)으 ), 미 로 형광 표지됨. 니콘 RTS2000M 세 소관(옥색) 및 P 맞춤 레이저 스 캐닝 현미경 식물 조직 배양 198 ⅥI 생명 공학 실험 VII-1 학습 목표 동물 세포 배양 • 동물 세포를 계대 배양할 수 있다. • 동물 세포의 계대 배양을 활용하는 방법을 설명할 수 있다. 1 도입 동물 세포의 배양은 동물의 세포를 배양 용기에서 키우는 것이며, 특정 동 물의 세포나 조직을 분리하여 생체 밖 환경에서 일정 기간 배양하는 기술이다. 일반적으로 동물 세포는 분열 능력에 제한이 있어 보통 여러 차례 분열 후에는 사멸하므로 특정 동물 세포를 계속 배양하기 위해서는 동물의 조직에서 직접 세포를 분리하여 배양하기보다는 개발된 ‘세포주(cell line)’를 사용한다. 이 들 세포주는 정상 세포의 특정 유전자를 조작하여 암세포와 같이 끊임없이 분 열하도록 개발되었다. 그림 VII-1 U2OS 접종 직후 그림 VII-2 U2OS 접종 2일 후 동물 세포의 배양 방법은 세균이나 단세포 생물의 배양 방법과는 다르다. 세 균이나 단세포 생물은 영양분이 충분하면 분열을 시작하지만 동물 세포는 영양 조건 외에도 분열을 위해 생장 인자(growth factor)가 필요하다. 또 동물 세포가 분열하기 위해서는 다른 세포의 신호가 필요하다. 따라서 세 * U2OS (Human Bone Osteosarcoma Epithelia Cell) 인간 골육종 세포주 포 수가 너무 적으면 세포 신호가 적어 세포 배양이 어렵다. 그러나 세포 수가 너무 많아 배양 용기 표면의 한 층이 꽉 차게 되면 세포가 분열하지 않는다. 이 런 성질을 ‘밀도 의존성 억제’라고 한다. 대부분의 동물 세포는 밀도 의존성 억제 현상뿐 아니라 부착 의존성 특징도 199 지니고 있다. 세포가 분열하기 위해서는 배양 용기 표면이나 조직의 세포 외 기 질과 같은 기저층에 부착되어야 한다. 따라서 동물 세포 배양에 쓰이는 용기는 세균의 배양 용기와는 달리 세포가 부착할 수 있어야 한다. 동물 세포 배양을 통해 생명 현상을 이해하고, 특정 단백질의 기능을 규명할 수 있다. 또 새로운 생리 활성 물질을 발견하거나 생산할 수 있으며, 천연 생리 활성 물질로부터 유도체를 제작하거나 치료용 세포를 생산할 수도 있다. 정상 세포 ❶ 트립신 처리로 분리된 세포 혼탁액 ❷ 배양 용기 기저층에 부착된 세포 ❸ 암세포 정상 세포: 한 층으로 자람 암세포: 밀도 의존성 억제 현상을 보이지 않음 그림 VII-3 동물 세포의 배양 과정 이번 탐구 활동을 통해 동물 세포를 배양해 보고, 동물 세포의 계대 배양을 활용하여 어떤 생물학 연구를 할 수 있을지 생각해 보자. * 세포 배양 배지 준비 보통은 500mL DMEM에 50mL FBS와 5mL penicillin strep tomycin solution을 넣은 후 냉 장 보관하면서 사용한다. 2 준비물 무균 작업대(클린 벤치), 세포 계수기, 도립 현미경, CO2 배양기, 항온수조(항 온기), 원심 분리기, 진공 펌프(석션 장치), 파스퇴르 피펫, 마이크로 피펫과 멸 균된 팁, 피펫 에이드와 멸균된 피펫, 세포 배양 용기(100φ 배양 접시), 코니컬 * DMEM 가장 일반적으로 사용되는 동물 세 포 배양용 배지로 Dulbecco’s Mo dified Eagle's Medium의 약자 이다. 튜브, 소독용 70% 에탄올, 니트릴 글러브, DPBS(Dulbecco's PhosphateBuffered Saline), DMEM(Dulbecco's Modified Eagle’s Medium), 항 생제(penicillin streptomycin solution), FBS(fetal bovine serum), trypsin-EDTA 0.25%, HeLa cell 또는 다른 부착형 세포주 3 방법 및 절차 가. 세포 해동 동결 보존이 되어 있는 세포를 녹여 생명 활동을 다시 시작하게 하는 단계이 다. 얼어 있는 동물 세포는 이미 상당한 손상을 받았기 때문에 세포 해동 시 충 격을 많이 주면 세포가 변형되거나 사멸할 수 있다. 다음의 방법으로 실험을 신 속하고 조심스럽게 진행한다. 200 ⅥI 1) 배지 준비 : DMEM에 10% FBS와 1% 항생제를 첨가한 후 37℃ 항온 수조에서 20분 이상 충분히 데워 준다. 2) 동결 보존 중인 동물 세포의 cryotube(stock vial)를 꺼낸 후 재빨리 37℃ 항온수조에 넣고 약 1분간 녹인 후 70% 에탄올로 겉면을 소독 후 무균 작업대(클린 벤치)로 옮긴다. 생명 공학 *FBS(fetal bovine serum) 소 태아 혈청이며, 세포 분열에 필 요한 생장 인자가 들어 있다. FBS 를 사용할 때는 먼저 56℃에서 30 분간 FBS에 들어 있는 보체를 불활 성화시킨 후 냉동 보관하여 사용한 다. FBS에 들어 있는 보체는 면역 반응에 관계된 물질로서, 세포의 증 식을 방해하므로 열을 가해 기능하 지 못하게 해야 한다. *석션(Suction) 하는 방법 그림 VII-4 액체 질소에서 동결 보존 3) 15mL 코니컬 튜브에 과정 1)에서 준비한 배지를 9mL 넣은 후 여기에 파스퇴르 피펫을 살짝 화염 멸균한 뒤 그 끝에 팁을 꽂아 석션 기구에 연결하여 사용한다. 팁 끝을 배지나 DPBS 표면에 대고 천천히 제거한 다. 배양 접시에서 석션 하는 경우 배양 접시를 기울여서 하는 것이 효 과적이다. 바이알에 들어있던 동물 세포 1mL를 천천히 넣어 준다. 4) 1,400rpm에서 3분 동안 코니컬 튜브를 원심 분리하여 세포를 모은다. 5) 상층액을 진공 펌프(석션 장치)를 이용하여 제거한다. 이때 기포부터 석 션하며 세포 덩어리는 건드리지 않도록 한다. 6) 세포 덩어리가 있는 코니컬 튜브에 피펫을 이용하여 5mL의 배지를 넣고 부드럽게 피펫팅하여 세포와 배지를 섞어 준다. 7) 100φ 배양 접시에 배지를 5mL 넣어 준 후 코니컬 튜브에 있는 세포 혼 *주의할 점 배양 용기를 앞뒤, 양옆으로 흔들지 않고 회전시키면 세포가 한쪽으로 쏠리게 된다. 탁액 5mL를 접종한다. 이때 배양 용기를 앞뒤, 양 옆으로 흔들어 세포 가 잘 퍼지게 한다. 8) 잘 퍼졌는지 현미경으로 확인한다. 세포는 아직 바닥에 부착되지 않아 작 고 동그랗게 보인다. 그림 VII-5 도립 현미경으로 관찰 9) 37℃, 5% CO2 배양기에 넣고 배양한다. 201 * Trypsin-EDTA Trypsin은 단백질 분해 효소의 한 종류이며, 배양 접시와 동물 세포, 동물 세포와 동물 세포 간의 부착 단 백질을 분해하여 동물 세포를 떼어 내는 기능을 한다. 그러나 trypsinEDTA를 너무 오래 처리할 경우 동 물 세포 막단백질도 분해되어 세포에 좋지 않은 영향을 미친다. * DPBS Dulbecco's Phosphate Buffered Saline의 약자이며, 세 포 실험에서 많이 사용되는 완충 용 액이다. 세포가 생리학적 pH(pH 7.2~7.6)를 유지할 수 있게 한다. 나. 계대 배양 계대 배양은 배양 중인 세포를 유지하고 실험 조건에 알맞은 상태로 배양하 기 위한 것이다. 세포가 배양 접시의 90~100% 정도를 채우게 되면 새로운 배 양 접시에 옮겨 배양한다. 1) 세포 해동 시와 동일하게 배지를 준비한다. 2) 세포가 충분히 자란 배양 접시에서 배지를 석션으로 제거한다. 3) DPBS 5mL를 배양 접시에 넣은 후, 약하게 흔들어 씻어 준 후 석션으로 DPBS를 제거한다. 4) Trypsin-EDTA(0.25%) 1mL를 첨가한 후 2~3번 살살 흔들어 준다. 배양 접시 바닥에서 세포가 떨어질 수 있게 CO2 배양기에 3~5분 정도 배양한다. 5) CO2 배양기에서 배양 접시를 꺼낸 후 배지를 5mL 넣어 Trypsin- * 배지가 trypsin-EDTA 를 불활성화 시키는 이유 배지에 들어 있는 FBS 성분이 trypsin-EDTA를 불활성화시킨다. EDTA를 불활성화시킨다. 6) 세포와 배지가 섞인 용액을 15mL 코니컬 튜브로 옮긴 후 1,400rpm에 서 3분 동안 원심 분리하여 세포를 모은다. 7) 세포 덩어리만 남기고 상층액은 석션으로 제거한 후 새로운 배지를 5mL 넣고 조심스럽게 피펫팅하여 세포를 풀어 준다. 8) 100φ 배양 접시에 배지를 10mL 넣어 준 후 코니컬 튜브에 있는 세포 혼 탁액 500nL를 접종한 후 흔들어 세포가 잘 퍼지게 한 후 현미경으로 관 찰한다. 세포 계수기가 있다면 세포 농도를 잰 후 접종량을 조절한다. 9) 37℃, 5% CO2 배양기에 넣고 배양한다. 그림 VII-6 세포 계수기의 사용 1.5mL용 원심분리 큐브에 세포 혼 탁액 10uL와 트립판 블루 10uL를 섞어 준 후 cell counter 슬라이드 글라스에 10uL만 넣어 준다. 세포 계수기로 세포 수를 측정한다. 4 결과 및 고찰 가. 각 시기별로 계대 배양한 동물 세포를 현미경으로 관찰하고 세포 사진을 찍어 다음 표에 붙여 보자. 날짜 접종 후(배율: 202 1 ) 1일 후(배율: ) ⅥI 2 2일 후(배율: 생명 공학 3 ) 3일 후(배율: ) 나. 세포를 접종한 직후와 시간이 지난 후 세포의 모양이 어떻게 다른지 비교해 보자. 배양 시간 접종 직후 1일 이후 세포 모양 세포 크기 다. 1일 후와 2일 후에 세포가 차지하는 면적을 비교하여 관찰한 세포의 분열 속도를 어림해 보자. 라. 체세포 분열 중인 세포의 모양은 간기의 세포와 비교하여 무엇이 다른지 관찰 결과에 근거하여 적어 보자. 5 연구 과제 가. 철수는 비타민 C의 항산화 기능이 인체에 유익하다고 알려져 있지만, 과다 복용 시에는 오히려 과도한 환원 작용을 일으켜 DNA에 손상을 줄 수 있다 고 생각하였다. 세포 계대 배양을 활용하여 철수의 가설을 검증할 수 있는 실험 방법을 설계해 보자. 나. 이외에도 세포의 계대 배양을 활용하여 어떤 실험을 할 수 있을지 생각해 보자. 참고문헌 http://www.vanderbilt.edu/viibre/CellCultureBasicsEU.pdf 203 실험 VII-2 식물 조직 배양 • 식물 조직을 배양할 수 있다. • 식물 조직을 배양하고 이를 활용하는 방법을 설명할 수 있다. 학습 목표 1 도입 식물 조직 배양은 식물의 조직, 기관, 배 등에서 얻은 세포를 무균 상태에서 전형성능 (Totipotency) 하나의 세포로부터 완전한 개체를 형성할 수 있는 능력이다. 동물 세포의 경우 발생이 진행되면 서 점차로 전형성능을 잃지만 식물 세포는 적당한 자극이 주어지면 완 전한 개체로 성장할 수 있다. 배양한 후 식물 세포의 전형성능을 이용하여 번식시키는 방법이다. 통제된 환 경에서 식물의 생장을 조절하며 환경으로부터 자유롭게 조작할 수 있어 연구 목적에 적합하다. 또 식물을 대량으로 빠르게 증식시킬 수 있으며 공간 낭비가 적어 다양한 농업 분야에서 이 기술을 적용하고 있다. 시료 준비 기외이식 단계 초기 배양 신장과 발근 유도 대량 증식 그림 VII-7 식물 조직 배양의 단계 그림 VII-8 초기 배양 단계로 당근 뿌리의 형성층으로부터 캘러스가 형성됨 식물 조직 배양은 다음과 같은 단계로 이루어진다. 제0 단계 : 시료의 준비 단계(멸균이 중요함) 제1 단계 : 초기 배양 단계(생장 유도 단계) 제2 단계 : 대량 증식 단계 제3 단계 : 신장과 발근 유도 단계 캘러스 제4 단계 : 기외 이식 단계(기외로 이식 후 정상 환경 적응 단계) 분화되지 않은 부정형의 세포 덩어리 이번 탐구에서는 당근을 이용하여 조직 배양의 한 방법인 캘러스 배양을 수 행해 보고 조직 배양을 활용하는 방법을 알아보자. 204 ⅥI 생명 공학 2 준비물 MS 배지, 설탕, 2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid, kinetin(N6furfurylamino-purine), 한천 분말, 삼각 플라스크, 포일, 고압 멸균기, 클린 벤치, 페트리 접시, 핀셋, 해부용 칼, 비커, 네임펜, 20% 차아염소산 나 MS 배지 Murashige & Skoog Callus Medium 트륨 용액, 70% 에탄올, 멸균수, 당근, 증류수, 파라필름, 암실 3 방법 및 절차 가. 배지 준비 캘러스 배양 시작 배지 1shoot development 배지 MS 배지 1mL 1mL 한천 분말 0.8g 0.8g 2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid 0.1mg - 설탕 1g 1g Kinetin - 0.02mg 증류수 100mL 100mL 구분 표 VII-1 캘러스 배양 시작 배지 및 shoot development 배지 조성표 1) 삼각 플라스크에 배지 조성에 맞춰 시작 배지를 만든다. pH는 5.7~5.8로 조절한다. 2) 121℃에서 20분간 고압 멸균한다. 생장 조절제 옥신 : 줄기와 마디의 신장, 굴성, 정단 우성, 낙엽의 형성 및 발근에 관여한다. 조직 배양에서는 캘러스 형성과 부정근 형성, 세포 신장과 조직의 비대, 부정아와 액아 형성의 억제 및 현탁 배양에서 배 형성 등의 기능을 한다. 당근의 캘러스 형성을 위해 2,4-D 를 사용한다. 사이토키닌 : 세포 분열, 정단 우성 의 완화 및 싹의 분화 등에 관여하 고, 조직 배양에서는 주로 callus와 기관으로부터 세포 분열과 부정아의 분화에 관여한다. 또한 정단 우성을 억제하여 액아를 발생시킴으로써 싹 의 번식에도 이용된다. 옥신과 혼용 하면 세포 분열이 더욱 촉진된다.여 기서는 kinetin을 사용한다. 3) 50~60℃까지 식힌 후 페트리 접시에 부어 굳힌 후 냉장 보관하여 사용한다. 나. 캘러스 제작 및 배양 1) 당근을 깨끗하게 씻은 후 뿌리 끝부터 5cm 길이로 잘라 20% 차아염소산 나트륨 용액이 든 용기에 넣고 20분 정도 담가 살균한다. 5분에 한 번씩 흔들어 주면 좋다. 2) 차아염소산 나트륨 용액을 버리고 멸균수를 넣은 후 용기를 흔들어 주며 당근 을 씻어 준다. 멸균수를 이용해 4번 씻어 준다. 3) 멸균된 페트리 접시 위에 살균된 당근을 놓고 해부용 칼을 이용해 위아래 1cm 정도를 제거한다. 둘레는 형성층을 제외하고 나머지 부분을 제거한다. 남은 당근의 횡단면을 두께가 1mm 되게 자른 후 형성층을 포함하여 2mm ×2mm로 조각내서 준비된 배지에 접종한다. 205 그림 VII-9 그림 VII-10 핀셋과 해부용 칼은 에탄올에 담가 두었다 화염 멸균하여 사용한다. 알코올램프, 빈 통, 배지, 페트리 접시, 살균된 당근을 준비한다. (무균 작업대(클린 벤치)에서 작업) 당근을 두께 1mm로 자르고 2mm×2mm로 조각낸 후 배지에 접종한다. 이때 뿌리 쪽이 아래 방향으로 가게 한다. 칼의위치 체관 형성층 물관 체외 배양 조직 그림 VII-11 캘러스 배양에 필요한 당근 부위 4) 파라필름으로 밀봉한 뒤 온도는 25℃를 유지하며 암실에서 배양한다. 5) 접종 직후부터 일주일 간격으로 캘러스 형성 과정을 관찰하고 캘러스가 어느 정도 성장한 후 캘러스를 배양 용기로부터 떼어내 계대 배양한다. 6) 계대 배양액은 shoot development 배지를 이용한다. 계대 배양에 걸 리는 시간은 다음과 같다. 206 배양 스케줄 소요 일 시료 준비 0일 1차 계대 배양 28일 대량 증식 42~48일 캘러스 분리 91~98일 ⅥI 생명 공학 4 결과 및 고찰 가. 캘러스 형성 과정을 관찰하고 사진을 찍어 붙여 보자. 날짜 1 2 3 접종 후 1주일 후 2주일 후 4주일 후 특징 : 특징 : 특징 : 특징 : 나. 잎이나 줄기 등을 이용하여 조직 배양을 한다면 뿌리를 배양했을 때와 같은 결과가 나올까? 5 연구 과제 가. 당근을 횡단면으로 자른 후 형성층에 아그로박테리아를 접종하면 캘러스 형성에 어떤 영향을 줄까? 나. 수입산 블루베리 묘목에만 의존하고 있던 우리나라가 조직 배양 기술을 활 용해 우량 묘목을 자체 생산·공급하여 경제적 이익을 얻고 있다. 경제적 이익 외에도 조직 배양 기술을 활용하여 가치를 창출할 수 있는 분야가 있 을까? 이에 대해 의견을 제시해 보자. 참고문헌 https://is.muni.cz/el/1431/jaro2008/Bi6120c/um/06_ Callus_carrot.pdf McNabola, S. and Kitto, S. L. 1989. Tissue Culture of Carrot Roots. The American Biology Teacher 51(3): 165-167. https://phytotechlab.com/media/product_custom_files/ C/1/C1955-Carrot%20Kit%20Info.pdf http://www.jains.com/Tissue/tissueculture.htm http://biotech.jejunu.ac.kr/~phytolab/data/plant-1.pdf 207 실험 VII-3 학습 목표 대장균 배양 • 대장균을 배양할 수 있다. • 대장균을 활용하는 방법을 설명할 수 있다. 1 도입 의학 미생물의 아버지인 로버트 코흐(Robert Koch)는 하나의 특정 미생물 이 하나의 특정 질병을 일으킨다는 것을 증명하기 위해서 다른 모든 세균으로부 터 특정 병원균만을 분리하여 그 균에 대한 특성을 규명해야 한다고 생각했다. 그의 연구 과정에서 세균을 순수 배양하는 방법뿐 아니라 미생물학 연구에 필요한 많은 기술이 개발되었다. 이번 탐구는 무균 조직을 통해 대장균을 배양하는 것이다. 그리고 그것을 활 용하는 연구 과제를 설정하여 실험을 설계해 보자. 2 준비물 고압 멸균기, 항온기, 저울, 백금이, 알코올램프, 삼각 플라스크, 페트리 접 시, 대장균(E.coli ), 한천 분말, 효모 추출물, 트립톤, 소금(NaCl), 5M NaOH 용액, 증류수, 포일, 70% 에탄올, 니트릴 장갑, 테이프, 클린 벤치, 네임펜, 코니컬 튜브, 진탕 배양기 3 방법 및 절차 가. LB 배지 제작 1) LB 배지 조성표(1L) 208 시약 액체 배지 고체 배지 트립톤(tryptone) 10g 10g 효모 추출물(yeast extract) 5g 5g NaCl 10g 10g 한천 분말 없음 15g ⅥI 2) 삼각 플라스크에 증류수 950mL를 넣고 한천 분말을 제외한 나머지 시 약을 조성표대로 넣은 후 잘 섞어 준다. 3) 5M NaOH를 넣어 pH를 7.0으로 맞춘다(대략 0.2mL). 4) 고체 배지를 제작할 경우 한천 분말을 넣어 준다. 5) 증류수를 넣어 1L로 맞춘 후 삼각 플라스크의 입구를 포일로 막고 121℃ 생명 공학 유의점 1L 배지 제작 시 6cm 페트리 접시 의 경우 80개 정도 제작할 수 있으며 10cm 페트리 접시의 경우 40개 정 도 제작할 수 있다. 실험 조건에 맞게 배지의 양을 조절 한다. 에서 15분간 멸균한다. 6) 페트리 접시 바닥면에 배지 종류와 만든 날짜 등을 기입한다. 배지가 50~60℃까지 식으면 페트리 접시에 부어 굳힌 후 무균 작업대(클린 벤치)에서 하루 정도 말린다. 뚜껑에 있는 수분이 증발하면 테이프로 묶어 뒤집어서 냉장 보관한다. 그림 VII-12 고압 멸균하여 배지를 준비한다. 그림 VII-13 페트리 접시에 배지를 붓고 하루 정도 상온에 보관한 후 사용한다. 나. 대장균의 배양 1) 고체 배지로 접종하기 1 니트릴 장갑을 끼고 70% 에탄올을 이용하여 주변을 잘 닦는다. 2 고체 배지 아랫면에 네임펜을 이용하여 균주 이름, 배지 종류, 접종 일, 접종자 등에 대한 정보를 적는다. 3 알코올램프의 불꽃 위에서 접종용 백금이를 빨갛게 달궈질 때까지 잡 고 소독을 한다. 백금이의 전체 선이 가열되어야 한다. 백금이가 식은 다음 사용한다. 209 4 액체 배양된 균주가 들어 있는 시험관 입구를 불꽃 소독하고 멸균된 백금 이를 넣었다 뺀 후 액체 배양액이 든 시험관 입구를 불꽃으로 소독하고 마개를 닫는다. 5 균이 묻은 백금이를 다음과 같이 배지 위에 긁어 균을 접종한다. 페트리 접 시 크기에 따라 3~4번 정도 방향을 바꾸는 것이 적당하다. 만약 분양받은 대장균이 동결 건조되어 있으면 멸균수를 넣어 혼탁시킨 후 접종한다. 1 2 3 4 그림 VII-14 획선 접종법(streak plate method): 연속적으로 획선을 그리며 접종하면 세포의 농도가 희석된다. 6 접종 후 페트리 접시 뚜껑을 닫고 뒤집어 놓는다. 만약 여러 개의 고체 배 지에 접종했다면 각 배지가 든 페트리 접시를 뒤집어 쌓은 후 항온기로 옮겨 적정한 온도에 배양한다. 빠르게 대장균을 얻고자 할 경우 37°C로 항온기를 조절하여 배양한다. 2) 액체 배양액으로 접종할 때 1 멸균된 10~15mL 코니컬 튜브에 배양액을 2mL 넣는다. 2 고체 배양된 균주가 있는 페트리 접시 뚜껑을 살짝 열고 멸균된 백금이를 이용하여 콜로니 하나를 살짝 묻힌 후 액체 배양액에 백금이를 넣고 흔들 어 준다. 3 튜브의 마개를 덮고 진탕 배양기에서 배양한다. 이때 튜브는 기울여 배양 기에 꽂는다. 빠르게 배양할 경우 보통 37°C, 200rpm으로 세팅하여 배 양한다. 4 210 대량 배양할 때는 500mL 삼각 플라스크에 배양액 100mL를 넣고 멸균 ⅥI 생명 공학 하여 식힌 후 코니컬 튜브에 배양된 대장균을 넣어 진탕 배양한다. 4 결과 및 고찰 가. 획선 접종으로 고체 배지에 1~2일 배양했을 때 배양 결과를 관찰하고 사 진을 찍어 붙여 보자. 날짜 접종 _ 일 후 특징 : 나. 도말 평판(spread plate)법과 주입 평판(pour plate)법을 조사해 보자. 5 연구 과제 천연 항균 물질에 대해 조사하던 한 학생이 항균 물질을 포함하고 있다고 알 려진 마늘즙이 끓여도 항균 효과를 보이는지 궁금하였다. 대장균 배양법을 이용하여 실험을 설계해 보자. 대장균 배양법 외에 어떤 것이 더 필요할까? 참고문헌 http://vle.du.ac.in/mod/book/print.php?id=9251&chapterid=13560 211 실험 VII-4 학습 목표 DNA 전기영동과 제한 효소 • 전기영동으로 DNA를 분리하고 확인할 수 있다. • 제한 효소로 절단한 DNA 조각의 크기를 전기영동으로 분석할 수 있다. 1 도입 DNA는 음(-)전하를 띠므로 전기장에 위치시 웰 : DNA 용액을 떨어뜨림 키면 (+)극으로 이동한다. 또한 아가로스를 물 에 넣고 가열 후 식히면 중합되어 젤 형태가 된 다. 아가로스 젤에 DNA를 떨어뜨린 다음 전해 질이 든 장치에 넣고 전기장을 걸어 주면 DNA 크기 순으로 분리됨 는 젤 사이를 이동하며, 길이가 짧을수록 (+)극 으로 이동한다. 이 원리를 이용하여 DNA를 분 리하는 방법을 DNA 전기영동이라고 한다. 그림 VII-15 DNA 전기영동의 원리 DNA 전기영동으로 DNA를 분리하는 방법은 분자 생물학의 기본 기술이 다. 이번 탐구에서는 박테리아의 플라스미드를 제한 효소로 자른 후 전기영동 하여 잘려진 DNA 절편의 크기를 확인해 보자. 또 제한 절편의 크기를 이용하 여 플라스미드 제한 효소 지도를 만들어 보자. <참고> 플라스미드 박테리아의 세포 내에 존재하는 염색체 이외의 DNA 분자로서, 독자 적으로 증식할 수 있다. 염색체 플라스미드 그림 VII-16 박테리아의 유전 물질 제한 효소 박테리아는 외부 바이러스 DNA의 침입을 대비해 DNA를 절단하는 효소를 가지고 있는데 이를 제한 효소라 한다. 제한 효소는 특정한(4~6 개의) DNA 염기쌍을 인식하여 인산 디에스터 결합을 끊는다. 제한 효소 의 DNA 인식 및 절단 부위는 반대편 사슬의 염기 서열이 180도 회전 대 칭이 되는 회문 구조(Palindrome)를 가진다. 이번 탐구에서 쓰이는 제 한 효소의 인식 부위는 그림 VII-18과 같다. 212 ⅥI EcoRI HindIII ↓ 5′-GAATTC-3′ 3′-CTTAAG-5′ ↑ 생명 공학 ↓ 5′-AAGCTT-3′ 3′-TTCGAA-5′ ↑ 그림 VII-17 제한 효소의 작용 2 준비물 전기영동 장치(전원 장치 포함), 마이크로 피펫, 팁, 마이크로 원심 분리기, UV 투영기, 얼음통, 항온기, 유성펜, 가열 장치(전자레인지), 1.5mL 튜 브, 1.5mL 튜브 꽂이, DNA 래더(1kb), DNA 로딩스타, 전기영동 완충 용 액(TAE 버퍼), 삼각 플라스크, pGLO(플라스미드), 2차 증류수, 제한 효소 (EcoRI, HindIII), 제한 효소 완충 용액, 아가로스, 콤, 장갑, 젤 틀 3 방법 및 절차 가. 제한 효소에 의한 DNA 절단 1) pGLO 용액(0.2ug/uL), 제한 효소 완충 용액(10× buffer), 제한 효 소를 얼음통에 꽂아 둔다. 2) 1.5mL 튜브 뚜껑에 각각 P, E, H, M을 기입한 후 튜브 꽂이에 꽂아 둔다. 3) 마이크로 피펫을 이용하여 각각의 시약을 아래 표의 부피만큼 1.5mL 튜 제한 효소 제조사마다 제한 효소와 제한 효소 완충 용액의 사용 용량과 작용 시간 이 다르므로 각 제조사의 사용 방법 을 따르도록 한다. 브에 넣는다. 이때 pGLO, 완충 용액, 제한 효소순으로 넣는다. 각 제한 효소마다 다른 완충 용액을 사용할 경우 M 튜브의 실험을 할 수 없으므로 동일한 완충 용액을 사용하는 제한 효소를 선택한다. 튜브 증류수 pGLO 10×buffer EcoRI HindIII total P 16 μL 2 μL 2 μL - - 20 μL E 15 μL 2 μL 2 μL 1 μL - 20 μL H 15 μL 2 μL 2 μL - 1 μL 20 μL M 14 μL 2 μL 2 μL 1 μL 1 μL 20 μL 4) 내용물이 잘 혼합될 수 있도록 검지손가락으로 튜브의 하단을 가볍게 두 드려 주거나 마이크로 원심분리기로 살짝 돌려 준다. 5) 37°C 항온기에 튜브를 위치시키고 5~30분 동안 제한 효소 작용이 일어 나도록 한다. 213 DNA 로딩스타 DNA 염색약과 DNA 로딩 다이가 들어 있어 사용이 편리하다. 나. DNA 전기영동 1) TAE 완충 용액에 아가로스(molecular grade)를 넣어 0.8% 아가로스 용액 100mL를 준비한다. 잘 섞은 후 전자레인지에 2~3분간 녹인다. 2) 젤 굳히는 기구에 콤을 꽂은 후 장갑을 끼고 전자레인지에 녹인 아가로스 용액을 붓는다. 이때 옆에서 봐서 약 1 정도 차게 붓는다. 3 3) 다 굳으면(불투명해짐) 콤을 제거하고 젤이 있는 판 채 전기영동 장치에 넣는다. 이때 웰이 있는 쪽이 (-)극을 향하게 한다. TAE 완충 용액을 젤 표면이 1~2mm 정도 잠기도록 붓는다. 4) 1.5mL 튜브 뚜껑에 각각 L, P, E, H, M을 기입한 후 튜브 꽂이에 꽂 아 둔다. 5) DNA 로딩스타 1uL를 위의 튜브에 각각 넣는다. 6) DNA 래더 5uL를 취한 후 DNA 로딩스타가 들어 있는 L tube에 넣고 피펫팅하여 섞어 준 후 젤의 1번 웰에 조심스럽게 로딩한다. 7) 준비된 시료를 순서대로 각각 5uL를 취한 후 DNA 염색액이 들어 있는 P, E, H, M 튜브에 각각 넣고 피펫팅하여 섞어 준 후 순서대로 젤의 각 웰에 조심스럽게 로딩한다. 8) 전기영동 장치의 전원을 넣고 130V로 설정한다. 이때 DNA는 (-) 방향 에서 (+) 방향으로 이동하도록 해야 하므로 웰의 방향을 다시 한 번 확인 한다. 9) 20~30분 정도가 지난 후 전원 장치를 끄고 젤을 꺼내 UV 투영기로 밴 드를 확인한다. 아가로스가 어느 정도 굳으면 젤 틀에 아가로스 용액을 붓는다. TAE 버퍼를 젤 표면이 충분히(1~2mm) 잠길 정도로 넣는다. 젤이 찢어지지 않게 조심스럽게 DNA 용액을 로딩한다. 전원 장치를 연결한다. 그림 VII-18 DNA 전기영동 과정 214 ⅥI 생명 공학 4 결과 및 고찰 가. 전기영동 결과를 사진으로 찍은 후 붙여 보자. 염기쌍 수 Ladder pGLO Eco RI Hind III (base pairs) Mix 9,000 6,000 3,000 2,000 1,000 500 나. 제한 효소 절편을 이용하여 플라스미드 제한 효소 지도를 그려 보자. 지도 그림 VII-19 다양한 제한 효소로 절단된 플라스 를 그리기에 정보는 충분한가? 미드 DNA의 전기영동 결과 다. pGLO와 EcoRI으로 자른 pGLO는 같은 염기쌍 수를 가졌으나 전기영동 이동 거리가 다르다. 그 이유는 무엇일까? 5 연구 과제 어떤 플라스미드를 세 가지 제한 효소 EcoRI, BamHI, HaeIII로 충분히 처리하여 전기영동시켰더니 아래와 같은 결과를 얻었다. 이 실험 결과를 바탕 으로 이 플라스미드의 제한 효소 지도를 작성해 보자. 사용한 제한 효소 plasmid 조각의 크기 (단위: kb) EcoRI 5.4 BamHI 4.4 1.0 HaeIII 3.8 1.6 EcoRI+BamHI 3.1 1.3 1.0 EcoRI+HaeIII 2.1 1.7 1.6 BamHI+HaeIII 3.4 1.0 0.6 0.4 EcoRI+BamHI+HaeIII 2.1 1.3 1.0 0.6 0.4 참고문헌 문태주, 최승규, 김승수, 김미경. 2010. 고등학교 생명과학 실험. 서울특별시교육청. 215 실험 VII-5 학습 목표 대장균 형질 전환 • 대장균 형질 전환 실험을 수행할 수 있다. • 대장균 형질 전환 실험의 결과를 바르게 해석할 수 있다. 1 도입 형질 전환은 새로운 유전 정보를 가진 DNA를 다른 세포에 넣어 전에 없던 형질을 발현시키는 기술이다. 이 기술은 여러 분야에서 응용될 수 있다. 혈당 조절과 관계있는 인슐린 유 전자를 대장균에 넣어 대량으로 생산할 수도 있으며, 제초제에 저항성을 가지 그림 VII-20 GFP로 형질 전환된 대장균 는 농작물을 만들어 낼 수도 있다. 또 질병을 치료하기 위해 정상의 유전자를 넣어 주는 유전자 치료 방법도 있다. 대장균을 형질 전환시키는 방법은 여러 가지가 있지만 이번 탐구에서는 Heat shock를 이용하여 대장균이 GFP(녹색 형광 단백질)을 발현시키도록 해 보자. Heat Shock 방법 그림 VII-22와 같이 형질 전환 용액(CaCl₂)에 세균과 특정 유전자를 갖는 플라스미드를 섞어 주고 온도를 낮춘다. 세포막이나 DNA는 음(-)전하를 띠며 Ca²⁺는 양(+)전하를 띠므로 온도가 낮으면 세포막과 DNA가 막에 붙어 있게 된다. 이때 온도를 짧은 시간 갑자기 올려 주면 DNA는 세포 안으로 들어가며 다시 온도를 낮추면 DNA가 세포막 밖으로 다시 빠져나갈 수 없게 되는 원리를 이용하여 DNA를 세포에 넣어 준다. +- Ca + DNA - - + - + - - - Ca + + Ca + - - - + Ca + Ca + + Ca + + Ca + + Ca + + Ca + Ca + + Ca + - - - - - - - - - 세포막 그림 VII-21 대장균 형질 전환 원리 + Ca + + -Ca- - + - + Ca + 00C + Ca + - - - - - + - + - Ca+ - - - - - - - - - - 216 + Ca + - + Ca + - + Ca + 42cC ⅥI 생명 공학 pGLO system pGLO는 플라스미드로 녹색 형 광 단백질(GFP)을 만드는 유전자 araC ori 를 가지고 있다. pGLO는 그림 Ⅶ -23과 같은 구조를 가지고 있다. pGLO bla는 앰피실린 저항성 유전자이 며, ori는 복제 원점으로 플라스미 GFP 드가 복제하기 위해서 꼭 필요한 서 bla 열이다. araC는 조절 유전자로 억 pGLO 바이오라드사에서 구매할 수 있다. pGLO로 형질 전환된 대장균에서 플라스미드를 추출하여 사용할 수도 있다. 앰피실린이나 아라비노스 stock 용액을 만들 때는 각 농도대로 증류 수를 사용하여 제작하되 0.2㎛ 실린지 필터(syringe filter)를 이용하여 걸러 사용한다. 제자를 발현시켜 GFP 유전자의 조 절 서열에 결합하여 GFP의 발현을 그림 VII-22 pGLO 플라스미드 막는다. 아라비노스가 있을 경우 억제자 에 아라비노스가 붙어 GFP 유전자의 발현을 가능하게 한다. GFP는 생물 발광체 해파리로부터 유래한 단백질이다. 생명체 밖에서는 UV 를 흡수한 후 들뜬상태에서 바닥상태로 갈 때 그림Ⅶ-24와 같이 녹색 빛을 방 그림 VII-24 해파리 출한다. <유전자변형생물체법 국가 간 이동 등에 관한 법률(LMO)> 그림 VII-23 녹색 형광 단백질 2 준비물 E. coli (Hb101)가 배양된 배지, 세 종류의 고체 배지(1LB, 2LB/amp, 1LB/amp/ara), 형질 전환 용액(50mM CaCl2), LB 액체 배지(1mL), 1회 질병을 야기시키지 않거나 환경에 위해가 되지 않는 형질전환 실험은 유전자변형생물체법(LMO)에 의거 하여 안전관리 1등급에 해당하는 연 구시설의 신고가 된 실험실에서 가 능하다. 형질전환 실험 후, 폐기물은 고압증 기 멸균기 또는 화학약품 처리로 생 물학적 활성을 완전히 제거하여 폐 기해야 하며, 생물 유해 표지를 부 착하고 생물안전관리 책임자가 유전 자변형생물체의 관리와 운영에 관한 기록을 작성하고 보관한다. 연구시설의 신고: 국가 연구 안 전관리 본부(https://www. lmosafety.or.kr/) 용 접종 루프, 마이크로 피펫과 팁, 1.5mL 원심분리 튜브, 튜브 랙, 유성펜, 얼음통, pGLO, UV 램프, 항온기, 얼음 ✽형질 전환에 많이 쓰이는 대장균 균주는 DH5α, Top, JM109 등이 있다. 그 러나 이 균주보다는 HB101을 추천한다. 이 균주는 내부 핵산 분해 효소 기능 이 강해 플라스미드로 인한 오염을 줄일 수 있다. 217 3 방법 및 절차 LB/amp 배지 제작법 고체 배지나 액체 배지 모두 50°C 정도로 식었을 때 배지 200mL에 앰피실린(100mg/mL)을 0.2mL 비율로 넣는다. LB/amp/ara 배지 제작법 LB/amp 배지 100mL에 10% 아라비노스를 2mL 넣어 준다. 가. 1.5mL 원심분리용 튜브 2개를 준비하여 각각 +pGLO와 -pGLO로 표 시한 후 얼음에 꽂아 놓는다. 나. 새로운 1.5mL 튜브에 형질 전환 용액(50mM CaCl2) 200μL를 옮긴 후 얼음에 꽂아 놓는다. 다. 고체 배지의 대장균 콜로니 하나를 1회용 접종 루프로 딴 후 얼음에 꽂아 놓은 1.5mL용 원심분리 튜브에 넣고 형질 전환 용액에 완전히 현탁되도 록 그림 Ⅶ-26과 같이 1회용 접종 루프를 돌려 준다. 그림 VII-25 콜로니 하나를 1회용 접종 루프로 딴 후 형질 전환 용액에 현탁시킨다. 라. +pGLO와 –pGLO 튜브에 각각 대장균 혼탁액을 100μL 넣어 준 후 얼 음에 꽂아 둔다. 마. pGLO 플라스미드가 들어 있는 튜브에서 5μL를 취한 후 박테리아 콜로니 가 현탁된 ‘+pGLO’ 튜브에만 넣고 잘 섞어 준다. 튜브는 다시 얼음에 꽂는 다. ‘-pGLO’ 튜브에는 pGLO를 넣지 않는다. plasmid DNA +pGLO -pGLO 그림 VII-26 실험군에는 플라스미드 DNA를 넣어 주며 대조군에는 플라스미드 DNA를 넣지 않는다. 바. 각 튜브를 얼음에 10분간 둔다. 이때 튜브가 확실히 얼음에 꽃혀 있는지 확인한다. 사. 기다리는 동안 각각의 고체 배지 바닥에 그림 Ⅶ-28과 같이 표기한다. +pGLO +pGLO -pGLO -pGLO LB/amp LB/amp/ara LB/amp LB 그림 VII-27 배지 준비 218 ⅥI 생명 공학 아. 42℃로 맞춘 항온기에 각각의 +pGLO, -pGLO 2개의 튜브를 50초 동 안 담근다. 50초가 지나면 튜브 2개를 얼음에 즉시 꽂고, 2분간 방치한다. 자. 각각의 튜브에 100μL LB 배지를 넣는다. 이때 대장균이 깨지기 쉬우므로 배지를 아주 조심스럽게 넣는다. 상온에서 10분간 방치한다. 차. +pGLO 튜브에서 100μL씩 마이크로 피펫으로 취해 +pGLO로 표기된 플레이트에 떨어뜨린 후 배지 표면에 고르게 편다. 이때 1회용 접종 루프 의 평평한 면을 이용하여 그림 Ⅶ-29와 같이 앞뒤로 빠르게 움직인다. 카.-pGLO 튜브에서 100μL씩 취해 –pGLO로 표기된 플레이트에 떨어뜨린 후 고르게 편다. 타. 고체 배지를 뒤집은 후 37°C 항온기에서 하루 배양한 후 UV 램프로 결과 그림 VII-28 배지 표면에 실험 용액을 를 확인한다. 고르게 편다. 4 결과 및 고찰 가. UV램프 아래에서 각 고체 배지를 관찰하고 그 관찰 결과를 사진으로 찍어 붙이고 그 특징을 적어 보자. 날짜 1 2 3 +pGLO; LB/amp +pGLO; LB/amp/ara -pGLO; LB/amp -pGLO; LB 특징 : 특징 : 특징 : 특징 : 나. +pGLO; LB/amp와 +pGLO; LB/amp/ara의 결과를 비교해 보자. +pGLO; LB/amp 배지에서 자란 대장균은 pGLO를 가지고 있는가? 참고문헌 https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/ laureates/2008/illpres.html http://www.biorad.com 219 실험 VII-6 학습 목표 생물 정보학 • 유전체 정보를 바탕으로 한 생물 정보학의 연구 방법을 이해할 수 있다. 1 도입 생명과학의 발달로 인간 유전체 사업을 비롯한 여러 생물의 유전체 사업 등으로부터 엄청나게 방대한 염기 Statistics Mathematics Biology Medicine 서열과 발현 데이터, 수많은 단백질의 구조 정보, 그리 고 수많은 연구 결과들이 쏟아져 나오고 있다. 또 정보 기술의 발달은 관련성이 없어 보이는 여러 분야의 빅 Bioinformatics 데이터들을 축적시키고 있다. 어떻게 이러한 자료들에 접근하고 분석할 수 있을까? 해답은 생물 정보학(Bioinformatics)이라는 새로 Algorithms Programming Databases Text mining Web applications 운 학문 분야에 있다. 생물 정보학은 실험 테이블에서 유전자를 분석하는 이전까지의 방식에서 벗어나, 컴퓨 터 알고리즘 개발 및 활용을 통한 연구 방법론이다.이 번 탐구에서는 유전체 정보를 바탕으로 한 생물 정보학 의 연구 방법과 주요 프로그램 사용법을 살펴보자. 그림 VII-29 생물 정보학 2 준비물 인터넷이 연결된 컴퓨터 NCBI(National Center for 3 방법 및 절차 Biotechnology Information) 가. NCBI에서 사람의 미맹 유전과 관련된 DNA 서열 얻기 1988년 설립된 미국 국립 생물 정 보 센터이며, 과학과 건강을 증진시 키기 위해 생명과학 및 의학과 유전 체에 대한 정보를 제공하고 있다. 1) NCBI 홈페이지(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)에 접속한다. 홈페 220 이지 왼쪽에는 사용 가능한 자원을 A-Z 순서로 제공하고 있으며, 오른쪽에 는 많이 사용되고 있는 자원순으로 목록을 제공하고 있다. ⅥI 생명 공학 OMIM(Online Mendelian Inheritance in Man) 인간의 유전 질환에 대한 정보를 한 데 모은 데이터베이스이며, 온라인 으로 지속적으로 업데이트된다. 그림 VII-30 NCBI 홈페이지 접속 화면 2) 검색창에 PTC를 적고 검색한다. 미맹은 PTC라는 약물에 쓴맛을 느끼지 못하 는 형질이며, 멘델의 유전 법칙에 따라 유전된다. 이때 왼쪽에 database 목록 을 설정할 수 있으므로 OMIM을 선택한 후 검색할 수도 있다. OMIM을 설정하 지 않으면 모든 database를 검색한 결과를 보여 준다. 그림 VII-31 검색창에 PTC를 적고 검색한다. 3) 검색 결과에서 PTC 유전과 관련된 내용을 찾아 클릭한다. 클릭하면 미맹과 관련 있는 유전자에 대한 내용이 나온다. 그림 VII-32 TAS2R38 유전자에 대한 설명 221 4) 미맹 유전자의 이름은 TAS2R38이며 7번 염색체에 위치하고 있다. 또 이 유전자에 대한 상세한 내용이 나와 있다. 내용을 읽어 보고 미맹 유전에 대해 정리해 보자. 5) 이 유전자의 서열을 얻기 위해 다시 NCBI 홈페이지 Nucleotide database 에서 TAS2R38을 검색창에 입력한다. 6) 검색된 자료 중 하나를 선택하여 클릭하면 그 유전자의 GBFF(GenBank Flat File)를 볼 수 있다. GBFF는 주석 부분과 서열 부분으로 구성되어 있다. LOCUS, DEFINITION, ACCESSION, VERSION, SOURCE, FEATURES가 무엇을 나타내는지 조 사해 보자. <중간 생략> 그림 VII-33 GBFF 구성 222 ⅥI 생명 공학 7) 유전자 이름 밑에 위치한 FASTA를 클릭하여 이 유전자에 대한 서열을 복사 하여 *.txt 파일로 저장한다. 이때 fasta 양식으로 저장해야 하며 이 양식은 두 행으로 구성되어 첫 행은 ‘>’로 시작하며 ‘>’ 뒤는 서열에 대한 설명, 두 번 째 행은 서열이다. 8) 유전자 이름 밑에 위치한 Graphic을 클릭하면 conserved domain에 대 한 정보를 준다. 오른쪽에 서열을 분석하기 위한 프로그램이 있다. blast를 통해 유사 서열을 찾을 수도 있으며 이 서열을 증폭하기 위한 프라이머를 알 아낼 수도 있다. pick 프라이머를 클릭하여 이 유전자를 증폭시키기 위한 primer를 제작해 보자. 그림 VII-34 TAS2R38 mRNA에 대한 설명 나. BLAST를 이용하여 유사 서열 찾기 1) NCBI 홈에서 오른쪽의 BLAST를 클릭하면 화면에 주요 4개 프로그램 이 나타난다. Nucleotide blast : 염기 서열 간 비교에 사용한다. Protein blast : 아미노산 서열 간 비교에 사용한다. blastx: 입력한 염기 서열을 6개의 틀로 변환 후 단백질 서열 DB와 비교한다. tblastn: 입력한 단백질 서열과 염기 서열 DB를 6개의 틀로 변환 후 비교한다. 2) nucleotide blast를 클릭하면 Enter Query Sequence 창이 뜬다. 여기에 accession number 또는 gi 또는 FASTA 양식의 서열을 입력 하고 blast를 클릭한다. BLAST(Basic Local Alignment Search Tool) 생물학자들이 생물학 데이터베이 스를 사용할 때 가장 먼저 접하게 되는 일반적인 도구이며, NCBI/ GenBank가 개발한 서열 유사성 검색 프로그램이다. 그림 VII-35 NCBI BLAST의 주요 4개의 프로그램 223 3) 결과는 3가지 형식으로 제시된다. Graphic summary에서 서열의 유 사성을 확인할 수 있다. 각 바를 클릭하여 유사 서열을 검색할 수 있다. 스크롤바를 이용하여 아래로 내려 보면 Description이 나온다. 여기서 는 각 유전자의 description을 알 수 있다. 마지막은 Alignments로 서열을 비교한다. 4) PTC 미맹과 미각자의 유전자는 차이가 있는지 알아보기 위해 스크롤바 를 Description으로 올려 관련 유전자를 찾아 클릭한다. 그림 VII-36 PTC 미맹과 미각자의 유전자 서열 5) 바로 두 서열을 비교하는 alignment로 이동한다. 어떤 서열에 차이가 있는지 확인한다. 6) PTC 유전자를 가지고 있는 다른 생물들과 사람의 PTC 유전자를 비교해 보고 유사성을 바탕으로 계통수를 그려보자. 그림 VII-37 유사 서열 목록 7) 다시 Description으로 이동한 후 다른 생물들의 서열을 클릭한다. 10 개 정도의 서열을 선택한 후 상단의 Distance tree of result를 클릭 한다. 다른 프로그램을 이용하고 싶다면 이 서열들을 fasta 양식으로 저장하여 *.txt 파일로 저장하면 유전자 분석 및 진화 관련 프로그램을 이용할 수 있다. 224 ⅥI 생명 공학 4 결과 및 고찰 가. OMIM 검색을 통해 알게 된 PTC 유전에 대한 내용을 정리해 보자. 나. 검색된 TAS2R 유전자의 GBFF를 보고 다음 물음에 답해 보자. - CDS는 무엇을 말하는가? - 이 유전자로부터 발현되는 단백질의 아미노산 수는? - taxon 9606은 어떤 생물을 말하는가? 다. TAS2R38을 증폭하기 위한 프라이머 서열을 적어 보자. 라. PTC 미맹과 미각자의 유전자는 어떻게 차이 나는지 적어 보자. 마. 다양한 학명의 생물에서 얻는 PTC 유전자 서열을 이용하여 계통수를 그려 보자. 또 각 학명이 어떤 생물을 말하는지 적어 보자. 5 연구 과제 가. PTC 미맹과 미각자의 유전자 차이를 검색할 수 있는 프로그램을 만들어 보자. 나. TAS2R38 유전자와 유사한 서열을 갖는 생물들의 유전자 서열을 저장한 후 BioEdit나 MEGA 프로그램을 사용하여 계통수를 그려 보자. 프로그 램은 다음 사이트에서 무료로 다운받을 수 있다. http://www.mbio.ncsu.edu/BioEdit/bioedit.html http://www.megasoftware.net/ 그림 VII-38 megasoftware 홈페이지 참고문헌 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ http://www.amberbio.com 225 1. 토양 무척추동물 검색표 2. 연못 생물 검색표 3. 실험실 안전 4.안전사고 대처 요령 부록 부록 1 _ 토양 무척추동물 검색표 계속 토양 동물 목.강 검색 키 각 또는 집 등에 들어 있다 각 또는 집이 없다 각은 원형 또는 호리병 형태 는 0.3mm 0.3mm 이하 크기는 각은 나선형 또는 말린 형태 집은 타원형 또는 땅콩형 는 2mm 2mm 이상 크기는 나비목 복족강 아메바강 다리가 있다 다리가 없다 ② ① 226 ① 몸체보다 짙은 색 머리가 뚜렷이 구별됨 몸은 가늘고 길다 몸은 짧고 두꺼운 편 머리는 확실히 구별되지 않음 마디가 없다 마디가 있다 파리목 유충 딱정벌레목 유충 끝이 넓어진다 끝이 넓어지지 않는다 20마디 이상 19마디 이하 빈모강 와충강 몸은 편평하다 몸길이 0.7mm 이하 몸길이 2mm 이상 몸은 원형 수축시 선충강 윤충강 파리목 유충 입은 몸의 앞 끝에 있다 입은 몸 가운데 또는 그보다 뒤에 있다 와충강 유형동물문 부록 ● 227 부록 1 _ 토양 무척추동물 검색표 계속 ② 다리는 3쌍 다리는 4쌍 이상 촉각이 잘 보이지 않음 촉각이 뚜렷하게 보임 날개가 없음 ③ 머리는 끝이 뾰족한 형태 머리와 몸은 거의 같은 색 앞다리는 낫 형태로 굽음 낫발이목 228 ⑧ 날개가 있음 ⑤ 머리는 납형, 원형, 사각형 머리는 몸보다 짙은 색의 경우가 많음 앞다리는 낫 형태로 굽지 않음 딱정벌레목 유충 ③ 꼬리의 돌기 없다 1개의 통형 1개 끝 두갈래 2개 뿔형 2개 실형 2개 가위형 2개 뿔 뿔형, 실형 종붙이목 총채벌레목 톡토기목 입은 저작형 입은 흡수형 노린재목 종목 앞가슴은 가운데, 위 가슴보다 작다 앞가슴은 가운데, 뒤 가슴보다 크다 종붙이목 갈로와벌레목 큰 턱은 길고 크다 큰 턱은 길고 크지 않다 앞다리 끝마디가 비대 앞다리 끝마디는 비대하지 않음 ④ 흰개미붙이목 몸은 폭이 넓다 풀잠자리목 유충 몸은 가늘고 길다 벌목 개미과 촉각은 짧다 촉각은 길고 채찍 모양 딱정벌레목 유충 바퀴목 부록 ● 229 부록 1 _ 토양 무척추동물 검색표 계속 ④ 촉각은 팔꿈치형으로 굽혀진 모양 촉각은 팔꿈치형이 아님 벌목개미과 촉각은 3~4마디 촉각은 작거나 가늘다 촉각은 13마디 이상 촉각은 크고 짧다 촉각은 채찍 모양 딱정벌레목 유충 톡토기목 다듬이벌레목 촉각은 구슬 모양 흰개미목 ⑤ 앞날개는 딱딱하고 불투명 뒷날개는 막질 앞날개, 뒷날개 모두 깃털 모양 앞날개,뒷날개는 가운데서 접힌다 총채벌레목 230 앞날개는 작지 않으며 반은 막질 뒷날개는 막질 앞날개, 뒷날개는 다소 겹침 ⑥ ⑦ ⑥ 앞날개는 거의 몸 전체를 덮는다 ⑦ 앞날개는 짧고 복부가 거의 드러남 입은 흡수형, 침형 입은 저작형 딱정벌레목 성충 꼬리 끝은 집게 모양 머리가 잘 보이지 않음 꼬리 끝은 가위 모양이 아님 머리가 잘 보임 집게벌레목 머리는 가늘고 길며 뾰족함 머리는 뾰족하지 않음 메뚜기목 바퀴목 촉각은 길다 ⑧ 노린재목 딱정벌레목 성충 다리는 4쌍 앞쪽에 집게가 있음 다리는 5쌍 이상 앞쪽에 집게가 없음 주의) 다리를 셀 때 촉각을 세지 않도록 주의 12 10 ⑨ 부록 ● 231 부록 1 _ 토양 무척추동물 검색표 계속 ⑨ 짧은 꼬리가 있다 꼬리가 길다 꼬리가 없다 눈은 머리가슴 중앙에 2개 몸길이는 2~20mm 거미강 Schizomida목 꼬리는 크다 눈은 머리가슴 옆면에 0~2개씩 몸길이는 1~5mm 꼬리는 실 모양 느리게 움직이는 통거미목 전진은 천천히 하나 후진은 빠르게 하는 앉은뱅이목 끝에 독선 거미강 Thelyphonida목 전갈목 10 머리가슴과 복부의 사이가 가늘고 잘록하다 몸은 잘록하지 않다 거미목 눈은 없거나 몸 옆면에 1~2개씩 눈은 머리가슴 중앙에 2개 눈 발톱은 1~3개 발톱은 4~10개 눈 발은 가늘고 환절이 있다 복부에 마디 있음 몸길이는 2~10mm 몸길이는 0.2~3mm 통거미목 응애목 발은 크고 짧으며 환절이 없다 완보동물문 232 12 몸을 마는 경우 없음 몸을 소용돌이처럼 말 수 있다 몸을 둥글게 말 수 있다 살아 있을 때는 완전한 구형이나 죽으면 약간 열린 상태가 된다 몸의 양 옆은 거의 평행 회색의 광택은 다소 약하다 다리는 7쌍 앞쪽이 약간 폭이 넓고 흑갈색 광택이 강하다 다리는 15쌍 이상 촉각은 갈라지지 않음 촉각은 여러 갈래로 분지 몸길이는 3mm 이하 등각목 배각강 소각강 몸은 다소 폭이 넓으며, 상하로 편평 몸은 새우형, 좌우로 편평 살아 있을 때는 잘 뛰며 알코올에 담글 경우 분홍빛으로 변한다 몸은 가늘고 긴 끈 모양이나 애벌레형 13 단각목 다리는 7~8쌍 꼬리 끝에 돌기가 있다 다리는 10쌍 이상 꼬리 끝에 돌기 없다 몸은 옆에서 보면 약간 S자형으로 구부러짐 다리는 5쌍 움직임은 약간 빠르다 등각목 움직임은 상당히 느리다 배각강 몸길이 1~4mm Harpacticoida 부록 ● 233 부록 1 _ 토양 무척추동물 검색표 계속 13 모든 다리는 같은 간격으로 열 지어 있으며 거의 비슷한 모양이다 앞쪽 3쌍의 다리는 가늘고 뒤 5쌍의 다리는 크고 돌기 같은 모양 촉각은 잘 보임 촉각은 미소하며 잘 보이지 않음 나비목 꼬리 리 끝에 다른 다리보다 긴 다리가 1쌍 꼬리 끝에 돌기가 1쌍 몸길이는 1cm 이하로 흰색 행동은 빠르다 몸길이는 0.5~14cm 행동은 빠르다 순각강 234 결합강 꼬리 끝에는 다리, 돌기 모두 없다 0.5~6cm 몸길이는 0.5~6c 위급에 처하면 악취를 낸다 행동은 둔하다 배각강 주요 토양 무척추동물의 종류 편형동물문 : 몸은 좌우 대칭, 구조 간단, 체절이 없음 와충강 : 자유 생활, 다습한 환경에 서식 선형동물문 : 실 모양 또는 긴 원통 모양, 체절 없음, 체표는 큐티클로 덮임 연체동물문 : 조개, 문어, 오징어 등 복족강 환형동물문 : 체절이 있음 빈모강 : 긴 원통 모양, 수많은 체절로 이루어짐, 환대가 있음 완보동물문 : 고구마 모양, 관절이 없는 굵고 짧은 다리 4 쌍을 가짐 절지동물문 : 동물계 최대의 문, 체절이 있음, 키틴질의 외골격을 가짐 거미강 : 머리-가슴과 배로 구분, 협각, 촉지, 4 쌍의 다리를 가짐 (거미목, 전갈목, 앉은뱅이목, 응애목, 중기문아목, 전기문아목, 무기문아목, 날개응애아목) 갑각강 : 머리-가슴과 배로 구분, 더듬이 2 쌍, 다리 5 쌍을 가짐 (등각목, 단각목) 배각강 : 더듬이 1 쌍, 몸의 마디마다 다리 2 쌍을 가짐, 노래기류 소각강 : 마디 4 ~6 개로 된 촉각은 아랫부분이 굵고 끝은 둘로 나뉨 순각강 : 몸의 마디마다 1 쌍의 다리와 기문을 가짐, 지네류 결합강 : 애지네강, 원형의 두부에 배판 15 개를 가짐 곤충강 : 머리, 가슴, 배로 나뉨, 다리 3 쌍을 가짐 (낫발이목, 톡토기목, 좀붙이목, 좀목, 바퀴목, 흰개미목, 흰개미붙이목, 메뚜기목, 집게벌레목, 노린재목, 매미목, 총채벌레목, 딱정벌레목, 파리목, 나비목, 벌목) 부록 ● 235 부록 2 _ 연못 생물 검색표 연못 생물 검색표 패각이 있다 한 장의 패각 구 형태의 패각 구 형태의 패각 숨문 뚜껑이 없다 숨문 뚜껑이 있다 두 장의 패각 편평한 디스크 형태의 패각 크기가 1cm 이상 크기가 1cm 이하 산골류 물달팽이류 우렁이류 또아리물달팽이류 석패류 촉수, 털, 또는 꼬리를 가진다 꼬리에 숨쉬는 대롱 큰 머리 다리가 있다 모기류 유충 모기류 번데기 투명한 몸 표면이 딱딱하 꼬리가 있다 팬텀깔따구류 유충 등에류 유충 4쌍의 다리 10개 이상의 다리 가재 모양 핑크색의 솜털 같은 새우 모양 앞으로 헤엄침 매우 작으며, 종종 밝은색 바닥에서 걸어다님 3쌍의 다리 물 위에서 걸어다님 가죽질 물진드기류 요정새우류 고기잡이거미류 옆새우류 등이 검고, 바른 방향으로 수영 등이 희고 거꾸로 수 수생 등각류 물벌레류 가재류 송장헤엄치개 날개 없음 2개 이하의 꼬리 6개의 다리와 입 부분이 크고 몸이 크고 배에는 복다리 옆에 가시가 있음 접힌 입 표면에서 매달림, 매우 작으며 입 부분이 큼 표면에서 도약 관 속에서 삶 판 배에 톡토기 명충나방류 유충 잠자리류 유충 뱀잠자리 유충 236 물방개류 유충 날도래류 유충 실 색표 (그림은 동일한 비율의 크기로 그려지지 않았음) 패각이 없다. 무척추동물 척추동물 다리가 없다 어류 양서류 올챙이 지렁이 모양 붉은색, 녹색 강모를 가진 몸 또는 갈색이며, 빨판이 없음 꼬임, 뚜렷한 머리 딱딱하고 가 있다 깔따구류 유충 불그스레한 작고, 바닥을 미끄러져 빨판, 몸은 갈색,체절로 체절로 이루어짐, 머리카락 모양, 이동,몸은 체절이 이루어진 몸 S 자형으로 없음 몸을 늘였다 헤엄침 줄였다 하며 이동 다모충류 선충 갈색, 몸이 길다 연가시류 플라나리아류 실지렁이류 등에류 유충 현미경으로 구분 거머리류 둥글다 생략부호 모양 안테나를 이용하여 빠르게 수영 촉수 조개벌레류 날개 가짐 히드라 요각류 물벼룩 가죽질의 날개(반시류) 이 희고, 꾸로 수영 어두운 색이고, 연한 갈색, 물 표면에서 삶 물 표면에서 삶 헤엄치개류 소금쟁이류 긴 막대 모양 꼬리 옆모습 7cm 정도의 집게다리 실소금쟁이류 물장군류 딱정벌레 모양 딱딱한 날개 장구애비류 3개의 꼬리 판 같은 꼬리, 배에 아가미 없음 긴 호흡관, 집게다리 긴 꼬리, 배에 아가미 하루살이류 유충 게아재비류 수영, 뒷다리가 뒷다리가 번갈아 가며 움직임 동시에 움직임 물방개류 물땡땡이류 물 표면에서 수영 점박이, 물에서 기어다님 물진드기류 물맴이류 실잠자리류 유충 부록 ● 237 부록 3 _ 실험실 안전 일반적인 주의 사항 1 . 실험 준비를 미리 철저히 한다. 실험실에 오기 전에 무엇을 할지 미리 알아 본다. 2 . 실험실에서는 실험복을 착용하고, 항상 정숙하도록 한다. 긴바지를 입고 발 을 모두 덮을 수 있는 신발을 착용한다. 3 . 깨끗하고 정리된 실험 공간을 유지한다. 실험대 위에 불필요한 것을 올려놓 지 않도록 한다. 4 . 소화 장비와 같은 실험실 내 안전시설의 위치와 사용 방법을 숙지한다. 5 . 시약과 기구 사용 시 취급법과 작동법을 미리 확인한다. 6 . 실험에 대한 모든 사항은 실험 노트에 항상 기록한다. 7 . 시약을 다룰 때는 일회용 보호 장갑을 사용한다. 그림 1 복도에 위치한 소화기와 비상 샤워기 8 . 시약을 사용할 때는 필요한 만큼만 사용하고, 시약병에서 꺼낸 시약이 남았 을지라도 다시 시약병에 넣지 않는다. 9 . 실험에 사용한 시약(용액)은 싱크대에 버리지 말고, 지정된 폐수 통에 따로 모아 버린다. 10 . 사용한 유리 기구는 깨끗이 씻어 말린 후 제자리에 보관한다. 생물을 다룰 때의 주의 사항 1 . 생물을 다룰 때는 항상 생명에 대한 존엄성을 가지고 생물에게 불필요한 고 통을 주지 않도록 한다. 2 . 해부에 사용되는 생물은 적절히 고정한다. 생물을 손에 쥔 채로 해부하지 않도록 한다. 3 . 실험복을 항상 착용하고, 실험 후에는 비누와 물로 손을 씻는다. 4 . 동물을 사용할 경우 인도적으로 다룬다. 1 ) 실험동물을 다룰 때는 항상 교사의 지시를 따른다. 2 ) 동물을 보관할 때는 동물이 활동할 수 있는 적절한 보관 장치에 넣어 조 용한 곳에 둔다. 3 ) 보관 장치는 청결하고 빛과 온도가 적당하여야 하며, 환기가 잘되어야 한다. 4 ) 실험동물에게 충분한 먹이와 물을 규칙적으로 공급한다. 238 5 . 일부 식물은 독성을 가지거나 가시가 있어 위험할 수 있다. 교사의 지시가 없는 경우 맛을 보지 않으며, 식물로 장난을 치지 않도록 한다. 6 . 뿌리가 없는 식물은 비닐봉지에 넣어서 냉장실 또는 서늘한 곳에 보관하여 시들지 않게 한다. 7 . 뿌리가 있는 식물을 보관할 경우 화분에 심고, 빛이 있는 곳에 두고 2 ~3 일 에 한 번 물을 적당히 준다. 8 . 알코올 등에 보관된 동물 표본이나 나프탈렌이 들어 있는 곳에 보관된 건조 표본을 사용할 경우 화학 약품으로부터 보호하기 위해 보안경, 실험복, 보 호 장갑을 착용한다. 유리 기구를 사용할 때의 주의 사항 1 . 일부 모서리가 깨지거나 금이 간 제품은 사용하지 않는다. 깨진 모서리에 상처를 입을 수 있으며, 금이 간 제품은 실험 중 깨질 수 있다. 2 . 깨끗한 유리 기구를 사용한다. 깨끗하지 않는 유리 기구는 다시 세척하여 건조한 후 사용한다. 3 . 유리관에 고무마개나 고무관을 끼울 때는 고무에 물을 살짝 바른다. 장갑이 나 헝겊으로 손을 보호하며 조심해서 끼운다. 무리한 힘을 가하지 말아야 한다. 4 . 깨진 유리 조각은 즉시 모아 버린다. 맨손으로 깨진 유리 조각을 만지지 않 도록 한다. 화기를 사용할 때의 주의 사항 1 . 지정된 장소에서만 사용한다. 2 . 불이 켜져 있을 때는 곁에서 항상 지켜본다. 3 . 화기 주변에 인화성 물질을 두지 않는다. 4 . 시험관 등을 집고 가열할 때나 뜨거운 기기를 다룰 때는 집게나 절연 장갑을 사용한다. 5 . 시험관에 든 물질을 가열할 때는 시험관의 입구가 사람을 향하지 않게 한다. 6 . 불꽃이나 열원 위로 손이 지나가지 않도록 주의한다. 부록 ● 239 화학 약품을 다룰 때 주의 사항 1 . 사용하는 화학 약품의 특성과 사용 시 주의 사항을 미리 알아 둔다. 2 . 화학 약품을 보관할 때는 모든 용기에 약품명과 구입 또는 제조 시기를 기재 하여야 하며, 라벨이 없는 화학 약품은 사용하지 않는다. 그림 2 안전 보호 장비 3 . 화학 약품은 특성에 알맞은 보관 장에 보관한다. 4 . 산, 염기, 발암 물질 등을 다룰 때는 보안경과 보호 장갑을 착용한다. 5 . 유해 가스나 미세 분말을 발생하는 화학 약품은 반드시 후드 안에서 사용 한다. 6 . 화학 약품은 지정된 장소에서만 사용하고, 바닥에 쏟거나 흘리지 않도록 주 의한다. 표 1 화학 물질의 유해성과 위험성을 나타내는 그림 문자 240 폭발성, 자기 반응성, 유기 과산화물 인화성, 물/자기 반응성, 자연 발화성, 자기 발열성, 유기 과산화물 급성 독성 호흡기 과민성, 발암성, 생식 독성, 특정 표적 장기 독성 수생 환경 유해성 금속 부식성, 피부 부식성, 심한 눈 손상성 참고: 실험 노트 사용법 1 . 실험 노트에 실험의 모든 과정과 결과를 기록한다. 이를 통해 무엇을 하였 는지를 추적할 수 있고, 다른 사람이 결과를 해석할 수 있다. 2 . 실험 노트는 제본된 노트를 사용한다. 3 . 모든 쪽에 일련번호를 기입한다. 4 . 기록할 때는 펜을 사용하며, 여유 있게 적는다. 5 . 수정할 때는 두 줄로 긋고 사인을 한 후, 위 또는 아래에 수정 사항을 적는 다. 이때 노트의 오른쪽 끝이나 맨 아래에 수정한 이유를 적는다. 6 . 실험 날짜와 제목을 기입한다. 7 . 야외 조사 시 사용한 야장이나 컴퓨터로 분석하여 출력한 것도 실험 노트에 오려 붙인다. 8 . 교사에게 정기적으로 실험 노트를 점검받는다. 그림 3 실험 노트 부록 ● 241 부록 4 _ 안전사고 대처 요령 전기 기구의 고장을 발견하거나 위험을 느꼈을 때 유리 기구가 깨진 경우 즉시 선생님이나 주변 학생들에게 알린다. 위험 발견! 쨍그랑 상태가 이상해요! 신고 선생님 학생 다른 학생이 감전되었을 경우 전원을 내리고 재빨리 전기 기구와 분리시키며 119에 신고한다. F 전원 OF 상처가 났을 때 피가 나면 누른다 전기 기구 분리 감전 사고 발생 신고 감전으로 학생의 의식이 없을 경우 안전한 바닥에 눕히고 119 구급대가 도착할 때까지 심폐 소생술을 실시한다. 어지러움을 느끼면 옷을 느슨하게 러워 어지 하나 둘 화재가 발생할 경우 화상을 입었을 경우 “불이야!”라고 외쳐 선생님과 다른 학생들에게 상황을 알리고, 젖은 걸레나 실험복 등으로 덮어서 끈다. 차가운 물로 씻고 열기를 식힌 후 즉시 선생님께 상황을 알리고 의사의 진료를 받는다. 신고 선생님 학생 불이야! 신고 의사 선생님 큰불이 났을 경우 불이야 소화기로 불을 끄며 화재경보기를 울리고 119에 신고한다. ! 대피 학생 학생 학생 242 불이야! 화재가 클 경우 몸을 낮추고 학생 옷에 불이 붙으면 몸을 낮춘 상태에서 수 건 등으로 코와 입을 막 고 비상 대피로를 통해 밖으로 나간다. 물에 젖은 실험복으로 덮어서 불을 끈다. 덮는다 액체 질소에 노출되었을 때 강한 산이나 알칼리성 물질이 피부나 옷에 묻었을 경우 동상 부위가 덧나지 않도록 조심하고 상처 부위를 문지르지 않으며, 보건실이나 병원에 가서 치료를 받는다. 지 문지르 요 마세 고무장갑을 낀 상태에서 묻은 독극물을 제거해야 하며 가루는 떨어낸 후 씻어야 한다. 눈에 용액이 튀면 눈 세척기나 흐르는 수돗물에 충분히 씻고 피부에 시약이 닿았을 경우 흐르는 물에 씻는다. 동물에 물려 발생한 상처는 비눗물로 흐르는 물에 깨끗이 씻고 액체의 경우 다량의 흐르는 물로 깨끗이 씻어 내고 의사의 진료를 받도록 한다. 간다 특정한 식물에 알레르기가 있는 경우 의사의 진료를 받도록 조치한다. 실험 전에 선생님께 알리고 알레르기에 의한 반응이 나타나면 감염성 병원체에 노출되었을 경우 선생님과 다른 학생들에게 상황을 알리고 들어 감염된 물체를 더 만지지 않고 흐르는 물에 손을 깨 끗이 씻고 잘 건조시킨다. 레이저나 태양 등의 강한 광원에 노출되었을 때 시야가 흐리다거나 통증이 있을 경우 실험실 밖으로 나가 치료를 받는다. 선생님 학생 병 원 즉시 병원으로 가서 치료해야 한다. 지 문지르 요 마세 유독한 화학 약품 냄새를 맡은 경우 눈에 강한 빛이 들어간 후 눈에 통증이 있을 경우 실험실 밖으로 옮기고 옷을 느슨하게 하여 신선한 공기를 마시도록 한다. 병 원 신선한 공기 신선한 공기 병원에 도착하기 전까지 양쪽 눈을 모두 감고 절대 눈을 움직이지 않아야 한다. 출처 : 「실험 안전 매뉴얼」 중등(교육부, 한국과학창의재단) 부록 ● 243 46p 오징어의 해부 순서 유상근(2014). 생명과학 실험Ⅱ. 서울과학고등학교. 47p 모래 색깔을 흉내 내는 샌프란시스코 오징어(Loligo opalescens) https://pt.wikipedia.org/wiki/Loligo_opalescens 63p 전자를 얻어 환원되는 정도에 따른 DPIP의 색깔 변화 유(NC state University)http://projects.ncsu.edu/project/bio183de/Lab/photosynthesis_ lab/photosynthesis3.html 78p 도비라 사진 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8d/Sunflower_Field_near_Raichur%2C_India.jpg 80p 올빼미의 야간 사냥 https://pixabay.com/ko/%EC%98%AC%EB%B9%BC%EB%AF%B8-%EB%A7%88%EC%9A%B0%EC%8A%A4%EC%82%AC%EB%83%A5-%EB%B0%A4-%EC%9E%90%EC%97%B0-%EC%82%AC%EB%83%A5%EA%BE%BC-%EC%9C%A1%EC%8B%9D-%EB%8F%99%EB%AC%BC-517497/ 106p 꽃가루관의 발아 (경남교수학습지원센터)https://www.gnedu.net/kemLecture/ajaxKemDataList.do?clas_div_type=3&lvl1_clas_cd=3&lvl2_ clas_cd=3&lvl3_clas_cd=SCI3001&lvl4_clas_cd=10&lvl6_clas_cd=1&lvl8_clas_cd=1 109p 다양한 꽃가루의 전자 현미경 사진 https://en.wikipedia.org/wiki/Pollen#/media/File:Misc_pollen_colorized.jpg 116p 황제펭귄 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Falkland_Islands_Penguins_40.jpg 116p 유전자 녹아웃 생쥐와 정상생쥐 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Knockout_Mice5006-300.jpg 121p FISHing을 통해 각기 다른 형광 표지로 염색된 염색체 Jochen B Geigl, Sabine Uhrig & Michael R Speicher. 2006. Multiplex-fluorescence in situ hybridization for chromosome karyotyping. Nature Protocols 1, 1172–1184. 147p 족적의 비교 https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%91%CF%81%CF%87%CE%B5%CE%AF%CE%BF:%CE%A0%CE%B5%CE%BB% CE%BC%CE%B1%CF%84%CE%BF%CE%B3%CF%81%CE%AC%CF%86%CE%B7%CE%BC%CE%B1_%CE%BC%CE%B5%CE% BB%CE%AC%CE%BD%CE%B7%CF%82.JPG 154p 낫 모양 적혈구 http://biophilosophy.tistory.com/entry/%EB%82%98%EC%81%9C-%EC%9C%A0%EC%A0%84%EC%9E%90%EA %B0%80-%EC%9E%88%EB%8A%94%EA%B0%8020006 157p 말라리아 열대열 원충(Plasmodium falciparum)에 감염된 적혈구 https://pixnio.com/science/microscopy-images/malaria-plasmodium/ micrograph-depicts-a-number-of-ring-form-plasmodium-falciparum-trophozoites 158p 도비라 사진 물푸레생태교육센터. 177p 반달둠벙에서의 먹이 그물 DMZ 생태연구소. 181p 혈구 계수기와 단위 면적별 부피 http://brachymystax.blogspot.kr/2010/03/hemocytometer.html 192p 물수리 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Osprey_57.jpg 196p 도비라 사진 https://pixabay.com/ko/photos/biotechnology/ 197p HeLa 세포 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/21/HeLa-II.jpg 197p 식물 조직배양 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Plant_Tissue_Culture_Lab_-_Atlanta_Botanical_Garden.JPG 217p 해파리 https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2008/illpres.html 228p~236p 부록 1_토양 무척추동물 검색표 日本産土壌動物検索図説. 238p~239p 부록 2_연못 생물 검색표 Key to Life in the Pond(http://watermonitoring.uwex.edu/pdf/level1/pondkey.pdf) 244p~245p 부록 4_안전사고 대처 요령 「실험 안전 매뉴얼」 중등(교육부, 한국과학창의재단). 244 집필진 김재근(서울대학교)* 김학현(반포고등학교) 박미아(서울과학고등학교) 정효철(신도고등학교) * 표시는 집필 책임자임 인정 도서 심의회 김영신(경북대학교)* 이윤호(대구일과학고등학교) 조민호(영남고등학교) 정수연(청구고등학교) 정원준(창원과학고등학교) 김현자(경북여자고등학교) * 표시는 심의회 위원장임 심의 기관 대구광역시교육청 감수 기관 한국교원대학교 편찬 기관 (재)한국교과서연구재단 편집 디자인 기관 (주)지엔피링크 고등학교 생명과학 실험 | 교육부의 위임을 받아 대구광역시교육청에서 인정 하였음. 지은이 김재근 외 3인 2018. 3. 1. 초판 발행 발행인 대구광역시교육감 2022. 3. 1. 5쇄 발행 인쇄인 정가 원 이 교과서의 본문 용지는 우수 재활용 제품 인증을 받은 재활용 종이를 사용했습니다. 교과서에 대한 문의사항이나 의견이 있는 분은 교육부와 한국교과서연구재단이 운영하는 교과서민원바로처리센터 (전화: 1566-8572, 웹사이트: http://www.textbook114.com 또는 http://www.교과서114.com)에 문의하여 주시기 바랍니다. 이 도서에 게재된 저작물에 대한 보상금은 문화체육관광부 장관이 정하는 기준에 의거 사단법인 한국문학예술저작권협회(전화: 02-2608-2800, www.kolaa.kr)에서 저작재산권자에게 지급합니다. •내용관련문의 대구광역시교육청 주소 대구광역시 수성구 수성로76길 11 / 전화 053)231-0000 •공 급 업 무 사단법인 한국검인정교과서협회 (10881)경기도 파주시 문발로 439-1(신촌동 734-1) •개별구입문의 홈페이지 주소 www.ktbook.com / 전화 031)956-8581~4 사단법인 한국검인정교과서협회 •ISBN 979-11-85349-40-4 53470

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