일반생물학 및 실험 (1) 양파표피세포 및 혈액세포삼투압 실험 보고서

실험제목 및 날짜

2023년 5월 11일 일반생물학 및 실험 (1) 실험 수업 중 실험한 ‘현미경을 사용한 양파표피세포 및 혈액세포의 삼투현상 관찰 실험’ 에 대한 보고서입니다

 

서론

세포는 생물의 기본단위입니다. 즉 바이러스를 제외한 모든 생물은 세포로 이루어져 있습니다. 모든 세포는 인지질 이중층으로 된 원형질막으로 둘러싸여 있는데, 이러한 세포막은 세포의 생명활동에 필수적인 다양한 활동을 담당합니다. 세포막에 존재하는 다양한 단백질로부터 분자들이 합성되며, 세포 외부로부터의 신호를 인식하고, 세포의 모양을 구성하며, 세포의 내부와 외부를 구분해주는 역할을 합니다. 또한 세포막을 통하여 물질의 출입이 일어나는데 필요한 영양소는 흡수하고 노폐물은 다시 방출합니다. 원형질막은 유동 모자이크 모델로 설명되는데 물질의 통과에 대하여 매우 선택적인 특성을 보입니다. 다시말해, 원형질막의 투과성은 특정 물질에 대하여 투과성이 더 높은 선택적 투과성을 보입니다.

 

세포막은 인지질 이중층으로 구성되어 있는데 인지질의 꼬리 부분은 소수성을 띠어 꼬리들 끼리 서로 맞대어 있으며 인지질 머리 부분은 친수성을 띠어 체액에 접해 있습니다. 이러한 특성에 의해 소수성 물질들은 원형질막 통과가 비교적 자유로운 반면에 친수성 물질, 극성을 띠는 물질, 전하를 띠는 물질들은 원형질막의 통과가 비교적 제약적입니다.

 

 

극성을 띠는 이온들이 가장 세포막을 통과하기 어렵습니다. 이들은 단백질 통로를 통한 능동수송 또는 수동수송을 통해 원형질막을 통과합니다. 다음으로 포도당과 설탕과 같은 거대분자들이 원형질막을 잘 통과하지 못합니다. 이들은 극성을 띠고 있습니다. 다음으로, 거대분자들보다 크기가 작은 물 또는 글리세롤과 같은 분자들은 거대분자들보다 비교적 원형질막 통과가 자유롭습니다. 마지막으로 산소, 이산화탄소, 지질의 일종인 스테로이드, 호르몬 등과 같은 소수성 물질들은 자유롭게 원형질막의 투과가 가능합니다.

 

 

 

삼투현상(osmosis)

 

삼투현상은 물의 이동으로 설명됩니다. 삼투막은 반투과성 선택적 막으로 물 분자는 통과시키지만 용매는 통과시키지 않습니다. 이때 확산의 원리에 의해서 물 분자는 농도가 낮은 곳에서 농도가 높은 곳으로 이동하게 되는데 막으로 분리된 두 공간의 수용액의 농도가 같아지면 물 분자의 두 공간 사이의 물 분자의 이동이 동일해지게 됩니다. 이때 물 분자가 더 이상 이동하지 않는 것처럼 보이는데 이때의 상태를 평행 상태라고 합니다.

 

세포막은 삼투막의 일종으로 물은 통과시키지만 물속에 녹아있는 용질, 특히 전해질은 통과시키지 않습니다. 세포는 이러한 반투과성 세포막의 성질로 인해 세포내액보다 높은 농도, 같은 농도, 낮은 농도 환경에 따라 다른 양상이 관찰됩니다. 또한 동물 세포와 식물세포의 뚜렷한 차이는 세포벽의 유무인데 이로 인해 동물 세포와 식물세포는 각각 서로 다른 삼투현상을 보입니다.

 

 

등장액, 저장액, 고장액 환경

세포내액의 농도와 세포 외부의 농도 차이에 따른 환경을 등장이라고 합니다. 이때 세포는 서로 다른 농도의 등장 환경에 따라 다른 양상을 보이게 됩니다. 등장은 3가지로 세분할 수 있습니다.

 

1. 저장액: 세포 외부의 농도가 세포내액의 농도보다 낮습니다. 따라서 삼투 현상에 의해 세포 외부로 물이 빠져나갑니다

 

2. 등장액: 세포 외부의 농도와 세포내액의 농도가 같습니다. 따라서 평형상태가 이루어져 세포로 유입되는 물과 세포 밖으로 배출되는 물의 양이 같아져 물의 이동이 중지된 것처럼 보입니다.

 

3. 고장액: 세포 외부의 농도가 세포의 내부 체액 농도보다 더 높은 환경입니다. 따라서 세포 외부로 물이 배출되게 됩니다.

 

동물 세포는 세포벽이 없기 때문에 저장액 상태에 놓이면 세포 내부로 과도하게 물이 들어와 세포가 터져버리게 됩니다. 적혈구 세포의 등장액 환경은 약 1%의 소금물인데 이보다 낮은 농도의 저장액 환경에 처하게 되면 세포에 과도하게 물이 유입되어 세포가 파괴됩니다. 이러한 현상을 용혈현상이라고 합니다. 이와 반대로 고장액 환경에 처하게 되면 세포 내부의 물이 빠져나가 세포가 쭈글쭈글해지게 됩니다.

 

식물세포는 세포벽이 존재합니다. 따라서 저장액 환경에서 세포벽이 터지는 것을 방지합니다. 이때 세포벽 안쪽의 세포막에 물이 가득 차서 팽팽해지게 되는데 이것을 팽만 또는 팽윤 상태라고 합니다. 팽윤한 상태의 식물세포는 매우 건강한 상태입니다. 한편 식물세포가 고장액 환경에 처해지게 되면 세포 내부의 물이 바깥으로 빠지게 되는데 이때 세포벽 내부의 원형질막이 쪼그라들게 되고 세포벽과 떨어져 버립니다. 이러한 상태를 원형질 분리 상태라고 합니다. 원형질은 쪼그라들었지만 세포벽이 존재하기 때문에 동물 세포와 같이 세포 자체가 파괴되지는 않습니다. 원형질이 분리된 세포는 정상적인 생명활동과 생장이 불가능합니다.

 

 

실험목적

 

저장액, 등장액, 고장액 환경에 처한 식물세포와 동물세포를 현미경으로 관찰하고 각각의 환경에서의 형태의 차이를 관찰합니다. 한편, 식물세포와 동물세포 사이의 차이를 관찰합니다.

 

 

실험결과 (그래프, 표, 사진 등)

 

 

discussion

실험결과분석

 

-#1 관찰결과, 등장액 환경에서 적혈구 세포의 모양 변화는 관찰되지 않았습니다. 모든 적혈구들이 형태가 변형되지 않은 채 동그란 모양을 유지하고 있습니다. 세포 내부로 유입되는 물과 세포 외부로 유출되는 물의 양이 같아서 세포의 물질 출입이 일어나지 않는 것처럼 보입니다.

 

-#2 적혈구 세포를 3% 소금물에 넣어서 고장액 환경을 만들었습니다. 세포 밖으로 물이 빠져나가 세포가 쭈글쭈글해진 것이 관찰되었습니다. 둥근 모양을 유지하지 못하고 변형된 모습이 관찰되었습니다.

 

-#3 적혈구 세포를 증류수에 넣어 저장액 환경을 만들었습니다. 적혈구 세포의 모습이 관찰되지 않는 것으로 보아 삼투 현상에 의해 적혈구 세포 내로 물이 과도하게 들어와 적혈구 세포가 파괴된 것으로 사료됩니다.

 

-#4, #5 양파 세포를 각각 10% 소금물, 증류수 환경에 집어넣어 형태 및 구조 변화를 관찰하였습니다. 10% 소금물은 고장액 환경, 증류수는 저장액 환경으로 고장액 환경의 양파세포는 세포벽이 직선적으로 보이는 반면에 증류수의 양파세포는 세포 내부로 물이 유입되어 고장액 환경보다 세포벽이 비교적 통통하고 완만해진 것이 관찰되었습니다.

 

 

기타

 

-동물 세포의 경우 모양 변화가 뚜렷하여 관찰이 용이하였으나 식물세포의 경우 원형질막을 현미경으로 식별하기 어려워 실험자의 해석 및 견해가 추가되었습니다.

 

-식물세포로 양파 표피세포를 사용하였습니다. 이때 백 양파를 사용하였는데 적 양파를 사용할 경우, 색소체가 들어있는 원형질막이 변화하여 더욱 확실한 식별이 가능할 것으로 사료되었습니다. 다른 방법으로 백 양파 세포를 염색한 후 관찰하는 방법을 고려할 수 있습니다.

 

-적혈구 세포의 경우, 고장액 환경으로 3% 소금물을 사용하였는데 이는 실험에 적절한 고장액 환경이라고 판단하였습니다. 3% 이상의 소금물을 사용하면 삼투 현상이 더욱 빠르게 진행되어 관찰에 제약이 있을 것이라 사료되었습니다.

 

-실험 중 란셋으로 채혈을 진행하였는데 한번 사용한 란셋은 다시 사용되지 않도록, 또한 다른 실험자가 사용하지 않도록 각별한 주의를 요해야 한다고 판단하였습니다.

 

-슬라이드 글라스에 각각의 농도의 소금물을 적정할 때 서로 다른 용액이 섞이지 않도록 적절한 양을 적정해야 한다고 생각하였습니다.

 

-양파 세포의 경우, 정확한 관찰을 위해 표본의 두께를 10 마이크로미터의 두께로 잘라야 한다고 생각하였습니다.

 

 

실험 재료 및 실험기구

 

0%, 0.9% 3%, 10% 염화나트륨 용액 onion, razor blade, 광학 현미경, 슬라이드 글라스, 커버글라스, 스포이드 또는 파이펫, 테스트 튜브, DW, 70% 알콜, paper filter, 혈액 추출용 렌셋

 

세부 실험 진행 과정

1. 실험에 필요한 준비물, 재료 및 기구를 확인합니다. 슬라이드 글라스 뒷면에 적정할 소금물의 농도를 각각 써줍니다.

 

 

2. 슬라이드 글라스에 서로 다른 농도의 소금물을 각각 적정합니다.

 

 

3. 커버 글라스를 덮고 현미경으로 각각의 등장 환경에서의 세포 변화를 관찰합니다. 

 

 

4. 위와 동일한 방법으로 10% 소금물과 증류수를 슬라이드 글라스에 적정한 후 양파세포를 올려놓아 커버글라스를 덮고 현미경으로 관찰합니다.

 

Further study

 

1-1, 토마토에 일주일간 물을 주지 않았을 때의 변화를 예측하고 설명할 것

 

- 토마토에 일주일간 물을 주지 않을 경우, 토마토 식물 내에 있는 물은 시간이 지남에 따라 고갈됩니다. 물은 이산화탄소와 함께 광합성에 필요한 물질이기 때문에 충분한 공급이 이루어져야 합니다. 또한, 잎이 태양으로부터 빛 에너지를 받으면 잎 속의 물이 기공을 통하여 증발하게 됩니다. 이때, 식물 세포내 환경은 고장액 상태와 비슷한 환경이 됩니다. 식물 세포 내의 물이 부족하여 원형질막 분리가 일어나게 되어 식물은 죽게 됩니다. 원형질 막이 분리되어도 식물 세포는 세포벽이 존재하기 때문에 세포의 구조는 유지하게 됩니다.

 

1-2, 토마토에 권장 비료량의 100배의 비료를 주었다. 이때의 변화를 예측하고 설명할 것

 

- 토마토에게 권장량의 100배의 비료는 고장액 환경입니다. 따라서 삼투 현상에 의해 토마토 내부의 물이 토마토 외부, 즉 고농도의 비료로 빠져나가게 됩니다. 비료는 토양에 주기 때문에 토양의 농도는 토마토 내부 농도보다 높아지게 됩니다. 이때 토양과 맞닿아 있는 뿌리로부터 물이 빠져나가기 시작합니다. 뿌리의 물이 유출됨에 따라 물의 응집성으로 인해 줄기와 잎, 과실의 물도 뿌리쪽으로 이동하여 토양으로 배출되기 시작할 것입니다. 이때 토마토의 과실, 잎, 줄기의 원형질은 분리되어 세포벽으로부터 분리될 것입니다. 하지만 세포벽이 존재하기 때문에 세포 구조의 파괴는 관찰되지 않을 것으로 예측하였습니다

 

2-1, 바닷물고기와 민물고기는 각각 고장액, 저장액 환경에서 산다. 이러한 환경에 적응하는 방법을 설명할 것

 

-바닷물고기는 짠물, 즉 고장액 환경에서 서식하고, 민물고기는 맹물, 즉 저장액 환경에서 서식합니다. 이때 바닷물고기는 고장액 환경에서 체외로 수분이 배출되어 쭈글쭈글해지지 않습니다. 이러한 고장액 환경을 견디는 원리는 외부로 유출되는 수분을 바닷물로 보충하고 아가미의 염분 배출 세포로 염분을 배출하는 것입니다.

 

-민물고기의 경우, 바닷물고기와 반대의 환경에 놓입니다. 즉, 물고기의 외부 환경이 물고기 체내보다 더 농도가 낮은 저장액 상태이기 때문에 물고기의 몸 안으로 물이 들어와 이론상으로는 물고기의 몸이 앞서 실험한 적혈구 세포와 같이 부풀어 오르다가 터질 것입니다. 이러한 일이 발생하지 않는 이유는 민물고기의 콩팥의 고유한 기능입니다. 민물고기는 콩팥에서 염분을 다시 흡수하여 염분의 유출을 막고 체내로 들어온 물을 다량의 묽은 오줌으로 배설하여 체내의 물량을 조절합니다.