짚신벌레의 생명활동

실험 Ⅲ. 짚신벌레의 생명활동

(1) 실험방법

① 짚신벌레 배양액을 만든다.

② 점성의 2% 메틸셀룰로오스 용액을 끝이 뾰족한 스포이트나 이쑤시게로 묻혀서 슬라이드글라스 위에 그림과 같이 1cm 정도의 원을 그린다. 이때 원의 크기가 커버글라스보다 크지 않도록 한다. 이렇게 만든 슬라이드글라스를 4~5 장 준비한다.

③ 짚신벌레 배양액 수면 부분을 스포이트로 떠서 그 원모양의 안쪽에 떨어뜨린다.(짚신벌레는 음성주지성을 보인다.)

④ 커버 글라스를 덮고 저배율에서 관찰한 후 메틸셀룰로오스 용액이 확산되고 수분이 증발됨에 따라 움직임이 느려지면 고배율에서 관찰한다. (이때 광원의 세기를 잘 조정하여야 구조가 잘 보이고, 짚신벌레가 움직이면 이동대와 미동조절나사로 조절하면서 관찰하는 것이 필요하다.)

⑤ 새로운 슬라이드글라스에 위의 3) 과정 후 메틸렌블루 용액이나 아세트산카민 용액을 한 방울 떨어뜨린 후 1분 정도 두었다가 커버글라스를 덮고 염색된 부분을 찾아보자.

⑥ 4장의 새로운 슬라이드글라스에 위의 3) 과정 후 0.25에서 0.50, 0.75, 1.00%의 소금물을 각각 한 방울씩 떨어뜨려 커버글라스를 덮고 400배로 관찰하여 수축포의 수축횟수를 기록하여 비교한다.

⑦ 짚신벌레의 운동 관찰

ⅰ) 새로운 슬라이드글라스에 위의 2) 과정 후 탈지면을 아주 조금 뜯어 몇가닥의 섬유를 넓게 펴서 놓고 짚신벌레 배양액을 떨어뜨리고 짚신벌레가 움직이는 모양을 관찰한다.

ⅱ) 새로운 슬라이드글라스에 위의 3) 과정 후 그 위에 카민 용액(물50mL에 카민 0.1g정도)을 소량 넣은 후 커버 글라스를 덮고 고배율에서 짚신벌레 표면의 섬모운동을 관찰한다. 이때 표면을 따라 움직이는 카민 입자의 움직임을 자세히 관찰한다.

⑧ 짚신벌레의 섭식과 식포 관찰

ⅰ) 실험전에 50mL의 물에 효모를 약 20g을 풀고 24시간 놓아 둔다. 이 혼합액을 가열하여 거의 끓을 정도에서 8분간 두었다가 여기에 1g의 콩고 레드 가루를 넣는다. 이때 너무 고온으로 끓이면 효모균이 파괴되므로 주의해야 한다.

ⅱ) 새로운 슬라이드글라스에 위의 2) 과정 후 슬라이드글라스에 짚신벌레 배양액을 떨어뜨리고, 미리 준비하여 식힌 효모 현탁액을 한 방울 넣는다.

ⅲ) 커버글라스를 덮고 짚신벌레 내부의 식포의 형성과 색깔 변화를 고배율로 관찰해 보자.

 (2) 결과 및 고찰

① 관찰한 짚신벌레의 형태를 스케치하고 여러 기관의 명칭을 써보자.

 ② 염색된 핵을 관찰할 수 있는가? 또 핵은 몇 개인가?

 ③ 분열하는 짚신벌레를 관찰할 수 있는가? 분열하는 모양을 스케치해보자. 또, 접합하고 있는 짚신벌레를 찾을 수 있는가?

 ④ 수축포의 수축운동에 대하여 설명하고, 1분 동안 몇 번 수축하는가? 수축포의 기능을 간단히 설명해보시오.

 ⑤ 메틸셀룰로오스가 짚신벌레의 운동에 어떤 영향을 미칠 것으로 예상되는가?

 ⑥ 짚신벌레는 앞뒤의 구별이 있는가? 또, 짚신벌레가 전진할 때와 장애물에 닿았을 때 움직이는 모양을 설명해보자.

 ⑦ 짚신벌레의 섬모는 어떤 방식으로 움직이는가? 섬모의 기능은 무엇이겠는가?

 ⑧ 효모 현탁액 속의 효모세포는 무슨 색인가?

 ⑨ 짚신벌레가 효모를 어느 부위를 통해 섭취하는가?

 ⑩ 식포를 관찰할 수 있는가? 식포는 어디에서 생기는가? 식포의 기능은 무엇인가?

 ⑪ 처음의 식포 색깔은 무슨색인가? 관찰하는동안 식포의 색은 어떻게 변했는가? 식포의 색이 변한 이유를 설명해보자.

 ⑫ 짚신벌레에서 찾을 수 있는 무생물과 구분할 수 있는 생명체의 특성을 말해보자.

참고자료

(1) 세포막을 통한 물질이동

세포가 생활하기 위해서는 외부로부터 여러 가지 물질이 끊임없이 들어와야 한다. 물질이 세포 내로 들어오는 것은 확산(diffusion), 삼투(osmosis), 능동수송(active transport)등에 의한다. 기체나 액체 분자의 운동은 방향성은 없지만, 분자의 평균 자유에너지가 다르거나 또는 평균 자유에너지가 같은 분자일지라도 농도가 다를 때에는 자유에너지의 낙차, 즉 확산압(diffusion pressure)이 생긴다. 따라서 물질분자는 서로 충돌하면서 자유에너지가 높은 곳에서 낮은곳으로 이동하여 균등한 분포 즉 평형상태로 된다. 이때 물질 분자가 확산압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 현상을 확산이라고 한다.

반투성막(semipermeable membrane)을 경계로 하여 용질의 농도가 다른 두 용액이 접하고 있을 때, 용매는 용질의 농도가 높은 쪽으로 막을 투과하여 확산되는데 이 현상을 삼투라고 한다. 1M의 설탕용액을 셀로판지와 같은 반투성막을 경계로 하여 증류수와 접촉시키면 용매인 물분자는 반투성막을 자유롭게 통과하여 설탕용액 쪽의 물 높이가 높아진다. 그러나 일정시간이 지나면 설탕용액 쪽의 물높이는 더 이상 올라가지 않고 정지한다. 이는 물분자가 설탕용액으로 들어가려는 힘과 높아진 물 높이 만큼의 용액이 내려 누르는 압력과 같기 때문이다. 이때 물이 들어가려는 힘을 삼투압(osmotic pressure)이라고 한다.

세포와 환경사이의 물질이동은 확산이나 삼투에 의해서만 일어나지 않으며 흔히 세포내 농도에 역행하여 물질이 이동되는 것을 볼 수 있다. 이런 현상은 단순한 확산이나 삼투현상만으로는 설명할 수가 없으며 농도에 역행하는 물질의 이동은 에너지를 이용함으로써만 가능한 것이다. 이와 같이 살아있는 세포가 에너지를 사용하여 농도에 역행하는 물질흡수를 능동수송(active transport)이라고 한다.

 (2) 삼투현상

삼투란 용매인 물이 고농도에서 저농도 방향으로 세포막을 통과하는 현상을 말한다. 물은 크기가 매우 작은 분자로 세포막을 자유로이 통과할 수 있다. 다음으로 물의 농도를 비교해 보겠다. 0.1M 설탕용액과 0.2M 설탕용액을 비교해 보면 설탕을 농도는 후자가 전자에 비해 2배 높지만 물의 농도(정확하게 활동도)는 전자가 후자보다 높다고 말할 수 있다. 또한 용질인 설탕은 극성 분자이기 때문에 막을 잘 통과하지 못한다. 그래서 물만이 삼투에 의해 0.1M 설탕물에서 0.2M 설탕물로 이동한다. 만약 세포질 내의 용질의 농도가 0.1M이고 주위의 용액의 농도가 0.2M이라면 물은 삼투에 의해 세포 밖으로 나갈 것이며 거꾸로 세포질 내의 용질의 농도가 0.2M이고 주위 용액의 농도가 0.1M이라면 물은 삼투에 의해 세포 안으로 이동한다. 동물세포는 세포벽이 없기 때문에 삼투에 의해 물을 잃으면 세포 모양이 쭈글어 든다. 반면 삼투에 의해 물이 세포 안으로 이동하면 팽팽하게 부피가 늘어나다가 한계를 넘으면 터져 버린다. 반면 식물세포들은 세포벽이 있기 때문에 물이 아무리 세포 안으로 들어가도 세포가 터지는 일은 없고 대신 세포질이 세포벽을 안에서 미는 힘인 팽압(turgor pressure)이 발달한다. 또한 식물세포가 수분을 잃어버리면 세포벽과 세포막이 분리되는 현상이 나타나는데 이를 원형질 분리(plasmolysis)라 한다. 식물세포를 여러 가지 농도의 설탕용액에 넣고 이중 약 50%의 세포가 원형질 분리를 보일 때 세포질과 주위 설탕용액의 용질 농도는 등장액이라 말한다. 이와 같은 방법으로 식물세포 세포질의 용질 농도를 구한다.

① 일상 생활에서 삼투 현상을 적용하는 사례

주사액으로 사용하는 링거액이나 콘택트 렌즈 세척에 사용하는 생리 식염수가 등장액이다. 그리고 식품을 장기 저장할 때 설탕이나 소금을 많이 넣는데, 이것은 미생물이 고장액에서 생명 활동을 유지할 수 없게 하기 위해서이다.

② 삼투압의 정의

반투과성 막을 경계로 양쪽에 농도가 다른 용액을 넣으면 삼투에 의해 저농도의 수면은 낮아지고 고농도 용액의 수면은 높아진다. 이 때의 수면의 상승을 막는 데 필요한 최소한의 압력을 그 용액의 삼투압이라 한다.

③ 삼투압의 계산식

P = icRT(P : 삼투압, i = 전해질의 전리도, c = 용질의 몰농도, R = 기체상수, T = 절대온도)

④ 삼투현상의 오개념

삼투 현상에 대해서는 많은 학생들이 잘못 이해하고 있는 것으로 알려져 있다. 삼투를 확산의 한 예로 이해하기보다는 서로 반대되는 현상으로 이해한다. 즉, 확산은 고농도에서 저농도로 이동하는 현상이고, 삼투는 저농도에서 고농도로 이동하는 현상으로 암기하는 경우이다. 이때 세포막을 통해 이동하는 것은 용질이 아니라 용매임을 명확히 하고, 이동하는 용매 분자를 기준으로 할 때에는 항상 고농도에서 저농도로 이동함을 이해하여야 한다.

 (3) 선택적 투과성

살아있는 세포의 세포질 조성은 주위와 판이하게 다르다. 이는 세포막의 선택적 투과성 (selective permeability)이라는 성질 때문이다. 즉, 세포막은 어떠한 물질은 통과시키나 다른 물질들은 통과시키지 않는데, 이와 같은 막의 성질을 ‘반투과성’(semipermeability)이라 한다. 그러면 과연 물질의 어떠한 성질이 막의 투과성을 결정할까? 또한 막을 투과하는 속도는 어떻게 다를까? 다시 말하면, 어떠한 성질을 갖는 물질은 세포막을 잘 통과하고 어떠한 성질은 갖는 물질들은 세포막을 잘 통과하지 못할까? 가장 중요한 결정 인자는 지질에 녹는 정도이다. 지질에 잘 녹는 지용성물질 (예로, 콜레스테롤이나 포화탄화수소)은 세포막을 잘 통과하나 물에 녹는 수용성물질들은 통과하지 못한다. 두 번째 인자는 물질의 크기이다. 일반적으로 다른 조건들이 같다면 조그만 크기의 물질들이 더 빨리 막을 통과한다. 그러나 크기보다는 지질용해도가 더 중요한 결정 요소이다. 세 번째 인자는 물질이 전하를 띠고 있는지 여부이다.

 (4) 짚신벌레

짚신벌레(paramecium)는 원생동물문(Protozoa) 중 섬모강(Cilliata)에 속하는 단세포생물로 담수에 살며, 분열과 접합으로 생식한다. 하나의 세포로 이루어져 있는 단순한 구조의 생명체이지만 자세하게 관찰해보면 다양한 생명의 특성이 나타나고 있음을 알 수 있다. 몸 안에는 각각 분화된 작용을 하는 세포기관(organells)으로 배설과 삼투압 조절작용에 관여하는 수축포, 먹이의 섭취 소화 흡수에 관여하는 식포, 생식과 세포의 생활작용으로 조절하는 기능을 가진 소핵과 대핵, 운동기관으로 섬모를 가지고 있다.

종류로는 P. aurelia, P. bursaria, P. caudatum 등이 있으며, 야외에서 쉽게 채집이 되며 이 중 P. caudatum이 대형으로 관찰하기에 편리하다.

짚신벌레

① 짚신벌레의 채집 및 분리

짚신벌레는 섬모충류의 하나로 주로 5~6월경 유기질로 오염된 곳에서 많이 발견된다. 특히 더러운 물이 괴어 있는 연못, 논, 물이 고인 작은 웅덩이 등에서 수서 식물이나 검불, 지푸라기 등과 함께 물을 떠온다. 채집한 물을 시험관에 넣어 가만히 두면 짚신벌레는 음성 주지성을 보이기 때문에 짚신벌레가 수면에 많이 모여든다. 이것을 스포이트로 빨아서 배양액에 넣어 배양한다.

② 짚신벌레 배양액

연못물이나 샘물 1L 정도를 끓이다가 곡식 낱알 또는 보리쌀 한 줌과 3cm 크기로 자른 볏짚 5~10g 정도를 함께 넣은 후 10분 정도 더 끓인다. 이것을 배양할 용기에 옮겨서 식힌 후, 1~2일간 실온에 놓아두었다가 배양액으로 사용한다. 이때 곡식 낱알을 너무 많이 넣으면 부패하기 쉬우므로 너무 진하지 않게 한다.

③ 짚신벌레의 주성

짚신벌레 배양액이 든 시험관을 세워 놓으면 중력 반대 방향의 위족에 모이고(= 음성 주지성), 은박지로 싸서 한 쪽에 작은 구멍을 뚫고 수평으로 놓고 빛을 비추면 작은 구멍이 있는 쪽으로 모인다(=양성 주광성). 약한 전류에서는 음극 쪽으로 모인다(=음성 주전성).

조상환

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