심화 생명과학

고등학교 서울특별시교육감 인정 2011. 8. 5 2011-190 생명과학 심화 심화 생명과학 심화 생명과학

심화 생명과학

머리말

이책의차례 11 14 24 31 38 42 48 57 60 71

91 100 104 113 125 135 149 154 159 164 168 174 179 184 188 195

이책의차례 211 214 218 228 234 240 251 257 262 272 277 291 300

306 312 321 337 345 349 353 363 368 370 384 394 413 432 434 439 447

세포와세포분열 01 02 세포세포분열

단원안내 크기가작은세균부터사람, 고래등에이르기까지생물체는세포라는기본단위로이루어져있으며, 세포는생명체의구조기능적기본단위를구성한다. 또한세포는분열하여세포수가늘게되는데이는생물체의수를늘리거나크기를크게하기도한다.

1. 세포 01. 생명의특성 02. 세포의구조 03. 원형질분리 갈릴레이가렌즈의원리를이용하여망원경을발명한이래, 인간이우주에대해인지할수있는영역이급속도로증가한것처럼레이우엔훅은현미경을통해그이전사람들이볼수없었던미세한세계를세상에소개하였으며보이지않는세계에대한탐험을시작할수있게하였다. 이후전자현미경의발달은생물에대한이해를폭발적으로증가시켰고생명현상의기본단위가되는세포에대한이해또한높였다. 이장에서는전체적인생명의특성을알아보고생물학연구의기본인현미경을이용하여세포를관찰하고세포가나타내는생명현상에대하여알아보자.

01 생명의특성 학 습 목 표 생명의특성을논리적으로설명할수있다. 생명체의구조기능상의기본단위는세포임을설명할수있다. 생명체를정의하기는쉽지않다. 학자들사이에도다양한의견이있지만생명체의가장큰특징중의하나는생명체의구조와기능을위한기본단위가세포라는점일것이다. 모든생명체는세포라는최소구성단위로조직화되어있다. 비슷한기능을가진세포들이모여서조직을이루며, 조직은다시기관계와같이복잡하지만정교하고조화로우며체계적인단계를거처한생명체를이룬다. 이처럼하위단계의구성성분이모여서상위단계를구성해나가는생명체는각단계마다새로운특성이출현한다. 이처럼생명체는매우복잡하지만그래도세포라는기본적인구조들이체계적으로조직화되어이루어졌다는것은분명하다. atom 분자 거대분자 기관계 세포기관 세포 기관 개체 조직 < 그림 Ⅰ- 1> 생명체는세포를최소구성단위로조직화되어있다 Ⅰ. 세포와세포분열 11

두번째, 생명의특성은생명체내에서는쉼없이물질의분해와합성이일어나고있다는점이다. 물질대사는바로이와같이생명을유지하는데필요한물질을합성하는동화작용이나이를분해하는이화작용과같은생명체내에서일어나는수천종류의화학반응을말한다. 살아있는생물은동화작용과이화작용같은물질대사를통해에너지를얻으며환경과상호작용한다. 세번째, 생명체는자신과닮은후손을만들어낼능력이있고이와같은생식을통해자신의유전정보인 DNA를후손에게전해준다. 즉생식과유전을한다. 세균이나아메바와같은단세포생물들은무성생식을통해, 다세포생물은유성생식을통해자신의유전자를후손에게물려준다. 네번째, 생명체는자극에반응할수있다. 빛, 온도, 중력, 소리, 접촉등의변화는생명체가반응하는주요한자극이다. 이런자극에반응하기위하여생명체는이들자극을감지해낼수있는감각기관이필요하다. 또한생명체는외부자극에대해체내환경을항상일정하게유지하려는성질을갖고있는데이를항상성이라고한다. 항상성을유지하기위해생명체는신경계나호르몬조절등과같은장치가발달되어있다. 다섯번째, 생명체는환경에적응하며진화한다. 생명체가변이를수반한후 < 그림 Ⅰ- 2> 생명체는자신과닮은자손을만들어낼능력이있다 < 그림 Ⅰ- 3> 생물체는자극에반응한다 12 심화생명과학

손을만들어낸다는것은생명체의주요특성중의하나이다. 변이가만들어지기때문에생명체는오랜세월이지나는동안자신이처한환경에보다더잘적응한생명체를탄생시킬수있다. 공업암화현상으로알려진후추나방은환경에대한적응의좋은예이다. 또한지금현재지상에존재하는수많은다양한생명체는원시생명체가탄생한직후공통조상으로부터오랜시간동안다양한환경에적응하여진화한결과이기도하다. 여섯번째, 생명체는발생과생장을한다. 생명체는물질대사로부터얻어지는에너지를이용하여물질을환경으로내보는것보다더많은것을받아들여그자신의구조를만드는데이용한다. 이런종류의활동을생장이라고한다. 특히다세포생명체는세포분열을통해세포수를늘리는방법으로생장하며, 하나의수정란이난할을거쳐세포분열을지속하면서기관을형성하고개체를이루는발생을거쳐하나의완전한생명체로발생한다. 분명한것은이런생명의특성은또한세포의활동에근거한다는점이다. 즉, 세포는생명유지에필요한모든활동을수행하는가장낮은단계이다. 가령세포분열을통해새로운세포를만들어내는것은단세포생물에있어서는생식의기초가되고다세포생물에있어서는생장과치유를의미한다. 또한커피잔을들어커피를마시는행동은신경세포와근육세포의활동에기인하며이때느끼는맛도역시신경세포와뇌세포의활동과밀접한관련이있다. 그러므로세포를아는것은생명체를아는기초가된다고할것이다. 토론하기살아있다는것은무엇을의미할까? 사람이나나무는살아있지만컴퓨터바이러스나오토바이는명확히살아있는생명체라고할수없을것이다. 살아있다는것과그렇지않은것을명확히구별할수있는지토론해보고만약나눌수있다면이들을구별하는근본특징이과연무엇일지생각해보자. Ⅰ. 세포와세포분열 13

02 세포의구조 학 습 목 표현미경각부분의명칭을알고그기능을설명할수있다. 마이크로미터를이용하여세포와세포소기관의크기를측정할수있다. 동 식물세포의프레파라트를제작하고현미경을사용하여관찰할수있다. 1670년대네덜란드의레이우엔훅 (Leeuwenhoek, A., 1602~1680) 은갈릴레이가망원경을만든렌즈의원리를이용하여아주간단한현미경을만들었다. 자신이만든현미경으로연못의물을관찰하던그는작은물방울속에서그자신이 Wee beasties 라고불렀던작은생명체가가득한것을발견했다. < 그림 Ⅰ- 4> 레이우엔훅의현미경유리를녹여만든렌즈를고정하여미생물을관찰하였다. 현미경이없었다면우리는미세세계에대한것을인지하지못했을것이며생물학또한발달하지못했을것이다. 과학기술이크게발전함에따라현미경의기술또한급속히발전하였고현재전자현미경으로원자수준까지관찰하는것이가능해졌다. 토론하기 < 그림 Ⅰ- 5> 훅이관찰한코르크의세포벽 세포설 1883년쉬반 (Schwann, T.) 은모든식물은세포로구성되어있다는슐라이덴의생각을한층더발전시킨세포설을통해모든생명체는세포를바탕으로한다고주장했다. 현재인간의과학문명은인지능력이따라가기어려울정도의속도로급속히발전하고있다. 이렇게될수있었던이유중하나는그이전까지인지하지못했던신호를받아들이고또그것을우리가알수있는신호로바꾸어주는새로운도구를계속만들어냈기때문이다. 사람의눈은가시광선의영역을받아들여이를뇌에서시각이라는정보로바꾸어준다. 전자현미경은가시광선이아니라전자빔을사용하여이미지를얻는다. 전자현미경보다해상도가더높은현미경을개발할수있을까? 만약현재개발되어있다면어떤원리를이용한것일지토론해보자. 영국의훅 (Hook, R.) 은자신이만든현미경을사용하여코르크조각을잘라관찰하였다. 그는코르크조각이마치죄수를가두는감옥 (cell) 과같은작은 구조물들로이루어진것을발견하고 cellulae, 즉작은방이라고불렀다. 사실그가발견한것은세포를둘러싼세포벽뿐이었지만, 그후이어지는생물학적발견으로모든생물이세포로이루어져있고세포가모든생물의구조적, 기능 14 심화생명과학

적기본단위임이밝혀졌다. 세포의관찰을통해우리는세포의구조와기능, 행동, 진화에대한이해를 할수있을것이다. 이는또한직간접적으로생명에대한신비를풀수있는 탐구활동 현미경사용법 현미경은아주기초적이면서생물학연구에필수적이다. 이번실험을통해올바른현미경사용법을익히고또한현미경으로확대한물체의실제길이가어떻게되는지마이크로미터를사용하여구해보자. 빛의양조절 살아있는세포는어둡게관찰하는것이좋다. 준비물 재료 : 현미경, 받침유리, 덮개유리, 이멀젼오일, 렌즈페이퍼, 영구프레파라트, 신문지, 마이크로미터 ( 접안, 대물 ) 방법및절차 실험 1) 현미경사용법 (1) 현미경을운반할때는한손은경주를잡고, 다른한손은경각을받쳐현미경에있는부품, 렌즈가떨어지거나빠지지않도록안전하게운반한다. (2) 현미경을되도록실험대안쪽의관찰하기편한위치에조심스럽게놓 반사경이있는현미경접안렌즈를보며두손으로반사경을광원이있는방향으로움직여접안렌즈의시야가밝도록조정한다. 는다. (3) 대물렌즈교환기를돌리면각배율에해당되는렌즈에서찰깍소리가난다. 처음현미경관찰을시작할때는저배율의렌즈를사용한다. (4) 전원을켜고, 조리개를최대로열어서광선이많이들어오도록한다. (5) 재물대위의클립을벌리고프레파라트를올려놓는다. (6) 옆에서보면서조동나사를사용하여재물대를최대한위로올린다. (7) 접안렌즈를통해들여다보며조동나사로재물대를서서히내리면서초점을맞춘다. 미세한초점조절은미동나사를사용한다. 미동나사미동나사는한방향으로 2.5회전만가능하므로기본적으로조동나사를사용하여초점을맞추고미동나사는최종적으로정확한초점을맞출경우에사용한다. (8) 빛의양을조리개로조절하여선명한상이맺히도록한다. (9) 대물렌즈교환기를돌려서원하는배율로관찰한다. 배율이바뀌면조리개로빛의양을다시조절해야좋은상을관찰할수있다. (10) 1000배로관찰할때는이멀젼오일을떨어뜨리고관찰한다. Ⅰ. 세포와세포분열 15

렌즈세척미세한흠집이발생하지않도록지정된세척액과페이퍼를사용하여닦는다. 작동거리초점이맞은상태에서의대물렌즈와프레파라트사이의거리 < 그림 Ⅰ- 6> 조동나사조절과이멀젼오일떨어뜨리기 (11) 1000배로관찰한후에는반드시대물렌즈를기름이묻어나오지않을때까지한방향으로두세차례렌즈페이퍼로닦는다. (12) 관찰이끝나면조동나사를돌려서재물대와경통사이의간격을벌린 후프레파라트를빼고재물대에묻은먼지나물기등을닦아낸다. (13) 대물렌즈교환기를돌려서가장저배율렌즈가경통과일치하도록 맞춘후램프를끄고원위치에갖다놓는다. 영구프레파라트의제작오래보존하기위해물대신매니큐어나카나다발삼을사용하여프레파라트를제작한다. 실험2) 신문지글씨의관찰신문지에서글자가있는부분을 5 mm 5 mm 정도로오린후받침유리위에놓고신문지조각위에물을한방울떨어뜨린후덮개유리를 덮는다. 거름종이를이용하여덮개유리옆의물을닦아낸다. 현미경시야에나타난모양을그려보고, 상하좌우로움직이면서관찰한다. 실험3) 영구프레파라트관찰영구프레파라트 ( 화분, 양파세포, 기공세포등 ) 를재물대위에올려놓고 100배 400배, 1000배로관찰하는연습을해본다. 1000배로관찰할때는이멀젼오일을덮개유리위에떨어뜨린후관찰한다. 또한, 관찰후에는반드시렌즈페이퍼로렌즈를닦고덮개유리위의오일도닦아준다. 실험4) 마이크로미터를이용한세포의크기측정 (1) 접안마이크로미터를접안렌즈에끼우고대물마이크로미터를재물대위에놓는다. 대물마이크로미터 접안마이크로미터 < 그림 Ⅰ- 7> 마이크로미터장착 16 심화생명과학

(2) 현미경배율을 100배로하고접안렌즈를돌려두마이크로미터눈금이평행이되도록조절하고아래그림과같이두마이크로미터의눈금이겹쳐지는부분을찾아그사이의눈금수를센다. 마이크로미터대물마이크로미터 대물마이크로미터대물마이크로미터는슬라이드글라스와같은크기의유리판에 10μm길이의눈금을새겨넣은것으로슬라이드글라스와혼용하지않는다. ( 가 ) 접안마이크로미터 ( 나 ) 현미경관찰시주의사항미생물관찰시덮개유리를사용하지않으며, 고배율관찰시에는이멀젼오일을사용한다. < 그림 Ⅰ- 8> 마이크로미터를이용한크기측정 (3) 접안마이크로미터한눈금의크기를계산한다. 대물마이크로미터눈금수접안마이크로미터한눈금의크기 = 접안마이크로미터눈금수 10 nm (4) 대물마이크로미터대신영구프레파라트를재물대에놓은다음보고자하는세포크기를재어기록한다. 결과및논의 광학현미경광학현미경은투과시킨빛을관찰하느냐또는반사된빛을보는가에따라일반현미경과해부현미경으로나눌수있다. 해부현미경은실체현미경이라고도한다. (1) 관찰한내용을스케치하시오. (2) 마이크로미터를이용한세포의크기측정 1) 배율에따른접안마이크로미터한눈금의크기는얼마인가? 2) 영구프레파라트세포의크기는얼마인가? 화분양파세포기공 1 회 2 회 3 회 4 회평균 (3) 조리개를움직일때재물대의구멍을통해들어오는빛의양은어떻게달라지는가? 조리개의기능은무엇인가? Ⅰ. 세포와세포분열 17

1 0 A 원자 전자현미경 광학현미경 1nm 10nm 100nm 1μm 10μm 100μm 아미노산단백질 1nm 사람의육안 10nm 100nm < 그림 Ⅰ- 9> 현미경해상도의범위 (4) 현미경의해상도는배율에따라어떻게달라지는가? 또이멀젼오일 을사용할경우해상도가어떻게변하는지설명하시오. (5) 현미경으로시료를관찰할때필터를이용하여적색광을청색광으로 바꾸어준다면해상도의변화가있을까? 변화가있다면왜그런지를설명하시오. (6) 광학현미경에는일반현미경과해부현미경 ( 실체현미경 ) 이있다. 이둘의차이는무엇인지, 또어떤것을관찰할때무슨현미경을써야될지에대해생각해보시오. (7) 어떤세포를 100배로관찰할때가장긴쪽의길이가접안마이크로미터로 4눈금이었다. 똑같은세포를 400배로관찰한다면긴쪽이접안마이크로미터의몇눈금이될것인지계산하시오. (8) 위상차현미경, DIC현미경, 형광현미경의원리를조사하고어떤것을관찰할때적합할지에대하여서술하시오. 18 심화생명과학

탐구활동 세포의구조관찰 동물세포와식물세포는어떻게다를까? 현미경을통해식물세포와동물세포를관찰하고그들이가지는공통점과차이점을알아보자. 준비물 재료 : 현미경, 받침유리, 덮개유리, 이멀젼오일, 렌즈페이퍼, 스포이트, 메틸렌블루, 아세트산카민, 면도칼, 이쑤시개, 증류수, 여과지, 핀셋, 양파 방법및절차 < 그림 Ⅰ- 10> 세포와구조관찰준비물 실험1) 양파의표피세포관찰 (1) 양파의안쪽표피 ( 비늘잎 ) 에면도날로가로세로 4~5 mm 가량의정사각형을만들어핀셋으로벗겨낸다. 이를받침유리위에놓고물을한방울떨어뜨린다. 염색시주의사항 5분정도염색을시키며, 염색액이너무많이들어간경우반대편에물을떨어뜨리고거름종이로여분의물과염색액을씻어낸후관찰한다. < 그림 Ⅰ- 11> 양파표피세포관찰 (2) 기포가생기지않도록덮개유리를덮어살짝눌러준후거름종이로물기를제거한후관찰한다. (3) 아세트올세인이나아세트산카민과같은염색약을커버의한쪽에떨어뜨린후여분의염색액을거름종이로제거한후관찰한다. 또한메틸렌블루로도염색해관찰한다. 저배율로관찰을시작하며이멀젼오일을떨어뜨리고 1000배까지관찰해본다. Ⅰ. 세포와세포분열 19

이쑤시개사용시주의사항입안의상처가두렵다면이쑤시개대신면봉을이용해여러번긁어낸후면봉을받침유리위에바르고프레파라트를제작해도좋다. 실험2) 구강상피세포관찰 (1) 입안을물로헹군후이쑤시개를이용하여볼의안쪽면을가볍게긁어받침유리위에바르고, 그위에메틸렌블루용액을한방울떨어뜨린다. (2) 양파세포와같이덮개유리를덮고거름종이를이용하여여분의용액을제거한후저배율부터관찰하고, 고배율로관찰한다. 또한아세트산카민으로도염색한후관찰해보자. < 그림 Ⅰ- 12> 양파세포 ( 400) 결과및논의 (1) 현미경시야에나타난양파세포와구강상피세포를그리시오. (2) 양파세포나구강상피세포를메틸렌블루로염색했을때와아세트카민으로염색했을때차이가있었는가? 있었다면어떤차이였는지설명하시오. < 그림 Ⅰ- 13> 구강상피세포 ( 1000) (3) 현미경으로관찰한결과를점묘화로그리는까닭은무엇때문일까? (4) 양파비늘잎의안쪽표피세포를관찰하는까닭은무엇때문일까? 실제로양파비늘잎의안쪽표피세포와바깥쪽표피세포, 가운데의유조직을관찰해보고그까닭을쓰시오. (5) 인은전자현미경적구조일까? 아니면현미경으로관찰가능한구조물일까? (6) 구강상피세포관찰시구강세포안에파랗게염색된막대형의구조물을발견하였는가? 발견하였다면그것이무엇인지알아보자. (7) 양파의표피세포나구강상피세포와달리쉽게세포층을벗길수없는조직의세포를관찰하려면어떻게해야할지생각해보시오. 20 심화생명과학

기본단서를제공해줄것이다. 1) 분해능 현미경의해상도는분해능 (resolving power) 으로나타낼수있으며분해능에의한분해거리가작을수록해상도는높다. 분해능이란어느한계선에이르기까지두개의작은물체가여전히두개의물체로분리되어보이는가를측정하는것을말한다. 가령현미경의분해거리가 0.2 μm라고한다면이현미경으로 0.2 μm 떨어져있는두개의물체를서로다른것으로분리하여볼수있다는 0.61m 것이다. 아베 (Abbe) 의법칙에따라분해거리 = 로나타낼수있다. n sina 여기서 λ는빛의파장을말하며, n은덮개유리와대물렌즈사이의매개물질로굴절률 (refractive index) 을의미한다. 공기는 1의값을가지며, 이멀젼오일 (immersion oil) 의경우 1.56의값을갖는다. α는렌즈의광축 (optical axis) 과대물렌즈로들어가는빛중가장바깥광선으로이뤄진각도를말한다. N sinα를 NA(numeral aperture : 개구수 ) 라고부르며, 모든대물렌즈는고유한개구수를가지며그수는대물렌즈의옆면에표시되어있다. 분해거리는빛의파장이짧을수록, NA가클수록작은값을가지며이럴경우해상도는증가한다. 일반적으로사람눈의분해거리는 0.2 mm, 광학현미경은 0.25 μm, 전자현미경은 0.3 nm이다. 2) 원핵세포와진핵세포 세포는모두세포막에의해둘러싸여있지만세포막으로싸인세포질안에막으로둘러싸인핵의유무에따라원핵세포와진핵세포로나뉜다. 박테리아나고세균등은 DNA가막으로둘러싸여분리되어있지않기때문에원핵세포에해당하며, 유전물질이세포질에흩어져있다. 진핵세포는유전물질이핵막으로둘러싸인핵을가지고있으며, 세포질에는미토콘드리아, 리소좀, 소포체, 골지체엽록체등과같은세포소기관이있다. 미토콘드리아는자체 DNA와리보솜을가지며, 세포내에너지생산공장으로화학삼투적농도구배에의해 ATP 를생성한다. 엽록체는이중막으로되어있고, 자체 DNA를가지며빛에너지 세포소기관의구조와기능 퍼옥시좀간과신장의세포에특히많이존재하며, 담즙산과콜레스테롤합성이나지방산산화에관여한다. 산화효소나카탈레이스를가지고있다. 글리옥시좀식물의경우지방산을당으로전환하므로발아종자에중요한기관이다. 리소좀약산성에최적 ph를가지는가수분해효소를가지고있어세포내소화나세포자살과관련이있다. 리소좀내대사에관련된효소가부족할때는저장병을일으킨다. 액포약산성을띠며, 노폐물의저장과분해를담당한다. 꽃잎이색을나타내는것은액포에색소가함유되어있기때문이다. 소포체핵의외막부터세포막까지연결되어있는막구조물로단백질과지질합성이일어나며세포질로부터 Ca 2+ 를저장하는역할을한다. 골지체막성분과분비물질을저장하거나분비한다. B cell 중형질세포와같이특정물질을분비해야하는세포에서잘발달되어있다. 세포골격진핵세포만가지고있는특징으로세포내근육과골격의기능을한다. 종류는미세소관, 미세섬유, 중간섬유가있다. 를이용해화학에너지원을만들어낸다. 동물, 식물, 균류, 그리고원생생물들은모두진핵세포로이루어진진핵생물에속한다. Ⅰ. 세포와세포분열 21

< 표 Ⅰ- 1> 원핵생물과진핵생물의비교특징 원핵 진핵 크기 ~ μm size 10-2 ~10-1 mm size 핵막 없음 있음 세포소기관 없음 있음 미세소관, 미세섬유, 중간섬유 없음 있음 내포, 외포작용 없음 있음 세포분열 무사분열 유사분열 ( 체세포분열, 감수분열 ) 유전물질의구조 DNA, 1개의원형염색체, 단백질은거의없음 DNA와결합한히스톤, 하나이상의선형염색체 RNA 프로세싱조금많음 리보솜 70S ; 3RNA분자 +55단백질분자 80S ; 4RNA 분자 + 약 78 단백질분자 스테롤성분대부분존재 세포막에존재 세포벽 펩티도글리칸등복잡한화학구성 화학적단순중합체균류 : 키틴, 식물 : 셀룰로오스 3) 동물세포와식물세포의구조적차이 식물세포를관찰할때엽록체는엽록소라는녹색의색소를가지고있어관찰이용이하다. 그러나핵과같은기관들은세포질과대비되지않아관찰이용이하지않다. 이러한기관들에특별히염색이잘되는물질을이용하여염색하면세포질과대비되어원하는세포내소기관을뚜렷이관찰할수있다. 예를들어메틸렌블루는푸른색을띠는염기성용액으로핵속의음전하를띠는 DNA에주로달라붙게되므로핵을염색하기위해많이사용한다. < 표 Ⅰ- 2> 동물세포와식물세포의비교세포소기관 동물세포 식물세포 세포벽 없음 있음 색소체 ( 엽록체 ) 없음 있음 액포 잘발달되지않음 잘발달됨 글리옥시좀 없음 있음 중심체 있음 없음 세포질중간섬유 잘발달됨 잘발달되지않음 22 심화생명과학

핵공 핵막인 핵 리보솜 미토콘드리아 리소좀 중심체 거친면소포체 세포막 매끈면소포체 퍼옥시좀 세포질 골지체 < 그림 Ⅰ- 14> 동물세포 세포벽 세포막 액포 핵막 인 핵공 핵 거친면소포체 미토콘드리아 세포질 엽록체퍼옥시좀 매끈면소포체 골지체 리보솜 < 그림 Ⅰ- 15> 식물세포 토론하기 진핵생물의미토콘드리아나엽록체는적어도두개의막을가지고있다. 진화적인측면에서살펴봤을때이두개의막이지니는의미가무엇일지토론해보자. Ⅰ. 세포와세포분열 23

03 원형질분리 학 습 목 표세포막을통한물질의출입을설명할수있다. 식물세포에서일어나는원형질분리현상을삼투현상으로설명할수있다. < 그림 Ⅰ- 16> 양파세포원형질분리 ( 400) 세포가생명활동을유지하기위해서는환경과세포사이의막을통한물질이동이반드시필요하다. 세포는영양분을외부로부터얻어야하며, 노폐물등은세포밖으로내보내져야한다. 또한무기이온들은세포막을통해안이나밖으로이동할수있어야한다. 모든세포들은다양한물질들에대해세포안밖의농도를일정하게유지하려고하며, 이런과정중다양한생명현상이나타난다. 살아있는세포에서는에너지를사용하여물질이동이이루어지기도하고, 에너지없이세포막을통해물질이이동하기도한다. 토론하기 세포막이가져야하는특성에대해토론해보자. 또세포막으로적합한물질은어떤것들이어야할지에대해서도생각해보자. 식물세포는골지체에의해수송된후세포막을통해분비된물질로구성된세포벽으로둘러싸여있다. 세포벽은식물세포를지지하는중요한역할을하지만물질이동에관해서는세포막과달리전투성을보인다. 세포막의구성성분인인지질이중층은물에대해서는투과성을보이지만용질과이온들은잘통과시키지않는다. 이러한특성으로고장액이나저장액에세포를넣으면세포에서물이빠져나와줄어들거나물을흡수하여부풀어오르는현상을보인다. 고장액에세포를넣으면식물세포에서는동물세포와달리세포에서물이빠지는과정에서특이한현상이나타난다. 24 심화생명과학

이번실험에서는농도가다른용액에식물세포를넣었을때어떤현상이일 어나는지관찰하고이와같은현상이일어나는원리에대해알아보자. 탐구활동 식물의원형질분리현상 준비물 재료 : 현미경, 받침유리, 덮개유리, 비이커, 면도칼, 스포이트, 여과지, 핀셋, 양파, 다양한농도의설탕용액 방법및절차 삼투현상에의한원형질분리현상을관찰하기위해서는 10분이상충분히기다리는것이좋다. (1) 5%, 10%, 15%, 20% 의 4가지농도의설탕용액을준비하여비커에담고표시를한다. (2) 양파의안쪽표피에면도날로가로세로 5 mm 가량의정사각형금을그은후핀셋으로표피조각을떼어내각각의비커에담근다. (3) 10분정도지난후표피조각을꺼내프레파라트를만들고현미경으로관찰한다. (4) 원형질분리가일어난양파표피의프레파라트에증류수를한방울떨어뜨린후여분의물을닦은후다시현미경으로관찰한다. 결과및논의 (1) 원형질분리가일어난양파의표피세포를그리고관찰내용을적으시오. (2) 원형질분리된세포를증류수로씻어내면어떤변화가있는지쓰시오. (3) 각 % 의설탕용액에서전체세포수와원형질분리가일어난세포수를비교하시오. (4) 양파안쪽표피세포의등장액은설탕몇 % 에해당하는지그범위를추론하시오.( 단한계원형질분리는 50% 의세포에서원형질분리가시작될때를말한다.) 확산 촉진확산 능동수송 < 그림 Ⅰ- 17> 세포막을통한물질의이동 선택적투과성세포막은일부물질에대해서만확산을통해이동이가능하며, 다른물질은세포막을통해이동할수없으므로이를세포막의선택적투과성이라고한다. 생물의막은왜이런선택적투과성을가져야하는지그생물학적의의를생각해보자. Ⅰ. 세포와세포분열 25

세포가에너지를사용하여물질을이동시키는것을능동수송이라고한다. ATP의가수분해시나오는에너지를이용해낮은농도에서높은농도쪽으로물질을수송하는것은 1차능동수송이며, 직접적인 ATP의사용은없지만다른이온의농도차이에의해물질이이동하는것에짝지어물질의수송이일어나는경우를 2차능동수송이라고한다. 이경우역시짝지은물질의수송은농도차이에역행하여발생하게된다. 확산은고농도에서저농도로물질이이동하는현상을말하며, 에너지가필요하지않다. 세포막의지질이중층을통해물질이확산되는것을단순확산이라고하며, 기체또는일부작은극성또는무극성분자가막을통해이동한다. 그러나전하를띠는이온이나아주큰분자는통과하지못한다. 세포막에는물질을이동시킬수있는단백질이존재하는데이를통해확산되는현상을촉진확산이라고한다. 포도당의일부가촉진확산을통해세포안으로이동한다. 이렇듯일부물질이확산을통해세포막을통과할수 삼투압팽압 있으므로세포막을사이에두고물질들의농도차이가발생하게된다. 이러한농도차이로인해이동할수없 액포 핵 는물질대신물이이동하는데이현상을삼투라고한다. 즉선택적투과성을가지는막을통한물의확산을삼투현상이라고한다. 삼투압은물과같은용매가반 < 그림 Ⅰ- 18> 식물세포에작용하는힘 투성막을미는압력을말하며, 저장액상태의세포에서삼투압은밖에서안으로작용한다. 삼투압은기체방 정식을이용하여나타낼수있으며, 기체방정식은 P= n RT 이므로삼투압은 v P=n/V RT로나타낸다.( 단, n : 분자수, V : 부피, R : 기체상수, T : 절대온도이다.) 생물에서용액상태에따라세포의모양이달라지므로삼투현상을쉽게관찰할수있다. 세포를저장액에담가놓으면물이세포안쪽으로이동하여동물세포는용혈현상을보이고, 세포벽이있는식물세포는세포자체가어느한계까지만팽창하는팽윤상태를보인다. 고장액에넣으면물이세포로부터빠져나가게되며식물세포의경우세포벽과세포막으로둘러싸인원형질이분리되는원형질분리가관찰된다. 26 심화생명과학

고장액 등장액 저장액 액포 H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O < 그림 Ⅰ- 19> 고장액, 등장액, 저장액에서의식물세포의모양 읽을거리 한계원형질분리 원형질분리가일어난식물세포를순수한물에넣게되면식물세포의상대적부피가커진다. 이과정에서팽압이형성되기시작하는데, 팽압이 0이되는지점을한계원형질분리라고말한다. 식물세포를용액에넣었을때용액의농도에따라삼투압은달라진다. 삼투압은용질의몰수에비례하므로농도가증가할수록삼투압은커진다. 다음은삼투압과팽압의관계를그래프로나타낸것이다. 흡수력은세포가물을더흡수할수있는능력으로삼투압-팽압의관계가성립한다. 압력 기압 ( ) 10 5 삼투압 흡수력 =0 원형질분리 삼투압 흡수력 팽압 0 1.0 1.1 1.2 1.3 세포의부피 ( 상대값 ) < 그림 Ⅰ-20> 식물세포의삼투압, 팽압, 흡수력의관계 Ⅰ. 세포와세포분열 27

정리하기 생명의특성 생명체의가장큰특징중의하나는생물체의구조와기능을위한기본단위가세포라는점일것이다. 세포의구조 마이크로미터를이용하여세포와세포소기관의크기를측정할수있다. 식물세포는동물세포와달리세포벽과엽록체를가지고있다. 원형질분리 고장액에식물세포를넣으면세포로부터물이빠져나와세포벽과세포막이분리되는원형질분리현상을관찰할수있다. 28 심화생명과학

1. 이멀젼오일을처리했을때와처리하지않았을때대물렌즈로들어가는 논술및토의 빛의경로에어떤차이가있는지설명하시오. 2. 염색하여세포를관찰하는까닭은무엇때문일까? 염색을하지않으면핵이보이지않을까? 염색을하지않으면어떤점이좋을까에대해생각해보시오. 3. 원형질분리현상은살아있는세포에서만일어나는현상인가? 왜그렇게생각하는지에대해설명하시오. Ⅰ. 세포와세포분열 29

2. 세포분열 01. 염색체 02. 세포주기 03. 체세포분열 04. 생식세포분열 세포분열시염색체모습하나의동물세포가 2 개로분열할때보이는염색체모습이다. 생물과무생물을구분할수있는특징중하나가생식을통해종족을유지하고번식시키는것이다. 모든세포는세포로부터나오므로생명의연속성은세포분열에기초해서이루어진다. 세포분열은생물체의일생에서여러가지중요한역할을한다. 아메바같은단세포생물은세포분열로자손을만들어내는반면, 다세포생물은세포분열을통해몸이커지기도하고생식세포의분열을통해자손을만들어낸다. 세포분열과정은세포주기의필수적인과정이며이과정을통해모세포는딸세포에게동일한유전물질을전달해주게된다. 이장에서는세포내에존재하는염색체의특성, 세포주기, 체세포분열과생식세포분열에대해알아보도록하자.

01 염색체학 습 목 표염색체의구조를알수있다. 핵형분석결과를해석할수있다. 세포의구조와기능을조절하는유전정보는 DNA에존재한다. DNA의특정부분은특정형질을결정하는유전정보를가지고있는데, 이를유전자라고한다. 유전자를가지고있는 DNA는단백질과함께염색체를이루고모세포에서딸세포로세포분열을통해정확하게전달된다. 염색체는어떤구조를가지고있을까? 탐구활동 염색체관찰및핵형분석 사람이가지고있는염색체를관찰할수있는방법에는어떤것이있을지생각해보고, 염색체관찰결과를바탕으로사람에대해서알수있는것에는어떤것이있을지예측해보자. 준비물기구 : 광학현미경, 가위, 풀, 돋보기재료 : 사람의염색체프레파라트, 염색체그림, 핵형분석용지 (A4 용지크기 ) 방법및절차 사람의염색체관찰사람의염색체프레파라트를이용하여사람의염색체를관찰해보자. Ⅰ. 세포와세포분열 31

사람의핵형분석 (1) 사람염색체그림을가위로오려낸다. (2) 염색체를크기순으로배열한후, 동원체의위치, 팔의길이, 밴드형태등을고려하여분류한다. (3) 상동염색체를찾아해당하는곳에부친다. 결과및논의 (1) 현미경으로관찰한사람의염색체를그려보자. ( ) (2) 부록에있는핵형도를완성해보자. 이사람의성은무엇인가? ( 부록의핵형분석지, p.438 참고 ) 연구과제 (1) 사람의염색체의일부는크기나구조만비교해서는구별하기가어렵다. 이런경우에는어떤방법을사용하는지조사하여보자. 분열중인세포를전자현미경으로관찰하면실모양의구조물이복잡하게얽혀있는것을볼수있다. 이실모양의구조물을염색사라고하며, 염색사는 DNA 와단백질로이루어져있다. 염색사는세포분열이시작되면응축되어분열기의전기에두개의염색분체로보인다. 두염색분체는세포주기의 S기에합성되어복제된것으로동원체에연결되어있다. 동원체는세포가분열할때염색분체가분리될수있도록방추사가연결되는곳이다. 32 심화생명과학

생물의체세포에있는염색체를비교해보면크기와모양이똑같은염색체가쌍으로존재하는데, 이렇게쌍을이루는염색체들을상동염색체라고한다. 상동염색체는생식과정을통해서부모로부터한개씩물려받은것이다. 생물의종류에따라염색체의수, 크기및모양은일정하다. 또한염색체에는상염색체와성염색체가있다. 성염색체는성에따라차이를보이는염색체로성을결정하는유전자를가지고있다. 성염색체이외의염색체를상염색체라고하며, 생물의여러가지형질을결정하는유전자를가지고있다. 사람의핵형은 46개의염색체로이루어져있는데, 그중 22쌍은상염색체이고한쌍은성염색체인데여성은 XX, 남성은 XY를가진다. 만일염색체수에이상이생기거나일부염색체구조에결함이생기면유전적이상을초래하는경우가많다. 따라서핵형분석을통하여그사람의유전적결함유무를확인할수있기때문에태아를대상으로태어나기전에핵형검사를하기도한다. 1 핵형분석을위해세포핵분열중기의염색체를염색한후현미경으로관찰하면서사진을찍는다. 이렇게준비된염색체사진을확대한후, 상동염색체쌍을구하여크기순서로배열하면그개체나생물종의핵형특징을알수있다. 핵형분석을정확하게하기위해서염색체의길이, 동원체의위치, 팔의길이, 염색체의밴드형태등을참고한다. 2 조사하기 박테리아의염색체구조와진핵세포의염색체구조는어떻게다른지조사해보자. < 그림 Ⅰ- 21> 사람염색체 1 여자의염색체, 2 남자의염색체 1) 염색체의구성과미세구조 염색체는생물의종류에따라수와형태가일정하다. 박테리아와같은원핵생물의세포는하나의염색체만을갖고있다. 그러나진핵생물의체세포는생물종마다고유한숫자의염색체를가지고있으며, 그수는종마다매우다양하다. 하나의세포속에들어있는 DNA의양을유전체 (genome) 라고하는데, 일반적으로고등한생물일수록유전체의크기가커진다. 그러나일부동식물세포는사람세포보다훨씬많은양의 DNA를가지고있다. Ⅰ. 세포와세포분열 33

100 Gb 식물 양서류 10 Gb 원생생물 곤충 연골어류 파충류 포유류 1 Gb 100 Mb 연체동물 경골어류조류 10 Mb 균류 1 Mb 박테리아 100 Kb 10 Kb 바이러스 1 Kb < 그림 Ⅰ-22> 유전체크기반수체 (n) 인상태에서염기쌍수를센것이다. 세포속에들어있는염색체는세포주기에따라그형태와길이가다양하게변한다. 세포가분열을준비하는시기와분열중인시기의염색체모양과크기는매우다르다. DNA가자기복제또는유전정보의발현을위해서는풀어져야하는반면, 세포분열시에는이동하기쉽게길이가짧아져야한다. 따라서 DNA 분자는세포속에서고도로조직화되어있다. 조사하기 다양한진핵생물의염색체수는얼마나되는지조사해보자. 원핵세포의염색체구조원핵세포의한종류인대장균속에는길이가약 1,100 μm인 DNA가직경이약 1~2 μm인세포속에약 4 10 6 개의염기쌍으로되어있는원형 DNA가하나들어있다. 이 DNA는작은세포속에들어갈수있도록특수한단백질과결합하여고도로접혀진상태로존재한다. 이렇게응축된 DNA 분자는 50개정도의고리를형성하고있으며각고리에해당되는 DNA는이중나선자체가더꼬여있는초나선 (supercoil) 상태를하고있다. 그리고이고리들은조밀한단백질을함유한스캐폴드 (scaffold) 라고 34 심화생명과학

하는구조에결합되어있다. 이와같은 DNA의초나선상태는바이러스에서사람에이르기까지모든생물의염색체속에존재하는 DNA의중요한형태이다. 특히박테리아에서이와같은초나선형태의 DNA가단백질분자들과결합한형태를핵양체라고하며, 핵양체는세포막에결합된형태로세포질에노출되어있다. 일부박테리아는주염색체 DNA 이외에플라스미드 (plasmid) 라고하는작은원형의 DNA를갖고있다. 플라스미드 DNA는박테리아세포의효소를이용하여복제되며, 박테리아가분열할때모세포에서딸세포로전달된다. 플라스미드는몇종류의단백질에대한유전자만가지고있으며, 보통이단백질은박테리아생존에필수적인것은아니다. 그러나종종플라스미드는항생제와같은약품에대한내성유전자를갖고있거나다른박테리아를죽일수있는독성물질에대한유전자도갖고있다. (-) 초나선상태풀린상태 (+) 초나선상태 < 그림 Ⅰ- 23> 초나선상태 1 2 < 그림 Ⅰ- 24> 대장균 1 핵양체부분 2 DNA 가세포밖으로방출된모습 진핵세포의염색체구조진핵세포에는약 2 m의 DNA가 10 μm보다작은구형의핵속에들어있다. 진핵세포의간기핵으로부터분리된염색질에서는염색체의형태를볼수없고대신불규칙적으로모여있는핵단백질이관찰된다. 핵단백질은많은 DNA와소량의 RNA를포함하고있다. 이단백질은염색질의중요한구조적역할을하는염기성의히스톤단백질과 DNA나 RNA합성등에관여하는비히스톤단백질로되어있다. 히스톤단백질은 H1, H2A, H2B, H3, H4라고하는 5종류의단백질로구성되어있으며이는다른생물종에서도매우유사하다. 히스톤단백질은아미노산중에서아르기닌과리신을 20~30% 함유하고있어서양전하를띤염기성분자이다. 이런전기적인특성은음전하를띄고있는 DNA와결합하여안정된염색체구조를만드는데중요한역할을한다. Ⅰ. 세포와세포분열 35

1974 년콘버그 (Roger Kornberg) 는염색질을분리하여전자현미경으로관 찰한결과가는실에구슬을매달아놓은것과같은형태를확인하고이구슬모양의구조를뉴클레오솜 (nucleosome) 이라고명명하였다. 뉴클레오솜 (8 분자의히스톤 +146 개의 DNA 염기쌍 ) < 그림 Ⅰ- 25> 뉴클레오솜 dna H2A, H2B, H3, H4 가각각 2 분자씩모여서이루어짐 뉴클레오솜은 H2A, H2B, H3, H4 이각각두분자씩으로구성된히스톤단백질이핵심입자를구성하고약 146개염기쌍길이의 DNA가입자주위를감고있는모양을하고있다. 한편 H1 히스톤단백질은핵심입자를감는 DNA의매듭부위에결합되어있는형태를하고있으며, 뉴클레오솜과 H1 히스톤단백질을합쳐크로마토솜 (chromatosome) 이라고한다. 11 nm < 그림 Ⅰ- 26> 크로마토솜모형 세포분열의중기염색체를전자현미경으로보면단단하게꼬여있는덩어리또는포개져있는섬유형태를볼수있으며, 이와같은염색질섬유들은평균직경이 30 nm 정도이다. 이러한구조가 어떻게생기는지정확히알려져있지는않지만뉴클레오솜들이모여일단 10 nm 정도의뉴클레오솜섬유를만든다음, 이섬유가다시감겨 30 nm의염색질섬유를구성하는것으로추정된다. 한편이염색질섬유들이세포분열의중기에서관찰되는염색체구조로어떻게응축되는지는알려져있지않다. 복제된염색체의염색분체는중앙에비히스톤단백질로구성된기본골격이있으며, 이부위로부터 DNA는매우많은수의고리모양으로뻗어나온다. 이런상태의구조가세포분열중기에관찰되는염색체의세부구조로생각된다. 진핵생물의염색체들은원핵세포와다르게여러번반복되는일부 DNA 염기배열을갖고있다. 이렇게반복된염기배열들을갖고있는 DNA를반복 DNA(repetitive DNA) 라고한다. 특히, 고도로반복되어있는 DNA 염기배열이포함되어염색이진하게되는염색질을이질염색질이라고한다. 이질염색질 36 심화생명과학

1 2 3 4 5 < 그림 Ⅰ- 27> 진핵세포염색체의단계별구조 1 뉴클레오솜 ( 염주형태 ) 2 30 nm 염색사 3 고리부위 4 이질염색질 5 고도로응축된분열하는세포의복제된염색체 은세포의간기동안에도심하게응축되어있기때문에유전적으로불활성상태이며, 염색체의동원체또는말단부위에서흔히발견된다. 여자의체세포가갖고있는 2개의 X 염색체가운데하나는무작위로발생초기단계에이질염색화됨으로써유전적으로불활성화된다. 한편, 간기염색질의나머지부분은진정염색질이라고하며, 이질염색질보다는덜응축되어염색이연하게된다. 진정염색질은간기동안현미경에의해서거의관찰되지않지만대부분의유전자를포함하고있다. 창의적생각 < 그림 Ⅰ- 28> 여자의세포속에들어있는불활성화된 X 염색체 ( 바소체 ) 사람여자의경우, X 염색체중하나가불활성화되는이유는무엇인가? Ⅰ. 세포와세포분열 37

02 세포주기 학 습 목 표세포주기가무엇인지설명할수있다. 세포주기각단계를설명할수있다. 세포분열이활발한조직의세포들은일정한기간을두고세포분열을반복하며, 이과정을통해만들어진딸세포는자라서모세포가되고다시분열을하게된다. 이와같이분열을끝낸딸세포가자라서다시분열을마칠때까지를세포주기라고한다. 세포주기는세포가분열하는분열기와간기로구성된다. 간기는분열기와분열기사이의기간으로 < 그림 Ⅰ- 29> < 그림 Ⅰ- 29> 세포주기는크게간기와분열기로나누어진다. 에서보듯이세포주기의대부분을차지한다. 세포는분열하기전에분열에대비하여유전물질인 DNA의양을 2 배로늘린다. 간기는세포가분열을하지는않지만물질대사가활발히일어나고, 세포의생장이이루어지는역동적인시기이다. 염색체의복제에필요한 DNA의합성은간기중간에일어나며, 이때를중심으로간기를 G 1 기, S기, G 2 기로구분한다. G 1 기는세포분열후 DNA 합성이일어나기전까지의기간으로단백질이합성되고미토콘드리아나리보솜등의세포기관들의수가증가하면서세포가커지는시기이다. 보통분열하지않는세포는 G 1 기에서세포주기가정지되어있다. S기는 DNA가합성되어복제되는시기이고, G 2 기는 DNA가복제된후세포분열을준비하는시기이다. 분열기 (M) 는 G 2 기에이어서일어나며, 간기에비해매우짧으며, 전기, 중기, 후기, 말기로구분된다. 분열기에는세포가분열하여두개의딸세포를형성하고간기에합성한 DNA가딸세포에고르게분배된다. 세포주기는세포의종류와환경에따라달라진다. 사람의경우, 성인이된후에신경세포와근육세포등은 G 1 기에서 S기로진행되지않기때문에더이 38 심화생명과학

상세포분열이일어나지않는다. 그러나초기발생단계의배세포들은세포주기가매우빠르게진행되며, 피부세포나골수세포들은성인이된후에도세포주기가계속진행되므로세포분열을계속할수있다. < 표 Ⅰ- 3> 세포주기시간의비교개구리의초기사람세포종류효모세포배세포위상피세포골수세포세포주기 ( 시간 ) 0.5 1.5~3 24 18 조사하기 신경세포의세포주기는어떤상태에있으며, 분열하지못하는이유는무엇일지조사해보자. 1) 세포주기의조절 세포주기는세포주기조절시스템에의하여조절된다. 아래그림과같이세 포주기에는검문지점이존재하며, 이검문지점은세포주기의진행과정지를결정해주는부분으로특히 G 1 지점이가장중요한지점이다. G 1 검문지점 G조절체계 1 검문지점 G 1 검문지점 M 검문지점 G 2 검문지점 1 2 < 그림 Ⅰ- 30> 세포주기조절시스템세포주기의조절부위는 G 1, G 2, M 지점이있는데, 가장중요한부위는 G 1 부위이다. < 그림 Ⅰ- 31> G 1 검문지점의조절 1 출발신호를받으면세포주기를계속진행한다. 2 출발신호를받지않으면세포주기를벗어나 G 0 상태로간다. G 1 지점에서출발신호가주어지면대부분의세포는 S와 G 2, M기를지나세포분열을마친다. 그러나 G 1 지점에서출발신호가주어지지않으면 G 0 기라고 Ⅰ. 세포와세포분열 39

불리는분열이일어나지않는상태로전환이된다. 동물세포를배양접시에서배양하면세포가배양접시바닥에하나의층을이룰때까지분열을계속하다가세포들이서로접촉하게되면분열을멈춘다. 이러한현상을밀도의존성억제라고한다. 이는세포의밀도가높아질수록세포분열속도가감소된다는것을의미한다. 그러나한층의세포로완전히덮힌배양접시에서일부세포를제거하면제거된지역의세포들이다시분열을시작하여빈공간을채울때까지세포분열이지속된다. 이러한밀도의존성억제는피부에상처가난경우, 상처가난부위에서만세포분열이일어나새로운세포로상처가치유되는것과유사하다. 세포는배양접시의표면에붙어분열한다.( 부착의존성 ) 세포가완전히한층을형성하면분열하지않는다.( 밀도의존성억제 ) 일부세포를제거하면남은세포는분열하여공간을채우고분열을멈춘다. ( 밀도의존성억제 ) < 그림 Ⅰ- 32> 밀도의존성억제 또한대부분의동물세포는부착의존성이있다. 세포가분열하기위해서는배양용기의표면이나조직의세포외기질과같은기저층에부착되어야만한다. 40 심화생명과학

창의적생각 세포분열이조절되는과정에참여하는물질과그기작을조사하고이를이용하여암을치료할수있는가능성에대해생각해보자. 읽을거리 세포주기조절과암 세포주기조절은암발생과밀접한관계가있다. 세포가손상되면세포는세포주기를멈추고손상을복구하게되는데세포주기조절시스템에이상이생기면손상이복구되지않은채세포주기가계속돼손상이누적되고결국암으로이어지게된다. 서울대생명과학부설재홍교수연구팀은 2009년네이처셀바이올로지 (Nature Cell Biology) 에발표한논문에서세포분열기에세포가손상됐을때세포주기를지연시켜손상이회복되도록조절하는단백질 (Chfr) 의작용메커니즘을규명하였는데, 이단백질이암발생과전이에중요한역할을한다는사실을밝혔다. Chfr은대부분정상조직에서발현되지만암세포에서는발현되지않거나발현이되더라도제대로기능하지못하는형태로존재하기때문에암과밀접한관련이있는것으로알려져왔으나, 정확한작용메커니즘은밝혀지지않았었다. 이연구결과, Chfr은특정유전자의발현에관여하는히스톤단백질을조절하는 HDAC1 과직접상호작용을하는것으로밝혀졌다. 세포손상이일어나면 Chfr이활성화되고그결과 HDAC1의분해가촉진되면서 HDAC1에의해발현이억제되는것으로알려진세포주기조절단백질인 p21 의발현이증가한다는것이다. 연구진은 Chfr이 HDAC1의분해를촉진해그기능을저해함으로써세포주기조절유전자 (p21) 와암전이를억제하는유전자 (KAI1, E-cadherin) 의발현을증가시켜암발생과전이를억제한다는사실을규명했다. 설교수는 이연구는 Chfr이 HDAC1 과상호작용해손상된세포의세포주기를조절, 암발생과전이에관여하는메커니즘을밝힌것 이라며 Chfr 손상으로생긴암세포의경우 Chfr 기능을회복시켜암생성및전이를막는데기여한다는것을바탕으로암치료제개발에중요한단서를제공한다는데큰의미가있다 고말했다. Ⅰ. 세포와세포분열 41

03 체세포분열 학 습 목 표세포가분열하는이유를설명할수있다. 체세포분열의각단계를설명할수있다. 수정란에서출발하여하나의생명체가완성되는과정에서세포분열은가장 기본적인현상이며, 이과정은생명현상의기본적특성인생장, 생식, 분화의바탕이된다. 창의적생각 우리몸에서세포분열이갑자기멈추고세포가커지기만한다면어떤현상이나타날까? 탐구활동 세포분열이필요한이유? 세포분열은왜일어나야하며, 그이유는무엇인지생각해보고조원들과함께토의해보자. 준비물기구 : 자, 면도날, 비커, 전자레인지재료 : 한천, 0.1M NaOH 용액, 페놀프탈레인용액, 증류수 방법및절차 (1) 모둠별로제시된준비물을이용해세포분열이일어나야하는이유를알아보기위한실험을설계해보자. (2) 왜그렇게설계했는가? 42 심화생명과학

(3) 설계한과정에따라실험을실시하자. 결과및고찰 (1) 자신이설계한실험결과를토대로세포가분열해야하는이유를설명해보자. 세포내에서물질대사가적절하게일어나기위해서는세포의크기가적당해 야한다. 세포는세포막을통해세포에필요한산소와양분을제공받고, 세포 내에서만들어진노폐물역시세포막을통해내보낸다. 세포막을통과하는물 질의양은세포표면적대부피의비율에의해결정되기때문에세포의크기는 물질의교환에중요하다. 세포의전체부피를감당할수있을만큼표면적이넓어야하기때문에세포 는무작정커질수없다. 길이가 2배늘어나면표면적 은 4배늘어나지만부피는 8배늘어나기때문이다. 따 라서세포의크기가커지면전체부피에필요한산소 와양분의공급, 노폐물의배출에차질이생기므로크기가커지는대신분열이일어나서표면적대부피의 비를크게한다. 그러면, 세포분열은어떤과정을거쳐일어나는지 관찰하여보자. < 그림 Ⅰ- 33> 표면적과부피의비율 실험 체세포분열의관찰 세포분열은생물체의생존에필수적이다. 따라서세포분열에문제가생기면생물체의생존에치명적인문제가발생한다. 세포분열에는어떤단계들이있어야할지생각해보고, 각단계에문제가생기면어떤문제가생길지추측해보자. 준비물기구 : 현미경, 해부침, 페트리접시, 받침유리, 덮개유리, 거름종이, 항온수조, 거즈, 면도날, 온도계, 고무달린연필, 성냥재료 : 양파뿌리, 1N HCl, 에탄올, 부탄올, 아세트산, 아세트산-카민, 카나다발삼, 이멀전오일 Ⅰ. 세포와세포분열 43

방법및절차 양파뿌리고정 (1) 유리잔이나병에물을담고양파의끝이물에잠기도록하여뿌리가내리도록하자. (2) 뿌리의길이가 1~2 cm 정도되었을때뿌리의끝으로부터약 1 cm 를절단하고이것을고정액 ( 에탄올3 : 아세트산1) 에 16~24시간정도고정하자. 에탄올과아세트산홉합용액 조직의해리방법 (1) 비커에 1N HCl을넣고 55 인항온수조에두어 55 가된후, 고정 물 묽은염산 된근단을거즈에싸서넣고 8분간방치하자. (2) 근단을하나골라내어받침유리위에올려놓고면도날로근단의끝으로부터약 1 mm를잘라낸뒤아세트산-카민용액을한방울떨어뜨린다음, 해부침 2개를이용하여잘게찢자. (3) 잘게찢은근단위에덮개유리를기포가생기지않도록주의하면서 아세트산 - 카민용액 가볍게올려놓고 10분간방치하자. (4) 10분이지나면고무가달린연필로덮개유리를가볍게두드려세포 들이잘분산되도록하자. (5) 거름종이를덮개유리위에덮고엄지손가락으로세게눌러준후현미경으로관찰하자. 고무달린연필 덮개유리 면도날 영구표본제작 (1) 영구표본을만들때는부탄올과아세트산을 1 : 1로혼합한용액에임시표본을거꾸로넣어두어덮개유리를받침유리로부터떨어뜨리자. (2) 받침유리를부탄올에넣고시료를탈수시킨후카나다발삼으로봉입하자. 거름종이 표본의관찰 (1) 저배율에서분열하는부분을찾은후에고배율로관찰한다. < 그림 Ⅰ- 34> 체세포분열관찰과정 (2) 더세밀한관찰을하기위해서는이멀전오일을한방울떨어뜨리고 1000배로관찰한다. 44 심화생명과학

결과및논의 (1) 관찰한체세포분열의모습을각시기별로스케치하고각부분의명칭을기입하라. 심화 (1) 임의의세포 50개를관찰하고각시기의세포수를조사하여다음표를완성하라. 구분간기전기중기후기말기 관찰된빈도수 (2) 양파의 1회분열에소요되는시간을 100분이라고가정하고, (1) 의자료를토대로각시기에소요되는시간은얼마나되는지계산해보자. 연구과제 (1) 살아있는상태에서세포분열과정을관찰하려면어떤과정이필요하겠는가? 체세포분열은하나의모세포로부터 1회의분열로 2개의딸세포가생성되는과정으로핵분열과세포질분열단계로구성된다. 핵분열단계는전기, 중기, 후기, 말기의 4가지소단계로구분할수있으며, 소단계는염색체의형태와배열양상및핵막의존재유무등을기준으로구분한다. 전기에는간기동안염색질로풀려있던염색체가응축되어광학현미경으로관찰이가능하게되며인이소실된다. 또한중심체로부터방추사가형성된다. 핵막이사라지면서방추사가염색체의동원체에부착하게되어이동을준비하면서중기가시작된다. 중기에는염색체가최대로응축되며세포중앙의적도판에배열된다. 이시기가염색체를관찰하기에가장좋은시기이다. 후기는적도판에배열되었던염색체의염색분체가동원체에연결된방추사에의해서각각양극으로이동하게된다. 이렇게분리된이후에는각각독립된염색체로본다. 말기에는양극에도달한염색체가새로형성되는핵막에둘러싸이면서인이 Ⅰ. 세포와세포분열 45

간기의 G 2 기전기전기와중기의중간 중심체 ( 중심림쌍 ) 염색질 ( 복제됨 ) 초기체세포분열방추사 성삼체 동원체 핵막조각 방추사부착점 방추사부착점에결합하지않는미세소관 인 핵막 세포막 2 개의자매염색체로구성된염색체 방추사부착점미세소관 < 그림 Ⅰ- 35> 동물세포의체세포분열과정세포분열은핵분열 ( 전기, 중기, 후기, 말기 ) 과세포질분열로나뉜다. 다시나타난다. 응축되었던염색체는다시풀려염색사상태가되며방추사가 사라지고두개의핵막이나타난다. 핵분열이끝나고나면세포질이둘로나누어지는세포질분열이일어난다. 동 물세포에서는적도판부근에서세포막이바깥쪽에서안쪽으로함입되어들어 가세포질이둘로나뉘어두개의딸세포를형성한다. 식물의경우에는세포 중앙에형성된세포판이바깥쪽으로성장하면서세포질을둘로분리하여두개 의딸세포를형성한다. 세포가분열할때세포핵속 의 DNA양이변화하게된다. 간기중에 DAN가합성되면원 래양의두배가되었다가전 기, 중기, 후기를거쳐서말기에핵분열이일어나면다시원래상태의 DNA 양으로되돌아 온다. < 그림 Ⅰ-36> 체세포분열에서의 DNA 량의변화 46 심화생명과학

중기후기말기그리고세포질분열 중기판 분열구 인형성 방추사 한쪽방추사극의중심체 딸염색체 핵막형성 핵 인염색질응축염색체 세포판 10 μm 1 2 3 4 5 전기 : 염색질이응축되고인이소실되기시작한다. 현미경상으로는뚜렷하지않지만체세포분열방추사가형성되기시작한다. 전중기 : 이제염색체를볼수있다. 각각은 2 개의동일한자매염색분체로구성되어있다. 전중기의뒷부분에서는핵막의분해가일어날것이다. 중기 : 방추사가완전해지며, 동원체에미세소관이결합된염색체가모두중기판에위치한다. 후기 : 각염색체의염색분체가분리됨, 방추사부착점미세소관이짧아짐에따라딸염색체가세로의양끝으로이동한다. 말기 : 딸핵이형성된다. 한편세포질분열이시작되는데, 세포질을둘로나눌세포판이모세포의중앙에서바깥쪽방향으로자라난다. < 그림 Ⅰ- 37> 식물세포의체세포분열 조사하기 세포분열후기에서염색체가양극으로이동할때미세소관은동원체쪽에서짧아지는지, 극쪽에서짧아지는지조사해보자. Ⅰ. 세포와세포분열 47

04 생식세포분열 학 습 목 표감수분열의개념을설명할수있다. 감수분열의각단계를설명할수있다. 유성생식이란암수두가지배우자가수정이라는과정에의해합체하여새로운개체를형성하는방법을말한다. 그러나배우자형성과정에서모세포의염색체가그대로전달된다면세대가한번바뀔때마다자손의염색체는부모가가진염색체의 2배로증가하게된다. 이러한문제점을해결할수있는방법이감수분열이다. 조사하기 동물과식물의감수분열은어떻게차이가나며, 또한동물의정자와난자가형성되는감수분열은어떤차이가있는지조사해보자. 탐구활동 감수분열 세포분열중에서감수분열은부모와자손의염색체수가같아지기위해서체세포분열과는다른분열이일어나야한다. 감수분열은어떤점에서체세포분열과달라야하는지추정해보자. 준비물기구 : 현미경, 해부기, 페트리접시, 덮개유리, 받침유리, 거름종이, 항온수조, 면도날, 온도계, 핀셋재료 : 닭의장풀의꽃봉오리, 생쥐 ( 수컷 ), 1N HCl, 에탄올, 부탄올, 아세트산, 아세트산카민 48 심화생명과학

방법및절차 식물의감수분열관찰 꽃밥 닭의장풀의꽃 핀셋 아세트산카민 거름종이 < 그림 Ⅰ- 38> 닭의장풀꽃밥관찰방법 (1) 꽃이피지않은닭의장풀의꽃봉오리중에서크기가 3~4 mm 정도인어린것을골라꽃밥을들어낸후받침유리위에놓자. (2) 꽃밥을핀셋으로떨어뜨린후아세트산-카민액을한방울떨어뜨리고덮개유리를덮자. (3) 약 5분경과후거름종이를덮개유리위에덮고엄지손가락으로압착하여세포들이잘퍼지도록하자. (4) 저배율에서분열하는부분을찾은후에고배율로관찰하자. (5) 더세밀한관찰을하기위해서는이멀전오일을한방울떨어뜨리고 1000배로관찰하자. (6) 같은꽃대의위와아래에서관찰한것보다작거나큰꽃봉오리를채취하자. (7) 마찬가지요령으로꽃밥을관찰하자. 동물의감수분열관찰 (1) 생쥐의정소를떼어낸후, 부정소를제거하고여러조각으로자른다음 45% 아세트산에서 5분간고정하자. Ⅰ. 세포와세포분열 49

(2) 한조각을받침유리에올려놓고아세트산-카민용액을한방울떨어뜨리고덮개유리로덮자. (3) 약 5분경과후거름종이를덮개유리위에덮고엄지손가락으로압착하여정소의세포들이잘퍼지도록하자. (4) 저배율에서분열하는부분을찾은후에고배율로관찰하자. (5) 더세밀한관찰을하기위해서는이멀전오일을한방울떨어뜨리고 1000배로관찰하자. 결과및논의 (1) 관찰한결과를각시기별로스케치하고, 각부분의명칭을쓴다. (2) 닭의장풀과생쥐의반수체는각각염색체가몇개인가? 심화 (1) 체세포분열과마찬가지로감수분열에서도감수제1분열을하고있는 100개의세포중에서각시기별로나타나는세포수를조사하여아래표에작성한다. 구분간기전기중기후기말기 관찰된빈도수 관찰한시기별세포수를바탕으로각시기에소요되는시간은얼마나걸리는지상대적인시간을추정해본다. 연구과제 (1) 동물의난자도정자와비슷한감수분열모습을보이겠는가? 동물의난자와정자의감수분열과정을조사, 비교해보자. 감수분열은생식소에서생식세포형성시일어나는분열이며연속된 2회의분열로 4개의딸세포가만들어진다. 체세포분열과비교할때감수분열과정에서는제1분열과제2분열사이에간기가거의없거나매우짧다. 분열과정의전체적인과정은전기 중기 후기 말기 ( 전기 ) 중기 후기 50 심화생명과학

말기의과정을거친다. 가장큰특징으로는제1 분열의전기와중기에는상동염색체가서로접합한 2가염색체를관찰할수있고, 제1분열결과염색체수가반으로줄어든다. 감수분열과정을구체적으로살펴보면다음과같다. 감수분열은제1분열과제2분열로이루어진다. 제1분열전기에들어가기전에세포의염색체는이미복제되어있는상태이다. 제1분열전기에는두개의염색분체가동원체에결합된상태로상동염색체끼리접합하여 2가염색체를형성한다. 2가염색체는 4개의염색분체가붙어있어 4분염색체라고도부른다. 이시기에는상동염색체사이에교차가일어난다. 중기에는 2 가염색체가세포의적도판에배열되며, 후기에는 2가염색체를구성하는상동염색체가분리되어양극으로이동한다. 말기에는상동염색체가양극에도달하고세포질분열이일어나두개의딸세포가만들어지며, 이딸세포들의염색체수는모세포의절반이된다. 감수분열비자매염색분체전기Ⅰ 사분염색체교차점중기Ⅰ 중기Ⅱ 딸세포재조합염색체 < 그림 Ⅰ- 39> 감수분열중일어나는교차 대부분의생물들은제1분열이끝난후간기를거치지않고곧바로제2분열로들어간다. 제2분열에서는염색체나 DNA의복제없이짧은전기를지나염색체들이적도판에배열되는중기로들어간다. 후기에는염색분체들이분리되어양극으로이동한다. 말기에는세포양극에핵이만들어지고, 세포질분열이일어나 간기감수분열 I : 상동염색체를분리한다감수분열 Ⅱ : 자매염색분체를분리한다전기Ⅰ 중기Ⅰ 후기Ⅰ 말기Ⅰ과세포질분열전기Ⅱ 중기Ⅱ 후기Ⅱ 말기Ⅱ와세포질분열 동원체 ( 중심립쌍을가진 ) ( 방추사부착점을가진 ) 동원체 자매염색분체교차점 방추사 중기판 자매염색분체는계속붙어있음 염색질 염색체복제 핵막사분염색체 동원체의방추사부착점에상동염색체의붙어있는미세소관분리 상동염색체 ( 붉은색과파란색 ) 쌍과조각의교환, 이경우는 2n=6 사분염색체의정렬 난할구 상동염색체쌍의분리두반수체세포형성 : 염색체는아직두배 < 그림 Ⅰ-40> 감수분열과정감수분열은두번의연속적인분열에의해완성된다. 자매염색분체가분리된다. 반수체딸세포가형성 감수분열 Ⅱ 동안자매염색분체는마침내분리된다. 단일염색체만포함된 4 개의반수체딸세포가생긴다. Ⅰ. 세포와세포분열 51

서염색체수가체세포의절반인 4개의딸세포가형성된다. 체세포분열에서모세포와딸세포의염색체수와 DNA 양이 동일하지만, 감수분열에서는동 일하지않다. 감수분열에서는 두번의연속적인분열을통해 염색체수가반으로줄어든 4개그림 Ⅰ- 41> 감수분열에서의 DNA < 량의변화의생식세포를만든다. 감수제1 분열에서는염색체수가반감되고, 제2분열에서는체세포분열과같이염색체의수는변하지않고 DNA 양만반감된다. 감수분열은두번분열이일어나므로 4개의딸세포가만들어진다. 감수분열결과로염색체수는반으로줄어들어딸세포는반수체가된다. 또한감수제1 분열전기에유전자의교차가일어나기때문에부모와딸세포는유전적으로달라진다. 교차로인해발생하는부모와딸세포간의유전적인차이는유전자의새로운조합을만들어주기때문에유전적인다양성을만들어주는중요한원인이된다. 체세포분열과감수분열의차이를비교해보면다음과같다. 체세포분열 감수분열 부모세포 ( 염색체복제전 ) 교차점 감수분열 Ⅰ 전기 복제된염색체 (2 개의자매염색분체 ) 염색체복제 2n = 6 염색체복제 전기 Ⅰ 상동염색체의접합에의한사분염색체 중기 중기판에위치한염색체 중기판에형성된사분염색체 중기 Ⅰ 후기말기 2n 체세포분열의딸세포 자매염색체가후기동안에분리된다. 2n 상동인것이후기 Ⅰ 동안에분리된다. 자매염색분체는서로붙어있다. 감수분열 Ⅰ 의딸세포 n n n n 감수분열Ⅱ의딸세포자매염색분체가후기Ⅱ동안에분리된다. 반수체 n = 3 후기 Ⅰ 말기 Ⅰ 감수분열 Ⅱ 52 심화생명과학

특성체세포분열감수분열 DNA 복제 분열횟수 상동염색체의접합 딸세포의수와유전적구성 동물몸에서의역할 체세포분열이시작되기전인간기에일어남 전가, 중기, 후기, 말기를포함하는한번 일어나지않음 2 개, 각각은 2 배체 (2n), 유전적으로부모세포와동일 접합자가다세포성체로자랄수있게해줌 : 성장과조직의회복을위한세포생성 감수분열 Ⅰ 이시작되기전인간기에일어남 각각의전가, 중기, 후기, 말기를포함하는두번 전기 Ⅰ 에서일어나사분염색체를형성하며비자매염색분체사이의교차와관련됨 4 개, 각각은반수체 (n), 부모세포와비교하여절반의염색체가짐, 유전적으로부모세포및다른딸세포와는다름 배우자형성 : 염색체수를반으로줄이고배우자의유전적다양성을제공 < 그림 Ⅰ- 42> 체세포분열과감수분열의비교 창의적생각 감수분열과유성생식은자손을유지하는데어떤장점을가지는지생각해보자. 세포핵에존재하는실모양의구조물을염색사라고한다. 분열중인세포에실모양의구조물이복잡하게얽혀있는것을염색체라한다. 염색사는세포분열이시작되면응축되어분열기의전기에두개의염색분체로보인다. 동원체는세포가분열할때염색분체가분리될수있도록방추사가연결되는곳이다. 분열을끝낸딸세포가자라서다시분열을마칠때까지를세포주기라고한다. 세포주기조절은세포주기조절시스템에의해조절된다. 체세포분열은체세포가분열하여딸세포를만드는과정으로분열전후에염색체수변화가없다. 생식세포분열은생식세포를형성할때일어나는세포분열이다. 2회의연속분열을통해 4개의딸세포를형성하며염색체수와 DNA 양이절반으로줄어든다. 정리하기 1. 세포에염색체가상동염색체로존재하는이유는무엇인가? 논술및토의 2. 세포주기에영향을주는분자수준의조절메커니즘을설명해보시오. 3. 단세포생물과다세포생물에서세포분열은각각어떤의미를가지고있는 가? Ⅰ. 세포와세포분열 53

물질대사 01 02 03 효소광합성세포호흡

단원안내 모든생물은에너지의지속적인공급을요구한다. 그에너지를이용하여필요 한물질을만들고, 그만들어진물질을다른생물체가의존하게된다. 생물체내에서일어나는에너지를수반하는모든화학반응을물질대사라고한다.

1. 효소 01. 물질대사 02. 효소 세계적피겨스케이팅선수김연아피겨스케이팅은많은에너지가소모되는운동이다. 많은어른들은우유속에들어있는젖당을소화시키지못해, 섭취시소화불량에시달리게된다. 그이유는젖당가수분해효소 (lactase) 가결핍되어젖당과민성을보이기때문이다. 이효소는포유동물들의수유기동안에는정상적으로생산되는데, 그이후에는점점감소하게된다. 물론예외적으로북유럽사람들은이렇게급격한감소를보이지않기때문에우유를섭취하는데어려움을겪지않게된다. 젖당가수분해효소가부족한사람이젖당을섭취하게되면젖당은소화되지않고고스란히대장까지이동하여미생물의에너지원으로사용된다. 이과정에서메테인 (CH 4), 수소 (H 2) 가발생하게되고장이팽창하는불쾌감과또다른생성물인젖산에의한삼투효과로장안에수분의함량이증가하여설사가나게된다. 한종류의효소가이렇게인간생활에서중요한역할을수행한다. 어떻게이러한일들이가능한지효소의구조와특성을이해하여알아보자.

01 물질대사 학 습 목 표물질대사를이용하여생명현상을설명할수있다. 물질대사의종류를알고특성을설명할수있다. 물질대사는생물체에서일어나는일련의연결된화학반응이다. 세포안에서일어나는화학반응경로는서로중복되는경우가많으며, 이경로들은정교하게조절된다. 물질대사는에너지가투입되는반응과에너지가방출되는반응으로나눌수있는데, 앞의반응은합성반응으로동화작용에해당되고뒤의반응 AMP ATP ADP Adenosine datp datp Adenine GMP GTP GDP Guanosine dgtp dgdp Guanine Vitamin C Histidine Serine Methionine Glucuronate Cysteine Tryptophan Threonine Asparagine Inositol Lactose Galactose Fructose Ribulose-5P Tyrosine Aspartate Furmarate Lysine Succinate Haemaglobin Sucrose Gellulose Glucose-1P Glucose-6P Fructose-6P GAD-3P Pyruvate Oxaloacetate Acetyl-CoA 2-oxo glutarate Vitamin B12 Cytochromes Chlorophyll Glucose Amylose Glycogen Glucosamine Chitin Lactate Glutamine Fats Ethanol Glycine Serine Alanine Glutamate Proline Valine Threonine Leucine Iso-leucine Fatty Acid Arginine Urea Aspartate Uridine Uracil UTP Thymine dttp Cytidine Cytosine CTO CDP dcto < 그림 Ⅱ- 1> 복잡한물질대사회로도 Ⅱ. 물질대사 57

자유에너지 생물체에서전체에너지는엔탈피 (H) 이며, 일하는데사용될수있는에너지는자유에너지 (G) 와사용되지않는에너지인엔트로피 (S) 를합한값이다. 자유에너지의변화는반응이자발적으로일어나는지를말해준다. G = H - T S : 변화, T : 절대온도 G가음의값일때반응은자발적으로일어나며이화작용에해당한다. 은분해반응으로이화작용에해당된다. 일련의반응경로는열역학적으로불리한방향으로진행되는데, 이때효소의역할은매우중요하다. 어떤열역학적으로불리한반응의경우, 이반응과짝지어있는열역학적으로더유리한반응에의해진행될수있게된다. 물질대사에서사용되는공통적인화학분자는 ATP이다. 화학반응에필요한에너지는 ATP 형태로제공되고, 반대로화학반응에서생성된에너지는 ATP의형태로저장된다. ATP의가수분해는자유에너지가감소하는반응으로 ADP로분해될때 1몰당약 7.3 kcal의에너지가방출된다. ATP의분해와합성반응은다른화학반응에서에너지를교환하는데쓰이며, ATP 자신은중요한전자운반체인 NAD +, FAD의성분으로도사용된다. 운동능동수송생합성신호증폭 ATP ADP 세포호흡명반응 ATP + H 2 O ADP + P i ( 자유에너지 = -7.3 kcal/mol) 인산화결합 아데닌 리보오스 햇빛혹은음식유래에너지 생활에너지 아데닌 무기인산 리보오스 < 그림 Ⅱ- 2> ATP 와 ADP 의전환 58 심화생명과학

자발적발생 질서상태의고체 무질서상태의액체 불가능한벽돌쌓기 더쉬운벽돌쌓기 < 그림 Ⅱ- 3> 열역학제 2 법칙 조사하기 열역학법칙을조사하고, 열역학법칙을이용하여물질대사를설명해보자. 읽을거리 첨단연구 사람의체온이 36.5 인이유가밝혀졌다. 미국아인슈타인의대아르투로카사데발교수는사람의체온 36.5 가균을막으면서온도를유지할수있는가장효율적인구간에속한다고미국미생물학회가발간하는 엠비오 (mbio) 저널 2010년 11월호에발표했다. 카사데발교수는체온과질량이물질대사에미치는영향과온도의증가에따라세균이감소하는비율을기준으로방정식을만들었다. 방정식을분석해사람이사용하는에너지와세균을막는데필요한온도사이에서최적범위를찾았다. 적합한온도는 35.9 에서 37.7 사이로나타났다. 이범위는세균의감염을막으면서사람이체온을유지할때사용하는에너지가가장효율적으로쓰이는구간이었다. 카사데발교수는 방정식에따르면최적온도는 36.7 였다 며 이는사람의체온과비슷하다 고말했다. 포유류의높은체온은양서류나파충류에비해세균감염을막을수있는장점으로해석됐다. 카사데발교수는 이번연구는포유류의체온이 37 부근에서유지되는이유를설명하는데도움을준다 고덧붙였다. [ 동아사이언스 ] 생각하기 사람의체온을유지할때사용하는에너지가가장효율적으로사용되었다고생각하는근거가무엇인지생각해보자. Ⅱ. 물질대사 59

02 효소학 습 목 표효소의구조와기능을설명할수있다. 효소에의한반응속도를계산할수있다. 효소의기능을억제하는억제물질의종류와기능을이해할수있다. 세포가살아가기위해서는물질대사가신속하고정확하게일어나야한다. 그러기위해서는화학반응의진행을막는에너지장벽을낮추어야한다. 에너지장벽을낮추기위한빠른방법은열을가하는것이지만세포에직접열을가할수는없다. 이러한문제를해결해주는것이바로효소이다. 1) 효소의구조와기능 보조인자 활성부위조효소주효소전효소 < 그림 Ⅱ- 4> 효소의구조 효소는보통주성분이단백질로반응과정에서자신은소모되지않고반응속도에영향을미치는유기촉매이다. 단백질이촉매분자로사용되는이유는매우다양한분자들과특이하게결합할수있기때문이다. 하지만많은효소의활성에는보조인자들이필요하다. 보조인자에는금속이온이나비타민과같은작은유기분자인조효소들이포함되는데효소에매우강하게결합해있는경우보결원자단이라고부른다. 조사하기 단백질만으로이루어진효소종류를조사하고, 기능에따른종류를조사해보자. 효소는활성화에너지를감소시켜반응속도를빠르게해줄뿐반응물질과생성물질사이의에너지변화에는영향을주지못한다. 60 심화생명과학

토론하기 효소가반응물질과생성물질사이의에너지변화를일으키지못하는이유에대하여토론해보자. < 그림 Ⅱ- 5> 효소의기능 효소는단백질의 3차구조로이루어져있다. 효소가작용기질하는특정반응물질을기질이라고하며, 기질은효소의특정활성부위부위인활성부위에결합하게된다. 활성부위는주로효소표면에형성된특정한모양의작은틈으로이루어져있으며, 이러한구조적특성때문에기질특이성을가지게된다. 물론특이성정도는효소마다다양하다. 예를들면고기를연하게만들때사용되는파파야식물에서추출한파파인효소는특이성이작아다양한펩티드결합을자를수있지만, 트립신의 < 그림 Ⅱ- 6> 카탈라아제의구조경우리신과아르기닌의카르복실기쪽결합만을자른다. 효소작용은많은약한결합으로이루어진효소-기질복합체가형성되면서시작된다. 이러한복합체에서물리화학적인환경이만들어지고반응은쉽게진행된다. E + S [ES] E + P 기질 활성부위 생성물 효소 효소 - 기질복합체 < 그림 Ⅱ- 7> 효소 - 기질복합체형성과정 Ⅱ. 물질대사 61

단백질의 1차구조아미노산서열 단백질의 2차구조폴리펩티드뼈대의공간적인배열을가리키며, 오른쪽으로돌아올라가는모양의알파나선 (α-helix) 구조와병풍처럼접혀진모양의베타면 (β-sheet) 구조가가장흔하다. 효소와기질이결합하는방법은두가지로생각해볼수있다. 첫째는자물쇠-열쇠모형으로효소의활성부위의구조는기질의구조와 3차원적인상보관계에있다. 둘째는유도적합모형으로효소가기질의일부분과결합한후효소의활성부위가기질과상보적인구조로바뀌게된다. 유도적합모형은효소의기질에대한동적인식관계를잘보여준다. 1 자물쇠-열쇠모델 활성부위기질 단백질의 3 차구조 곁사슬을포함한전체폴 리펩티드의 3 차원적인구 조. 2차구조의단위들이서로결합하여만들어진 효소 효소 - 기질복합체 효소 생성물 다. 3차구조부터기능이발현된다. 2 유도적합모델 기질 단백질의 4 차구조두개이상의폴리펩티드들 이모여서이루는복합체로 서의구조. 하나의폴리펩 티드가단백질로서의역할 효소 효소 - 기질복합체 효소 생성물 을수행하는경우 4 차구조 를이루지않기도한다. < 그림 Ⅱ- 8> 효소 - 기질결합방법 효소의주성분은단백질이며, 효소의기능은단백질의 3차구조에의해결정되기때문에 3차구조에변화를주는물리화학적환경에의해효소의활성이달라진다. 이러한환경에는온도, ph 등이포함된다. 온도는분자운동에영향을주는데높은온도에서는효소의성분인단백질이변성되어효소의기능이상실된다. ph의변화도단백질의 3차구조에변화를가져온다. 이들이외에도기질의농도역시효소의활성에영향을주게된다. < 그림 Ⅱ- 9> 아밀레이즈활성에영향을미치는요소 62 심화생명과학

조사하기효소활성에영향을미치는세요소중기질농도와관련된그래프가다른두요소와다른이유를조사해보자. 그리고온도에대한그래프에서고온과저온에서의효소구조의특성에대해토론해보자. 탐구활동 아밀라아제의최적온도, 최적 ph 찾기 아밀레이즈는침과이자액에존재하는소화효소이다. 이효소는녹말을엿당으로가수분해한다. 실험활동을통해효소와기질의관계를알아보고주성분이단백질인효소의활성에영향을주는요소를이해해보자. (1) 조별토론을통해아밀레이즈의활성에온도와 ph가어떠한영향으로주는지적합한가설을설정해보자. 준비물 재료 : 10% 녹말, 10% α-아밀레이즈, 엿당, 1M HCl, 1M NaOH, 메탄올, 얼음 기구 : 1회용큐벳, 1 ml 오토피펫, 약수저, 유산지, 15 ml 시험관, 알코올램프, 분광광도계, 항온수조, ph 미터, 전자저울, 제빙기방법및절차 (1) 주어진재료와기구를가지고조별로설정한가설을검증할수있는실험장치와방법을설계해보자. (2) 조별로탐구실험을수행한다. 결과및논의 (1) 설계한실험방법에서설정한각변인들을기술해보자. (2) 실험을통해얻은결론은설정한가설과어떤차이를보이는지분석해보자. 연구과제 (1) 수행한실험을최소한의장비와공간, 재료를가지고수행할수있도록재설계해보자. Ⅱ. 물질대사 63

2) 반응속도 효소의활성은반응속도로이해할수있다. 반응속도는단위시간당소모된반응물질의농도나생성된생성물질의농도로표현할수있다. 반응속도를연구하는간단한방법은일정한양의효소에여러농도의기질을반응시켜단위시간당생성물질의농도를측정하는것이다. 일반적으로생성물질의농도는시간에따라증가하지만결국에는생성물질의농도혹은반응물질의농도변화가일어나지않는평형상태에도달하게된다. 효소작용의초기속도는미카엘리스-멘텐식으로설명할수있다. V 0 =V max [S ] [S ]+K m V 0 : 초기속도 V max : 최대속도 [S ] : 기질농도 K m : 반응속도가 V max 의 1/2일때 의기질농도값 < 그림 Ⅱ- 10> 기질농도에따른효소의반응속도 이식에따르면기질농도가 K m 보다매우작으면초기속도는기질농도에정비례하고, 반대로기질농도가 K m 보다매우크면초기속도는최대속도가된다. 이러한개념은일부사람들에게서볼수있는에탄올민감성으로쉽게이해할수있다. 체내에들어온에탄올은알코올탈수소효소에의해아세트알데히드로산화되고, 이물질에의해얼굴이붉어지고심장이빨리뛰게된다. CH 3 CH 2 OH + NAD + CH 3 CHO + H + + NADH 알코올탈수소효소 CH 3 CHO + NAD + + H 2 O CH 3 COO - +2H + + NADH 아세트알데히드탈수소효소 64 심화생명과학

< 그림 Ⅱ- 11> 그림 Ⅱ-10 의역수그래프 왜이러한민감성에차이가있을까? 일반적으로사람은두종류의아세트알데히드탈수소효소를가지고있다. K m 이작은미토콘드리아형과 K m 이큰세포질형효소인데, 에탄올감수성이큰사람들은미토콘드리아형효소를구성하는아미노산이치환되어활성이매우약한효소를가지고있어주로세포질형효소에의해아세트알데히드를분해하게된다. 세포질형효소는 K m 이커서에탄올의분해산물인아세트알데히드의분해가매우느리고혈액으로많이빠져나와생리적인영향을주게된다. 3) 억제작용 효소들은여러물질에의해활성이억제될수있다. 생물체내에서이러한억제는매우중요한생리적조절방법이되고의약품의일부는이러한원리로사용된다. 특히다른자리입체성에의한효소의활성조절은매우일반적이다. 효소의억제작용은가역적, 그리고비가역적으로나뉜다. 가역적억제는효소와억제물질사이의해리가빠르게일어나며, 다시경쟁적억제와비경쟁적억제로나뉜다. 경쟁적억제의경우기질과억제물질은구조가비슷하고효소의활성부위에대해자리다툼을하기때문에기질과효소의결합확률을감소시킨다. 따라서기질의농도를증가시키면경쟁적억제물질의억제효과를감소시킬수있다. Ⅱ. 물질대사 65

효소 기질 생성물 효소 생성물 억제물질 기질 억제물질 ❶ ❷ < 그림 Ⅱ- 12> 효소의활성억제작용. 1 경쟁적억제작용, 2 비경쟁적억제작용 비경쟁적억제의경우, 억제물질과기질은효소의다른부위에결합하여효 소의대사회전수가감소된다. 기질농도를증가시켜도억제효과가감소되지않는다. < 그림 Ⅱ- 13> 억제종류에따른효소의반응속도 대사회전수효소가기질로완전히포화되었을때, 한효소분자에의해서단위시간당생성물로전환되는기질분자수를의미한다. 효소의대사회전수는최대반응속도 V max 를전체효소농도로나눈값이다. 조사하기 다른자리입체성조절을통한효소의활성조절은물질대사회로에서매우중요하다. 그이유를설명하고이와관련된구체적인사례를조사해보자. 66 심화생명과학

읽을거리 첨단과학 생명과학과공학이만나펼치는신세계포도당같은먹이를먹고뱉어내는미생물의대사물질을이용하기위해, 인간은미생물의어떤대사회로는차단하고, 또증폭하고, 또는서로연결함으로써효율높은대사작용을하는새로운미생물을탄생시키고있다. 미생물공학에자주쓰이는대표주자는대장균이다. 대장균은단세포생물로과학자들이속속들이가장잘아는미생물이기때문이다. 우리나라에서 < 그림 Ⅱ- 14> 고밀도알코올분자를생산하도대장균에서벌어지는복잡한대사와유전자조는유전자조작대장균절, 신호전달네트워크를조작하고조절해새로운슈퍼대장균들을만들어왔다. 미생물대사회로를조작해서에너지원 화합물등을생산하도록하는것과같이어떤생명체의대사회로를인위적으로조작해목적을달성하려는분야가대사공학이다. 식물이나동물에도적용할수있지만지금은대부분미생물에적용되기때문에미생물대사공학이라고부른다. 조작된미생물균주는높은효율로숙신산, 부탄올, 에탄올을만들기도하고화학적으론합성하기어려운의약물질을만들기도한다. 또자연에는없는대사물질을만들어대사회로안에끼워넣기도한다. 자연에없는효소유전자들의 DNA 염기서열을설계 제작한뒤이인공유전자를대장균에넣어대장균몸안에서까다롭고값비싼화학공정이저절로이뤄지게하는데성공했다. 이연구성과는컴퓨터에서진화하는 가상세포 덕분이었다. 일종의컴퓨터프로그램인가상세포는어떤생물종의세포안에서이뤄지는대사와유전자조절, 그리고신호전달과정을컴퓨터알고리즘을따라구현해낸다. 가상세포는어떤생물종의대사반응이나유전자조절과정을인위적으로바꿀때에어떤일이일어나는지컴퓨터화면에미리보여주기때문에, 생명현상을연구하거나특정물질을고효율로생산해내는미생물을제작할때쓰임새많은정보를제공한다고한다. 예를들어대장균의어떤대사산물을얻기위해서대장균의유전자세개를동시에없애려한다면, 세개유전자조합을없애는실험을 1억6600만번되풀이해야한다. 하지만고성능컴퓨터에서가상세포프로그램을돌리면간단한시뮬레이션은 1주, 복잡한것도 6~9주정도면끝낼수있다. 흔히젖은대상을다루는생물학실험팀을 웨트팀 이라부르고, 컴퓨터의가상세포를다루는팀을 드라이팀 이라고부른다. 두집단은아주이질적이며두집단사이의활발한상호대화에의해연구의성패가갈리게된다. 즉, 융합의문화가매우중요하다. 조사하기컴퓨터를이용한모의실험이과학적으로실효성을거두기위해사전에수행해야하는것이무엇인지조사하고최근에첨단생물학분야로등장한생물정보학에대해서도조사해보자. Ⅱ. 물질대사 67

정리하기 물질대사 생물체는에너지와구성물질을물질대사로부터얻는다. 물질대사는생물체에서일어나는일련의연결된화학반응이다. 물질대사에서사용되는공통적인에너지분자는 ATP이다. 물질대사는크게동화작용과이화작용으로나뉜다. 효소 물질대사는효소에의해촉매된다. 효소에의해활성화에너지가감소하지만, 반응에너지는변화가없다. 효소의주성분은단백질이지만어떤효소는활성화되기위해단백질이외의물질을필요로한다. 효소는기질과효소-기질복합체를형성하여반응이쉽게일어날수있는물리화학적인환경을조성한다. 효소는입체구조로인해특정한기질과반응한다. 효소의입체구조는물리화학적인환경에의해바뀔수있다. 68 심화생명과학

1. 다음제시문은선천성대사이상질환에대한것이다. 논술및토의 선천성대사이상질환은유전적으로특정한효소결핍으로인해생기는병리학적결과의대사성장애상태를말한다. 이개념은 1902년 Gerrod에의해처음으로도입되었고, 선천성대사장애도질환의원인이될수있음을제시하였다. 유전학과생화학의발전으로매년새로운선천성대사이상증이발견되어현재 400여종의질환이알려져있다. 유전성대사질환은태어날때부터물질대사가비정상적인질환으로대부분은인체중 1개의효소가선천적으로작용할수없는경우이다. 예를들면, 어느효소에이상이있으면그효소에의해대사가이루어져야할물질이그대로신체에축적되고축적물에독성이있으면인체에기능장애가나타나게되는것이다. 유전성대사질환은유전자이상에의하여발생하며, 1개의효소이상에서도여러종류의변형이나타날수있는데그이유는효소의구조나생성을지배하는유전자에의해특이한변이가나타나기때문이다. 즉, 이러한여러가지유전성대사질환에서다양한유전적이질성을볼수있는이유는유전학적으로변이가다양하기때문이다. 또한효소를구성하는단백질과조직을구성하는단백질의기능에약간의차이가생겨서표현양상도다양하게나타나기도한다. 이같이대사이상에의한장애발생원인은유해한물질이축적되는경우와생체에중요한물질이형성되지못하는경우로나누어볼수있다. 선천성대사이상질환을치료할수있는방법을제시문의내용과관련지어논술 해보자. 2. 인공적으로만든분자로효소의기능을대신하게하는것을인공효소라고한 다. 최근에개발된인공효소의종류와작동원리를조사하고, 우리생활에 어떤변화를줄지토론해보자. Ⅱ. 물질대사 69

2. 광합성 01. 광합성 초록색의수풀림 이세상에서가장많은색깔이초록색이며우리는초록색을생명과연결시킨다. 식물의초록색은엽록소라는색소때문이며, 이색소는빛에너지를화학에너지로바꾸는과정에서중심적인역할을수행한다. 이과정을광합성이라고하는데, 에너지전환뿐아니라모든호기성생물의생존에필요한산소역시이과정을통해발생된다. 따라서광합성과정은종속영양생물의에너지원천을제공하며동시에에너지를발생하는데필요한산소까지공급하는매우중요한역할을수행하고있는것이다. 광합성과정이어떻게일어나며, 자연에서식물은어떠한광합성전략을세워적응하고있는지알아보자. 70 심화생명과학

01 광합성학 습 목 표명반응과암반응을통해광합성에영향을미치는요인을설명할수있다. 광합성을통해에너지가전환되는과정을설명할수있다. 광합성과호흡을비교하여설명할수있다. 환경에적응한식물의광합성전략을설명할수있다. 광합성은생물권에에너지를공급한다. 이산화탄소와물로부터 1분자의포도당을만드는데필요한자유에너지변화는 686kcal/mole이다. 이러한막대한에너지는빛에너지로부터온것이다. 광합성과정은세포호흡과정과반대의화학반응식으로표기된다. C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + 화학에너지 [ 세포호흡 ] 6CO 2 + 6H 2 O + 빛에너지 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 [ 광합성 ] 결국광합성과세포호흡은상호순환관계이며, 이러한순환에의해지구상의생명체는유지된다고할수있다. 엽록소는식물이나조류에서발견되는세포소기관인엽록체에존재하는색소이다. 엽록체는미토콘드리아처럼외막, 내막, 그리고틸라코이드막을가지고있는데, 이틸라코이드막에엽록소분자가끼워져있다. 틸라코이드막은납작한주머니를만들어내 강을가지고있고이러한구조는차곡차곡싸여그라나를형성한다. 그이외의액체가가득한공간은스트로마라고한다. 틸라코이드막에서명반응이일어나고스트로마에서암반응이일어난다. 엽록체 DNA 엽록체리보솜스트로마내막외막 그라나틸라코이드 < 그림 Ⅱ- 15> 엽록체의구조 조사하기 엽록체를가지고있지않은원핵생물의경우에는빛을흡수하는색소들이어디에존재하는지조사해보자. Ⅱ. 물질대사 71

연구하기 미래형식물공장설계하기 광합성은광합성색소를가지고있는생물들이태양의빛에너지를저장하거나운반할수있는형태의화학에너지로전환시키는과정이다. 지구생태계를유지하는가장기본적인반응으로광합성생물뿐만아니라그이외의다른생물들의생명활동을가능하게한다. 탐구활동을통하여광합성에영향을미치는요인을분석하고실제로적용가능한식물공장을설계함으로써광합성의전체과정을이해해보자. 탐구활동 광합성효율을인위적으로증대시킬수있을까? 광합성에영향을주는요인을이해하고, 자연적혹은인위적으로광합성에영향을주고있는실제사례를찾아분석함으로써식량위기의문제점을진단하고해결방법을제시해보자. 준비물 도구 : 교재, 참고서적, 인터넷가능한컴퓨터 방법및절차 (1) 광합성에영향을미치는요인을조사하고, 각요인에대한인위적인변화가가능한지조사하자. (2) 정상적인광합성이일어나기위한무생물적환경요인을정량적으로계산해보자. (3) 광합성산물을측정하는방법을찾아보고, 이들의경제적가치를조사해보자. (4) 온실및실내식물재배현황과실태를조사하고, 특히실내식물재배환경에서소요되는경비를조사해보자. 결과및논의 (1) 조사된자료를보고서의형태로작성해보자. 연구과제 (1) 인구 100명이생존하는데필요한식물의종류와식물유래식량을정량화하고, 이를충족시키기위한식물의개체수를조사해보자. 72 심화생명과학

탐구활동 광합성작용을눈으로확인하자. 광합성작용은여러반응들이모인것이다. 여러반응들이종합적으로진행되는과정을실험을통해확인함으로써광합성에영향을미치는요인들의중요성을이해해보자. 준비물 재료 : 증류수, BTB용액, 염화코발트종이, 요오드-요오드화칼륨수용액, 1M HCl, 1M NaOH, 성냥, 검정말, 0.3% NaHCO 3 수용액 기구 : 삼각플라스크 (100mL, 1L), 비커 (100mL, 1L), 메스플라스크 (100mL, 1L) 페트리접시, 메스실린더, 약수저, 약포지, 오토피펫, 자석막대기, 수조, 시험관, 스탠드, 전기스탠드 (100W, 200W, 300W, 400W 조절가능 ), 깔때기, 초시계, 온도계, 표본병, 면도칼, 자 (30cm), 분광광도계, 전자저울, ph 미터, 자석교반기, 조도계 방법및절차 (1) 빛의세기와광합성작용의관계를알아보기위한실험을위의재료와기구를이용하여설계해보자. 1 가설을설정해보자. 2 변인을설정하고, 변인을실험에서구현할수있는방법을찾아보자. 3 실험내용을그림으로표현하고, 자료제시방법을고안해보자. (2) CO 2 농도와광합성작용의관계, 온도와광합성작용의관계에대해위와동일한방법으로탐구수행해보자. 결과및논의 (1) 각각의실험결과를고안한제시방법으로작성해보자. (2) 각각의실험결과로부터결론을구체적으로도출한후, 처음세운가 설과의일치여부를판단해보자. (3) 각요인에대한광합성최적조건을찾아보자. Ⅱ. 물질대사 73

연구과제 (1) 실험을통해찾은광합성의최적조건을충족시킬수있는경제적이고효율적인장치를고안해보자. 탐구활동 미래형식물공장을설계하자. 탐구활동 1과 2를통해알게된정보와지식, 탐구실험능력을이용하여미래형식물공장을설계함으로써어떤문제를과학적으로해결하고자하는의지를함양하고미래과학자로써인류가직면하고있는문제에적극적으로참여하는리더십을길러, 올바른과학자의자질을갖도록하자. 또한산출물발표활동을통해소통하는능력과올바른토론능력을길러보자. 준비물 기구 : 수행한실험자료, 교재, 참고서적, 인터넷가능한컴퓨터, B4 용지, 연필, 색연필, 컴퓨터 ( 파워포인트프로그램설치된 ), 프린터, 빔프로젝트 방법및절차 (1) 조별로조사하고탐구실험을통해얻은결과를바탕으로적은공간 (10 m 2 ) 에서최대의광합성효율이가능한식물공장을설계해보자. 1 산출물의형태 ( 파워포인트자료등 ) 를정해보자. 2 실현가능한식물공장을만들어보자. (2) 조별로제작한식물공장설계도를발표해보자. 1 발표과정은과학토론의형식을띤다. 2 조별로상호평가를실시한다. 결과및논의 (1) 설계내용에대한과학적근거를제시하자. (2) 녹색생장과관련지어설계한내용을설명해보자. 74 심화생명과학

(3) 생태계와관련지어설계한내용의타당성을토론해보자. 연구과제 (1) 자기가살고있는지역에서자급자족이가능하기위한식물공장을세운다면, 어느정도의규모를가져하는지제작한식물공장설계도를이용하여예측해보자. 읽을거리 첨단연구 기후변화에대응한농업의진화 : 식물공장 식물공장 (Plant Factory) 은빛, 공기, 양분등을조절하면서계획적으로농산물을재배하는시설이다. 비닐하우스보다한단계더발전한시설이라고할수있다. 식물공장에서는기후와계절에상관없이안정적으로식량을생산할수있으며당연히빛, 공기등을제어할수있는최첨단시설이필요하다. 식물공장을운영할때얻는장점은무엇이있을까? 첫째, 먼저안정적으로농산물을생산할수있다. 둘째, 식물공장은환경에도도움이된다. 셋째, 토지의효과적인활용이가능하다. 이러한장점을가지게될미래의식물공장은최첨단기술의복합체로운영된다. 광원은태양광이아니라 LED 등을활용한인공조명과공기및온도조절기가자동으로시설내환경을조절하게된다. 토양에는양분을포함한배양액이투여되고, 로봇을활용한무인생산시스템도도입되어인간의손길이닿지않는곳에서친환경, 무공해농산물을대규모로재배하는빌딩의형태가된다. 현재많은나라에서이러한식물공장을건설하고있고우리나라도연구중에있다. 조만간우리식탁에도식물공장에서생산된청정한식물로요리한음식이차려질것같다! 토론하기 식물공장의장점으로제시된세가지의근거를구체적으로생각하여토론해보자. Ⅱ. 물질대사 75

1) 광합성색소 엽록소를포함하여광합성에관여하는색소들은빛에너지를흡수한다. 태양은지구상의모든생명을유지하게하는근본적인에너지원이다. 빛은전자기선을전기장과자기장의진동에의해발생되는파동의형태로움직인다. 파장이짧은감마선부터매우긴파장의라디오파로이루어진태양광선중짧은범위의가시광선이주로광합성에필요한에너지를제공한다. 파장 (m) 파장의규모 축구장 집 야구공 두꺼운마침표 세포 세균 바이러스 단백질 물분자 파장의일반명칭 라디오파 적외선 자외선 짧은파장 X 선 마이크로파 가시광선 긴파장 X 선 감마선 주파수 광자에너지 ( 전자볼트 ) < 그림 Ⅱ- 16> 여러종류의파장 조사하기 동물들도광합성색소처럼빛을흡수하는성질이있는분자를가지고있다. 동물이가지고있는색소분자와이들의특성을조사하고광합성색소와의차이점을찾아보자. 흥분상태의전자가가지는에너지의운명 열방출햇빛에의해아스팔트가뜨거워지는경우 형광방출해파리등의발광 전달광합성작용에서의화학에너지로의전환 물체에빛이부딪히면통과하거나반사되거나흡수될수있는데광합성색소는이중빛을흡수할수있는유기분자이다. 물론완전히흡수하는것이아니고일부파장은반사되는데, 반사되는파장에의해우리는색을구별할수있게된다. 광합성색소가빛에너지를흡수하면색소를구성하는일부전자가흥분상태인고에너지상태가된다. 이러한흥분상태는매우불안정하기때문에전자는열을방출하거나다른형태의빛을방출하고다시안정한상태로되돌 76 심화생명과학

아간다. 하지만광합성색소는이러한에너지를다른안정된분자로이동시켜준다. 즉, 빛에너지를화학분자의결합에너지로전환시킨다. 식물은여러종류의광합성색소분자를가지고있다. 엽록소 a, 엽록소 b 와같은엽록소분자들은녹조류와식물에서발견되며틸라코이드막의막단백질에결합되어존재한다. < 그림 Ⅱ-17> 과같이엽록소의포르피린구조에는마그네슘이온이존재하며고리구조에서빛에너지를흡수한전자가이동하게된다. 막삽입색소분자괴 엽록소 b 경우, 엽록소 a 경우 그라나 ( 틸라코이드층 ) 틸라코이드막 포르피린링구조 ( 엽록소의광흡수부위 ) 탄화수소꼬리 (H 원자기호생략됨 ) < 그림 Ⅱ- 17> 엽록소분자의구조 다른색소인카로티노이드는가을에볼수있는노란색, 주황색, 빨간색을나타내는색소이다. < 그림 Ⅱ-18> 카로티노이드분자의구조 광합성색소의흡수파장은흡수스펙트럼으로나타낼수있다. 각종류의색소는가시광선스펙트럼의서로다른영역을흡수하는데모든엽록소는적색과청색파장을가장잘흡수하고녹색파장은잘흡수하지못한다. 이에비해 Ⅱ. 물질대사 77

카로티노이드는청색과청녹색영역의빛을잘흡수한다. 흡수한파장의빛과광합성량의관계를나타낸것이작용스펙트럼이다. 작용스펙트럼은파장에대한광합성률을나타내는것으로엽록소와카로티노이드가잘흡수하는파장과관계가있음을알수있다. < 그림 Ⅱ- 19> 스펙트럼. 위는흡수, 아래는작용스펙트럼이다. 조사하기 작용스펙트럼에서광합성량을측정할수있는방법을조사해보자. 78 심화생명과학

읽을거리 첨단연구 KAIST의연구진은최근나노소재를이용해자연계의광합성을모방한 인공광합성 시스템개발에성공했다. 이번기술은고부가가치의각종정밀의약품들을태양에너지를이용해생산하는친환경녹색생물공정개발로이어질전망이다. 식물등자연계의광합성생물체들은태양에너지를화학에너지형태로저장하고, 이화학에너지는캘빈회로를통해생존에필요한탄수화물등각종화학물질들을합성하는데이용된다. P700 + e - e - NADP + NADPH NAD + NADH P700 ATP ADP P i CO 2 연구팀은이와같은자연광합성시스템을모방, 자연계의광반응 (light reaction) 대신태양전지등에서사용되는양자점 (quantum dot) 등수나노크기의광감응소재로빛에너지를전기에너지로전환하고, 자연계의복잡한캘빈사이클대신산화환원효소반응을통해빛에너지로부터시작해최종적으로정밀화학물질생산이가능한반응시스템을개발했다. 현재세계적으로지구온난화와화석연료의고갈이라는문제를안고있는가운데, 온난화의원인인이산화탄소를배출하지않고무제한으로존재하는태양에너지를이용하려는많은노력중하나로개발된이러한인공광합성기술은파급효과가매우클것으로예상된다. 이연구는나노과학과생명공학분야의창의적인융합을통해새로운공정기술을개발하는데크게기여했다는평가를받고있다. 조사하기 자연계를모방하는과학활동이나과학업적에대해조사해보자. Ⅱ. 물질대사 79

2) 명반응 에머슨의증대효과광계 II, I의존재는특정파장의섬광을이용하여증명하였다. 1950 년에머슨 (Emerson, R.; 1903~1959) 은특정파장의빛을조류에조사시켜광합성률을측정하였다. 680 nm 혹은 700 nm 의빛을단독으로쬐면광합성률이낮았지만두파장의빛을동시에쬐면광합성률이 2배로증가하였다. 이것을증대효과라고한다. 나중에힐 (Hill, R.; 1899~1991) 과벤달은광합성에두개의광활성화반응이관여한다고제안하였고, 이것이 Z 체계모델로알려졌다. 우리눈에도빛을흡수할수있는색소가망막에존재한다. 하지만이들색소는빛에너지를포획하지못한다. 반면에광합성색소는빛에너지를포획하여좀더안정한분자로옮겨주는능력을가지고있다. 틸라코이드막에는광계 I과광계 II라는색소-단백질복합체가존재한다. 광계 I이 II보다먼저발견되었지만광합성의시작은광계 II부터일어난다. 광계는틸라코이드막에존재하는단백질과수십개의색소분자로이루어진집광복합체, 그리고주요색소분자인반응중심으로이루어져있다. 안테나복합체라고도불리는집광복합체를구성하는색소분자는빛에너지를직접흡수하여공명에너지전달방식을통해이웃색소분자로에너지를전달한다. 전달된에너지는최종적으로 680 nm 혹은 700 nm 파장의빛을가장잘흡수하는 1쌍의엽록소 a분자로전달된다. 이들엽록소 a분자쌍이반응중심이며각각 P680, P700으로표시한다. P680은광계 II, P700은광계 I의반응중심이된다. P680, P700에서 P 광계 (photosystem) 를의미함. 광자 전자전달 1 차전자수용체 반응중심엽록소분자 반응중심 에너지전달 안테나색소분자 < 그림 Ⅱ- 20> 집광복합체에서의에너지전달 공명에너지로전달된에너지는반응중심의엽록소 a분자에서고에너지전자를방출시킨다. 이렇게방출된전자는이웃한안정된일차전자수용체분자로순식간에이동되고그다음전자전달분자로이동되며명반응이완성된다. 이과정중에 P680을구성하는엽록소 a분자는전자를잃게되는데, 그빈자리를물분자의분해과정에서생성된전자가보충하게되고분해과정동안에산소가발생하게된다. 따라서광계 II는물분자를산화시켜산소를발생시키는유일무이한단백질복합체가된다. 물분자의산화에는망간이온이중요한역할을수행하는것으로알려져있다. 일차전자수용체로전달된고에너지전자는미토콘드리아내막의전자전달 80 심화생명과학

계와유사한틸라코이드막의전자전달계로들어간다. 시토크롬복합체, 플라스토시아닌을거친후광계 I의반응중심으로전자가이동하면서방출되는에너지에의해양성자가틸라코이드내강으로능동수송된다. 결국이러한능동수송과물분자의분해로틸라코이드내강은높은농도의양성자를가지게되어틸라코이드막을경계로양성자농도기울기가형성된다. 미토콘드리아에서와마찬가지의화학삼투압적인산화에의해 ATP가형성된다. 광계 I의안테나복합체에빛에너지가흡수되면광계 II와마찬가지로 P700에서고에너지전자가방출된다. 역시일차전자수용체가방출된전자를수용하고, 전자는페레독신을거쳐 NADP + 환원효소로이동된다. 이환원효소에의해 NADPH가생성된다. 1분자의 NADPH가형성될때스트로마에서양성자 1 분자가사용되며, 이또한틸라코이드막을경계로한양성자농도기울기형성에도움을주게된다. 전자가방출된 P700의엽록소 a는부족한전자를광계 II로부터얻게된다. 빛 H 2 O NADP ADP 명반응 ATP NADPH CO 2 캘빈회로 O 2 [CH 2 O](sugar) 1 차전자수용체 전자전달계 1 차전자수용체 전자전달계 전자의에너지수준 빛 시토크롬복합체 환원효소 빛 광계 Ⅱ 광계 Ⅰ < 그림 Ⅱ- 21> 명반응 Z 반응구조 조사하기 틸라코이드막을경계로수소이온농도구배가형성될때참여하는수소이온들이어디서유래하는지모두조사해보자. 위에서기술한과정은전자가광계 II 에서광계 I 을거쳐최종적으로 NADP + Ⅱ. 물질대사 81

로흐르기때문에비순환적전자흐름이라고말한다. 이과정은 Z 체계로알려져있다. 광계 I에서방출된고에너지전자가페레독신으로가지않고광계 II 의전자전달계로이동하여계속해서 ATP가형성되는순환적전자흐름도존재한다. 비순환적전자흐름에서는 NADPH, ATP 모두생성되지만순환적전자흐름에서는오로지 ATP만이생성된다. 생각하기 순환적인산화과정의생물학적의의를생각해보자. 3) 캘빈회로 캘빈회로의발견캘빈 (Calvin, M.; 1911~1997) 과벤슨 (Benson, A.; 1917~) 은 1940년대와 1950 년대에탄소동위원소인 14 C 로표지된 CO 2 를녹조류인클로렐라배양액에첨가하였다. 매우짧은시간동안광합성이일어나도록둔후, 알코올이들어있는용액에옮겨반응을멈추게하였다. 그후세포추출물을 2차원종이크로마토그래피로분석하여암반응회로를완성하였다. 이공로로이들은 1961년노벨상을수상하였다. 캘빈회로는시트르산회로와반대로탄수화물을합성하는회로이다. 공기중이산화탄소를고정하는단계로빛에너지를궁극적으로화학결합에너지로전환한다. 일반적으로광합성반응식에서는만들어진탄수화물이포도당으로묘사되지만실제는다른종류의탄수화물이만들어진후포도당등으로전환된다. 캘빈회로는 3단계로이루어져있다. 캘빈회로에는명반응에서만들어진 NADPH와 ATP가사용된다. 첫째, 탄소고정단계 6CO 2 + 6RuBP 12분자 3PG 이반응은 Rubisco(RuBP carboxylase/oxygenase) 라는지구상에서가장풍부한효소에의해촉매된다. 조사하기 Rubisco가지구상에서가장풍부한효소로진화한이유를효소활성과연관지어조사해보자. Bis Di, two RuBP Ribulose bisphosphate 둘째, 환원단계 12 분자 3PG + 12ATP 12 1,3BPG 3PG 3-Phosphoglycerate BPG Bisphosphoglycerate G3P Phosphoglyceraldehyde 12 1,3BPG + 12NADPH 12 G3P + 12Pi 12분자의 G3P 중 2개가탄수화물을만드는데사용되고, 나머지는 6개의 RuBP가재생되는데사용된다. 셋째, RuBP의재생단계 10 G3P + 6ATP 6RuBP 82 심화생명과학

재생된 RuBP 는다시이산화탄소를받아들일수있으며, 캘빈회로는계속진 행된다. 생각하기 왜 CO 2 를직접중합하지않고이러한환원과정을거쳐야하는지생각해보자. H 빛 2 O CO 2 명반응 NADP ADP ATP NADPH 캘빈회로 유입 1 단계 : 탄소고정 O 2 [CH 2 O](sugar) RuBP PG 캘빈회로 1, 3-BPG 3 단계 : CO 2 수용체 (RuBP) 의재생 G3P 2 단계 : 환원 유출 포도당과기타유기화합물 < 그림 Ⅱ- 22> 캘빈회로 4) 환경에적응한다양한광합성작용 위에기술된내용은식물, 조류, 남조류에서볼수있는일반적인광합성작용이다. 하지만빛의세기나온도, 물의공급상황과같은특정한환경조건에서는일반적인광합성효율이달라질수있으며, 이러한환경조건에서서식하는식물들은광합성효율을높이기위해다양한광합성작용을개발하여살고있다. 이산화탄소와 RuBP를결합해주는반응을촉매하는효소루비스코는반응 Ⅱ. 물질대사 83

결과로세개의탄소를가지는 PG 분자를 2분자생산한다. 탄소고정단계에서이렇게탄소 3개를함유하는분자를만드는식물을 C 3 식물이라고한다. 하지만루비스코는고온건조한환경조건에서산소화효소로작용할수있으며그결과는아래와같다. RuBP + O 2 PG + 포스포글리콜산이러한반응을광호흡이라고한다. 식물체내의낮은이산화탄소농도는고온건조한상태에서기공이닫히면서대기중의이산화탄소가잎내부로들어오지못하기때문에형성되며, 반대로광합성결과생성된산소의농도는잎내부에서높아지게된다. 광호흡은광합성효율을감소시키지만높은산소농도로인한피해로부터식물을보호해주는이점을가지고있는것으로알려져있다. 더구나최근연구에의하면광호흡은질소동화작용의효율을높여준다고한다. 1960년대코르착 (Kortschak) 은사탕수수의최초탄소고정산물이 3PG가아닌 4탄당이라는것을발견하였다. 이러한식물을 C 4 식물이라고부른다. 후에해치 (Hatch) 와슬랙 (Slack) 은 4탄당이옥살산인것을확인하였고, 그경로를밝혔다. 이들 C 4 식물은독특한조직인관다발을둘러싸는유관속초세포들을가지고있다. 대기중의이산화탄소가기공을통해엽육세포로들어오면이세포안에서 PEP 카르복실화효소에의해 PEP(Phosphoenolpyruvate) 와결합하여 4탄당인옥살아세트산이형성된다. PEP 카르복실화효소는산소에대한결합력이없기때문에이산화탄소의농도가낮아도이반응은잘일어나게된다. 옥살아세트산은다시수송을위해말산으로바뀐후유관속초세포로이동하여피루브산과이산화탄소로분해되며, 이때생성된이산화탄소는정상적인캘빈회로로들어가게된다. 피루브산은다시되돌아가 ATP를소모하여다시 PEP 가된다. 이러한과정을거쳐유관속초세포속의이산화탄소농도는높게유지되기때문에이곳에존재하는루비스코는정상적인암반응회로를가동할수있게된다. C 4 식물은 C 3 식물보다여러면에서좀더유리하며, 낮의온도가높고햇빛이강한장소에서잘적응한다. C 3 식물은고온건조한상태에서전체광합성량의 25~50% 가광호흡으로사라진다. 옥수수, 사탕수수등은대표적인 C 4 식물이다. 반면에한랭한기후에서는 C 3 식물이탄소고정시에너지가적게들기때문에다소유리하며지구상약 90% 정도의식물이 C 3 식물일것으로추정된다. CAM(Crassulacean acid metabolism, 다육성식물유기산대사 ) 식물은 C 4 식물과생화학적반응이거의같지만다른광합성적응양식을보여준다. 파인 84 심화생명과학

C 4 식물잎의광합성세포 엽육세포유관속초세포 엽육세포 탈탄산효소옥살아세트산 공기 옆맥 ( 관다발조직 ) 말산 C 4 식물의잎구조 기공 유관속초세포 피루브산 캘빈회로 당 관다발조직 < 그림 Ⅱ- 23> C 4 대사경로 애플, 선인장같은다육성식물은물의손실을최소화하기위해낮동안에기공을닫아야한다. 광합성은빛의존재하에서일어나는광의존적인반응이다. 빛이있는낮에이산화탄소를흡수하지못하면어떻게광합성이일어날까? 이들 CAM 식물은밤에기공을열어이산화탄소를흡수하여 C 4 식물처럼 4탄당의옥살아세트산을만든다. 옥살아세트산은말산으로전환된후밤동안액포속에축적되고낮동안에분해되어이산화탄소를방출하고캘빈회로가작동하게된다. 결국 C 4 식물은공간적으로, CAM 식물은시간적으로반응을분리시켜캘빈회로가정상적으로잘작동되도록해준다고할수있다. 엽록체 PEP 옥살아세트산중앙액포말산저장 밤 : 기공열림 사탕수수 파이애플 엽육세포 유관속초세포 유기산 캘빈회로 당 CO 2 는 4 탄소유기산으로고정 유기산으로부터방출된 CO 2 는캘빈회로로들어감 유기산 캘빈회로 당 밤 낮 캘빈회로 엽록체 말산 피루브산 저장중앙액포 (a) < 그림 Ⅱ- 24> C 4 식물과 CAM 식물대사경로비교. (a) 는 C 4, (b) 는 CAM 식물의대사경로이다. (b) 낮 : 기공닫힘 < 그림 Ⅱ- 25> CAM 대사경로 Ⅱ. 물질대사 85

생각하기 우리주변에있는식물들이 C 4 인지 CAM 인지조사하고, 계절에따라어떤식물이잘 자라는지연관지어생각해보자. 읽을거리 첨단연구 무한청정에너지녹색기술의완결판전세계는화석연료고갈과지구온난화에따른기후변화에대처하기위해대체에너지개발에상당한노력을기울이고있다. 그러나대체에너지로불리는풍력, 조력, 바이오에너지등은생산단가가화석연료에비해비싸고공급량이부족하다는단점을안고있다. 이런상황에서가장주목받고있는에너지원이태양에너지이다. 태양에너지를이용한태양전지나태양열발전이상용화된상태이지만경제성과활용도가매우제한적이라는한계를갖고있으며대안으로제시되는것이인공광합성이다. 태양열을이용해서무기물을유기물로생산하는과정에주목하며 KAIST에서 솔라트리 등의연구가활발하게이루어지고있다. 인공광합성연구목표 태양광 산소 (O 2 ) 태양광 6 H + 나노수송관 물 (H 2 O) 산화반응 양성자양성자양성자전자전자전자 6 e - 환원반응 이산화탄소 (CO 2 ) K A I S T 가개발증인 솔라트리 는낮에태양열을저장해밤에가로등으로사용하는녹색기술이다. 메탄올 (CH 2 OH) < 그림 Ⅱ- 26> Kaist 가개발, 연구중에있는 솔라트리 인공광합성은말그대로식물의광합성과정을흉내내는것으로, 에너지문제와온실효과에의한기후변화에대한우려를말끔히해결해줄것이라는점에서기대를모으고있다. 인공광합성을연구하는과학자들은빛을이용해무기물로부터유기물을생산하는식물의능력에주목하고있다. 식물은빛을이용해이산화탄소와물을가지고포도당을합성하고산소를배출하는일련의생화학반응을통해광합성을한다. 광합성과정을화학반응의관점에서보면반응전의이산화탄소와물보다는반응후의물질인포도당과산소가더많은에너지를가진일종의흡열반응이라고볼수있다. 86 심화생명과학

식물에서광합성이진행될때물이산소와양성자, 전자로광분해되며물분해에서생성된양성자를이용해수소가스를생산할수있다면맹물로움직이는자동차를만들수있을것이다. 실제로인공광합성을연구하는과학자들이현재수행하고있는연구분야가바로이부분이다. 다시말해물분해효소, 광화학반응중심, 그리고수소화효소의특성을갖는인공광계를만들어무한한청정에너지를생산하고자하는인류의꿈을현실화하고있는것이다. 독일의율리히연구센터에서는테트라루테늄착화합물을촉매로이용해물을분해하는실험에성공했는데, 단지태양광과촉매를이용해물에서수소를생산해냈다. 또한중국의지아오통대에서는잎과거의흡사한역할을하는 인공잎 을만들어냈다. 이인공잎은빛을엽록소로정확하게보낼수있는구조까지모방해서기존방법보다수소를 3 배나더많이생산할수있다. 국내에서도지난해 9월한국인공광합성연구센터 (KCAP) 를설립해미국의로렌스버클리국립연구소와협력하고있으며미국은소재연구를담당하고나노기술에강점을갖고있는우리나라는조립분야를연구하고있다. 이연구를통해 KCAP는 10년내 3% 효율로태양광을가지고이산화탄소와물을이용해메탄올과같은액체연료를만들어내는인공광합성기술을확보한다는계획이다. KAIST에서는 솔라트리 ( 낮에는태양열을저장했다가밤에가로등으로사용하는것 ) 을만들어햇빛에서전기에너지를얻는연구를진행하고있다. 이는직접적인광합성을이용한것은아니지만나뭇잎이최대한빛을받기위한구조로배치된것을흉내내어태양광발전효율을최대한높이고자하는자연을닮아가는녹색기술이라고할수있다. 한국과학기술연구원 (KIST) 도태양전지와이차전지, LED 기술을결합, 햇빛을통해전기에너지를만들어충전해쓸수있는태양광나무, 솔라트리 (Solar Tree) 를개발하고있다. 인공광합성과관련된많은연구가진행되고있음에도불구하고아직까지자연의광합성을완벽하게흉내낼수있는기술을가진나라는없는상황이다. 촉매를이용해물과이산화탄소를분해하는것과같이복잡한광합성의각단계를모방한단편적인기술만존재한다. 아직은이렇게자연광합성의작은일부분만을모방하는데그치고있지만언젠가인공광합성이완성되면인류는진정한녹색기술을얻게될것이다. [ 한국표준과학연구원 ] 예상하기 만약인간이완벽한인공광합성장치를만들게된다면, 우리사회는어떻게변할지예상해보자. Ⅱ. 물질대사 87

정리하기 광합성 광합성에영향을미치는중요한요인에는빛의세기와파장, 온도, CO 2 농도가있다. 명반응은그라나, 암반응은스트로마에서일어난다. 광합성색소는빛에너지를흡수하여다른유기분자에게전달해준다. 엽록소의빛의파장별흡수율을흡수스펙트럼, 파장별광합성률을작용스펙트럼이라고하며, 두스펙트럼은비슷한양상을보인다. 명반응은암반응에선행한다. 명반응에서물의광분해와광인산화반응이일어나며광인산화반응은화학삼투압적인산화에해당된다. 빛에너지는반응중심이되는 P 700 과 P 680 를구성하는엽록소로부터전자를방출시킨다. 순환적광인산화반응에서는 ATP만, 비순환적광인산화반응에서는 ATP와 NADPH가생성된다. 명반응에서생성된 ATP와 NADPH는암반응에서사용된다. 캘빈회로에서처음으로형성된유기분자는 3PG이다. C 4, CAM 식물은광호흡과같은광합성에불리한환경에적응하기위해진화된생리기작을가지고있는식물이다. 88 심화생명과학

1. 다음제시문은다 ( 多 ) 전자광촉매물질합성을통해인공광합성기술을구현 논술및토의 시킨내용에대한것이다. KAIST 연구팀은다전자광촉매물질합성을통해인공광합성기술을구현하는데성공했다. 인공광합성구현의핵심기술은태양에너지대부분을차지하는가시광선영역에서물로부터효율적으로양성자를발생시키는것이다. 기존에는태양에너지의일부영역인자외선영역과고가의백금촉매를사용할때만물로부터양성자를생성시킬수있었지만태양광중에서가장풍부한가시광영역에서는거의양성자를생성할수없는한계가있었다. 연구팀은타이테니늄원자를저가산화물인니켈옥사이드층상구조에니켈을일부치환시켜이중금속으로구성된다전자광촉매물질을합성했다. 이번연구결과는광반응에서생성된양성자와지구온난화등의문제가되는이산화탄소와의추가적인광반응을통해메테인, 메탄올등의청정연료로변환하는기술로도응용가능하다. 제시문의내용을근거로연구팀이개발한신기술의중요성을논술해보자. 2. 합성작용에는광합성작용과화학합성작용이있다. 두합성작용의차이점과 대표적인생물을조사하여생태계에서의역할에대해토의해보자. Ⅱ. 물질대사 89

3. 세포호흡 01. 유기호흡 02. 호흡기질 03. 무기호흡 반디오징어 세포호흡은살아있는세포들이유기분자를이용하여에너지를얻는과정이다. 세포호흡과정을통해세포들은 ATP라고하는고에너지물질을만들게되고, ATP를이용하여생명현상을유지하게된다. 세포들이유기분자로부터에너지를얻는방법에는크게유기호흡과무기호흡이있다. 두방법은진화적으로연관이있다. 두방법의공통점과차이점을학습하여생물체가 ATP를획득하는과정을알아보자.

01 유기호흡 학 습 목 표해당과정, TCA회로, 전자전달계과정을설명할수있다. 유기호흡에서에너지가생성되는방법을설명할수있다. 유기호흡에서는산소가사용되고이산화탄소가배출되며주영양소인탄수화 물, 단백질, 지방이사용된다. 이과정은다음과같이간단히표현될수있다. 유기분자 + O 2 CO 2 + H 2 O + ATP + 열 NAD + ( 산화형 ) NADH( 환원형 ) NH 2 C N C H C C N N C N H H H 2 C O H O O - O - O - P O P O P O - = = = O O O 리보오스 니코틴아미드 리보오스 OH OH 아데노신 아데노신 < 그림 Ⅱ- 27> ATP 분자구조 < 그림 Ⅱ- 28> NAD + 와 NADH 구조 포도당분자는매우많은공유결합을가지고있으 며, 유기호흡과정에서이산화탄소와물로분해될때 FAD 많은양의화학결합에너지가방출된다. 방출된화학결합에너지는에너지중간물질인 ATP, NADH, FADH 2 로전환된다. 유기호흡과정은크게네가지로구분될수있다. 네가지과정은해당과정, 활성아세트산생성과정 FADH 2 ( 환원형 ) ( 피루브산분해 ), 시트르산회로, 산화적인산화과 정이며, 우선포도당을대상으로네과정을알아보기로한다. FAD( 산화형 ) < 그림 Ⅱ- 29> FAD 와 FADH 2 구조 Ⅱ. 물질대사 91

생각하기 ATP는생물체내에서에너지화폐로이용된다. 그이유를분자구조를가지고생각해보자. 해당과정의역사 1897년뷰크너 (Buchner) 일가에서효모의세포추출물에설탕을넣어에탄올이형성되는것을발견하였다. 이발견은생물체에서일어나는대사과정이세포밖에서도일어날수있다는것을보여주었기때문에매우중요한의미를가진다. 이후 1930년대엠덴 (Embden) 과메이어호프 (Meyrhof), 파마스 (Pamas) 등의독일생화학자들은해당과정이 10단계로구성되어있다는것을밝혔다. 이후에다른많은과학자들의연구를통해해당과정이박테리아, 원시세균, 진핵생물에서공통적으로존재하는과정이라는것이밝혀지게되었고, 따라서해당과정은지구생명체진화과정에서초기단계에등장한것으로받아들여지고있다. 1) 해당과정 해당과정은세포질에서일어나며한분자의포도당 (C6) 으로부터 2 분자의피 루브산 (C3), 2분자의 NADH가형성되고, 2분자의 ATP가기질수준의인산화를통해만들어진다. 해당과정은에너지가투입되는 3단계, 분해되는 2단계와에너지가방출되는 5단계로이루어진총 10단계의화학반응으로구성되어있다. 다음은해당과정 10단계를나타낸것이다. DHAP Dihydroxyacetone phosphate GAP Glyceraldehyde phosphate DPGA Glycerate 1,3-bisphosphate PGA Glycerate phosphate PEP Phosphoenol pyruvate Pi inorganic phosphate 92 심화생명과학

설명하기 해당과정을구성하는 10단계의화학반응에대한에너지수준을조사하여그래프로그리고에너지변화를논리적으로설명해보자. 해당과정의전체반응식은다음과같다. C 6 H 12 O 6 + 2NAD + + 2ATP + 4ADP + 4P i 2피루브산 + 2NADH + 4ATP + 2H 2 O 세포가충분한양의 ATP를가지고있게되면위의 3단계등에작용하는효소가과잉의포도당에의해피드백이억제되어비효율적인 ATP 생산을막게된다. 2) 활성아세트산형성과정 해당과정을통해형성된 2분자의피루브산은미토콘드리아로들어가서 2분자의아세틸기, 2분자의 NADH와 2분자의 CO 2 로분해되고, 아세틸기는조효소 A(CoA) 와결합하여고에너지상태의활성아세트산으로된후시트르산회로로들어가게된다. 피루브산의분해반응식은다음과같다. 피루브산 + CoA-SH + NAD + 활성아세트산 (acetyl CoA) + CO 2 + NADH 3) 시트르산회로 2분자의활성아세트산은시트르산회로를거치면서 4분자의 CO 2, 2분자의 ATP, 6분자의 NADH, 2분자의 FADH 2 가생성된다. CoA 비타민 B 5 에서유래된조효소로아세틸기등의운반에참여한다. 좀더정확히는 CoASH라고쓰기도한다. 시트르산회로 COO- CH 2 HC C COO- CH 2 COO- 이회로의발견에중요한역할을한크렙스의이름을따서크렙스회로라고도하며, 처음형성된시트르산분자구조의특성을강조하여 TCA(Tri carboxylic acid) 회로라고도한다. 다른단계와달리시트르산회로단계는반응이회로로구성되어있으며, 전체 8단계로이루어져있다. 시트르산회로의조절은경쟁적억제에의해이루어지는데, 옥살초산은숙신산탈수소효소의경쟁적억제인자로작용한다. 즉, 옥살초산농도가매우높으면숙신산탈수소효소를억제하여시트르산회로의속도를감소시킨다. 크렙스 (Krebs, H.; 1900 ~1981) Ⅱ. 물질대사 93

FADH 2 FAD 피루브산 활성아세트산 시트르산 물 옥살아세트산 물 Cis- 아코니트산 물 이소시트르산 말산 시트르산회로 물 알파 - 케토글루타르산 푸마르산 활성숙신산 숙신산 ADP+P i ATP < 그림 Ⅱ- 30> 시트르산회로 시트르산회로에서 1 분자의활성아세트산의분해반응식은다음과같다. 활성아세트산 + 3H 2 O + 3NAD + + FAD + ADP + P i CoA-SH + 2CO 2 + 3NADH + FADH 2 + ATP 생각하기 TCA 회로에서탈수소효소와탈탄산효소가작용하는단계를모두찾아보고, 그단계에서어떤화학반응이일어나는지생각해보자. 계산하기 4 분자의활성아세트산이 TCA 회로를거친다면 FADH 2, NADH, CO 2, ATP 는각각 얼마나생성되는지계산해보자. 94 심화생명과학

조사하기 물질대사가회로로구성될경우어떠한이점이있는지조사해보자. 4) 산화적인산화과정 대사회로 (metabolic cycle) 1930년대독일생화학자인크렙스 (Krebs) 는비둘기근육의세포추출액연구를통해시트르산회로를발견하였고물질대사과정에서대사회로개념을처음으로사용하였다. 위의세단계에서만들어진 NADH, FADH 2 는미토콘드리아내막에위치하는전자전달계로수소와고에너지상태의전자를주고, 전자전달계에서전자가전달될때방출되는에너지에의해산화적인산화가일어나 ATP가생성되게된다. 산화적인산화라고부르는이유는 NADH와 FADH 2 가전자를잃고 ( 산화되고 ) ADP가 ATP로인산화되기때문이다. 산화적인산화는호기성조건에서일어나며미토콘드리아내막에존재하는전자전달계와 ATP 합성효소에의해일어나게된다. 효소 아데노신 기질 아데노신 생성물 < 그림 Ⅱ- 31> 기질수준의인산화 조사하기 산화적인산화와기질수준의인산화의차이를조사해보자. 전자전달계 (electron transport chain) 는미토콘드리아내막에박혀있는단백질들과작은유기분자로구성되어있다. 이들분자들은전자를주고받을수 Ⅱ. 물질대사 95

외부 미토콘드리아내막 내부 숙신산 < 그림 Ⅱ- 32> 미토콘드리아내막의전자전달계 있으며, 단백질들은보결분자단을가지고있는복합체로 I, II, III, IV의 4종류가존재한다. 보결분자단에는주로철이온과구리이온이전자를수용하거나방출하는중요한역할을수행한다. 전자는전기음성도가큰쪽으로이동한다. NADH로부터방출된한쌍의고에너지전자는복합체I(NADH 탈수소효소 ) 유비퀴논( 유기분자 ) 복합체III( 시토크롬b-c복합체 ) 시토크롬c 복합체IV( 시토크롬산화효소 ) 로이동하다가최종적으로 O 2 분자로이동하게된다. 반면에 FADH 2 의전자는복합체II( 숙신산탈수소효소 ) 를거쳐유비퀴논으로들어가게된다. 최종전자수용체로작용하는 O 2 는우리호흡기관을통해들어온것이다. 전자가각복합체를거칠때발생되는에너지의일부는미토콘드리아내막을통한수소이온 (H + ) 의능동수송에사용된다. 복합체는수소이온펌프로서기능 NADH 탈수소효소 유비퀴논 (Q) 시토크롬 b-c 1 자유에너지 시토크롬 c 시토크롬산화효소 전자전달방향 < 그림 Ⅱ- 33> 전자전달과정에따른에너지변화 96 심화생명과학

화학삼투압적인산화미첼 (Mitschell, P.; 1920 외막 ~1992) 이제안한학설로 1978년노벨상을수여 케한이론이다. 이이론 은 1974 년라커 (Racker, E.; 1913~1991) 등의실험으로 ATP 합성효소 증명되었다. 이들은원시세 균에서볼수있는박테리 오로돕신과 ATP 합성효소 기질 시트르산회로 를분리하여실험하였는데박테리오로돕신은빛에의해작동되는수소이온펌 푸마르산 숙신산 내막 프로 ATP 합성효소와함께막소포에인위적으로끼워졌다. 그런후빛을준경우, 즉수소이온농도기울 기가형성될때 ATP 가합 성되는것을증명하였다. 막간공간 < 그림 Ⅱ- 34> 시트르산회로와전자전달계 을수행하기때문에전자이동시방출된에너지를이용하여 H + 는미토콘드리아의기질로부터외막과내막사이의막간공간으로이동되며, 그결과내막을경계로매우큰수소이온농도기울기가형성되게된다. FADH 2 로부터전달된전자의경우는전자전달계의중간단계로들어오기때문에수소이온농도기울기가 NADH보다작다. 미토콘드리아내막을경계로형성된수소이온의농도기울기는매우큰잠재에너지 ( 위치에너지 ) 를만들어낸다. 막간공간에존재하는많은양의수소이온 은수소이온채널기능을가지고있는 ATP 합성효소를통해빠르게확산되며이때방출되는에너지에의해 ATP가합성된다. 이렇게막을가로질러가는수소이온에의해 ATP가화학적으로합성되는것을화학삼투압적인산화라고하며 1분자의 ATP가합성되는데보통 3 ~ 4개의수소이온이능동수송돼야하는것으로생각된다. 이론적으로 1분자의포도당이세포호흡에이용되어 CO 2 와 H 2 O로분해될때 36~38ATP가형성되지만실제로는그보다적게형성된다. 그이유로는세포호흡과정에서형성된 NADH와 FADH 2 가모두전자전달계로가지않고중간에다르게사용될수있으며, 내막을경계로이루어진수소이온농도기울기가다른물질의수송에쓰이기도하기때문이다. 갈색지방몇몇생물들은열을발생하기위해 ATP 합성과산화적인산화반응을연결시키지않는다. 갈색지방을가지는세포의미토콘드리아에서는내막을경계로형성된수소이온농도구배에서높은농도쪽의수소이온이 ATP 합성효소가아닌다른채널 (thermo-genin) 을통해확산되면서위치에너지의일부가열에너지로전환된다. 갈색지방조직은신생아의목뒤등에서볼수있다. Ⅱ. 물질대사 97

조사하기 연탄가스의주범인 CO는전자전달계의복합체IV인시토크롬산화효소의활성을억제한다. CO가치명적인이유를설명하고, 전자전달계를억제하는물질들을조사해보자. 탐구활동 ATP 합성효소의일부소단위의회전관찰자료해석 요시다 (Yoshida) 와키노시타 (Kinoshita) 는형광으로표지된긴액틴필라멘트를이용하여 ATP 합성효소의일부소단위가회전하는것을관찰하였다. 이실험자료를통해형광표지법이생물학실험에서쓰이는실제적인사례를이해해보자. 자료 (1) ATP 합성효소를분리하여 γ소단위가위를향하도록유리판에붙인다. 순수분리된복합체첨가 γα 3 β3 복합체 슬라이드 (2) 연결단백질을이용, 형광표시된긴액틴필라멘트를 γ 소단위에붙인다. 연결단백질과형광액틴섬유첨가 연결단백질 형광액틴섬유 (3) ATP 를넣고형광현미경을사용하여관찰한다. +ATP -ATP 형광현미경 +ATP 반시계방향회전 98 심화생명과학

(4) 실험결과 ATP를넣었을때형광으로표지된액틴필라멘트가반시계방향으로회전하였다. 해석및논의 (1) 이실험을통해효소의작동원리중어떤개념이적용될수있는지생각해보자. 효소의작동에대한회전기계개념 1970년대후반보이어 (Boyer, P.; 1918~) 는효소가회전한다는개념을발표하였다. 이후워커 (Walker, J.; 1941~) 는 ATP 합성효소의상황별 3차원구조를결정하여보이어의개념이옳다는것을지지하였고두과학자는 1997 년노벨생리의학상을수상하였다. (2) 형광현미경이생물실험에어떻게이용될수있는지조사해보자. 연구과제 (1) 위실험에의하면 ATP 합성효소에의해 ATP가분해될수있다. 그렇다면 ATP가합성될경우에는이효소가어떻게작동하는지조사해보자. Ⅱ. 물질대사 99

02 호흡기질 학 습 목 표세포호흡에사용되는호흡기질의종류를말할수있다. 호흡기질이세포호흡에사용되는경로를설명할수있다. 호흡률을이용하여세포호흡에사용되는호흡기질의종류를확인할수있다. 우리는탄수화물뿐만아니라단백질과지방 도호흡기질로사용하여 글루탐산 ATP 를생산할수있다. 단백질을구성하는아미노산은아미노기를떼어 내는탈아미노작용을거친후아미노산의종 알파-케토글루타르산 요소회로로이동 류에따라해당과정이나시트르산회로로들어가게된다. 지방을구성하 < 그림 Ⅱ- 35> 탈아미노작용 는글리세롤은해당과정으로, 지방산은 β산화작 용을거쳐형성된활성아세트산의형태로시트르산회로에들어가게된다. 탈아미노작용과 β산화작용은모두미토콘드리아의기질에서일어난다. 세포호흡반응에서사용되는유기분자들은다른물질대사과정에도같이쓰이는경우가많다. 예를들어시트르산회로의구성분자인옥살초산은퓨린계혹은피리미딘계같은염기생성에사용되기도한다. 또한일부아미노산은해당과정산물이나시트르산회로의구성분자로부터만들어질수있다. 조사하기 탈아미노작용을통해형성된 NH 3 가처리되는과정을조사해보자. 100 심화생명과학

글루탐산옥살아세트산아스파르트산알파 - 케토글루타르산 < 그림 Ⅱ- 36> 대사산물의다용도이용 글리세롤 지방산사슬 베타산화작용 리파아제 지방산 글리세롤지방산 해당과정의 5 번단계 전자전달계 짧은지방산 활성아세트산 크렙스회로 < 그림 Ⅱ- 37> 지방의호흡기질이용 계산하기 다음분자구조는포화지방산인팔미트산이다. 이지방산이호흡기질로이용될때만들어지는 NADH, FADH 2, ATP, CO 2 의수는각각얼마인지계산해보자. Ⅱ. 물질대사 101

탐구활동 호흡량측정 단백질, 탄수화물, 지방이호흡기질로사용될때소모되는 O 2 의양과발생되는 CO 2 의양은각각다르게나타난다. 이러한특성을이용하여생물체가주로사용하는호흡기질의종류를알수있을까? 이를위한방법으로호흡률을사용한다. 이실험을통해세포호흡과정에여러유기물질이호흡기질로이용될수있다는것을이해해보자. (1) 호흡기질로사용되는유기분자의분자구조를조사하여단위질량당 호흡률을예측해보자. (2) 가설을설정해보자. 준비물 재료 : 발아중인완두, 과립상태의 KOH, 실리카겔, 메틸렌블루, 바셀린 기구 : 항온수조, 고무관, 호흡병, 고무마개, 유리모세관, 모눈종이, 솜, 죔쇠 방법및절차 (1) 호흡병에 24시간동안발아시킨완두콩 20개를넣는다. (2) 그위에솜을덮고 KOH 알갱이 10알을넣는다. (3) 호흡병입구를고무마개로막고, 한쪽끝에고무관을 5 cm 정도연결한유리모세관끝에약간의메틸렌블루를넣어채운후고무마개에꽂는다. (4) 고무관의클램프를죔쇠로막고염색액의이동을관찰한다. (5) 보정을위한호흡병을하나준비하여완두대신실리카겔을 20알넣고동일한실험을동시에수행한다. (6) 위실험을 20, 0, 40 에서반복실시한다. 결과및논의 (1) 설정된가설을바탕으로변인들을설명해보자. 102 심화생명과학

(2) 실리카겔을넣은보정병을준비하는이유에대해토론해보자. (3) 호흡병과보정병에서일어난변화를기술해보자. (4) 각실험에서메틸렌블루의이동방향을측정해보자. 호흡률호흡률은단위시간동안에발생한이산화탄소의양을생물체가흡수한산소의양으로나눈값이다. 일반적으로호흡기질로탄수화물을사용하는경우호흡률은 1이고, 단백질의경우는 0.8, 지방의경우는 0.7이다. (5) 일반화학반응에서는온도가 10 증가할때반응속도가 2배증가한다. 이를 Q 10 =2이라고표현한다. 이실험에서 Q 10 값을구해보자. (6) 실험결과를표와그래프로표현해보자. (7) 호흡률을계산하여완두콩이호흡에사용한호흡기질의종류는무엇인지찾아보자. 연구과제 (1) 고랭지채소의생산성이좋은이유를위실험결과를이용하여설명해보자. < 그림 Ⅱ- 38> 고랭지농업 Ⅱ. 물질대사 103

03 무기호흡 학 습 목 표무기호흡의종류와과정을설명할수있다. 무기호흡과유기호흡의차이를설명할수있다. 우리주변에서일어나는무기호흡현상을이해할수있다. 세포는산소를사용하지않고포도당을분해할수있다. 산소가없는환경에서생존하는생물들에게무기호흡은유일한에너지생성방법이된다. 사람의경우심하게운동하게되면산소공급이원활하지않게되고, 이때무기호흡을통해근육은에너지를지 < 그림 Ⅱ-39> 장내미생물중우점종에속하는대장균 속적으로공급받게된다. 무기호흡에서가장중요한문제는 전자수용체역할을수행할분자의선택이다. 이를위해서생물체는두가 피루브산 지방법을개발하였다. 첫째는유기호흡의전자전달계에서산소대신다른 젖산 아세트알데히드 에탄올 물질을사용하는방법이고, 둘째는전자전달계의개입없이해당과정에서형성된피루브산과같은유기분자들이 NADH로부터전자를수용하는방법이다. 첫째방법의예로대장균을들수있는데대장균은최종전자수용체로질산이온 (NO 3- ) 을이용한다. 둘째방법은우리가발효 (fermentation) 라고 < 그림 Ⅱ- 40> 발효과정 부르며, 근육등에서일어나는젖산발 104 심화생명과학

효, 효모를이용한알코올발효등이해당된다. 아래 < 표 Ⅱ- 1> 은유기호흡과일반적인무기호흡, 발효과정을비교한것이다. < 표 Ⅱ-1> 여러가지호흡의비교 비교요소 유기호흡 무기호흡 발효 산소요구 필요함 필요없음 필요없음 인산화방법 기질수준 / 산화적 기질수준 / 산화적 기질수준 최종전자수용체 산소 2-2- NO 3-, SO 4, CO 3 유기분자 생성 ATP 수 36-38 2-36 2 조사하기 발효와부패과정의차이점을조사해보자. 조사하기 젖산발효에의해근육에서형성된젖산의운명은어떻게되는지조사해보자. 탐구활동 알코올발효 산소가없는상태에서효모가당을분해하면어떤물질이생길까? 효모의알코올발효실험을통하여무기호흡의의미와과정을이해해보자. (1) 조별로주어진재료와기구를가지고실험을설계해보자. (2) 가설및변인들을설정하고, 각변인을실험으로구현할수있는방법 을찾아보자. 준비물 재료 : 효모현탁액, 10% 포도당, 10% 설탕, 10% 녹말, 증류수, 바셀린 기구 : 시험관, 고무마개 ( 구멍 2개 ), 온도계, 1mL 피펫, 고무관, 죔쇠 Ⅱ. 물질대사 105

방법및절차 (1) 조별로설계한방법대로기구와재료를이용하여장치를꾸미고, 실험을수행한다. 결과및논의 (1) 실험수행동안에얻은관찰및측정값을기록하자. (2) 실험결과를이용하여표나그래프로나타내보자. (3) 설계한실험내용에서가장창의적인내용이무엇인지찾아보고, 잘못된부분은수정하여실험설계를다시해보자. 연구과제 (1) 알코올발효이외의발효과정을확인할수있는실험을고안해보자. 106 심화생명과학

읽을거리 상식 자연발효식품의세계 피자에뿌리는핫소스, 단무지 살라미햄은모두발효식품이다. 저명한문화인류학자마린야프스키는인류가개발한볶고ㆍ찌고ㆍ삶고ㆍ발효시키는조리방식중가장진화된것으로 발효 를꼽은바있다. 같은식재료라도발효과정을거치면영양소가 2~5배이상풍부해지고, 유익한균과새로운감칠맛이생겨나며, 저장기간도길어진다. 한식의간을맞추는기본재료인간장ㆍ된장ㆍ고추장ㆍ식초도모두발효식품이다. < 그림 Ⅱ- 41> 발효음식고발효식품의역사는인류역사와함께할정도로오래추장, 간장, 된장됐다. 발효식품의대명사인맥주와빵은이집트에서처음만들어졌다. 맥주는기원전 5000년, 빵은기원전 4000년으로거슬러올라간다. 구약성서에도등장하는포도주와식초의시작도기원전 1만년으로추정되고있다. 치즈는아라비아상인이낙타를끌고사막을오갈때양의위로만든주머니에담아둔우유가응고된것에서유래 ( 기원전 5000년 ) 했다. 우리나라는삼국시대에처음으로메주를뜻하는용어가등장했다. 하지만콩으로만들어진발효식품은기원전부터있어온것으로추정된다. 발효는우리주변에상존하는미생물 ( 세균, 효모, 곰팡이 ) 때문에일어난다. 이미생물이유기물, 즉식품의원재료에작용해인간에게이로운물질을만들어내면이를 발효 라고한다. 발효가되기위해가장중요한것은미생물이다. 미생물이어떻게작용하느냐에따라결과물이다르다. 발효식품이건강에좋은이유는여러가지다. 첫째, 발효가되면서몸에이로운물질을생성한다. 청국장에는끈적끈적한실모양의물질이있는데콩에는없는새로운물질이며몸에좋은여러성분이들어있다. 우유를발효시킨치즈는원재료에는없는 CLA( 체지방분해성분 ) 가많다. 두번째는발효를일으키는유익한 균 이다. 사람의장속에는 100여조마리의세균이살고있는데, 그중비피더스균과유산균은김치나요구르트등을발효하는과정에서생기는유익한균이다. 장속에서발효작용이일어나면장운동이활성화되고면역력이높아진다. 비피더스나유산균이많이들어있는발효식품을먹으면장내에좋은세균이많이생겨몸이건강해진다. 세번째는발효시키는원료자체가건강에좋다. 청국장원료인콩, 김치원료인배추ㆍ마늘ㆍ고추, 포도주원료인포도등은건강에좋은음식이다. 마지막이유는소화가잘된다는것이다. 발효과정에서미생물들이이미반쯤소화를시켜줬기때문이다. 예컨대생배추를먹는것보다발효된김치가소화가잘된다. [ 중앙일보 ] 2010.09.27 조사하기 우리나라의전통적인발효음식이만들어지는제조과정을찾아보고, 각제조과정에서미생물의역할을조사해보자. Ⅱ. 물질대사 107

정리하기 유기호흡 유기호흡은해당과정, TCA 회로, 전자전달계의세단계로진행된다. 진핵생물에서해당과정은세포질, TCA 회로는미토콘드리아의기질, 전자전달계는내막에서일어난다. 해당과정은산소없이일어나며세포질에서 1분자의포도당이 2분자의피루브산으로분해되면서 2ATP, 2NADH가생성된다. TCA회로는산소가있어야진행되며, 1분자의피루브산이분해되면서 1ATP, 4NADH, 1FADH 2, 3CO 2 가생성된다. 전자전달계는산소가있어야진행되며, NADH와 FADH 2 로부터수소와전자가전달되면서화학삼투압적인산화로 ATP가생성된다. 호흡기질 세포호흡에사용되는물질을호흡기질이라고한다. 호흡기질로는탄수화물, 지방, 단백질이모두사용되지만주요호흡기질은포도당이다. 지방과단백질이호흡기질로사용되기위해서는각각 β산화작용과탈아미노작용이일어나야하며, 이두작용은미토콘드리아에서일어난다. 호흡률을측정하여생물체가사용한호흡기질의종류를확인할수있다. 무기호흡 무기호흡은산소가없는상태에서유기물을분해하여에너지를얻는반응이다. 무기호흡에는크게발효와부패가있다. 발효는해당과정에서생성된 NADH로부터수소와전자를피루브산이수용하는작용으로, 이때형성된중간산물은인간생활에유용하게쓰인다. 발효작용에는알코올발효, 젖산발효, 초산발효가있다. 108 심화생명과학

1. 현대인은다이어트의시대에살고있다. 다이어트를위한행동으로유산소 논술및토의 운동이추천되고있다. 유산소운동은말그대로유기호흡이충분히일어날 수있는운동을말한다. 왜유산소운동이무산소운동보다다이어트에좋은 지과학적근거를가지고논술해보자. 2. 포도당 360g 이우리몸안에서 100% 호흡기질로사용되었다고가정하자. 포도당 360g 중 10% 는젖산발효작용에사용되고나머지는유기호흡작용 에사용되었을때생산된전체 ATP 는얼마가만들어지는지계산해보자. 3. 지역별로대표적인김치의발효과정을조사하여미생물과김치맛의상호관 계에대해토론해보자. Ⅱ. 물질대사 109

유전과유전공학 01 02 유전유전공학

단원안내 현대유전학은멘델에의해한수도원의정원에서시작되었다고해도과언이아니다. 즉, 멘델에의해현대유전학이시작되었다고할수있다. 이단원에서는멘델이밝힌유전원리를이해하고그이후에밝혀진유전과관련된여러가지현상에대한공부를통해서현대유전학의바탕이되는유전원리를이해한다. 더나아가서최근각광받고있는생명공학기술에대한이해와실험을통해서생명공학의이해를돕도록한다.

1. 유전 01. 멘델의유전원리 02. 멘델이후의유전연구 03. 사람의유전 송아지 ~ 송아지 ~ 얼룩송아지 ~ 엄마소도얼룩소 ~ 엄마닮았네 ~~ 이는동요 얼룩송아지 가사인데, 이가사는유전현상을짧으면서도분명하게보여준다. 얼룩송아지가얼룩소인엄마소를닮는것은엄마소로부터유전자를물려받았기때문이다. 유전에대해잘알지못하던고대에도사람들은생활주변에서유전의원리를이용하였다. 야생동물의사육이나식물의재배, 부모로부터자손에게특징이전달되는것등을관찰하면서일상생활에서자연스럽게유전현상이나원리를잘이해하게된것이다. 이단원에서는유전원리를처음제시한멘델의유전연구와그이후의유전연구들, 특히사람에게서나타난유전현상에대해서알아보도록하자.

01 멘델의유전원리 학 습 목 표 멘델의유전원리를이해한다. 핵형분석결과를해석할수있다. 유전의기본원리를처음으로밝힌사람은오스트리아의수도사멘델이다. 멘델은자신이머물고있던수도원뒤뜰에서완두를재배하면서약 9년동안유전의기본원리에대해연구하여 1865년 식물의잡종에관한연구 라는논문을발표하였다. 당시유전을연구하던학자들은멘델의논문을인정해주지않았으며, 멘델은끝내자신의연구결과가빛을보지못한채로세상을떠났다. 1900년에드프리스, 코렌스, 체르막등은서로독립적인실험을통해멘델의 실험과같은결과를얻었고멘델의유전원리에따라자신의실험결과를해석하면서멘델의유전원리발견이새롭게조명을받았으며, 멘델의업적이세상에알려지게되었는데, 이를멘델법칙의재발견이라고한다. 생각하기 멘델 (Mendel, G. J.; 1822~1884) 아우구스티누스수도회수사이며가톨릭신부로유전법칙을발견하여유전학의첫장을연생물학자. 멘델이유전학원리를발견할수있었던요인에는어떤것들이있었을까? 1) 멘델의실험 멘델이유전원리를발견할수있었던몇가지이유가있다. 첫째 보라색꽃 암술수술 보라색꽃의수술을재거한다. 는실험재료로완두를선택한것이다. 완두는재배가쉬우며 1년이지나면다음세대가나온다. 물론 2주만에다음세대가나오는초파리나 20분만에복제가되는세균보다는느리지만, 당시로써생활사가긴다른생물에비해서 1년만에자손을얻을수있는완 흰꽃 보라색꽃 두는실험에좋은재료가되었다. 또한완두는자손이많기때문에 흰색꽃의수술을붓에묻혀보라색꽃의암술에묻힌다. < 그림 Ⅲ- 1> 완두교배하기 Ⅲ. 유전과유전공학 113

관찰되는형질에대해서통계적인처리가가능하였다. 둘째는많은변이들을이용할수있었는데, 변이들은형질의차이가나면서도순종이었다. 따라서당시널리알려진유전적인특징을가지고있는식물로연구를시작할수있었다. 셋째는멘델이선택한 7개의형질에있다. 멘델은사람의키처럼넓은범위의변이를나타내는특징은피하고 2개로쉽게구별되는형질이존재하는것에초점을맞췄다. 멘델의 3단계실험 1 단계 : 순종을가진완두를구분하는단계. 2 단계 : 순종의완두를교배하여잡종 1대를얻는단계. 3 단계 : 잡종 1대를자가수분하여잡종 2 대를얻는단계. 마지막으로멘델은과학적인방법을적용하였고수학을이용하여결과를해석하였다. 멘델은이전생물학자들처럼교배결과만을설명하지않고, 가설을설정하고그것을확인하기위해실험을수행하였으며, 실험결과나온자손의형질의비를계산하였다. 멘델이했던것과동일하게유전실험을해볼수는없지만, 컴퓨터를이용하여가상적인실험을해보도록하자. 씨모양씨색깔꽃의색깔콩깍지모양콩깍지색깔꽃이피는위치줄의키 둥글다황색보라색매끈하다녹색 주름지다녹색흰색잘록하다황색잎겨드랑이줄기끝크다 작다 < 그림 Ⅲ- 2> 멘델이선택한완두의 7 개형질 탐구활동 가상유전실험 멘델은순종인개체를어떤방법으로찾았을지생각해보고, 자신의실험결과를해석하기위해서어떤가정을세웠을까? 가상유전프로그램다운사이트 http://intro.bio.umb.edu/ VGL/ 자바가상머신다운사이트 http://www.java.com/ko/ 준비물기구 : Java 가상머신이탑재된컴퓨터, 가상유전프로그램 (VGL II) 방법및절차 (1) VGL II 프로그램을구동시킨다. 114 심화생명과학

(2) Problem 중에서 Level 01.pr 을연다. (3) 각가상초파리를교배하여순수한혈통의초파리를얻는다. (4) 순수한혈통의초파리를서로교배하여잡종 1 대를얻는다. (5) 잡종 1 대끼리교배하여잡종 2 대를얻는다. 결과및고찰 (1) Level 01.pr 을열었을때나온초파리의형질은각각무엇인가? (2) 각형질에대해순수한혈통의초파리는어떻게확인했는가? (3) 잡종 1 대끼리교배한잡종 2 대는각각어떤형질이몇마리나왔는가? (4) 교배결과잡종 2 대에서멘델이제시했던 3:1 의비율에적합하게나 왔는가? 어떻게확인할수있는가? 연구과제 Problem 중에서 Level 09.pr, Level 05.pr 을각각열어서가상실험을 하고그결과를바탕으로어떤유전현상이일어났는지설명해보시오. 2) 멘델의유전원리 1 백원짜리동전을던져서앞면또는뒷면이나올확률은 2 이고, 두번연속해서동전을던졌을때같은쪽면이연속적으로나올확률과서로다 앞면 1 앞면 1 2 앞면 앞면 1 뒷면 1 2 앞면 앞면 1 른쪽면이나올확률을계산하면 1 4 이된다. 2 2 2 동전을던졌을때어떤면이나올지는확률의법칙에의해서계산할수 뒷면 1 뒷면 앞면 1 뒷면 뒷면 1 있다. 멘델이밝힌유전원리도확률의법칙과관계가있다. 2 2 2 창의적으로생각하기 멘델은자신이얻은교배결과를 3:1 이나 9:3:3:1 이라는비율로간단히했다. 어떻게 간단한정수비로나타내었을까? Ⅲ. 유전과유전공학 115

탐구활동 멘델의유전법칙과확률 모둠별활동을하면, 꺼낸동전에표시된유전자에의해서유전자형의비율이결정된다. 동전 20개에서동전을꺼낸결과나타나는유전자형은각각어떤비율로나타날까? 반복횟수가늘어날수록유전자형의비율은각각어떻게변해갈지추론해보자. < 단성잡종교배 > 준비물재료 : 모둠별동전 20개, 주머니 2개, 견출지 방법및절차 (1) 같은크기의동전을실험조별로 20개씩준비하고견출지에 R과 r을각각 10개씩써서동전에붙인다. (2) 두개의주머니에 R과 r로표시된동전을각 5개씩넣는다. (3) 눈을감고두주머니에양손을넣어동시에동전을하나씩꺼낸다. (4) 꺼낸동전의영문자를확인하여아래표에기록하고, 동전을다시주머니에넣는다. (5) (3), (4) 과정을 10회반복한다. 유전자형 RR Rr rr 1 회 2 회 전체평균 횟수비율 비율비율횟수 횟수 (%) (%) (%) 횟수 비율 (%) 결과및고찰 (1) 각모둠별유전자형의비율과학급전체의유전자형비율은어떻게나타났는가? (2) 각유전자형을얻을수있는이론적인확률값은얼마인가? (3) 조별유전자형비율과학급전체유전자형비율중에서어느것이이 론적인확률값에가까운가? 그이유는무엇인가? 116 심화생명과학

(4) 이실험에서사용한동전, 동전주머니, 주머니에서동전을꺼내는것은각각살아있는생물의경우어떤것에해당하는가? (5) 이실험에서얻은결과가이론적인것과차이가있는가? 그차이를줄이기위해서실험을어떻게개선해야하겠는가? < 양성잡종교배 > 준비물 재료 : 상자 2개, 주머니 4개, R과 r이각각표시된동전 20개, Y와 y가각각표시된동전 20개 방법및절차 단성잡종한쌍의우성유전자와열성유전자에서만나타나는다른개체간의잡종을말한다. 1유전자잡종이라고도말한다. (1) R과 r이표시된동전 10개씩넣은주머니와 Y와 y가표시된동전 10 개씩을넣은주머니두개를한상자에넣는다. (2) 두번째상자에도 1과같이넣는다. (3) 첫번째상자에있는두주머니에서각각동전을하나씩꺼낸다. (4) 두번째상자에있는두주머니에서각각동전을하나씩꺼낸다. (5) (3), (4) 의과정을 20회반복하여얻은결과를표에기록한다. 결과및고찰 (1) 실험결과를아래표에정리해보자. 첫번째상자에서얻은결과 RY Ry ry ry 두번째상자에서얻은결과 RY Ry ry ry (2) 한상자에두개의주머니를넣는이유는무엇인가? (3) 완두모양은둥근 (R) 형질이주름진 (r) 형질에대해우성이고, 색깔은노란색 (Y) 형질이녹색 (y) 형질에대해우성이라면위표에나타난결과를몇가지표현형으로나타낼수있는가? Ⅲ. 유전과유전공학 117

(4) 멘델은양성잡종실험의결과예상되는 F2 자손의표현형의비는 9:3:3:1이라고하였다. 위실험결과는멘델의비와얼마나유사한가? 차이가있다면그이유는무엇인가? 연구과제세가지형질을함께고려하면서교배를할경우에는어떤방법으로실험을할수있으며, 그결과나오는유전자형과표현형은무엇일지알아보자. 멘델은자신이수행한실험결과를설명하기위해다음과같은가설을세웠다. 모든생물체에는형질을결정하는한쌍의인자가있다. 각인자는대를거듭하여자손에게전달되는과정에서성질이변하지않는다. 한쌍을이루는두인자는어버이로부터하나씩물려받은것이다. 쌍을이루는두인자는생식세포가만들어질때분리되어서로다른생식세포로들어간다. 쌍을이룬인자가서로다를경우, 그중한인자가다른인자의표현을억제하고자신만표현된다. 멘델의가설은오늘날유전의기본원리로인정되고있다. 멘델이가정한인자는유전자로확인되었으며, 염색체에의해전달되는것으로밝혀졌다. 또한멘델이가정했던한쌍의인자는대립유전자로불리고있다. 대립유전자의유전자구성은기호로나타내며이를유전자형이라고부른다. 대립유전자가같은경우를호모라고하고, 서로다른경우를헤테로라고한다. 순종은 RR 또는 rr과같이대문자끼리혹은소문자끼리표시하며잡종의유전자는 Rr 과같이대문자와소문자로표시한다. 한편, 완두의꽃색깔이나씨모양처럼유전자에의해겉으로드러나는형질을표현형이라고한다. 순종인보라색꽃완두와순종의흰꽃완두를교배하면잡종제1대에서모두보라색꽃완두만나타난다. 멘델은순종인두형질끼리교배한결과나오는잡종제1대에나타나는형질을우성이라하였고, 숨어있는형질을열성이라고하였다. 따라서꽃색의경우, 보라색꽃이우성이된다. 이와같이한쌍의대립형질의유전에서잡종제1대에우성형질만나타나는현상을우열의법칙이라고한다. 118 심화생명과학

부모세대잡종 제 1 대 부모세대의생 형태 : 보라색꽃 흰색꽃 색세포는유전자를한개만가 유전자구성 : PP pp 진다. 배우자 : P p 생식세포가수정을하여생기는잡종제 1대의유전자구성 형태 : 보라색꽃 은 Pp가되고, 유전자구성 : Pp P만표현된다. 우열의법칙에대한멘델의설명보라색꽃유전자를 P라고하고흰꽃유전자를 p라고하면순종의보라색꽃완두의유전자는 PP, 순종의흰색꽃완두의유전자는 pp가된다. 가설에따라순종의보라색꽃완두와흰색완두의생식세포에서는가설에따라각유전자 P와 p가하나씩들어가게된다. 따라서잡종제1대의유전자형은 Pp가된다. < 그림 Ⅲ- 3> 우열의법칙순종보라색꽃완두와순종흰색꽃완두를교배하면잡종제 1 대에서보라색꽃완두가나타난다. 한편, 잡종제1대의보라색꽃끼리자가수분하였을때, 우성인형질의보라색꽃과열성인형질의흰색꽃이약 3:1의비율로나타나게되는데, 이와같이한쌍의서로다른유전자가생식세포에나뉘어들어가다음대에전달되는현상을분리의법칙이라고한다. 이분리의법칙으로인해잡종제2대에서는우성형질과열성형질의비가 3:1로나타나게되는것이다. 잡종 제 1 대 잡종 제 2 대 형태 : 유전자구성 : 배우자 : P p P Pp 보라색꽃 Pp PP pp 3 : 1 p Pp p p 접종제1세대의생식세포에는유전자 P와 p가분리되어들어간다. 수정이일어나면잡종제2대에는 PP : Pp : pp = 1 : 2 : 1로나타나고, 보라색꽃과흰색꽃의비가 3 : 1로나타난다. 분리의법칙에대한멘델의설명멘델의가설에서형질을결정하는각쌍의유전자가생식세포가만들어질때서로분리되어들어간다고하였다. 즉, 잡종제1 대의유전자형이 Pp인경우, 잡종제1대가만든생식세포는 P와 p중에서하나만갖게된다. 이경우생식세포의수정에의해서잡종제2대에서우성과열성의표현형의비가 3:1 로나타나게되는것이다. < 그림 Ⅲ- 4> 분리의법칙잡종제 1 대의보라색꽃완두끼리자가수분하면잡종제 2 대에서보라색 : 흰꽃 = 3 : 1 로나타난다. 멘델은하나의형질에대한유전현상을연구하였을뿐아니라두쌍의대립형질이동시에유전될때서로어떤관계를가지고유전하는지도연구하였다. Ⅲ. 유전과유전공학 119

먼저씨가순종으로둥글고황색인완두 (RRYY) 와순종의주름지고녹색인완두 (rryy) 를교배하여잡종제1대에서둥글고황색인완두 (RrYy) 를얻었다. 이잡종제1대를자가수분시킨결과잡종 2대에서는씨가둥글고황색인것, 둥글고녹색인것, 주름지고황색인것, 주름지고녹색인것이약 9:3:3:1의비율로분리되어나타났다. 이결과는잡종제 1대인둥글고황색인개체 (RrYy) 에서생식세포가생길때 R과 r의분리와 Y와 y의분리가서로독립적으로일어났기때문이다. 이경우에생기는생식세포의유전자는각각 RY, Ry, ry, ry이며같은비율로만들어진다. 이네종류의생식세포가수정하는방법은 < 그림 Ⅲ- 5> 와같은 16가지이며, 우열의법칙에따라잡종제2대의표현형의비는 9:3:3:1이된다. 여기서둥근완두와주름진완두만따로모아서비율을계산해보면 12:4=3:1이되고황색완두와녹색완두만을따로모아서비율을계산하면역시 3:1이되는것을알수있다. 즉완두씨모양의유전이완두씨색유전에영향을주지않고독립적으로유전되는현상을보이는데이러한현상을독립의법칙이라고한다. 어버이잡종제 1 대잡종제 2 대 ry 퍼넷 (Punnett, R. C.; 1875~1967) 영국의유전학자로퍼넷사각형을처음고안한사람. 생식세포 RRYY RY RY 둥글고황색 ( 순종 ) rryy 주름지고녹색 ( 순종 ) 생식세포 RrYy ry 둥글고황색 RY ( 잡종 ) 생식세포 ry RrYy Ry RrYY Rryy RrYy RrYy rryy RRYY RRyy rryy RRYy RrYy rryy RrYY Rryy Ry RrYy ry rryy ry < 그림 Ⅲ- 5> 독립의법칙 앞에서멘델의유전원리중에서분리의법칙과독립의법칙을설명할때, 사각형을이용하였는데, 이것을퍼넷의사각형 (Punnett Square) 이라고부른다. 이퍼넷사각형은유전교배결과를분석하는데도움이되는방법으로영국의유전학자인퍼넷에의해처음고안되었다. 120 심화생명과학

탐구활동 퍼넷사각형 : 유전적교배를분석하는방법 교배결과를분석하고설명하는데는다양한방법이가능하다. 유전실험을할때교배결과에서우리가볼수있는것은표현형밖에없다. 표현형에서유전자형을추정하려면어떤방법을사용할수있을지제시해보자. (1) 단성잡종에대한퍼넷사각형을그리는방법은아래와같다. R r R r R r 그림과같이사각형하나를 4개의정사각형으로나눈다. 정사각형위쪽에한쪽부모에게서만들어진생식세포의유전자형을쓴다. 정사각형왼쪽에다른부모에게서만들어진생식세포의유전자형을쓴다. R r R r R r R r R R R Rr R RR Rr r rr r Rr rr r Rr rr r Rr rr 정사각형안쪽에위쪽과옆쪽에표시된유전자형을함께쓴다. 유전자를쓸경우에는대문자를먼저쓰고소문자를나중에쓴다. 완두씨의색은노란색과초록색이있다. 노란색이초록색에대해우성인경우를퍼넷사각형에표시를해보시오 ( 단, 우성인노란색은 Y, 열성인초록색은 y로나타낸다 ). Ⅲ. 유전과유전공학 121

퍼넷사각형을이용하여자손의유전자형과표현형을예측하기 완두콩모양에서둥근씨는주름진씨에대해서우성이다. 잡종유전자를가진둥근콩과주름진콩을교배했을때 (1) 부모세대의유전자형은무엇인가? (2) 잡종제 1 대에서가능한유전자형과표현형은각각무엇인가? (3) 잡종제 1 대에서주름진씨가나타나는확률은얼마인가? 계획 완두콩이교배한다고하였으므로두완두콩의유전자형을결정한다. 계획에따른실행우성인둥근모양의유전자는 R, 열성인주름진유전자는 r로나타내기로하자. 한쪽은잡종인둥근콩이라고하였으므로 Rr의유전자를가지며, 다른쪽은주름진콩이라고하였으므로 rr인유전자를가진다. r r 퍼넷사각형을완성한다. 1. 퍼넷사각형의뼈대와유전자형표시를한다. R r r r 2. 자손의유전자를완성한다. R Rr Rr r rr rr 자손의유전자형과표현형을결정한다. 예상되는자손은, 2Rr : 잡종유전자를가졌으며둥근모양이다. 2rr : 열성순종유전자이며주름진모양이다. 주름진씨가나올확률을계산한다. 주름진씨를가진완두는 2 4, 50% 이다. 122 심화생명과학

퍼넷사각형을이용하여알지못하는부모의유전자형결정하기 돼지에서검은색털은흰색털에대해서우성이다. 검은색털을가진돼지두마리를교배했더니 5마리의검은색돼지와 1마리의흰색돼지가태어났다. 부모의유전자형은무엇인가? 다음에태어날새끼가흰색일확률은얼마인가? 계획 계획에따른실행 부모의유전자형을알아내기위해서는자손의유전자형을먼저결정해야한다. 검은색털색이흰색털에대해우성이므로 B를검은색털유전자로, b를흰색털유전자로한다. 퍼넷사각형에서알고있는자손의유전자형부분을완성한다. 보통열성유전자는오른쪽아래부분에기록한다. 검은색털돼지의경우에는유전자형이 BB인지 Bb인지모르기때문에 B_ 로나타낸다. B_ bb B 부모돼지는모두검은색털이지만유 B B_ 전자형이 BB 인지 Bb 인지는모르기때 문에, 일단 B 를각각하나씩배치한다. bb B b 퍼넷사각형을이용하여부모의유전 B BB Bb 자형을결정하고나머지부분을완성 한다. b Bb bb 퍼넷사각형로부터흰색털돼지가태어날확률이얼마인지계산한다. 흰색털돼지가태어날확률은 1 4, 25% 이다. Ⅲ. 유전과유전공학 123

연구문제 (1) 퍼넷사각형을이용하여잡종인부모간의교배결과를나타내시오. (2) 검은색반점이있는암컷달마시안개를형질을알지못하는수컷개와교배를시켰다. 암컷개가새끼를 6마리낳았는데 3마리는검은색반점이나타났고 3마리는검은색반점이나타나지않았다. 형질을알지못하는수컷개의유전자형과표현형은무엇인지알아보시오. ( 달마시안개의경우, 검은색반점이나타나는것이그렇지않은것에대해우성이다.) 조사하기 x 2 검증에대해조사하고이것이멘델의유전원리를밝히는데어떤관련이있는지토의 해보자. 124 심화생명과학

02 멘델이후의유전연구 학 습 목 표 염색체설과유전자설을설명할수있다. 비멘델유전과염색체지도에대해이해할수있다. 설명하기 멘델의세가지유전원리를이용하여혈액형의유전이나사람의키, 몸무게등의유전현상에대해설명해보자. 멘델은유전현상을설명하기위하여유전형질을결정하는유전인자가있다고가정하고, 이유전인자가부모로부터자손에게전달되면서유전형질이나타난다고주장하였다. 그러나, 멘델은이유전인자가어떤물질이며세포내어느곳에존재하는지는알지못하였다. 멘델의실험결과가발표되던 1865년경에는현미경을이용하여세포의관찰이이루어지고있었으며, 멘델의유전법칙에대한재평가가이루어지던 1903년에셔턴은세포의핵속에염색체가존재하며, 이염색체가실과같은구조로흩어졌다가세포분열할때다시뭉쳐서염색체가나타나는것을관찰하였다. 셔턴은염색체의행동이멘델이이야기했던유전인자와일치하는것을다음그림과같은비교를통해서설명하였다. 셔턴 (Sutton, W. S.; 1877~1916) 생물의유전자가염색체에들어있다는염색체설을주장함. 셔턴은이와같이세포가분열할때나타나는유전인자와염색체행동의유사성을발견한후에유전인자는정자나난자에있는염색체에존재하는작은입자와같은물질이라고생각하고 유전인자는염색체에존재하며염색체를통해자손에게전달된다 는염색체설을주장하였다. Ⅲ. 유전과유전공학 125

멘델이주장한유전인자의행동 셔턴이관찰한염색체의행동 유전자라는용어를처 대립유전자 대립유전자 상동염색체 상동염색체 음사용한사람은요한센 (1909 년 ) 이었다. AaBb 분리 감수분열 AB Ab ab ab 한개체내에는하나의형질에대한유전인자가쌍으로존재한다. 대립유전자는생식세포를형성할때분리된다. 분리의결과생식세포는대립유전자중하나를갖는다. 분리되었던대립유전자는수정을통해다시합쳐진다. 하나의체세포에는상동염색체가쌍으로존재한다. 상동염색체는감수분열이일어날때분리된다. 감수분열의결과생식세포는상동염색체중하나를갖는다. 분리되었던상동염색체는수정을통해다시합쳐진다. 모건 (1926) 은흰눈을가진돌연변이초파리를연구하다가초파리의흰눈이암수에따라다르게나타난다는사실을발견하였다. 모건은이실험결과와함께염색체에의해초파리의성이결정된다는사실을바탕으로흰눈유전이 X 염색체의전달과관련이있는것을확인하였다. 이것으로모건은유전자가염색체에존재한다는것을증명하였다. 그후모건은여러연구를통해 유전자는염색체의일정한위치에존재하며, 대립유전자들은상동염색체의같은위 모건 (Morgan, T. H.; 1866~1945) 초파리교배연구를통해유전자설을주장함. 치에존재한다 는유전자설을주장하였다. 탐구활동 야생및돌연변이초파리의관찰 모건이실험재료로삼은초파리는채집과사육이쉽고한세대가짧으며, 한배에서많은자손이나오기때문에오랫동안유전연구에널리이용되어오고있다. 특히초파리가운데노랑초파리 (Drosophila melanogaster) 는지금까지여러가지형질에대해수많은돌연변이체가발견되었기때문에교배실험을통한멘델의유전법칙을확인하는데편리한실험재료로사용되고있다. 유전연구에초파리를이용할때돌연변이가많은것은어떤점에서좋은지생각해보자. 준비물기구 : 실체현미경, 마취기구세트 ( 붓, 마취병, 마취깔대기, 흰종이 ), 초파리사육병, 스폰지마개, 항온기재료 : 야생형초파리, 돌연변이초파리, 에테르 126 심화생명과학

방법및절차 (1) 에테르를묻힌솜을마취병속에넣는다. (2) 사육병의옆을손가락으로톡톡쳐초파리가사육병의마개에서멀어지게한다. (3) 사육병의마개를신속히제거한후, 마취병을그위에거꾸로놓는다. (4) 사육병과마취병을양손으로동시에잡고마취병은밑으로, 사육병은위로놓이게한다. 이상태로사육병을톡톡치면서초파리가마취병속으로떨어지게한다. (5) 초파리가마취되어움직이지않으면신속하게꺼내해부현미경으로관찰한다. 결과및논의 < 야생형초파리의관찰 > (1) 야생형초파리의암수구조를각각스케치하고각기관의명칭을써보자. < 돌연변이초파리의관찰 > (1) 돌연변이형초파리의특징적인형질을야생형초파리의형질과비교해서찾아보고다음표에기록해보자. 돌연변이의 종류 관찰내용 돌연변이의명칭및유전자위치돌연변이실제명칭유전자위치이름붙이기 돌연변이 1 돌연변이 2 돌연변이 3 돌연변이 4 (2) 각돌연변이체들의이름을붙여보고실제명칭을조사해보자. (3) 각돌연변이체들에서돌연변이가일어난유전자의위치를조사해보자. Ⅲ. 유전과유전공학 127

연구과제다른생물체와비교해볼때초파리가유전연구에이용하는데어떤장점이있는가? 조사하기 최근초파리를이용한연구에는어떤것들이있는지조사해보자. 멘델의유전법칙이널리인정받게된후, 학자들이유전현상을연구하는과 정에서멘델의유전법칙으로는설명되지않는경우를발견하였다. 1) 중간유전 독일의식물학자인코렌스는분꽃을이용하여실험을하여다음과같은결과를얻었다. 순종인붉은색분꽃과흰색분꽃을교배하였더니잡종제1대에서는모두분홍색꽃만나타났다. 이잡종제1대를자가수분시킨잡종제2대에서는붉은색꽃과분홍색꽃과흰색꽃이 1:2:1의비율로나타났다. 어버이잡종제 1 대잡종제 2 대 붉은꽃 붉은꽃 분홍꽃 분홍꽃 흰꽃 흰꽃 < 그림 Ⅲ- 6> 분꽃교배잡종제 1 대에서는붉은꽃과흰꽃의중간인분홍꽃이나타났다. 멘델의우열의법칙에따른다면붉은색분꽃과흰색분꽃을교배했을경우에는둘중한가지만나타나야하지만, 분꽃의경우에는두형질의중간인분홍색분꽃이나타났으며잡종제2대에서는붉은색 : 흰색 =3:1의비율이아닌붉은 128 심화생명과학

색 : 분홍색 : 흰색 =1:2:1의비율로나타났다. 이것은붉은색유전자를 R, 흰색꽃유전자를 W라고했을때잡종제1대의유전자형이 RW가되는데 R과 W 사이의우열관계가불분명하여분홍색분꽃이나타나게된것이다. 이와같이쌍을이루는유전자사이의우열관계가불완전하여양친의중간형질이나타나는것을중간유전이라고한다. 어버이잡종제 1 대잡종제 2 대 RR R W 생식세포 RRWW RW R RW WW R RR WW W 생식세포 < 그림 Ⅲ- 7> 분꽃교배의유전자형 W RW 생각해보기 사람의혈액형유전을중간유전으로설명할수있는가? 만일설명이되지않는다면어떤부분에문제가있는지생각해보자. 2) 복대립유전 일반적으로완두콩의색깔유전이나분꽃유전과같은유전형질은한쌍의대립유전자에의해결정되지만, 사람의혈액형을결정하는유전인자는 A, B, O 세가지이다. 이세가지유전자에의해결정되는혈액형유전자형은다음과같다. A A A O B B B O A B O O A 형 A 형 B 형 B 형 AB 형 O 형 < 그림 Ⅲ- 8> 혈액형유전자형 Ⅲ. 유전과유전공학 129

세가지유전자에의해혈액형이이렇게나타나는이유는다음과같다. 유전자 A, B, O 중에서 A와 B 사이에는우열관계가없고, A, B는모두 O에대해서우성이다. 따라서혈액형이 A형인사람의유전자형은 AA이거나 AO이고, B형인사람은 BB이거나 BO이며, AB형인사람의유전자형은 AB, O형인사람은 OO이다. 이와같은유전현상을복대립유전이라고한다. 3) 다인자유전 사람의키나체중등은두가지나세가지의형질로명확하게구분할수없고연속적으로형질이나타나게되는데, 이는키나체중등에관여하는유전자가많기때문이다. 이렇게한형질의유전에여러유전자가관여하는유전을다인자유전이라고한다. 피부색과같은다인자유전은 < 그림 Ⅲ- 9> 와같이각형질이한집단안에서연속적인분포로나타난다. < 그림 Ⅲ- 9> 피부색의분포 4) 연관 생물의염색체수는많아야수십개정도이고, 사람의경우는 46개이다. 인간의유전자는 3만 ~4만개정도로알려져있으므로유전자수에비해염색체수는상당히적은편이다. 따라서하나의염색체에는많은유전자가존재하게된다. 이렇게하나의염색체에존재하는유전자들을서로연관되어있다고하며, 연관된유전자들을연관군이라고한다. 생물이갖는연관군의수는그생물의생식세포에들어있는염색체수와같다. 한염색체에연관된유전자들은생식세포를형성하는과정에서상동염색체가분리될때함께이동하므로독립의법칙과다른표현형의비를나타낸다. 130 심화생명과학

A a 모세포 A a B b B b 감수분열 a a a a 생식 a a a a b b b b 세포 b b b b 1 2 < 그림 Ⅲ- 10> 생식세포형성 1 독립유전 2 연관유전 독립유전의경우에는잡종제1대의생식세포가위그림 1과같이형성되기때문에잡종제2대의경우 9:3:3:1의비율이나오지만, 연관유전의경우생식세포가위그림 2처럼 AB, ab만형성되기때문에잡종제2대의비율이 3:1의비율이나오게된다. 5) 교차 한염색체에연관되어있는유전자들이항상함께행동하지않고경우에따라서는분리되어행동할수도있다. 다음은베이트슨이스위트피꽃을가지고수행한실험이다. P 보라색꽃 긴화분 (PPLL) 붉은색꽃 둥근화분 (ppl l) F 1 보라색꽃 긴화분 (ppll) F 2 보라색꽃긴화분 (P_L_) 보라색꽃둥근화분 (P_ll) 붉은색꽃긴화분 (ppl_) 붉은색꽃둥근화분 (ppll) 1528 106 117 381 < 그림 Ⅲ- 11> 스위트피의교배실험이실험결과를비율로나타내면 11 : 1 : 1 : 3 이되어독립유전도아니고연관유전도아닌것을알수있다. 스위트피교배실험에서잡종제2대의결과를보면잡종제1대에서생식세포를형성할때유전자 P와 L, p와 l이연관되어있음을알수있다. 두유전자가연관된상태로만있다면, 함께행동하기때문에잡종제2대에서는보라색 Ⅲ. 유전과유전공학 131

꽃에긴화분을가진개체 (PPLL) 와붉은색꽃에짧은화분을가진개체 (ppll) 가 3:1의비율로나와야한다. 그런데, 결과를보면소수의보라색꽃에짧은화분을가진개체 (Ppll) 와붉은색꽃에긴화분을가진개체 (ppll) 가나타나는것으로보아두유전자는함께행동하지않는다는것을알수있다. 이것은스위트피꽃잡종제1대에서생식세포가만들어질때연관되어있던두유전자사이에교차가일어나새로운유전자조합인 Pl과 pl을갖는생식세포가만들어졌기때문이다. 창의적으로생각하기 교차가일어나는것은교차가일어나지않는것과비교해서어떤장점과단점이있을까? 이와같이한염색체에연관되어있는유전자가항상함께행동하지않는것은생식세포를형성할때감수제1분열전기에서상동염색체를이루는염색분체의일부가서로교환되는교차가일어나기때문이다. 교차가일어나면염색분체의유전자도교환되므로새로운연관이이루어진다. 교차가일어나지않은경우 교차가일어난경우 P p P p L l L l P p P p 감수분열 P L L l L l 감수분열 제1분열 제1분열 P p p P P p p L l l L l L l 제2분열 제2분열 P P p p P P p p L L l l L l L l < 그림 Ⅲ- 12> 연관과교차에서의유전자행동 연관된유전자사이에서교차가일어나는빈도를교차율이라고하며, 다음과같이구할수있다. 교차에의해생긴생식세포수교차율 (%) = 100 전체생식세포수 132 심화생명과학

그러나실제로는생식세포의수를알기어려우므로검정교배에의해얻은 표현형의분리비를통해다음과같이교차율을구한다. 교차율 (%) = 교차에의해생긴자손의수검정교배에의해생긴전체자손의수 100 6) 염색체지도 초파리를이용하여유전을연구하던모건과스터트반트는염주에있는염주알처럼유전자가염색체에직선으로배열되어있으며, 염색체상의모든부위에서교차가일어날확률이같다고생각하였다. 이와같은생각을바탕으로이들은교차율을이용해염색체상에서유전자의위치를정하여염색체지도를만들수있다고생각하였다. 해보기 염색체지도작성 다음은초파리를교배하여초파리의몸색과눈색, 날개모양을결정하는유전자사이의 교차율을구한결과를나타낸것이다. 유전자 교차율 검은몸색유전자 (g) ~ 주홍색눈유전자 (c) 9% 주홍색눈유전자 (c) ~ 흔적날개유전자 (l) 9.5% 검은몸색유전자 (g) ~ 흔적날개유전자 (l) 18.5% 정리 (1) 염색체상의모든부위에서교차가일어날확률이동일하다고할때, 교차율과유전자사이의거리는어떤관계가있는가? Rh 혈액형 페닐케톤뇨증 침아밀라아제이자액아밀라아제 (2) 교차율을이용해염색체상에서각유전자의배열순서를적어보자. (3) 각유전자사이의상대적인위치와거리를표시하여염색체지도를 완성해보자. 펩티다아제 ( 소화효소 ) < 그림 Ⅲ- 13> 사람의 1 번염색체 Ⅲ. 유전과유전공학 133

염색체 모건과스터트반트의실험에서알수있듯이동일한염색체위에연관되어있는유전자들중에서서로멀리떨어져있는유전자일수록교차가일어날기회가많아지고가까울수록교차가일어날기회가적어진다. 따라서연관되어있는두유전자사이의교차율을알면염색체상의두유전자사이의상대적인위치와거리를알수있다. A B C 12% 8% 4% < 그림 Ⅲ- 14> 염색체지도 예를들어연관되어있는세유전자 A, B, C가있다고할때, 유전자 A와 B의교차율이 8% 이고, 유전자 B와 C사이의교차율이 4% 이며, 유전자 A와 C 사이의교차율이 12% 라고하면세유전자의배열은다음과같이나타낼수있다. 인접한세유전자사이의교차율을이용하여유 전자사이의순서와상대적인거리를알아내는방법을 3점검정법이라고한다. 3점검정법을이용하여염색체상에있는여러유전자의상대적위치와거리를나타낸것을염색체지도라고한다. Ⅰ Ⅱ Y X Ⅳ Ⅲ 돌연변이표현형 짧은더듬이 검은색몸 주황색눈 흔적날개 갈색눈 0 48.5 57.5 67.0 104.5 긴더듬이 회색몸 적색눈 정상날개 적색눈 야생형표현형 < 그림 Ⅲ- 15> 초파리 2 번염색체의염색체지도 조사하기 유전자사이의거리가너무가깝거나멀면교차율에의한염색체지도작성에오차가있을수있다. 그이유는무엇이며어떻게해결할수있는지조사해보자. 134 심화생명과학

03 사람의유전 학 습 목 표사람의유전현상과연구방법을나열할수있다. 반성유전과한성유전을설명할수있다. 다양한돌연변이에대해이해할수있다. 사람은피부색, 눈동자색, 키, 머리카락모양, 얼굴형등많은특징들을가 지고있다. 이렇게사람이가지고있는수많은형질들은어떻게유전이될까? 생각해보기 사람의유전에영향을미치는요인과사람의유전에관여하는유전원리에는무엇이있을지생각해보자. 탐구활동 사람의유전형질조사 사람은수많은표현형질이있다. 사람이가지고있는이러한형질은어떤유전원리에의해자손에게전달될까? 사람이가지고있는형질에관여하는유전원리는한가지가아니라여러가지가관련되어있다. 조별로사람이가지고있는형질중에서몇가지를선택하여그형질이어떤유전원리에의해유전되는지에대한가설을설정해보고그것을어떻게검증할수있을지검증절차를생각해보자. 준비물기구 : 돋보기, 자, 줄자, 체중계, 핀셋, 물컵, 재료 : 그래프용지, 실험용노트, PTC 종이방법및절차두사람이한조가되어다음의각형질에대해서서로의특징을관찰하 유의점 두명이한조가되어실험하도록한다. 조별로조사한유전형질을발표하여학급전체에대한표를만들고유전형질의빈도를알아보도록한다. PTC 종이만들기 : 물 1 리터에페닐티오카바마이트 500 g을녹인다. 완전히녹이는데상온에서하루가걸린다. 이용액에여과지를담갔다꺼내어말린다. 여과지를 2 cm 2 되게잘라서준비한다. 여표에기록한다. Ⅲ. 유전과유전공학 135

굽은새끼손가락 새끼손가락이인접한 4 번 째손가락쪽으로굽는다 / 굽지않는다. 히치하이커엄지 엄지손가락을 60 나그이상으로뒤쪽으로굽힐수 새끼손가락 ( 굽음 - 굽지않음 ) 엄지 ( 굽지않음 - 굽음 ( 히치하이커 )) 혀말기 ( 있음 - 없음 ) 있다 / 없다. 혀말기 혀를앞으로내밀었을때 U 자형으로둥글게말수 있다 / 없다. 귓불형귓불이머리에서떨어져있다 / 붙어있다. 이마의선두발의경계선이이마의가운데에서뾰족한곡선을이루고있다 / 직선이다. PTC 미맹혀를촉촉하게한후준비해둔 PTC 종이를혀에 5 초간둔후제거하고쓴맛을느끼는지알아본다. 귓불형 ( 부착형-분리형 ) 이마선 ( 직선형-곡선형 ) 결과및논의 (1) 각자의신장, 체중, 새끼손가락의길이, 맥박수를측정하여기록한다. 신장 : ( )cm 체중 : ( )kg 새끼손가락의길이 : ( )cm 맥박수 : ( ) 회 / 분 (2) 학급전체의형질을조사하여표에기록하고 % 를계산한다. 새끼손가락엄지손가락혀말기굽는다곧다굽는다곧다가능불가능 개인별학생수 % 귓불형이마의선 PTC미맹부착형분리형직선곡선정상미맹 개인별학생수 % 신장학생수체중학생수맥박수 % % ( cm ) ( 명 ) ( kg ) ( 명 ) ( 회 / 분 ) 150미만 40미만 50미만 150-159 40-49 50-59 160-169 50-59 60-69 170-179 60-69 70-79 180-189 79-79 80-89 80이상 90이상 학생수 ( 명 ) % 136 심화생명과학

(3) 위표로조사한자료를그래프로그려보자. 그래프에나타난형질중뚜렷하게대립되는형질은무엇이고, 다양하게나타나는형질은무엇인가? 그이유는무엇인가? (4) 조사한각대립형질에서빈도가높은형질은각각무엇인가? (5) 대립되는형질을갖는경우빈도가높은형질이우성이고반드시낮은형질이열성이라고말할수있는가? 대립형질의우열관계를알기위해서어떻게하여야하는가? (6) 조사된형질중유전적영향보다환경의영향을많이받은신체적특징은무엇인가? 참고사항우리가쉽게찾아낼수있는유전형질들의우열관계는다음과같다. 우성 열성 혀말기를할수있다. 혀말기를할수없다. 이마선의가운데가뾰족하다. 이마선이직선이다. 귓불이떨어져있다. 귓불이붙어있다. 엄지손가락이뒤로잘젖혀진다 엄지손가락이잘젖혀지지않는다. PTC의쓴맛을느끼지못한다. PTC의쓴맛을느낀다. 둘째발가락이엄지발가락보다길다. 둘째발가락이엄지발가락보다짧다. 손가락마디사이에짧은털이있다. 손가락마디사이에털이없다. 보조개가있다. 보조개가없다. 곱슬머리이다. 직모이다. 매부리코 낮은코 사람의유전에대한연구는사람을대상으로직접실험을할수없기때문에간접적인방법을사용한다. 첫째로가계조사를하는데이는특정유전형질을가지고있는가계에대하여선조로부터자손에게그형질이어떻게나타나고있는가를가계도를만들어조사하는방법이다. 미맹, 혀말기, ABO식혈액형, 색맹, 혈우병등의유전이이방법에의하여밝혀졌다. Ⅲ. 유전과유전공학 137

둘째로통계조사방법이있다. 이는조사하려는유전형질에관하여가능한한많은사람을조사해서얻은자료를통계적으로처리함으로써유전결과를추정하는방법이다. 셋째로쌍생아를통한연구가있다. 쌍생아는일란성과이란성이있는데, 이두쌍생아를비교, 연구하는방법으로유전과환경의영향을알아볼때사용하는방법이다. 읽을거리환경 습관따라유전자발현이달라진다. 유전자발현이일어날때, 30억쌍의 DNA 염기서열에담긴유전정보가동일하게발현될까? 살면서겪는환경의차이가유전정보를다르게발현할수있다는연구결과들이나오고있다. 이른바 후성유전학 이유전자결정론에의문을제기하는새로운연구분야로성장하고있다. 후성유전학자들은어떤환경에서사느냐, 무얼먹느냐, 어떤 메틸기분자 메틸기분자 메틸기분자 메틸기분자 유전자작동을조절하는두가지후성유전방식 1. DNA 에달라붙는메틸기분자 DNA 염기서열의특정부위에메틸기가달라붙어그곳의유전자발현에영향을끼친다. 2. 히스톤단백질의변형 히스톤단백질 염색체 DNA 가실이라면히스톤단백질은살패와같다. DNA 를촘촘하게감기게히스톤단백질에메틸기. 아세틸기같은분자들이달라붙으면히스톤단백질의모양이바뀐다. 이런변화가생기면히스톤단백질주면에있는 DNA 유전정보의작동방식도달라진다. < 그림 Ⅲ- 16> 유전자작동을조절하는두가지후성유전방식 138 심화생명과학

습관을지니느냐에따라우리몸의 DNA가바뀌진않더라도그유전정보를사용하는방식은바뀔수있다고주장한다. 후성유전 개념은 1940년대에처음생겼지만분자생물학에서실증연구로주목받기시작한것은불과 4~5년전부터이다. 생명현상과개인질병의원인은 DNA 염기서열이라는 1차원정보만으로다설명되지않고, 살면서얻는환경의후천적영향이 DNA 와유전자의작동 방식 을바꾼다는여러증거들이밝혀지고있다. 똑같은유전정보라해도그사용법을바꾸는후성유전조절물질로는 메틸기 (-CH₃) 같은물질들이주목받고있다. 메틸기는 DNA 같은유전정보물질에잘달라붙는흔한분자다. 그런데 DNA의어디에어떻게달라붙느냐, 또히스톤단백질에어떤모양으로달라붙느냐에따라메틸기가붙은유전자가다르게작동한다는사실이밝혀졌다. 환경과음식, 생활습관에따라우리몸에서후성유전물질의쓰임새가달라진다. 그래서어떤유전자는더강하게작동하고어떤유전자는억제되는것이다. 어떤경우에이러한메틸기의조절패턴이자손에게도 유전 된다. 2차세계대전직후잘먹지못해키가작은세대의다음후손들이풍족히먹으며자라는환경에서도성장이더뎠다는조사결과는후성유전의사례가운데하나다. 그러나메틸기가어떻게작용하는지그메커니즘은아직다밝혀지지않은상태이다. 후성유전학자들은메틸기같은후성유전물질이우리몸에서사용할유전자와사용하지않을유전자를구분해주는 표지 구실을한다고본다. 사람유전체 ( 게놈 ) 가 3만가지정도인데이것을유전자정보를담은 3만개의서랍들이라고생각해보자. 닫힌서랍에든유전자는작동하지못하고열려야만작동할수있다고보자. 필요에따라서서랍을닫거나열거나반쯤열어두어야하는서랍이필요하다. 이때어느서랍을열고, 닫고, 반쯤열고하는것을구분하게해주는 이름표 가필요한데바로메틸기같은물질이그역할을하는것이다. 서랍안의유전정보는전혀바꾸지않고이름표만으로도유전자작동을조절할수있게되는것이다. 후성유전학의입장에서보면암도다르게보인다. 암은흔히유전자돌연변이로발병한다고본다. 그러나최근연구에서암과정상세포를비교해봤을때, 유전정보차이보다는메틸기같은후성유전물질의차이가더두드러지는결과를보였다. 유전정보는정상이라해도, 환경영향에따라달라진메틸기의조절작용으로암세포가생길수있다는것이다. 결국, 후성유전학의입장에서보면생명현상은유전자와환경의복잡한상호작용인것이다. 조사하기 1. 유전자와환경이생물체의유전에어떤영향을미치는지관련된연구자료를조사하여발표하고토론해보자. 2. 서양에서는가계도를작성하였고, 우리나라에서는족보를작성하였다. 서양의가계도와우리나라족보는어떤공통점과차이점이있는지조사해보자. Ⅲ. 유전과유전공학 139

탐구활동 겸형적혈구빈혈증가계도분석실험 겸형적혈구빈혈증은말라리아가잘발생하는지역에널리퍼져있다. 겸형적혈구는헤모글로빈에의한산소의운반에장애를일으키거나, 모세혈관을막아서조직에산소를공급하지못하게한다. 따라서겸형적혈구빈혈증을가진사람은어려서죽는경우가많으며, 겸형적혈구에대해잡종인사람의경우에는겸형적혈구특성을나타낸다. 잡종인사람은보인자로보통때는건강하지만, 심한운동을하거나산소가부족한곳에있을경우에는빈혈증을나타낸다. 자신이겸형적혈구빈혈증에대해잡종인상태라는것을모른다면자칫위험에처할수도있다. 겸형적혈구빈혈증에대해잡종인사람을어떻게알아낼수있을까? 정상대립유전자는 Hb A 로, 겸형적혈구빈혈유전자는 Hb S 로나타낸다. 따라서나타날수있는유전자조합은다음과같다. Hb A Hb A Hb A Hb S Hb S Hb S 정상 겸형적혈구특성 겸형적혈구빈혈증 (1) 두부모모두겸형적혈구유전자에대해잡종인경우에아이의유전 자가어떤것이가능하며표현형은어떤것이가능한지나타내시오. (2) 정상 - 겸형적혈구특성을각각갖는부부가아이를낳을경우에는어 떤아이가태어날지예상해보시오. 140 심화생명과학

다음은어떤가족의겸형적혈구빈혈증에대한가계도이다. Hb A Hb A and Hb A Hb S and Hb S Hb S and < 그림 Ⅲ- 17> 어떤가족의겸형적혈구빈혈증에대한가계도 < 이가족의건강프로파일 > 건강상태 영향받은가족 말라리아에감염 13, 32, 33 말라리아로죽음 7, 9, 10, 16, 29, 30, 31, 34 겸형적혈구빈혈증으로죽음 8, 15, 25, 26, 35 말라리아나겸형적혈구빈혈증과무관하게죽음 건강한상태 3, 19 1, 2, 4, 5, 6, 11, 12, 14, 17, 18, 20, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 36, 37, 38 (3) 말라리아에대한조사를하고말라리아와겸형적혈구빈혈증이어떤관계가있는지알아보자. (4) 말라리아로죽었거나현재감염되어있는사람을대상으로어떤유전형질에속하는지아래표에나타내시오. Ⅲ. 유전과유전공학 141

유전자형 말라리아에감염되거나죽은사람 Hb A Hb A Hb A Hb S Hb S Hb S (5) 이가계도에서사망한원인별로비율이어떻게되는지아래표에나 타내보시오. 사망원인 사망수 전체사망에대한사망비율 말라리아겸형적혈구빈혈증기타계 (6) 이가족의사망원인으로가장큰것은어느것인가? (7) 가족중에서건강하거나살아있는사람들의유전자형을살펴보자. 건강한사람중에겸형적혈구질병에대해자주나타나는유전자형은어떤것인가? 연구과제영희는유전자형이 Hb A Hb A 을가지고있고, 철수는 Hb A Hb S 의유전자형을가지고있다. 영희와철수가네팔로놀러갔다면, 어떤상황에처하게되겠는가? 조사하기 겸형적혈구빈혈증은상호우성 (Codominance) 으로유전된다. 상호우성유전이무엇인지조사해보자. 상염색체에의해유전되는사람의유전형질중에서귓불의모양은한쌍의대립유전자에의해결정된다. 상염색체에의해유전되는대표적인형질에는귓불외에도이마선, 혀말기, 혈액형, 피부색, 쌍꺼풀등이있다. 상염색체는남녀모두에게있으므로상염색체에의한유전에는남녀에따른차이가없다. 142 심화생명과학

한편, 사람의성을결정하는성염색체는남녀의성을결정하는것외에도다른형질을결정하는유전자들도함께존재한다. 이유전자들은성염색체에따라다르게분포하므로유전형질의출현빈도가남녀에따라다르게나타난다. 그중대표적인것이색맹을결정하는유전자이다. 이유전자는성염색체인 X 염색체에있으며, 정상에대해열성이다. 1) 반성유전과한성유전 색맹을결정하는유전자는성염색체인 X 염색체에있으며정상에대해열성이다. 여성의경우색맹이나타나려면두염색체모두에색맹유전자가있어야하지만, 남성의경우에는색맹유전자가있는 X 염색체가하나만있어도색맹이나타난다. 따라서색맹은여성보다남성에게서더많이나타난다. 이와같이유전자가 X 염색체위에있어서성에따라형질이표현되는비율이달라지는유전을반성유전이라고한다. 색맹이외에도반성유전을하는형질에는혈우병이있는데, 혈우병유전자는색맹과같이열성으로작용한다. 한편, 귓속에털이나는형질은남자에게만나타나는데, 이형질은 Y 염색체에존재하는유전자에의해결정되기때문에아버지에서아들에게로만유전된다. 이와같이 Y 염색체에존재하는유전자에의한형질은한쪽성에만나타나는데이러한유전을한성유전이라고한다. 정상인은 5 로읽는다. 적녹색맹자, 적녹색약자, 전색약자모두구별하지못한다. 정상인은 6 으로읽는다. 적녹색맹자, 전색약자는구별하지못한다. < 그림 Ⅲ- 18> 색맹검사표의일부 2) 돌연변이 1986년러시아체르노빌원자력발전소의폭발사고로 10년동안방사능물질이주변에대량으로유출되었다. 이로인해많은사람이죽었으며, 이지역의사람에게서기형아발생률이크게증가하였다. 이것은유전자나염색체가방사선이나화학물질등에의해손상된결과형질이바뀌는돌연변이가나타났기때문이다. ( 1 ) 유전자돌연변이유전자돌연변이에의해나타나는유전병으로는겸형적혈구빈혈증과알비노증, 알캅톤뇨증등이있다. 겸형적혈구빈혈증이란적혈구안의헤모글로빈을생성하는유전자에이상이생겨적혈구가낫모양으로변하는유전병으로 Ⅲ. 유전과유전공학 143

심한빈혈증세를일으킨다. 알비노증은멜라닌색소를만드는유전자에이상이생겨피부가백색을나타내는유전병이며, 알캅톤뇨증도유전자에돌연변이가일어나서소변이공기중에서검은색으로변하는유전병이다. ( 2 ) 염색체돌연변이유전자는염색체에존재하기때문에염색체의구조에이상이생기거나염색체의수가변하면돌연변이가나타나게된다. 염색체의구조에이상이생기는돌연변이는염색체의일부가없어지는결실, 염색체의일부가끊어진다음거꾸로배열되는역위, 염색체의일부가추가되는중복, 한염색체의일부가끊어져상동염색체가아닌다른염색체에결합하는전좌가있다. A B C D E F G H 결실 A B C D E F G H 1 A B C D E F G H A B C B C D E F G H 중복 2 A B C D E F G H A D C B E F G H 역위 3 A B C D E F G H M N O P Q R 상호전좌 M N O C D E F G H A B P Q R 4 < 그림 Ⅲ- 19> 염색체돌연변이 1 결실 : 염색체의일부가없어진다. 2 중복 : 같은부분이반복된다. 3 역위 : 염색체내의순서가뒤바뀐다. 4 전좌 : 염색체의일부가한염색체에서비상동염색체로옮겨진다. 이러한염색체의구조변화는사람에게해로운경우가많다. 사람의 5번염색체일부가결실되면정신발달이늦어지고, 유아기때울음소리가고양이울음과비슷한묘성증후군이나타난다. 묘성증후군의경우대개유아기나아동기초기에사망하게된다. 염색체수의변화는 < 그림 Ⅲ- 20> 처럼감수분열과정에서상동염색체의비분리현상으로인해나타난다. 144 심화생명과학

제 1 감수분열 비분리 제 2 감수분열 비분리 배우자 n + 1 n + 1 n - 1 n - 1 염색체수 n + 1 n - 1 n n 1 2 < 그림 Ⅲ- 20> 비분리현상 1 제 1 감수분열에서상동염색체의비분리가일어남 2 제 2 감수분열에서상동염색체의비분리가일어남 그림과같이염색체의비분리현상이일어나면정상보다 많거나적은염색체수를가진생식세포가형성되고, 이생식세포가수정되면염색체수에이상이생긴돌연변이가나타난다. 이러한돌연변이에는정상적인염색체수를갖는 2배체보다몇배많아져 3배체나 4배체가되는배수성과일부가많아지거나적어져서나타나는이수성이있다. 이수성돌연변이로잘알려진것은다운증후군이다. 다운증후군 1 2 3 4 5 은그림과같이 21번염색체가세개로정상인보다한개가더많 6 7 8 9 10 다. 다운증후군환자는둥글고넓적한얼굴, 큰혀, 정신지체, 심 장기형등의특징을나타낸다. 또한호흡기감염과백혈병에잘 11 12 13 14 15 걸리고대개 35세이전에사망한다. 16 17 18 x 다운증후군외에도성염색체수의이상으로나타나는돌연변이 19 20 21 22 로는터너증후군과클라인펠터증후군이있다. 터너증후군인사람은체형은여성이지만다른여성에비해키가작으며, 사춘기때 < 그림 Ⅲ- 21> 다운증후군다운증후군의경우 21번염색체가 3개이다. 2차성징이나타나지않고생식기관의발달이미숙하여불임이 된다. 터너증후군 성염색체의비분리현상 클라인펠터증후군인사람은생식기관은남성이지만사춘기때여성처럼가슴이발달하며생식기관의발달이제대로이루어지지않아불임이된다. 으로인해 X 염색체를한개만갖는돌연변이이다. 조사하기 배수성돌연변이에는어떤것이있는지조사해보자. 클라인펠터증후군성염색체의비분리현상으로인해 X 염색체가보통사람보다하나더많아성염색체의조성이 XXY인돌연변이다. Ⅲ. 유전과유전공학 145

정리하기 한쌍의대립형질의유전에서잡종제1대에우성형질만나타나는현상을우열의법칙이라고한다. 한쌍의서로다른유전자가생식세포에나뉘어들어가다음세대에전달되는현상을분리의법칙이라고한다. 두대립형질이유전될때각형질이상대방에게영향을주지않고독립적으로유전되는현상을독립의법칙이라고한다. 염색체설 : 유전인자는염색체에존재하며염색체를통해자손에게전달된다. 유전자설 : 유전자는염색체의일정한위치에존재하며, 대립유전자들은상동염색체의같은위치에존재한다. 쌍을이루는유전자사이의우열관계가불완전하여양친의중간형질이나타나는것을중간유전이라고한다. 세가지또는그이상의유전자가한형질의유전에관여할때이를복대립유전이라고한다. 한가지또는그이상의유전형질에여러유전자가관여하는것을다인자유전이라고한다. 하나의염색체에존재하는유전자들을서로연관되어있다고하며, 연관된유전자들을연관군이라고한다. 한염색체에연관되어있는유전자가생식세포를형성할때상동염색체를이루는염색분체의일부가서로교환되는현상을교차라고한다. 염색체상에있는여러유전자의상대적위치와거리를나타낸것을염색체지도라고한다. 사람의유전연구방법 - 가계, 통계조사, 쌍생아조사. 유전자가 X 염색체위에있어서성에따라형질이표현되는비율이달라지는유전을반성유전이라고한다. Y 염색체에존재하는유전자에의한형질은한쪽성에만나타나는데이러한유전을한성유전이라고한다. 돌연변이에는유전자돌연변이와염색체돌연변이가있다. 146 심화생명과학

1. 멘델이교배한결과나온자손의형질을통해서부모의유전형질을추정한 논술및토의 방법에대해서설명해보시오. 2. 유전자설은멘델의유전원리를지지할수도있고반박할수도있다. 어떤 측면에서멘델의유전원리를지지하며, 어떤측면에서멘델의유전원리를 반박하는지설명해보시오. 3. 사람의유전에영향을미치는두가지요소로유전자와환경요소가있다. 각 각의중요성에대해서설명하고사람의유전에어떤영향을주는지설명해 보시오. Ⅲ. 유전과유전공학 147

2. 유전공학 01. 무균조작 02. 순수배양기술 03. 세균의염색법 04. 미생물의생장곡선구하기 05. 플라스미드분리와절단 06. DNA 절단및전기영동 07. DNA 지문법 08. 대장균형질전환 09. PCR을이용한 DNA 증폭 10. 단백질분석 유전자를활용하여인간에게유용한물질을대량생산할수있는생명공학은 21세기를새로운세상으로만들어가고있다. 식량, 자원, 물, 환경같은인류가직면하고있는다양한문제를해결할한방책으로재조합 DNA 기술을활용한클로닝에기반한생명공학은크게각광받고있다. 이장에서는유전공학기술의기초가되는무균조작기술이나순수배양과같은기초미생물실험부터유전자클로닝까지의과정을알아보자.

01 무균조작 학 습 목 표무균조작의중요성을인식하고무균조작방법을안다. 작업공간을소독하는방법과그한계를안다. 백금이를이용하여필요한배지에균을접종할수있다. 미생물은우리주변어디에나존재한다. 공기중의먼지에도엄청난수의미생물이존재하며, 말할때입속에서도침과함께많은수의세균이바깥으로나온다. 레이우엔훅은전지구상의사람의수보다사람의치아의치석속미생물수가더많을것이라고이야기했을정도이다. 따라서미생물을다루는실험을할때는실험의정확도를높이고다른미생물의오염을막기위해하는조작이중요하다. 또한나와내주변의안전을위해서도무균조작은필요 하다. 만약몸에상처가있어미생물이인체내로침투하게하거나몸의일부에위험한미생물을묻혀실험실밖으로나온다면나와내주변의건강에큰영향을미칠수도있다. 이런이유로올바른미생물실험을위해서는세균을다루는실험에사용할재료나도구들은그성질에따라적절히멸균되어야할것이며, 미생물을다루는공간이나실험자의손과같은오염원도실험과정에 레이우엔훅 (Leeuwenhoek, A. V.; 1632~1723) 현미경을제작하여미생물을관찰하고묘사하였다. 미생물학의아버지라불린다. 서소독되어야한다. 토론하기 소독과멸균은다른용어이다. 일상적으로쓰이는두용어의차이는어떤것이있을지친구들과토론해보고자신의생각을정리해보시오. 가장확실하게시료를무균조작하는방법은클린벤치나무균실에서실험하는방법이다. 그러나이런것이없어도실험대를잘소독하고알코올램프를장치하여일부의공간에오염된공기가들어오지않게한다음깨끗이손을씻고알코올로소독한후멸균한실험기구를사용하여미생물을다룬다면충분히무균조작이가능하다. Ⅲ. 유전과유전공학 149

무균조작기술을이용하여미생물을배양해보자. 무균조작하여액체배지에배양한미생물을액체배지로접종해보고또고체배지에옮겨도말하거나균주를보관하기위해고체배지에서콜로니를분리하여사면배지로옮기는작업을시도해보자. 이과정에서다른미생물이오염되지않도록멸균조작에특별히유의하여야한다. < 그림 Ⅲ- 22> 고온가압멸균기배지를멸균할때쓰며 121 에서 15 lb/inch 2 압력으로 15 분정도유지하여포자까지멸균한다. 탐구활동 무균조작기술 세균이나미생물을연구하기위해서는이들미생물을오염시키지않아야한다. 어떻게하면세균을오염시키지않고키울수있을까? 준비물 재료 : 액체배양대장균균주, 멸균된액체배양배지, 접종용백금이, 알코올램프, 소독약, 종이타월, 유성펜, 페트리접시, 시험관대, 한천사면배지에서배양된대장균균주, 세균콜로니가접종된영양한천배지 방법및절차준비1) 사면배지만들기 (1) 500 ml 플라스크에 250 ml 정도의배지를넣고여기에 1.5~2% 정도가되도록아가를넣고열을가해녹인다. (2) 배지가담긴플라스크를고온가압멸균한다. (3) 멸균이끝난배지를 65 식힌후플라스크입구주변을불꽃으로멸균한다. 150 심화생명과학

(4) 멸균된시험관에플라스크의배지를적당량부은후 35~45 기울여굳힌다. (5) 사면배지가굳으면배양기에넣고 1일정도보관한후수분량을조절한후사용한다. 준비2) 평판배지만들기 (1) 준비과정은사면배지만드는법과동일하다. (2) 멸균된페트리접시에배지를적당량부어담고평편한곳으로옮겨굳힌다. (3) 굳으면배양기속에뒤집어하루정도보관하며수분량을조절한후사용한다. 실험 1) 액체배양균주를다른액체배지에접종하기 (1) 종이타월을이용하여소독약으로실험대의표면을문질러닦는다. (2) 유성펜으로멸균된액체영양배지시험관에균주명과접종일, 배지명, 실험자의이름을적는다. (3) 알코올램프의불꽃위에서접종용백금이를빨갛게달궈질때까지잡고소독을한다. 백금이전체가가열되어야한다. (4) 백금이를잡은반대편손으로시험관을가볍게흔들어균주배양액이잘섞이도록한다. (5) 백금이를잡고있는손의다섯번째손가락으로시험관의마개를연후잡고있는다. 시험관입구를불꽃에소독한다. (6) 백금이를배양액에집어넣고배양액이묻은백금이를꺼낸후시험관의입구를다시불꽃에소독하고시험관의마개를닫는다. 배양시험관을시험관대에꽂는다. (7) 멸균된액체영양배지시험관을손으로잡은후반대편손의다섯번째손가락 ( 소지 ) 으로마개를열어이시험관의입구를불꽃소독한다. (8) 백금이를멸균된액체배지에넣어접종한다. 이때백금이를시험관에넣었다뺐다를반복하여잘접종되도록한다. (9) 시험관으로부터백금이를뺀후시험관입구를다시불꽃에소독하고마개를닫는다. (10) 백금이를불꽃으로멸균한다. (11) 접종한배지를 37 에서 1~2일배양한다. < 그림 Ⅲ- 23> 시험관에균주명, 접종일, 배지명, 실험자를적는다. < 그림 Ⅲ- 24> 백금이소독 < 그림 Ⅲ- 25> 시험관입구불꽃소독 Ⅲ. 유전과유전공학 151

창의력키우기가게에서생막걸리한병을사자. 막걸리에들어있는효모를접종하여키워보자. 효모를키우는배지는어떤배지여야할까? 효모는어떤방식으로접종할수있을까? 실험2) 사면배지로부터사면배지로옮겨접종 (1) 주변을소독하고접종할영양한천사면배지를준비하여중요정보를적는다. (2) 접종용백금이를가열한후백금이를잡은반대편손으로대장균이배양된사면배지시험관을잡아백금이를잡고있는손의작은손가락으로시험관의마개를열은후잡는다. (3) 시험관의입구를불꽃으로소독하고식은접종용백금이를시험관에넣고, 백금이에배양균주를약간묻힌후시험관으로부터백금이를뺀다. (4) 시험관의입구를불꽃소독하고손에화상이입지않게조심하여시험관의마개를닫아시험관대에꽂는다. (5) 멸균된영양한천사면배지시험관을비어있는손으로잡은후반대편손의소지로마개를열어이시험관의입구를불꽃에소독한다. (6) 백금이를사면배지표면에부드럽게아래위로움직이며접종한다. 한천표면에접종시뱀처럼구불구불하게혹은지그재그형태로한천이찢어지지않게백금이를움직인다. (7) 시험관으로부터백금이를뺀후시험관입구를다시불꽃에소독하고마개를닫은후시험관대에꽂는다. 백금이도멸균한다. (8) 접종된한천사면배지는 30 에서 1~2일배양한다. 실험3) 한천평판배지로부터사면배지로접종 (1) 작업공간을소독하고멸균된영양한천사면배지에날짜와균주명, 실험자명, 배지종류등의기초정보를적는다. (2) 멸균된백금이로콜로니를묻힐수있을정도로만페트리접시의뚜껑을살짝들어연다. 백금이로미생물콜로니를묻힐때한천표면에깊게찌르지말고, 뚜껑또한완전히열어배지표면이공기에노출되지않게한다. 콜로니를백금이에묻힌후에는즉시뚜껑을닫는다. 152 심화생명과학

(3) 접종방법은실험 2 의뒤과정과동일하다. 결과및논의 (1) 접종은모두성공하였는가? 그증거는무엇인가? (2) 미생물배양을할때무균조작방법사용이필수적인까닭은무엇일까? (3) 한천평판배지의뚜껑이아니라바닥에정보를기록하는까닭은무엇일까? (4) 한천평판배지를뒤집어서배양하는까닭은무엇일까? (5) 소독약은어떤미생물에는효과가있으나또한어떤종류의미생물에는효과적이지않다. 왜그럴까? (6) 이번실험에쓰인무균조작기술을정리해보자. 무균조작기술은배양물을접종하거나취급할때배양액에다른오염미생물이들어가지않게하거나취급하는생물이취급하는사람이나주변의다른사람에게오염되지않게하는방법을말한다. 이를위해서는실험기구나재료의멸균이필요하며작업하는실험자나미생물을다루는작업공간의소독이필요하다. 일반적으로이용되고있는멸균방법에는고압멸균법, 여과법, 가스멸균법, 소각멸균법등이있다. 이들중고압멸균법은높은증기압에서물을끓여수온을 120 로올림으로써액체속에존재하는미생물들을죽이는방법이다. 여과법은세균이통과하지못하는 0.45 μm의여과지를이용하여멸균하는방법이며, 가스멸균법은독성가스나방사선조사와같은방법으로멸균하는방법을말한다. 소각방법은불이나고온의건조오븐을이용하여멸균하는방법이다. 이러한재료나도구의멸균이외에도실험에사용되는기구나실험자의손과같은오염원도소독해야한다. 멸균할수없는실험대의표면이나사람의손은깨끗이한후 70% 에탄올이나소독약등을이용하여소독할수있다. 또한소독으로만그칠것이아니라실험하는중실험기구를향해기침을하거나말을삼가하여가능하면오염의가능성을줄이도록해야한다. Ⅲ. 유전과유전공학 153

02 순수배양기술 학 습 목 표여러미생물이혼합된시료나배양액으로부터단일콜로니를순수분리할수있다. 순수분리된미생물을계대배양할수있다. 도말평판법과주입평판법, 획선평판법의장단점을비교하여설명할수있다. 자연상태에서미생물은여러종이섞여복잡한군집형태로자란다. 그러므로시료를자연으로부터채취하여배양하면여러종이섞인혼합종이자라게될것이다. 혼합배양을통해미생물들의관계나생태를연구할수도있지만어떤종의특성을연구하거나분자생물학방법으로원하는종을분리해실험하기위해서는순수배양이필요하다. 순수배양은단일세포에서자란유전적으로동일한세포집단으로키우는것을말하며, 고체배지에서단일세포가순수배양되어형성된세포집단을집락또는콜로니라고한다. 토론하기자연에서채취한시료로부터순수배양해서얻은미생물이있다. 이미생물이실험실에서보이는특성과자연상태에서보이는특성은똑같을까? 자신의생각을친구들과토론해보자. 혼합배양액에서세균을어떻게분리하여순수배양할수있을까? 순수배양한세균을빠르게얻기위해서는어떤방법이좋을까? 다음실험과정을통해알아보자. 탐구활동 순수배양기술 자연상태에서균이자랄때는다양한세균들이섞이게된다. 이런다양한세균들로부터한종류의세균을분리하여배양하는방법에는어떤것이있을까? 154 심화생명과학

준비물 재료 : 항원수저, 시험관대, 알코올램프, 비커, 백금이, 온도계, 유성펜, 영양한천배지, 멸균페트리접시, 균주, 3개의영양한천배지가들어있는시험관, 유리봉방법및절차 실험1) 획선평판법 (1) 실험대의표면과손을소독한다. (2) 멸균된페트리접시아래에기본적인정보를적는다. (3) 고온가압멸균된영양한천배지가들어있는시험관을 50 로식힌후멸균된페트리접시에붓고한천이골고루퍼지도록페트리접시를부드럽게돌려준다. (4) 한천배지가굳은후평판배지에사분면획선접종법, 혹은방사상획선접종법, 연속획선접종법중의한방법으로접종한다. (5) 접종한평판배지는뒤집어서 25 에서 1-2일간배양한다. 실험2) 주입평판법 (1) 3개의멸균된영양한천배지가들어있는시험관에유성펜으로 I, II, III이라고적고획선평판법에서사용했던방법과같이배지가들어있는시험관을 50 정도로식힌다. 전기전열판위의비커속에물을집어넣어녹인다. (2) 시험관안의배지가녹는동안 3장의플레이트바닥에 I, II, III이라고적는다. (3) 혼합균주를멸균된팁을이용하여 1 ml를취하여첫번째시험관에접종한다. (4) 첫번째시험관을섞은후멸균된팁을이용하여 1 ml를취하여두번째시험관에접종한다. 매번시험관은위쪽과아래쪽으로흔들거나양손바닥사이에서강하게굴려서잘섞는다. (5) 첫번째시험관을항온수조에넣는다. (6) 두번째시험관을충분히섞은후멸균된팁을이용하여 1 ml를취하여세번째시험관에접종하고두번째시험관은다시항온수조에넣는다. (7) 세번째시험관을잘섞은후입구를불꽃으로멸균하고내용물을플레이트 III에붓는다. (8) 마찬가지로시험관 I, II를각각플레이트 I, II에붓는다. (9) 배지가완전히굳은후뒤집어 25 에서 2일간배양한다. < 그림 Ⅲ- 26> 획선평판법 < 그림 Ⅲ- 27> 획선긋기 < 그림 Ⅲ- 28> 획선긋기순서 Ⅲ. 유전과유전공학 155

주의사항배지를굳게하는데사용하는아가는끓이면액체가되고약 42 이하에서는다시고체로굳게된다. 페트리접시에한천배지를붓기전에어느정도식히지않으면페트리접시뚜껑에물방울이맺히고이것이한천배지표면에떨어져자라고있는미생물을퍼지게만든다. 이런경우세균의순수분리가어렵다. 처음샘플 영양한천배지 1 ml 을취해서넣고부드럽게섞어준다. 아주많은콜로니 영양한천배지 조금많은콜로니 < 연속희석에의한주입평판법 > 영양한천배지 보다적은콜로니 도말평판법 실험3) 도말평판법 (1) 한천영양배지에접종한균주의이름을적는다. (2) 95% 에탄올이담겨있는비커에유리봉을담근다. 이때유리봉의구부러진부분이충분히잠기도록한다. < 그림 Ⅲ- 29> 유리봉을에탄올에담금 (3) 불꽃으로살균한백금이를공기중에서 10-15 초간식힌다음서너차 례 S. marcescens 배양액을떠서한천영양배지의중앙에떨군다. 멸 균된피펫팁을이용하여 50~100 nm 정도배양액을취할수도있다. (4) 백금이를불꽃으로살균하여내려놓고배지의뚜껑을덮는다. (5) 비커로부터유리봉을꺼내어불꽃을통과시킨다. 이때배지에닿을유리봉부분이아래로향하게한다. 불꽃을통과한유리봉을 10-15초간식힌후배지표면에대고주입된배양액이배지표면에골고루퍼지도록가볍게밀고당긴다. < 그림 Ⅲ- 30> 유리봉소독 (6) 도말이끝나면배지뚜껑을덮고유리봉을비커에담는다. (7) Micrococcus luteus 배양액과 S. marcescens 와 M. luteus 가섞인배 양액을떠서 3~6 과정을반복한다. (8) 도말이끝난평판배지를뒤집어서 2 일간 25 에서배양한다. < 그림 Ⅲ- 31> 배양액떨굼 실험4) 계대배양기술순수배양균주의계대배양방법은페트리접시로부터분리한콜로니를영양액체배양액혹은영양한천사면배지에연속하여옮기는것이다. (1) 각각의시험관에 M. luteus, S. marcescens라고적는다. (2) 도말된평판배지의잘분리된 S. marcescens 콜로니를선정하여접종 < 그림 Ⅲ- 32> 배양액펼침 용백금이로적힌배양액이들어있는시험관에접종한다. (3) 노란색 / 크림색색깔의콜로니를위와같은방법으로 M. luteus 라고 156 심화생명과학

적힌배양액이들어있는시험관에접종한다. (4) 시험관을 25 에서 2 일간배양한다. 창의력키우기 생막걸리에들어있는효모의한콜로니를얻으려한다면어떤방법으로하는것이좋을까? 결과및논의 (1) 콜로니내의미생물생장은모두똑같은가? 만약다르다면콜로니의형태가어떻게다른지묘사하고무엇이이러한차이를만드는지생각해보자. (2) 세균을순수배양할수있었는가? 순수배양여부를어떻게확인할수있을까? (3) 고체배지상에서세균의성장과관련하여 콜로니 를정의한다면? (4) 어떤순수배양기술을이용하든희석법이왜일반적인접근방법일까? (5) 획선평판법이주입평판법보다어떤점에서더좋을까? 미생물을가지고연구하기위해서는자연에서얻은시료로부터원하는종을순수분리하여그특성을연구할필요가있다. 일반적으로순수배양균주를얻는방법으로획선평판법과주입평판법이있다. 두가지방법모두시료의세균세포를하나의세포가분열하여단일콜로니가형성될수있도록희석하는과정이포함되어있다. 한세균으로부터유래하여동일한후손으로구성되어있다고가정할수있기때문에콜로니는후속세균연구에사용될수있다. 1) 획선평판법 멸균된백금이에분리하고자하는미생물시료를묻혀고체배지의한쪽에서시작하여점진적으로획선을긋는다. 첫번째부분에획선한다음백금이를멸균하고첫번째획선에서접종원을취해두번째부분에획선을긋는다. 동일한방법으로획선을그어나가면접종원이점차희석되어마지막획선부위는 Ⅲ. 유전과유전공학 157

한개의세포가존재한다. 이것이자라콜로니를형성하게된다. 이방법은재료와시간의경제적인측면에서가장좋다. 그러나이방법은재료와시간을아낄수있는좋은방법이다. 그러나이방법은연습이필요하며경험이많이요구된다. 적절하게획선접종한평판배지는모든미생물실험에유용하도록미생물은순수분리시킨다. 2) 주입평판법 원시료를여러번희석하여배양접시에붓는것으로미생물각각을분리된군체로형성할수있도록한다. 대부분의세균이나균류는아직굳지않은 45~50 의배지에서즉시사멸되지않으므로이방법이가능하다. 한천이굳으면각각의세포는그자리에고정되므로개별군체를형성한다. 이방법은획선평판법에비해숙련된기술을덜필요로한다. 그러나더많은영양배지, 시험관, 페트리접시등이필요하다는것은단점이다. 3) 도말평판법 미생물이포함된한방울의현탁액을고체배지위에떨어뜨리고멸균된유리막대로펼치는방법으로균체가충분히분리되기위해서는미리현탁액을희석시킬필요가있다. 읽을거리로버트코흐 (Robert Koch, 1843~1910) 는의학미생물의아버지로탄저병연구를통해질병유발과정에서세균의역할을직접적으로증명하였다. 그는결핵의원인이되는미생물이라면모든감염된숙주로부터발견되어야하고건강한사람에게는발견되지않아야한다고생각했다. 또한의심되는미생물을순수배양할수있어야하며이미생물을건강한숙주에투여했을때병에걸려야하고다시병에걸린숙주에게동일미생물이발견되어야한다는가정을하였고실험을통해결핵균이결핵의원인균임을밝혔다. 그가한가정을코흐의가정이라고하며현재도특정미생물이특정한질병의원인임을밝힐때기준으로사용하고있다. 생각해보기많은연구자들이코흐의가정을이용하여수많은질병의원인균을밝혔다. 코흐의가정은모든질병원인균을밝히는데유용할까? 만약예외가있다면어떤경우가있는지생각해보자. 158 심화생명과학

03 세균의염색과관찰 학 습 목 표미생물염색의필요성과원리를설명할수있다. 그람염색의원리와세균의동정에어떻게이용되고있는지설명할수있다. 미생물의균체는크기가미세하여투명하거나색깔이없기때문에살아있는상태로관찰하기는대단히어렵다. 따라서이들의형태와특징을관찰하기위해서는염색하여현미경으로관찰해야한다. 이러한염색시약을이용한관찰은세포의형태학적특성과세포구조를알아내는데도움을준다. 염색은세포성분중단백질이나핵산같은거대분자와염색액성분이정전기적인력에의해결합하여색을띠게되는원리를이용한다. 산성염색시약은색을띠는부분이음전하 < 그림 Ⅲ- 33> 사프라닌염색된세균 (X1000) 를띠므로세포내양전하를띤분자와결합하며, 염기성시약은색을나타내는부분이양전하를띠고이것이세포의음전하성분과강하게결합하여염색된다. 세균을염색하는데는한가지염색시약을사용하여염색하는단순염색과두가지염색시약을사용하는분별염색으로나눈다. 조사하기 현미경으로관찰할때염색과함께고정과정도중요하다. 고정과정이라는것은무엇을말하며왜필요한지조사해보자. 사람의입속에는어떤세균들이살고있을까? 사람의구강세포를메틸렌블루로염색하여관찰할경우간혹아주작은푸른색막대모양이관찰될때가있다. 이것이바로입속에살고있는세균이다. 세균을광학현미경으로형태적인특징을살려관찰하고, 또한미래의연구를위해장기보관하기위해서는어떤방법을사용할까? Ⅲ. 유전과유전공학 159

시료준비시주의사항표면에부착된시료가세척과정에서유실될우려가있으므로도말표본제작시세균에열을가해받침유리에세균을고정시킨다. 이과정은이어지는염색과정을위해서도필요하다. 세척시물에의해표면에부착된시료가씻겨나가지않도록하기위하여받침유리를뒤집어시료가없는면에물을물살이세지않게흘려보내면된다. 그리고거름종이로잔여수분을제거할때는닦아내지말고가볍게눌러수분을제거한다. 현미경관찰시주의사항미생물관찰시덮개유리를사용하지않으며, 고배율관찰시에는이멀젼오일을사용한다. 탐구활동 세균의염색과관찰크기가작은세균을맨눈으로관찰할수는없다. 현미경을사용하면세균을볼수있지만많은세균은색깔이없거나투명하여또한보기가어렵다. 세균을보려면어떻게할까? 준비물 재료 : 세균배양플레이트, 루프, 그람아이오딘액, 메틸렌블루, 크리스탈바이올렛, 사프라닌용액, 알코올램프, 플라스크 (250mL), 멸균한 2X YT 액체배지 50mL, 접종할대장균플레이트, 받침유리, 집게덮개유리, 현미경, 세척병, 95% 에탄올, 1회용살균플라스틱루프, 거름종이방법및절차실험1) 단순염색법을이용한입속의미생물관찰 (1) 살균된 1회용플라스틱루프로혓바닥, 치아와잇몸사이, 또는치아와치아사이등을가볍게긁어받침유리위에바른다. (2) 받침유리에물한방울을떨어뜨리고 1의루프에채취된미생물을얇게펴바른다. (3) 알코올램프를켜서도말한받침유리를불위에가볍게스치며말리어미생물을고정시킨다. (4) 메틸렌블루용액을떨어뜨리고 2 분간방치한다. (5) 과량의염료를행구고나서거름종이사이에받침유리를놓고거름 종이를가볍게눌러즉시빨아들이게한다. (6) 현미경위에염색된받침유리를놓고관찰한다. 슬라이드 100 오일 백금이로슬라이드에도말 열처리 메틸렌블루염색 염료헹굼수분제거 < 단순염색법 > 160 심화생명과학

실험2) 그람염색법을이용한입속의미생물관찰 (1) 멸균된 1회용플라스틱루프로혓바닥, 치아와잇몸사이, 또는치아와치아사이등을가볍게긁어받침유리위에바른다. (2) 받침유리에물한방울을떨어뜨리고 1의루프에채취된미생물을얇게펴바른다. (3) 알코올램프를켜서도말한받침유리를불위에가볍게스치며말리어미생물을고정시킨다. (4) 받침유리위에크리스털바이올렛을몇방울떨어뜨리고 30초 ~1분후물로씻어낸다. (5) 그람아이오딘용액몇방울을받침유리에떨어뜨리고 1분후물로헹군다. (6) 45 각도로받침유리를잡고약 10초간 95% 알코올로헹군다. 더이상의탈색을방지하기위해서즉시물로헹군다. (7) 사프라닌을받침유리에떨어뜨린후 30초 ~1분후물로헹군다. (8) 받침유리를거름종이로가볍게두드려닦은후현미경을이용하여관찰한다. 창의력키우기 생막걸리속에들어있는효모는어떻게관찰할수있을까? 세균의관찰과는어떻게다른가? 실제로현미경을이용하여관찰해보자. 결과및논의 (1) 단순염색과그람염색으로관찰한자신의입속미생물을그려보자. (2) 같은조의친구들결과와종합해보자. 각조원의입속에서발견된미생물들의모양에는어떤것들이있는지조별로모으고분류해보자. 또한분류의기준에대해서도토의해보자. (3) 박테리아의크기는얼마나될까? 크기를측정하기위해서는어떻게하면될까? Ⅲ. 유전과유전공학 161

(4) 자신의입속에서발견된미생물의외형및염색상태를보고어떤종류의박테리아인지알아보자. 충치를일으키는세균을발견할수있는가? (5) 미생물들이우리입속에서잘자랄수있는이유는무엇일까? (6) 미생물관찰시열고정을하는이유와열고정의단점은무엇일까? 또한화학적고정과는어떤점이다른지알아보자. (7) 세균세포들을염색하기위해메틸렌블루와같은염료를쓰는이유는무엇때문인가? 명시야현미경의분해거리는최대 0.2 nm로작은작은세균의크기와같아광학현미경으로살아있는세균을직접관찰할수도있다. 그러나세균의특징을보다자세히알고또관찰을용이하게하기위해보통염색의과정을거친다. 단순염색은받침유리위에도말된균체를한가지염색약으로염색하는방법으로세균의핵산물질과단백질물질이음전하를띠므로주로염기성염색시약을써염색한다. 염기성염색시약에는메틸렌블루, 크리스탈바이올렛, 카르볼푹신등이있고염색시간은염색시약에따라차이가있다. 음전하를띠는세포에산성염색시약, 에오신또는니그로신을사용하면세포는염색이되지않고배경이염색되어세포의형태를관찰할수있다. 배경을염색하므로이염색방법은열고정과화학약품처리를하지않아세균의원래모양을변화시키지않고그대로관찰할수있는장점을가지고있다. 또한이런염색방법은염기성염료로염색이잘되지않는나선균의관찰에주로사용된다. 그람염색은 1884년그람 (Gram, C.) 에의해완성된염색법으로이염색법에의해세균은크게그람양성균과그람음성균으로분류된다. 이염색법은세균에따라차이를보이는세포막과세포벽의특성에따라세균의염색이달리되는성질을이용한것이다. 그람양성세균의경우세포벽이한층의두꺼운펩티도글리칸층으로구성되어있으며, 음전하를띠는테이콘산등을함유하며그람염색에대해보라색을띤다. 그람음성균은세포벽이삼층구조로세포막, 얇은층의펩티도글리칸, 지질로구성되어있는외막으로 1차그람염색이에탄올에의해탈색된후이차염색인샤프라닌에의해염색되어핑크빛을띤다. 162 심화생명과학

지질다당체 세포벽 펩티도글리칸층 세포막 세포벽 외막펩티도글리칸층세포막 단백질 단백질 그람양성균 그람음성균 1 차염색 ( a ) 그람양성, 그람양성균은펩티도글리칸이풍부한두꺼운세포벽을지니고있어알코올로세척하여도세포질에들어간보라색염료가잘빠져나오지못한다. 따라서붉은색으로 2 차염색을하더라도보라색이그대로유지된다. 20 μm ( a ) 그람음성, 그람음성균은세포벽에는펩티도글리칸의양이적고짧은세포벽이세포막과외막사이에존재한다. 알코올에의해보라색이쉽게탈색되어 2 차염색약인붉은색으로염색된다. < 그림 Ⅲ- 34> 그람양성균, 그람음성균 그람염색은먼저열고정된박테리아세포를도말한후 1차염색시약인크리스탈바이올렛으로박테리아를염색하는것으로부터시작한다. 그다음크리스탈바이올렛을세포에강하게고정시키기위해아이오딘용액을사용하는데, 이용액은크리스탈바이올렛과결합하여불용성복합체인크리스탈바이올렛-아이오딘복합체를형성하여세포에더욱강하게고정된다. 특히그람양성균은세포벽의마그네슘-리보핵산이 CVI 복합체와결합하여 Mg-RNA-CVI 복합체를형성하는데이것은 CVI 복합체보다세포에더욱강하게결합한다. 여기에탈색제로지방용해와단백질탈수작용이있는 95% 에탄올을사용하면, 그람음성균은인지질로구성된외막이알콜에의해쉽게용해되고불용성복합체가쉽게탈색되는반면그람양성균은잘탈색되지않는다. 여기에샤프라닌으로재염색을하게되면그람양성균은보라색을유지하는반면탈색된그람음성균은샤프라닌에의해분홍색으로염색된다. 그람양성균에는대부분의구균과유포자간균이, 그람음성균에는대부분의간균이속해있다. 또다른분별염색인항산성염색법또는지얼-닐센법은지질함량이높아일반적인염료로염색되지않는결핵균이나나균을동정하는데많이사용한다. 1 차염색시약으로염기성시약인카르볼푹신을페놀과혼합하여처리한후받침유리를가열하여염색액이세균내부로들어갈수있게한다. 이후강력한탈색제인산성알코올을처리하면다른세균등은염색시약이쉽게제거되나항산성세균들은세포벽에지질을많이함유하여쉽게탈색되지않는다. 2차대조염색으로메틸렌블루를이용하면비항산성세균들이푸른색으로염색된다. 착색 탈색 대조염색 < 그림 Ⅲ- 35> 그람염색과정 조사하기 세균을염색하는데있어세균의세포벽의구성은큰영향을미친다. 세균의세포벽에대해조사하시오. Ⅲ. 유전과유전공학 163

04 미생물의생장 학 습 목 표분광광도계의사용법을안다. 세균의생장곡선을그릴수있다. 세균의성장과분열과정을이해한다. 시험관이나플라스크의액체배지에서배양하는미생물은새로운영양배지의첨가나노폐물의제거없이닫힌계에서자라게되므로예측가능한형태로증가하고사멸하는생장의형태를보인다. 이러한미생물의생장형태를그래프로나타낸것이미생물의생장곡선이며, 시간에따른미생물의수를로그값으로나타낸다. 미생물의생장단계는생장곡선을바탕으로네시기로구분한다. 영양물질의농도에따 증식의첫번째단계는유도기또는 른미생물의생장속도 지체기라고한다. 이시기는세포가새로운환경에서증식하는데필요한각종효소를생합성한다. 주로환경이바뀔때나타난다. 유도기에는세포의사멸과 균형이맞으므로세포수증가는나타나 < 그림 Ⅲ- 36> 미생물의생장곡선 지않지만세포의크기는증가한다. 영양물질의조성이같은배지로옮긴경우유도기는나타나지않는다. 다음단계는대수증식기이다. 이시기동안미생물은최대속도로증식하고분열한다. 세균의경우세대시간이라불리는일정한시간간격에따라배로증가한다. 이시기개체군은생화학적으로최적의상태를보이므로대부분의연구들은이대수증식기동안행해진다. 영양물질의농도가증가하면미생물의생장속도도증가하지만영양물질의농도가일정이상이되면미생물의생장속도도일정해지는형태를띤다. 이것은세포막에존재하는운반체가포화되기때문이다. 이기간이후에미생물개체군은정지기로들어간다. 이기간에는새롭게분 164 심화생명과학

열하여생성된세포수와사멸하는세포수가같아균형을이룬시기이다. 세균은이시기에내생포자를형성하거나다른변화를통해외부의물리적 화학적처리에대해내성을갖추게된다. 이시기세균은기아단백질을형성하여자신을외부로부터지킬수있게된다. 정지기는영양소의소모와노폐물의증가로일어난다. 개체군생장의마지막단계는사멸기이다. 이기간동안미생물들은급속히사멸하며대수증가기와마찬가지로개체군의크기는대수적으로감소된다. 만약미생물이 Bacillus 또는 Clostridium 종이면영양세포들은포자로전환되어정지기는여러달혹은수년연장될수있지만많은종에있어서특정한미생물집단의역사는마지막세포사멸로끝난다. 토론하기냉장고에보관하고있던박테리아와왕성하게생장하고있는같은종류의박테리아를새로운배지에접종했을때두개체군의생장속도는같을까? 만약차이가있다면왜차이가나는지토론해보자. 탐구활동 미생물의생장곡선구하기 준비물 재료 : 균주, LʼEsherichia coli 배양액 (6시간이상배양 ), LB 영양배지, LB 한천배지, 분광광도계, 멸균된피펫, 멸균시험관, 멸균증류수, 배양기방법및절차 (1) 멸균된상태의배지 100 ml에대장균배양액 1 ml을접종하여키운다.(37, 200 rpm). (2) 접종후 4시간동안 0 time을포함하여 4시간동안시료를무균조작 주의사항 1. 시간별로시료를채취할때반드시무균조작을하고, 채취가끝난배지는바로배양기에넣어시간을지체하지않도록한다. 2. 분광광도계를사용할때는미리 10분전에예열을해야하며반드시멸균된동일배지로영점조정을한후사용한다. 방법으로채취하여다음과같이흡광도측정및콜로니계수법을수행한다. 1 시간별로시료를채취하여흡광도 ( 파장은 595 nm 또는 600 nm) 를측정한다. 0 time에서의 O.D.600은 0.08~0.1로부터출발하는것이적당하다. 배양시간에따른흡광도의변화를그래프용지 Ⅲ. 유전과유전공학 165

를사용하여그려보고이로부터대수기에서의세대시간을간접적으로구해본다. 세대시간은흡광도의변화가 2배가될때까지걸리는시간이다. 2 시간별로시료약 1 ml을채취하여멸균된증류수로 10-5, 10-7 및 10-9 로희석한다. 희석된시료 100 μl씩을미리준비한 LB평판배지에접종한후에 37 배양기에서하룻밤배양한다. 다음날자란콜로니숫자를세어시료 1 ml당세균수를배양시간별로구한다.( 세종류의희석배수중에서콜로니숫자가너무많아서셀수없거나또는너무적은경우에는제외한다.) 창의력키우기 막걸리에서순수분리한효모를접종하여생장곡선을그려보자. 효모의생장곡선은세균의생장곡선과어떤점에서차이가있는가? 결과및논의 (1) 배양시간에따른세균수의변화를세미로그그래프용지를사용하여그려보고세대시간 (GT) 을구해보자 GT = log2 t = log2 t logn t -logn 0 loga-logb 단, B = 대수생장기에서한시점에서의세균수 A = 대수생장기에서다른시점에서의세균수 t = A, B 두시점사이의시간 (2) 계수법으로측정한콜로니의수 희석 분 0 30 60 90 120 150 180 210 240 10-5 10-7 10-9 166 심화생명과학

(3) 흡광도측정및콜로니계수법의두가지방법으로구한세대시간을비교해보고또대수기에서의흡광도와균체수와의상관관계가어떻게되는지알아보자. (4) O. D. 600 nm 에서흡광도를측정하는까닭은무엇때문인가? (5) 각시간별특정희석배수에서시료 1 ml 당세균수는구하는식을세워보자. 미생물집단은매세대마다두배씩증가하므로미생물의세대수 (n) 에따라 미생물수는 2 n 으로증가한다. 따라서초기집단의크기를 N 0 라고하고, t 시간 후집단의크기를 N t 라고한다면, N t 는 N 0 2 n 으로나타낼수있다. 이를세대 수 (n) 로나타내면 n = logn t-logn 0 log2 과같다. 액체배지에서배양할때대수증식기의생장률 (growth rate = k) 은시간에따른세대수로보통한시간동안의세대수로나타낼수있으며, 세대시간 (generation time=gt) 은미생물집단의규모가두배로증가하는데걸리는시간임으로 GT는생장률의역수임을알수있다. 따라서처음시작점에서세균의수 (N 0 ) 와일정시간 (t) 경과후세균의수 (N t ) 를안다면세대시간 (GT) 은다음과같이구할수있다. GT = 1 k = 1 n log2 t logn t -logn 0 조사하기미생물의증식은화학적물리적환경에크게영향받을수있다. 미생물의증식에영향을미치는화학적물리적요인을알아보고이들요인이어떻게영향을미치는지조사해보자. Ⅲ. 유전과유전공학 167

05 플라스미드의분리및절단 학 습 목 표대장균으로부터플라스미스 DNA를분리할수있다. 플라스미드 DNA의특성을설명할수있다. 플라스미드의벡터로써가지는유용성을이해한다. 제한효소의기능과그특징을설명할수있다. 플라스미드와제한효소의중요성을말할수있다. 재조합 DNA 기술을이용하여우리가원하는 DNA를대량으로만들어내는것을 DNA 클로닝이라고한다. 유전자를활용하여인간에게유용한물질을대량생산할수있는 DNA 클로닝기술은생명과학이 DNA 클로닝기술을통해원하는 DNA를대량으로얻을수있게함으로써생명과학이비약적으로발전할수있는토대를마련하게하였다유전자클로닝실험은대량생산하고자하는 DNA 단편을얻어야한다. DNA 단편은보통제한효소를이용하여얻으며, 이를벡터라고불리는 DNA 운반체에삽입한다. 이 DNA 운반체로는대장균의경우플라스미드가널리쓰인다. 플라스미드는아래 < 그림 3-37> 에서처럼대장균속에들어있는주염색체이외의여분의조그마한동그라미염색체를말한다. 이플라스미드에원하는 DNA가끼어들어간재조합플라스미드를숙주세포인대장균에넣어주면대장균안에서플라스미드는복제되어자신과동일한다량의재조합플라스미드를만들어낸다. 또한대장균이분열할때재조합 DNA 분자는자손에게전달되며자손에서도복제가일어난다. 박테리아 DNA 플라스미드 < 그림 Ⅲ- 37> 세균의주 DNA 와플라스미드 168 심화생명과학

대장균배양 ( 항생제가들어있는액체배지 ) 대장균수확 ( 원심분리 ) 세포벽녹임 (SDS/NaOH) 단백질과세포찌거기의제거 ( 고농도의염 ) DNA 의세척 ( 클로로포름 ) DNA 침전 ( 에탄올 ) < 그림 Ⅲ- 38> 플라스미드를얻는과정 DNA의운반체로쓰이는플라스미드는세균내에서자신의염색체 DNA 와관계없이스스로복제할수있는환형의작은 DNA이다. 이환형의작은 DNA에는복제시작점이있고엠피실린과같은항생물질에저항하는표지유전자, 외부 DNA를끼워넣을수있다. 또한제한효소가작용하는염기서열이있어외부 DNA를끼워넣을수있다. 유전자클로닝의핵심적인역할을하는플라스미드는 < 그림 Ⅲ- 38> 에있는것과같이몇단계를거쳐서얻을수있다. 먼저항생제가들어있는액체배지에서플라스미드가들어있는대장균을배양한후이를원심분리로수확한다. 수확한대장균의세포벽을녹여서대장균을터트린후단백질과세포찌꺼기를제거하고 DNA를얻어씻은후에탄올로처리하여플라스미드 DNA를얻을수있다. 플라스미드에원하는 DNA를넣어주기위해서는플라스미드를절단해야한다. 플라스미드를절단하는데쓰이는효소는제한효소라고불린다. 제한효소는 DNA의특정염기서열을인지하여특정부위를자르는효소이다. 원래제한효소는박테리아가외부에서침입한바이러스 DNA를잘라자신을방어하기위한목적으로만들어내는것이다. 이제한효소를이용하여 DNA를자르고외부 DNA를끼워넣는재조합이가능하게되었다. 제한효소의발견은 DNA조작의계기가될수있었다. 제한효소의이름은추출한미생물의종, 속명을따서 EcoRI, BamHI, HindIII 등으로부른다. 제한효소로자르게되면두가닥의 DNA가엇갈려서잘려지게되어서로상보성있는한가닥의 DNA가노출된다. 이상태를이용하여같은효소를잘린 DNA조각을연결하여 DNA 클로닝 Ⅲ. 유전과유전공학 169

이가능하게되는것이다. 여기에서는대장균에서플라스미드 DNA를얻어여기에식물체의 DNA를넣어재조합 DNA를만들고, 재조합 DNA를대장균에다시넣어주는일련의실험과정을알아보자. 탐구활동 플라스미드 DNA 분리및절단 GET buffer 50mM glucose, 25mM Tris-cl (ph 8), 10mM EDTA(pH 8) 2X YT 배지효모추출물 1g, 박토트립톤 1.6g, NaCl 0.5g을증류수 100mL에녹임 K-acetate 용액 5M potassium acetate 60mL, glycial acetic acid 11.5mL, H2O 28.5mL 준비물 소형원심분리기, 피펫맨 ( 용량 200 μl, 20 μl ), 항온기, 교반기, 볼텍스, 1.5 ml 튜브, 팁, 피펫, GET용액, K-acetate 용액, 10% SDS, 1M NaOH, TE 용액, 2X YT 배지, 클로로포름 / 아이소아밀알콜 (Chloroform/Isoamylalcohol)=50/1 용액, 엠피실린용액 (50 mg/ml) 여러제한효소와그완충용액방법및절차 A. 플라스미드의분리 (1) 2X YT 배지에엠피실린을 100 μg /ml 되게넣은후대장균을접종하여하룻밤배양한다. (37, 200 rpm) - 전날준비한다. (2) 1.5 ml 튜브에배양액을가득붓고 30초간 1200 rpm에서원심분리한다. (3) 배양액을따라버리고휴지에뒤집어놓아둠으로흐르는남은물기를제거한후 GET 용액을 150 μl넣고박테리아덩어리가완전히풀어지도록강하게볼텍스한다. (4) 0.2N NaOH/1% SDS 용액을 200 μl넣고손으로가볍게위아래로 3-4번흔들어준다. 배양액이맑아지는것을확인한다. 이때 0.2N NaOH/1% SDS 용액은사용직전새로만들어사용하여야하며그방법은 10% SDS : 1N NaOH : 멸균수 =1 : 2 : 7의비율로섞어희석하면된다. (5) 냉장실에보관한차가운 K-acetate용액을 150 μl넣고손으로세게흔들며하얀침전물이생기는것을확인한다. (6) 12,000 rpm에서 10분간원심분리한다. (7) 상충액을건더기가함께들어가지않도록주의하며새튜브에가만히따라옮긴다. 170 심화생명과학

(8) 손에묻지않게조심하고화기에닿지않도록유의하며상충액과동량 ( 약 400 μl ) 의클로로포름 / 아이소아밀알콜을넣고강하게 30초간볼텍스한다. (9) 3-5분간 12,000 rpm에서원심분리한다. (10) 클로로포름층을팁이건드리지않도록주의하여상층액을팁을이용하여새튜브로옮기고, 옮긴용액 2배부피의에탄올을넣고섞는다. 만일중간층에하얀단백질층이보이면없어질때까지 9번의과정을반복한다. (11) 10분간 12,000 rpm에서원심분리하고에탄올을버리고하얀침전물을전조시킨다. (12) 튜브에 20 μl TE용액을넣고 DNA를녹인다. B. 제한효소를이용한플라스미드 DNA 자르기 (1) 자르고자하는 DNA용액 (5 μl ), 완충용액 (2 μl ), 제한효소 (0.5 μl ), 멸균기 (X μl =12.5, X=20-7.5) 를섞어총 20 μl되게한다. ( 이때 DNA 용액에대한대조군도같이반응시킨다 ) (2) 37 항온기에서 2시간이상반응시킨다. 만약 DNA량이많거나깨끗하지못하여잘잘리지않으면하룻밤반응시킨다. 결과및논의 (1) 실험과정중플라스미드 DNA가대장균의 DNA, 단백질, 세포찌꺼기등과분리되는단계와그원리를생각해보자. (2) 위실험단계중플라스미드회수양에영향을가장크게주는단계를논의해보고실험상주의해야할단계들을이야기해보자. (3) 플라스미드 DNA를이용하여제한효소로잘랐는데 DNA가깨끗하지못해잘리지가않는다. 어느단계를다시반복해야할까? (4) 제한효소를이용하여 DNA를자를때, 완충용액에대한대조군을생각하여실험설계를해보자. 그리고그결과를예측해보자. (5) 원심분리기를사용할때는샘플을대칭으로꽂아야하며무게를비슷하게하여원심분리해야한다. 그이유를생각해보자. Ⅲ. 유전과유전공학 171

(6) 유전공학에서제한효소발견의중요성과플라스미드를벡터로써사용할때의이점을토론해보자. DNA 분자가유전자클로닝의운반체역할을하기위해서는몇가지조건을충족해야한다. 첫째숙주세포내에서복제가가능해야하며, 둘째정제하고다루는데편리하기위해서는비교적크기가작아야하며, 셋째항생제저항성유전자와같은표지유전자를가지고있어야하고제한효소절단부위를가지고있어야한다. 이러한기준을만족시키는 DNA 운반체가대표적으로플라스미드이다. 플라스미드는원형의 DNA 분자로복제시작점을갖고있어숙주세포내에서세균염색체와는독립적으로복제가능하며종종앰피실린과같은항생제에대한저항성유전자를갖고있다. 이런저항성유전자를갖고있기에실험실에서우리가원하는유전자를갖고있는플라스미드가세균속으로들어갔는지를확인하는데매우유용하다. 작은플라스미드는숙주세포의 DNA를이용하여사본을만들지만큰플라스미드는플라스미드복제에필요한특별한효소유전자를지니고있기도하다. 플라스미드중어떤것은박테리아염색체내로자신을삽입하여복제할수있다. 이러한삽입플라스미드혹은에피솜 (episome) 은수많은세포분열후에도이런형태로유지되지만어떤단계에서는독립적인요소처럼존재한다. 크로닝운반체로는 10 kb 이하가좋은데, 플라스미드크기는최소 1.0 kb에서 250 kb까지다양하다. 사본수는주로하나의세균에서발견되는개개의플라스미드분자의수이다. 사본수를조정하는인자는잘알려져있지않지만큰분자는 1분자정도로적으며어떤것은사본이 50개이상인플라스미드도있다. 보통은다량의사본체가세포에존재하는것이좋은클로닝운반체이다. 어떤플라스미드는특이한대사기능을수행하도록하는유전자를가지고있는경우도있다. 가령석유누출지에는특이한많은탄화수소가있는데어떤세균은이들분자를탄소원으로사용해살아간다. 이탄화수소를분해하는데관련된효소를암호화하는유전자가플라스미드에존재한다. 172 심화생명과학

조사하기 1. 원하는 DNA를얻는방법을조사해보자. 클로닝하기위해필요한 DNA를식물혹은동물로부터얻으려고할때의과정을알아보고, 실제로플라스미드 DNA를얻는것처럼재조합 DNA를만들기위해원하는 DNA를얻는방법을조사해보자. 2. 재조합플라스미드를만드는법을조사해보자. 재조합플라스미드를만들기위해서는어떤효소가필요한가? 읽을거리유전자재조합은누구의아이디어로부터시작했을까? 1972년허버트보이어는제한효소에관한내용을하와이에서열린학회에서발표하였다. 이당시플라스미드에대한내용도같이발표되었는데여기에아이디어를얻은 27 세의벤처투자가인밥스완슨은보이어를설득하여 1976년제넨텍이라는회사를설립하였다. 이들의목표는유전자재조합을이용하여인슐린을대량으로생산하는것이었다. 여러번의어려움끝에성공적으로기술이개발되었다. 당시굴지의제약회사인릴리사가인슐린사업을독점하고있었는데유전자재조합의응용으로인슐린을쉽게얻을수있자제넨텍을인수하였다. 1980년인수소식에제넨텍의주식은상한가를기록하였고스완슨과보이어는백만장자가될수있었다. 1980년 3,500만달러규모였던이회사는현재 170억달러의자본금에 22억달러매출을올리는거대회사로성장했다. 2006년창립 30주년을맞이하여제넨택 (Genentech) 사는 1904년유전공학이미국에서처음으로시작된콜드스프링하버연구소의카네기건물에분자생물학및바이오테크놀로지센터설립을위해 250만달러의기부금을출연했다. 이곳에는노벨상수상자인제임스왓슨, 시드니브레너, 바바라맥클린톡그리고헤르만뮐러등의분자생물학혁명의기록들을소장하고있다. 최초의바이오회사인제넨택사는새로운산업혁명의길을열었고오늘날바이오테크놀로지는의학혁명과심각하게생명을위협하는질병을가진수백만명을치료할수있는 < 그림 Ⅲ- 38> 제넨텍사의로고치료법을제공하고있다. Ⅲ. 유전과유전공학 173

06 DNA 절단및전기영동 학 습 목 표생명공학도구로써제한효소가어떻게사용되는지알수있다. 겔전기영동의원리와사용법을알수있다. 아가로스젤전기영동결과로부터 DNA 조각의크기를알아낼수있다. GTGCTAC... 어휴, 30 억개를언제다읽지? 박테리아는바이러스나박테리오파아지등의외부에서유래한 DNA에대해자신을보호하기위해이를절단하는효소를가지고있는데이를제한효소라고부른다. 박테리아는진화의과정에서생존과관련하여제한효소를가지게되었지만유전공학에여기를잘라서저기에다붙여야지. 서는없어서는안될아주중요한물질이되었다. 제한효소의이름은분리한원핵생물의속명첫글자 ( 대문자 ) 에종명의처음두글자 ( 소문자 ) 그리고균주명과분리된순서에따라이름을붙인다. 예를들어 EcoRI은 Escherichia coli의 R 균주에서첫번째로분리된제한효소를의미한다. 세포제한효소는핵산의특정염기서열만을인식하여절단하므로 < 그림 Ⅲ- 39> 제한효소 DNA의유전자재조합실험은이를사용하여이루어지게된다. 제한효소에의해만들어지는새로운 DNA의말단을엇갈려절단되면점착성말단이라고하며, 정확히제한자리의중앙을절단하게되면평활말단이라고부른다. 점착성말단이만들어질경우재조합하려는 DNA조각도같은제한효소를사용해절단해야말단들사이에상보적인염기쌍사이에수소결합이형성된다. 여기에 DNA 연결효소를넣으면절단된 DNA가다시연결될수있다. 반면평활말단을가지는경우제한효소에관계없이연결될수있으나절단된말단사이의염기들에의한수소결합이없기때문에 DNA 연결효소에의해연결될확률은낮다. 토론하기 DNA를절단하고다시재조합시킬때점착성말단을만드는제한효소와평활말단을만드는제한효소들을각각이용했을때의장점, 단점에대해서토론해보자. 174 심화생명과학

DNA 가제한효소에절단되었다는것을어떻게알수있을까? 다음실험을 통해 λ 바이러스의 DNA 를제한효소로절단해보고이를전기영동을통해확인 제한효소 EcoRI 해보자. 탐구활동 제한효소와 λdna 의분석 HindIII 제한효소는 DNA를자르는효소이다. 제한효소로 DNA를절단했을때실제로그 DNA 가잘라졌는지그렇치않은지는어떻게확인할수있을까? 준비물 PstI 제한효소 ( HindⅢ, PstⅠ, EcoRⅠ), 제한효소 2X 완충용액, mdna, DNA 염색액 (Coomassie Brilliant Blue R 250), 아가로스, 전기영동장치, TAE 완충용액, 마이크로피펫 (2-20 μl, 20-200 μl ), 피펫팁, 유성펜, 전 원장치, 자, 실험실용테이프, 6X 로딩염색액, 표준분자량 DNA 용액방법및절차실험1) 람다 DNA의절단 (1) 람다 DNA와 2X 완충용액을꺼내얼음통에박는다. (2) 노란색, 보라색, 녹색, 오렌지색 1.5 ml 튜브뚜껑에 L, P, E, H라고적는다. 실험시유의사항 1. 실험시고글이나글로브를착용한다. 2. 실험전 후비누로손을씻는다. 3. 실험도중용액이눈에튀면물로깨끗이씻는다. 4. 실험시사용하는염색액은쉽게지워지지않으므로반드시비닐장갑을끼고실험복을입고실험에임한다. (3) 깨끗한팁을사용하여튜브에아래표에서와같이용액을각튜브에넣어준다. 튜브 λdna 완충용액 PstI EcoRI HindIII L 4 μl 6 μl P 4 μl 5 μl 1 μl E 4 μl 5 μl 1 μl H 4 μl 5 μl 1 μl (4) 튜브의끝을손가락으로가볍게튕겨서용액을섞어준다. (5) 튜브로책상위를가볍게두드려용액을모으거나탁상용원심분리기로 1-2초간짧게원심분리하여용액을모은다. (6) 37 에서 30분혹은상온에서밤새반응시킨다. (7) 반응후냉장고에보관하거나바로전기영동단계를진행한다. Ⅲ. 유전과유전공학 175

전기영동실험개요 Uncut Pstl EcoRl λdnasize λdna λdigest λdigest standard 각튜브에준비된 DNA시료를넣는다. 실험2) 전기영동수행하기 (1) 저울을이용하여 1 g의아가를준비하여 100 ml의 1X TAE 완충용액에녹인다. (2) 겔트레이를준비하고겔을붓기위해조립한다. < 그림 Ⅲ- 40> 젤트레이에겔붓기 로딩염색액을각시료에넣고전기영동웰에각시료를넣는다. (3) 전자레인지에서 3~4분아가를녹인후겔트레이틀에녹인겔을부어서굳힌다. (4) DNA를로딩하기위해전기영동장치를준비한다. (5) 굳은겔에서콤을빼고, 전기영동장치에장착한다. 로딩염색액의이동을관찰하며 DNA 시료를 100V에서 30분간전기영동한다. < 그림 Ⅲ- 41> 굳은겔에서콤제거하기, 전기영동장치장착 Fast Blast DNA 염색액으로겔을염색시키고관찰한다. 주의사항사용한염색액은재사용이가능하므로병에모아둔다. (6) 전기영동을위해 1X TAE 완충용액을약 275 ml 전기영동챔버에붓는다. (7) 각튜브에 2 μl의 6X 로딩염색액을넣고손가락으로살살튜브를치며섞고, 짧은시간 (1-2초) 간탁상용원심분리기로가볍게돌려서용액을모은다. (8) 표지 DNA는투명한튜브에준비한다. (9) DNA 시료를 65 에서 5분간처리한후얼음에박는다. (10) 아가로스겔의웰이 (-) 극쪽에위치하는지확인한다. (11) 아래표의순서대로 10 μl의시료를로딩한다. 레인 1 2 3 4 5 표지 M L P E H 시료 표지 DNA 자르지않은 λ DNA PstI 처리한 λ DNA EcoRI 처리한 λ DNA HindⅢ 처리한 λ DNA 176 심화생명과학

(12) 뚜껑을덮고전원장치에빨간색 (+) 은빨간색전선을, 검은색 (-) 은검은색전선을연결하고, 전원을켜고 100 V에서로딩염색액의이동을보면서약 30분정도전기영동한다. (13) 전기영동이끝나면전원을끄고겔접시로부터겔을꺼내염색접시에넣는다. 이때겔은깨지기쉽고미끄러우므로다룰때조심한다. (14) 겔을염색하여결과를확인한다. 100X Fast Blast Stain용액을 120 ml 염색접시에붓고살살흔들어주며 2분간염색한다. 염색액을제거한후겔을더큰씻기용용기에옮긴후 40~55 정도의물로 10초정도헹궈준다. 5분정도따뜻한물로살살흔들면서 3~4번정도더헹군다. (15) 결과를기록하고겔을말려서실험노트에붙인다. (Bp) 23.130 9.416 6.557 4.361 2.322 2.027 564 전기영동수행실험결과 결과및논의 (1) 전기영동한자료를다음표에기록하시오. 이때표지 DNA의이동거리와크기는비례하는가? 다른시료의 DNA 크기를예측하기위해서는어떤방법이좋을까를생각해보고그방법에따라다른시료의 DNA크기를예측하시오. 큰 조각부터 밴드 1 밴드 2 밴드 3 밴드 4 밴드 5 밴드 6 이동거리 (mm) 표지 DNA L P E H 실제염기쌍수 23,130 bp 9,416 bp 6,557 bp 4,361 bp 2,322 bp 2,027 bp 이동거리 (mm) 예측염기쌍수 이동거리 (mm) 예측염기쌍수 이동거리 (mm) 예측염기쌍수 이동거리 (mm) 예측염기쌍수 (2) DNA 전기영동시 DNA의이동속도에영향을미치는요인에는무엇이있는지조사해보시오. Ⅲ. 유전과유전공학 177

이실험에서는 DNA를제한효소로절단하여크기별로분리하는것이목표였다. DNA를크기별로분리하기위해서는겔전기영동의방법이쓰인다. 젤라틴판에 DNA를위치시키고전기장을걸어주면 (+) 쪽으로 DNA가이동하는데이는 DNA를구성하는당-인산축의바깥쪽이 (-) 전하를띠므로일어나는현상이다. 이때분자량이작을수록이동이빠르고큰조각일수록이동이느린데이는겔이분자를거르는체의역할을하기때문이다. 즉, 작은분자는겔구멍속을쉽게빠져나갈수있는반면큰분자는저항이커이동속도가느리기때문이다. 따라서전기영동한 DNA 분자의이동거리는크기에반비례하여분리되므로이동속도를비교하면 DNA의상대적크기를알수있다. 이번실험의재료로쓰인 DNA는 λ DNA로세균바이러스즉박테리오파지의 DNA이다. λ 바이러스는대장균을감염시키는파지를일컬으며, 단백질로이루어진캡시드와 DNA를유전물질로가지고있고, 그크기는약 48 Kb 정도이다. λ 바이러스는용균성과용원성주기를가지고있다. λ 바이러스의캡시드가숙주박테리아의세포에부착되면캡시드에의해 DNA가숙주세포로주입된다. λ DNA의초기유전자가발현되어 λ DNA가복제될수있는환경을만든후박테리아의시스템을사용하여자신의 DNA를빠르게복제한다. λ DNA 의후기유전자가발현되어캡시드를만들고박테리아의세포벽을파괴할수있는효소또한합성되어박테리아를파괴시키고 λ 바이러스가방출된다. 더알아보기 박테리아의생활사 - 용균성주기와용원성주기 용균성주기 용원성주기 < 그림 Ⅲ- 42> 박테리아의생활사 178 심화생명과학

07 DNA 지문법 (RFLP 분석 ) 학 습 목 표 DNA 지문법이무엇이며이것을통해무엇을분석할수있는지설명할수있다. DNA 전기영동의결과를비교분석하여범인의 DNA 지문을찾아낼수있다. DNA 지문법은 DNA가분리될때나타나는패턴을분석하는기법으로어떤개체도동일한 DNA를가질수없으므로이방법을통해개인을식별할수있게된다. DNA 지문을조사하기위해서먼저특정제한효소를이용하여 DNA를절단하고거기서나타나는제한절편의길이를비교하는데이를 RFLP분석라고한 RFLP ( 제한절편길이다형성, restriction fragment length polymorphism) DNA를제한효소로절단했을때잘라진 DNA 도막의길이가개인에따라다양하게나타나는현상. 다. 이방법으로특정지역의염기차이를확인할수있게된다. 조사하기 DNA 지문법이어떤분야에쓰이고있는지조사해보자. 범죄현장에범인의것으로추정되는머리카락을발견할수있었고그것으로부터 DNA를추출할수있었다. 현재용의자는 5명으로압축되었지만그들은사건당일알리바이가뚜렷하여체포하지못하고있는상황이다. 생명공학기술은이상황에서범인검거를위해어떤일을해줄수있을까? 탐구활동 DNA 지문법 지문처럼어떤개체도동일한 DNA를가질수없다. 이를이용하여개인을식별할수있다. 특정제한효소를이용하여 DNA를절단하고절단된 DNA를전기영동으로분석함으로써범죄현장에서범인을식별하는데이용할수있다. 준비물 제한효소 (EcoRⅠ, PstⅠ), 범인 DNA, 용의자 1~5의 DNA, 마이크로 Ⅲ. 유전과유전공학 179

피펫 (2~20 μl. 2~200 μl, 100~1000 μl ), 1.5 ml 튜브 ( 빨강, 파랑, 초록, 주황 ), 피펫팁, 전원장치, 플라스크 (500 ml), 증류수, 전자레인지혹은핫플레이트, 얼음과얼음통, 유성펜, 실험용테이프, 항온수조, 탁상용원심분리기 방법및절차 DNA 지문법실험개요 Crime scene suspects 1 2 3 4 5 DNA size standard 실험1) DNA 시료준비 (1) ENZ으로표기된제한효소혼합액을얼음위에놓는다. (2) 서로다른색깔로되어있는튜브에본인의이름, 날짜등을표기하여 랙에꽂아둔다. 튜브색 녹색 파란색 주황색 보라색 빨간색 노란색 추출 DNA 범죄현장 용의자1 용의자2 용의자3 용의자4 용의자5 식별기호 CS S1 S2 S3 S4 S5 1. 범죄현장의 DNA와용의자 5명의 DNA, 표지 DNA를준비한다. ( 범인의 DNA와용의자 DNA는플라스미드 DNA를이용하여준비할수있다.) 2. DNA 시료에 EcoRI과 PstI 제한효소처리를한다. 3. 37 에서 45분이나또는상온에서하룻밤반응시킨다. (3) 각튜브에서 DNA 를 10 μl를취하여각색깔별튜브에넣고이를확 인한다. 그리고 ENZ으로표기된제한효소혼합액 10 μl를각튜브에넣는다. DNA Samples + Enzyme Mix CS S1 S2 S3 S4 S5 (4) 튜브를톡톡쳐잘섞이도록하며, 짧게원심분리를하거나튜브를탁자위에서쳐서시료가아래로오도록한다. 시료를아래로모으는방법 바닥에가볍게두드려준다. 손가락으로가볍게쳐준다. 180 심화생명과학

(5) 각튜브를플로팅랙에꽂은후 37 의항온수조에서 45분동안반응시키거나상온에서하룻밤반응시킨다. (6) 항온수조에서꺼낸후다음실험까지냉장고 (4 ) 에보관한다. 실험 2) DNA 의전기영동및 DNA 관찰 실험개요 (1) 준비된시료를냉장고에서꺼낸후원심분리기로짧게돌려시료를모두아래쪽으로모은다. (2) LD ( 로딩염색액 ) 로표기된튜브에서 5 μl를취하여각튜브에넣고잘섞이도록손끝으로가볍게두드려주면서섞는다. LD는가장작은 DNA분자보다빨리이동하므로 LD가겔의끝에다가오면전원을끌수있도록하기위해사용한다. (3) 전기영동장치에아가로스겔을놓고겔이잠길때까지 1X TAE 완충용액을붓는다. 이때웰이있는쪽이 (-) 극에가까이있어야한다. (4) 아가로스겔의웰에준비된시료를넣는데맨왼쪽레인에는표지 DNA를넣고나머지는각각의준비된시료를넣는다. (5) 전기영동장치의뚜껑의방향을확인하고덮는다. 이때빨간색과검은색의전극위치가일치해야한다. 전기영동은 100 V에서 30분간진행한다. (6) 전기영동이끝나면전원을끄고겔을분리하여접시로옮긴다. 겔은매우미끄럽고깨지기쉬우므로조심해서다룬다. 겔에 DNA 염색시약을붓고 2분동안흔들어주며염색시킨다. 1. 시료에로딩염색액을첨가하고전기영동웰에준비한시료를넣는다. 2. 100 V에서 30분간전기영동한다. 3. Fast Blast DNA로염색한다. DNA 전기영동장치 (7) 남아있는염색시약을병으로옮기고겔에 35 정도의따뜻한증류수를붓고 10분간기다린다. DNA가잘보일때까지물을갈아주며 3~4회반복한다. (8) 염색이빠진겔을말린후실험노트에붙이고결과를분석한다. 디스테인과정 DNA를보기위해서는겔로부터염색액을없애는과정 < 그림 Ⅲ- 43> 전기영동염색과정 Ⅲ. 유전과유전공학 181

DNA 전기영동실험결과 결과및논의 (1) 전기영동한자료를다음쪽의표에기록하시오. 이때표지 DNA 자료를가지고다른시료의 DNA 크기와염기쌍수를예측하시오. ( 단직선그래프보다는세미로그그래프를사용하여 DNA크기를구하시오. x축 : 이동거리, y축 : 염기쌍수 ) (2) 범인은누구인지쓰고왜그렇게생각하는지에대해서술하시오. (3) 만약환상의 DNA가이실험에사용되었다면각샘플의 DNA는제한효소에의해몇군데잘렸을까? 전기영동자료분석표 큰절편 λ/hindiii 표지 DNA 범죄현장의 DNA 용의자 1 용의자 2 용의자 3 용의자 4 용의자 5 부터 이동거리 ( mm ) 실제크기 (bp) 이동거리 ( mm ) 예측크기 (bp) 이동거리 ( mm ) 예측크기 (bp) 이동거리 ( mm ) 예측크기 (bp) 이동거리 ( mm ) 예측크기 (bp) 이동거리 ( mm ) 예측크기 (bp) 이동거리 ( mm ) 예측크기 (bp) 1 23,130 2 9,416 3 6,557 4 4,361 5 2,322 6 2,027 DNA 지문법은현재진단의학, 친자감별, 범인추적, 계통분석등의많은 분야에서활용하고있다. 또한동일 DNA 를서로다른제한효소로잘라제한 182 심화생명과학

반복부위 (10~100bp) 반복부위 (2~9bp) < 그림 Ⅲ- 45> 가변수의직렬반복서열 절편의길이를분석할경우제한효소지도도작성할수있다. 만약특정제한효소자리에서일어난염기의변화로유전병이발생하였거나, 제한효소자리가아니었지만염기의변화로제한효소자리가되었다면, 쉽게제한효소의작용유무를통해병을쉽게진단할수있다. 이러한예의대표적인것이겸형적혈구빈혈증진단방법이다. 이빈혈증은 b-글로빈의 6번째아미노산자리의유전암호가 GAG가 GTG로바뀌게되어적절치못한아미노산으로치환되어발생한다. 이과정에서제한효소인식자리에도변화가오게되므로변화가발생한유전자는정상의유전자와는달리제한효소에의해인식되지않게된다. 결국겸형적혈구유전자를가진사람의 DNA는정상인에비해더큰 DNA조각을갖게되므로유전자지문법으로이병을진단해낼수있게된다. 가계도분석이나친자감별및범인을추적해야할경우사람의모든 DNA 지역을사용하지않고가변수직렬반복서열 (VNTR) 을이용하여분석한다. VNTRs는일부서열이반복적으로나타나는지역을말한다. 이반복서열은사람마다동일하지만반복수는사람에따라다양하게나타난다. 따라서이지역에대한제한절편의길이는제한효소자리의변화에의해길이가다양하게관찰되는것이아니라특정염기서열의반복수차이에의해다양하게나타난다. 따라서 VNTR지역에대한 RFLP의패턴은개인마다독특한유전자지문을형성할수있게된다. 이때반복되는염기서열의길이가 10 bp 미만일경우에는짧은직렬반복서열 (STR) 이라고한다. Ⅲ. 유전과유전공학 183

08 대장균형질전환 학 습 목 표플라스미드가무엇이고어떻게활용되는지설명할수있다. 플라스미드를이용하여대장균을형질전환시킬수있다. 항생제저항성을가지는형질전환세포를선별할수있는실험방법을고안할수있다. 박테리아에서일어나는형질전환의생물학적과정을설명할수있다. 형질전환은외래의유전정보를가진 DNA 조각이수용체세포에들어가유전적변화를일으키는과정을말한다. DNA 분자를흡수하고형질전환될수있는세포를수용성이있다고말하며, 외래의 DNA로인해새로운특성을갖게된개체를형질전환생물이라고한다. 박테리아에서형질전환은외래플라스미드가일정조건에서한개체에서다른개체로이동할수있기때문에일어난다. 플라스미드 DNA는보통박테리아의생존에도움이되는하나이상의유전자를가지고있는원형의 DNA로박테리아의주염색체와는구별되는별도의 DNA이다. 자연상태에서박테리아는플라스미드를다른개체로옮길수있고, 유익한유전자를공유한다. 이러한방법을통해박테리아는새로운환경에잘적응할수있다. 하나의예로항생물질에대해박테리아가저항성을나타내는것도박테리아가항생제에저항성을갖는유전자를플라스미드나주염색체상에갖고있거나전달받았기때문이다. 조사하기 자연상태의박테리아들사이에서형질전환은어떤환경에서일어나는지조사해보자. 대장균에일정조건을갖추어주면인위적으로외래의플라스미드를받아형질전환을일으킬수있다. 형질전환이어떻게일어나는지다음실험을통해알아보자. 184 심화생명과학

탐구활동 대장균의형질전환 준비물 E. coli 플레이트, 아가배지 (LB, LB/ amp, LB/amp/ara), 형질전환용액 (50 mm CaCl 2 ), 1회용루프, UV램프 ( 긴파장 ), 초시계, 전자레인지, 항온수조, 배양기 (37 ), 온도계, 플라스크 (1 L), 메스실린더 (500 ml), 증류 수, 얼음과얼음통, 탈색제, 유성펜 < 그림 Ⅲ- 46> 형질전환실험준비물 방법및절차 (1) 1.5 ml 튜브 2개를준비하여각각 + 와 - 로표시한다. (2) 살균된피펫으로튜브에형질전환용액 250 μl를옮기고튜브를얼음에꽂는다. (3) 플레이트에있는박테리아콜로니하나를멸균된백금이로얼음에꽂아놓은 + 라고적힌튜브에접종하고콜로니가형질전환용액에완전히섞이도록플라스틱루프를돌려준다. 현탁이되면튜브를얼음에꽂는다. - 튜브에도같은방법으로콜로니하나를접종하여현탁시킨다. (4) UV 램프로플라스미드가들어있는튜브를확인해본다. 살균된루프를플라스미드가들어있는튜브에담갔다뺀다. 루프의구멍사이로비누방울같은얇은막이형성된것을볼수있음. 박테리아가현탁되 LB 아가배지 Luria-Burtani 배지의약자로 Tryton 10 g, Yeast Extract 5 g, NaCl 10 g, 아가 15 g을 ll의증류수에녹여서만든다. LB/amp 아가배지 LB배지에항생물질인앰피실린을넣은배지. LB/amp/ara 배지 LB배지에항생물질인앰피실린과당의일종인 arabinose를넣어서만든배지. 어있는 + 튜브에루프를넣고잘섞은후튜브를다시얼음에꽂는다. - 튜브는그대로둔다. (5) 얼음에서 10분간방치한다. 이때튜브가확실히얼음에꽂혀있도록한다. 그사이각각의한천배지플레이트바닥에다음과같이표기한다. 주의사항뚜껑이뒤바뀔수있으므로표시를할때는배지바닥면에한다. (6) 42 로맞춰진항온수조에위의 2개의튜브를 50초동안담근다. 튜브의형질전환용액부분까지물에확실히잠기도록한다. 50초가지나면두개의튜브를얼음에즉시꽂고, 2분간방치한다. Ⅲ. 유전과유전공학 185

(7) 튜브에 250 μl LB 배지를넣고뚜껑을닫고상온에서 10분간방치한다. (8) 튜브를살살쳐서안의용액이서로잘섞이도록한다. 각튜브에서 100 μl씩덜어앞에서표기한각각의플레이트에떨어뜨린후배지표면에고르게편다.( 루프의평평한면을이용하여앞뒤로빠르게움직인다.) < 그림 Ⅲ- 47> 대장균을배지에접종하기 (9) 플레이트를겹쳐서함께테이프로묶는다. 바닥에실험자의이름과날짜를적는다. 플레이트를뒤집어 37 배양기에서다음날까지배양한다.(16시간정도 ). 대장균형질전환실험결과 결과및논의 (1) 녹색형광의콜로니가형성되었는가? 실험구와대조구를나누어 4개의플레이트각각에생긴콜로니의형태와모양을그리고관찰내용을쓰시오. (2) 형질전환실험을할때실험재료로는가. 다세포생물이유리할까아니면단세포생물이유리할까? 형질전환이일어난콜로니는 UV를비추면녹색형광을발한다. 나. 한세대의길이가짧은것이유리할까긴것이유리할까? 다. 안전성이중요한요소가될수있다. 안전성이라는측면에서실험 재료는어떤특징을가져야할까? (3) 형질전환시험이성공했는지의여부를알려주는증거에는어떤것이있는가? (4) 형질전환용액의성분은무엇이며이용액은어떤역할을할까? 녹색형광단백질 (GFP) 은생물발광체인해파리가만들어내는물질로어두운곳에서빛을발하므로형광을띤다. 해파리로부터 GFP 유전자를분리하여유전자조작과정을거쳐플라스미드로만든후대장균을형질전환시킬수있다. 형질전환된박테리아는해파리의유전자를얻게되므로자외선아래에서반짝이는빛을내는형광단백질을만들수있게된다. 186 심화생명과학

β 락타메이즈 < 그림 Ⅲ- 48> 녹색형광단백질 (GFP) < 그림 Ⅲ- 49> Aequorea victoria GFP 를추출한해파리 pglo 플라스미드는 GFP유전자와항생제인암피실린에저항성을가진유전자를포함하고있으며, 아라비노오스가영양배지에포함되어있을경우형질이발현되는조절기작을가지고있다. pglo를가진세포를구별하기위해항생제가들어있는배지에서배양할경우형질전환된세포는아라비노오스를가지고있지않은배지에서는하얀콜로니를형성하고아라비노오스가들어있는영양배지에서는 UV를비칠경우형광녹색으로나타난다. pglo의이러한특성으로유전공학연구에서유전적선택과유전자조절의기작을쉽게탐구할수있게하며, 전체형질전환과정을 UV램프 ( 긴파장 ) 로쉽게관찰할수있어유전공학도구로많이활용되고있다. < 그림 Ⅲ-50> 형광단백질을발현하는세균을접종하여얻은그림 읽을거리녹색형광단백질 (GFP) 은자외선램프로쉽게세포내에서발현되었는지를조사할수있고다른합성형광물질과는달리독성이적어살아있는세포에도활용할수있다. 이런특성으로 GFP 유전자를연구하고자하는다른유전자와결합시켜생명공학연구에아주중요한도구로사용할수있다. 1960년대해파리 (Aequorea victoria) 로부터 GFP를분리한미보스턴대학의시모무라오사무 ( 下村修 ) 명예교수, 1990년대이유전자를대장균에서발현시킨컬럼비아대학의마친챌피 (Martin Chalfie) 교수, GFP 돌연변이체를만들어생물학연구에적합한특성을가지게한캘리포니아대학조저첸 (Roger Tsien) 교수는이공로를인정받아 2008년노벨화학상을받았다. 한편 GFP 연구를통한노벨상수상에는슬픈숨겨진사연이있다. GFP를생명공학에활용할수있을것이라는아이디어와 GFP 유전자의클로닝은사실또다른과학자의공적이다. 이사람이노벨상수상을하지못한까닭은무엇일까? Ⅲ. 유전과유전공학 187

09 PCR 을이용한 DNA 의증폭 학 습 목 표식물체로부터 DNA를추출할수있다. PCR 기계를이용하여원하는유전자를증폭할수있다. PCR로증폭된유전자를전기영동으로확인할수있다. 1980년대유전자클로닝의혁명은멀리스 (Mullis K.) 가발명한중합효소연쇄반응 (Polymerase Chain Reaction) 으로다시한번도약하였다. 이기술은연구에있어많은노동과시간을절약할수있게하였다. DNA의양을충분히확보하는것뿐만아니라분자생물학기술에접근을어려워하던분야 ( 병리학, 식물학, 동물학, 제약학 ) 에있어서도쉽게분자생물학적인기술을이용할수있 멀리스 (Mullis, K. B.) 종합효소연쇄반응이라고불리는 DNA 초고속증폭장치 (PCR) 를발명한공로로지난 1993년노벨화학상을수상. 는계기를마련하게되었다. PCR은상보적인 DNA 가닥의결합과 DNA 중합효소를통한 DNA 가닥합성이라는유전학의가장기본적인두가지원리를이용하고있다. 상보적인가닥의결합이란두가지다른프라이머가각각의상보적인주형 DNA 가닥에결합하는것을말한다. DNA의특정부분을증폭시키기위해서는그부분을인식해야하고그부분을결정하여야한다. 프라이머 를사용하여이것이가능하며프라이머가결합하는부위로부터 DNA의복제가시작된다. 따라서프라이머는 DNA의복제에있어서꼭필요한요소이다. 왜냐하면 DNA 중합효소는프라이머와주형 DNA 가닥이결합하여이중나선구조를만들었을때작용을하기때문이다. DNA 중합효소는온도에대하여구조적으로강해야한다. 그이유는 PCR 의온도의범위가 64-94 의범위를갖기때문이다. 그온도에서안정적인 DNA 중합효소 (Taq) 는옐로스톤공원의간헐천에사는테르무스아쿠아티쿠스 (Thermus aquaticus) 라는박테리아로부터분리해낸효소이다. 각각의주형 DNA 가닥으로부터새로운가닥이생성되므로한주기마다새로운두가닥을형성하게된다. 따라서한주기가지나면원래의가닥의수보다배가되게된다. 만약, 30사이클이순환이되면 2 30 의양이증폭된다. 충분히증폭이되면그 DNA는전기영동을통하여겔상에서확인을할수있다. 여기에서는식물의 DNA를추출하여 LOV 유전자를증폭하는과정에대해서알아보자. 188 심화생명과학

탐구활동 식물에서 DNA 추출 준비물 식물, 막자사발, 막자, 약수저, 열블록, 1.5 ml 튜브, 튜브랙, 피펫, 팁, 원심분리기, 에탄올, 전자저울, 네임펜, DNeasy plant Mini kit Cat No.69104(Qiagen) 방법및절차 (1) 100 mg의식물을 1.5 ml 튜브에담고액체질소를이용하여막자사발에서충분히갈아준다. (2) AP1 400 μl에 RNase 4 μl를넣어준후 65 에서 10분간반응시킨다. (AP1 버퍼와 RNase는병째로섞지말고실험전섞어서사용한다.) 1 2 < 그림 Ⅲ-51> 식물에서 DNA 추출과정 1, 2 (3) AP2 버퍼 130 μl를넣고잘섞어준후얼음에서 5분간반응시킨다. (4) 2 ml 켈렉션튜브에 QIAshredder Mini spin column을조립하고피펫으로 (3) 의반응액을옮긴후 20,000 g에서 2분간원심분리한다. 3 4 < 그림 Ⅲ-52> 식물에서 DNA 추출과정 3, 4 (5) 2 ml 켈렉션튜브에모아진용액을새로운 1.5 ml 튜브로옮기고 1.5 배의부피의 AP3/E 완충용액을더한후피펫을사용하여섞어준다. 5 < 그림 Ⅲ-53> 식물에서 DNA 추출과정 5 Ⅲ. 유전과유전공학 189

주의사항 1. 모든원심분리단계는상온에서실행한다. 2. AP1 & AP3에침전물이있을경우다시녹인다. 3. AW & AP3/E에에탄올을넣는다. 4. 항온수조나열블록 (Thermo block) 은사용전 65 로미리맞춰둔다. (6) 2 ml 켈렉션튜브에이번에는 DNeasy Mini spin column을조립하고 (5) 의용액을피펫으로옮긴후 6,000 g에서 1분간원심분리한다. 원심분리된용액은따라버린다. 6 < 그림 Ⅲ-56> 식물에서 DNA 추출과정 6 (7) 새로운 2 ml 켈렉션튜브에스핀컬럼을재조립하고 AW 완충용액버퍼 500 μl첨가한후 6,000 g에서 1분간원심분리한다. 원심분리된용액은따라버린다. 7 < 그림 Ⅲ-55> 식물에서 DNA 추출과정 7 (8) AW 버퍼 500 μl를다시넣고 20,000 g에서 2분간원심분리한다. ( 스핀컬럼을분리할때는원심분리된용액과접촉하지않도록주의한다.) 8 < 그림 Ⅲ-56> 식물에서 DNA 추출과정 8 (9) 스핀컬럼을 1.5 ml 또는 2 ml 튜브로옮기고 AE 버퍼 100 μl합친후실온에 5분간둔다. 이후 6,000 g에서 1분간원심분리한다. 9 < 그림 Ⅲ-57> 식물에서 DNA 추출과정 9 190 심화생명과학

탐구활동 PCR of Lov2 gene 준비물 주형 DNA, 10X 완충용액, Taq 중합효소, dntp each 10mM, Lov2 primer(f, R), 피펫, 팁, EP 튜브, PCR 튜브, 튜브랙, PCR 기계방법및절차 (1) < 표 Ⅲ- 1> 과같이 PCR 튜브에용액의양이많은것부터넣고섞어서준비한다. 목표유전자 : LOV2 gene (701bp) Primer sequence - LOV2 left ; 5 -AAT TTC GTC ATC ACT GAT CC-3 - LOV2 Right ; 5 -TCC CGT CTA GTT GAA CTC C-3 < 표 Ⅲ- 1> No. Reagent Volume Remark 1 DW 13.9 μl 2 10X 완충용액 2 μl 3 dntp 1.6 μl 4 Lov2 primer 각 0.2 μl 5 Taq polymerase 0.1 μl 6 실험1에서얻은주형 DNA 2 μl 총 20 μl (2) < 표 Ⅲ- 2> 와같이 PCR 진행온도와시간을맞춘고 PCR 기계를작동시킨다. < 표 Ⅲ- 2> 단계 온도 시간 변성 94 30초 결합 50 1분 신장 72 30초 Ⅲ. 유전과유전공학 191

탐구활동 전기영동을통한 PCR 결과의확인 준비물 PCR 결과물, Agar powder(molecular grade), TAE 완충용액, Gel cast system, Power supply, DNA Loading Star 방법및절차 (1) TAE 완충용액 50 ml에아가로스 0.5 g을섞고전자레인지에 2분간녹여준다. < 그림 Ⅲ-58> PCR 결과확인과정 1 (2) Gel cast에조심스레붓고콤을위치시키고상온에서 10분간굳을때까지기다린다. < 그림 Ⅲ-56> PCR 결과확인과정 2 (3) 다굳으면콤을제거하고 TAE 완충용액이채워진전기영동탱크에위치시키고겔표면이 1~2 mm 정도잠기도록 TAE 완충용액을채워준다. < 그림 Ⅲ-59> PCR 결과확인과정 3 192 심화생명과학

(4) 아래표에따라파라필름위에서섞고홈에피펫을이용하여조심스 럽게넣어준다. No. Reagent Volume Remark 1 DW 10 μl 2 PCR product 5 μl 3 Loading Star 3 μl 18 μl (5) 100~150 V 에서 30~60 분간전원을공급한다. 4 5 < 그림 Ⅲ-61> PCR 결과확인과정 4, 5 (6) 눈으로 DNA의상대적이동거리를확인하고겔영상분석장치에서결과를확인한다. < 그림 Ⅲ-62> PCR 결과확인과정 6 PCR 과정은주형 DNA가닥의분리를위한변성 (Denaturation), 프라이머와주형 DNA와의결합 (Primer Annealing), Taq 중합효소를통한 DNA가닥의합성 (Extension) 으로나뉘어진다. 이러한 PCR 반응을가능케하는장비를 PCR 기계라고한다. 이장비는온도의빠른증감을가능케하는장비이다. PCR의싸이클과정중에첫번째과정이샘플의온도를 94 까지올려 DNA의두가닥을분리한다. 이과정을 DNA가닥변성단계라고한다. 그다음온도를떨어뜨려 64 가되면프라이머가주형의 DNA가닥에붙게되며이과정을결합단계라고한다. 마지막으로 Taq 중합효소를이용하여프라이머가확장되어 Ⅲ. 유전과유전공학 193

관심이있는유전자부위를증폭을하게된다. 이과정을합성단계라고한다. Taq 중합효소의작용온도는 72 이므로합성과정은 72 에서진행된다. PCR 기술에존재하는하나의문제는 DNA를변성시키기위해서는 90 이상으로열을가해야하는데이정도의온도는 DNA 중합효소를파괴시킨다는것이다. 이문제는미국옐로스톤국립공원의온천에사는테르무스아쿠아티쿠스에서얻은 DNA 중합효소로해결되었다. 이중합효소는고온에서도활성을잃지않았다. PCR 기술을이용함으로써유전체 DNA와같은아주큰 DNA로부터원하는 DNA 부분만을선택적으로 10 5 10 8 배까지수시간내에증폭시킨후일반적으로사용되는아가로스겔 (agarose gel) 이나폴리아크릴아미드겔 (polyacrylamide gel) 상에서뚜렷하게보이는밴드로확인할수있게되었다. PCR을수행할때주형 DNA에불순물이섞여있으면반응을억제할수있으므로가능한한정제하여사용하는것이좋다. 주형 DNA로염색체DNA인경우 1 μg 이내, 플라스미드 DNA의경우 100 pg 100 ng 정도를일반적으로사용하지만 DNA 내에증폭하고자하는목표 DNA의 copy 수에따라서달라질수도있다. PCR에서사용하는프라이머는주형 DNA 가운데선택적으로증폭시키고자하는목표 DNA 단편의양쪽끝에서안쪽으로약 20 bp 내외의염기서열에대응하는올리고뉴클레오티드를 DNA 합성기로합성하여이용한다. G+C 비율이반정도되게디자인하는것이프라이머와주형간의결합력을강하게유지하는데좋다. 프라이머제작시에는무엇보다도양쪽프라이머의결합온도를비슷하게만들어야한다. 또한양쪽프라이머가서로상보적인염기결합이일어나지않도록한다. 프라이머의디자인이 PCR 반응의성공유무의 90% 를차지한다고할수있기때문에합성하기전에충분히생각하여제작한다. 프라이머합성은염기서열을적어제작해주는회사에의뢰하면주문에따라서정제도해준다. 조사하기 생명과학연구에서 PCR 이어떻게활용되고있는지그사례를조사해보자. 194 심화생명과학

10 단백질분석 학 습 목 표용액속의단백질의양의측정할수있다. 전기영동을이용하여단백질을분자량에따라분리할수있다. 단백질전기영동의결과를해석할수있다. 단백질은아미노산이펩티드결합으로연결되어만들어진고분자화합물이다. 부모가자손에게전달한유전자에의해발현되는물질이바로단백질로각종생명활동의기본이되는물질이다. 2 차구조 1 차구조 아미노산의구조 β 병풍구조 α 나선구조 단백질 펩티드결합 3 차구조 4 차구조 < 그림 Ⅲ- 63> 단백질의역할 < 그림 Ⅲ- 64> 단백질의입체구조 단백질의구성기본단위인아미노산은 a 탄소에 4 개의서로다른원자단으로 구성되어있으며 R 기의특성에따라다양한화학결합을나타낼수있다. 조사하기 단백질의기본적인구조에는어떤것이있는가, 1차구조를이루는중요한결합에대해서알아보고 2, 3, 4차구조를이루는결합에는어떤것이있는지조사해보자. Ⅲ. 유전과유전공학 195

세포내의단백질은구성하는아미노산의수, 전하량, 용매에대한친매성 등다양한화학적특징을가지고있다. 이런화학적특징은단백질이독특한구조를이루고세포내에서서로상호작용하는데중요하다. 탐구활동 달걀한알속의단백질양은? 단백질이풍부한음식이몸에좋다는말을흔히듣는다. 어떤음식물중에단백질들어있는지는뷰렛반응을통해서알수있지만얼마나많은양이들어있는지는어떻게알수있을까? 준비물 1X 브래드포드용액단백질과반응하여색깔을나타내며단백질정량방법중의하나인브래드포드반응에사용되는염색반응액. 달걀 1알, 1X 브래드포드용액, 시험관, 증류수, 1.5 ml 튜브, 1회용큐벳 (3ml), 1회용 10 ml 피펫, 오토피펫 (200 ul, 1 ml), 팁 (blue, yellow), 분광기, 세척병, 팁떨이, BSA(2 mg/ml), 시험관대, 볼텍스믹서, 메스실린더 (500 ml, 100 ml) 방법및절차 (1) 달걀한알에서달걀흰자와노른자를분리한다. (2) 흰자와노른자의부피를구한다. 주의사항큐벳을만질때에는손으로만질수있는부분과빛이통과하는부분을확인한후다루며광도계에꽂을때에도이를확인한다. < 그림 Ⅲ- 65> 흰자와노른자부피측정 (3) 흰자와노른자를적당히희석하여 1.5 ml 튜브에담는다. ( 가령, 10배 20배 30배, 40배로희석한다.) (4) 4 냉장고에서 1X 브래드포드용액을꺼내서상온이될때까지기다린다. (5) 분광기를켠다. 파장을 595 nm로맞춘다. (6) 2 mg/ml의 BSA를이용해서 0.125, 0.25, 0.5, 0.75, 1 mg/ml의표준단백질을 200 ul만든다. (7) 시험관에 3 ml의 1X 브래드포드용액과단백질용액 ( 표준단백질및 196 심화생명과학

시료 ) 60 ul 를넣는다. 6 7 < 그림 Ⅲ- 66> 단백질양측정과정 6, 7 (8) 용액을섞어준후상온에서 5분간방치한다. (9) 큐벳에용액을옮긴후 UV/VIS 분광광도계를이용하여단백질양을측정한다. 8 9 < 그림 Ⅲ- 67> 단백질양측정과정 8, 9 결과및논의 (1) 표준곡선을그린다. 광도농도흡(2) 달걀흰자와노른자의단백질양은얼마인지계산해보자. 어느쪽이단백질이더많은가? Ⅲ. 유전과유전공학 197

탐구활동 단백질전기영동, SDS-PAGE 단백질의종류와크기는매우다양하다. 우유나달걀흰자나노른자역시한종류의단백질로이루어진것은아니며다양한단백질로구성되어있다. 달걀속에는얼마나다양한단백질이들어있을까? 달걀속에는얼마나다양한단백질이들어있고그분자량이얼마나되는지어떻게알아볼수있을까? 단백질전기영동준비물 준비물 재료 : 증류수, 30% 아크릴아마이드혼합액, 1.5 M 트리스완충용액 (ph 8.8), 1.0 M 트리스완충용액 (ph6.8), 10% SDS, 10% APS( 황산암모늄용액 ), TEMED, 시료완충용액, EP 완충용액, 표준분자량단백질용액, 단백질전기영동키트, EP 튜브, 마이크로피펫, 전원장치, 라텍스장갑, 70% 에탄올, 전기영동할단백질 ( 우유, 달걀흰자 ) 방법및절차 (1) 전기영동키트방법에따라유리판을조립하고겔을준비한다. (2) 분리용겔용액에 APS와 TEMED를첨가한후거품이나지않을정도로신속히섞고피펫을사용하여조심스럽게유리판사이의공간에붓는다. (3) 스태킹겔의높이를고려하여분리용겔용액을부어준후그위에증류수또는알코올을조심스럽게넣어주고겔이굳을때까지기다린 알코올을가하는이유분리용겔윗표면을고르게해주며공기를차단하여겔이고르게중합되기위함이다. 다. 겔이굳으면상층에가한알코올과아크릴아마이드사이에뚜렷한경계가보이는데이때알코올을제거하고증류수로씻어준다. (4) 미리준비해놓은스태킹겔용액에 APS와 TEMED를첨가한후신속히섞은후피펫을사용하여조심스럽게유리판사이의공간에붓고 콤을끼운다. 주의사항과정 (5) 에서겔의내부나표면, comb과겔사이의기포가생기면좋은전기영동결과를얻기어려우므로세심한주의가필요하다. 기포는겔용액에첨가한 SDS에의해더욱심해지므로겔용액에서 SDS 를생략하는것도고려해볼필요가있다. < 그림 Ⅲ- 68> 단백질전기영동과정 4 (5) 전기영동할시료를로딩완충용액과혼합한다. 198 심화생명과학 8 9

(6) 90 에서 10 분간변성시킨후탁상용원심분리로 1~2 분원심분리 한다. 사용하지않는다른웰 에도시료와같은용량의버퍼를가하는이유는? (7) 겔을전기영동장치에장착하고전기영동용완충용액을위와아래의완충용액탱크에붓는다. (8) 웰에조심스럽게시료를가한다. 이때, 사용하지않는웰에도시료와같은용량의 1x 시료로딩완충용액을가한다. (9) 전기영동기구를전원에연결시킨후정전압또는정전류에서전기영동을한다. 주의사항염색과디스테인용액에는과량의메탄올이들어있으므로뚜껑을잘닫아증발하지않게한다. (10) 이동지표인브로모페놀블루가겔의끝부분에도달하면전원을내리 고전기영동장치로부터유리판을분리한다. (11) 전기영동이끝난후겔을조심스럽게분리한후플라스틱또는유리용기에옮기고겔부피의 5배정도의염색액을붓는다. SDS-PAGE SDS-polyacrylamidegel electrophoresis < 그림 Ⅲ- 69> 단백질전기영동과정 11 (12) 진탕기에올려놓은후 30분-1시간염색한다. 전반적으로겔이파랗게보이고단백질밴드가좀더진하게보이는상태가가장좋다. (13) 수돗물로가볍게세척해주고디스테인용액을부어준후진탕기에올려놓는다. (14) 디스테인용액을수차례교환하면서겔의염색시약이모두빠지도록한다. 결과및논의 (1) 각시료의단백질전기영동결과가어떻게나왔는지사진을찍거나겔을말린후노트에붙이고두시료단백질의차이를설명하시오. (2) 단백질을분리시키기위해변성과정을거치는데 SDS 각과정이어떻게단백질을변성시킬수있는지설명하시오. 등전점 (pi) 아미노산은아미노기와카르복시기그리고 R 기에따라전하를띨수있는데주위의 ph에따라전하량이달라진다. 등전점은알짜전하가 0이되는 ph를말하며등전ph 또는 p I이라고부른다. Ⅲ. 유전과유전공학 199

폴리아크릴아미드겔 (polyacrylamide gel) (3) 환원성 SDS-PAGE와비환원성 SDS-PAGE가무엇인지조사하고그차이점에대해서술하시오. 가. 실험방법상의차이점나. 결과해석상의차이점 (4) SDS는무엇이며그것의기능에대해조사해보자. 폴리아크릴아마이드겔은아크릴아마이드 (acrylamide) 의측쇄기능기가 N, N'- methylen bisacrylamide와같은 2개의기능기를가지는화합물에의해교차연결되어형성되는중합체이다. 이렇게만들어진겔은자체의강도와탄성을유지하고 SDS-폴리펩티드가통과할작은구멍을형성한다. 대체적으로아크릴아마이드 : bisacrylamide = 29 : 1의비율로만든다. 그러나이물질은피부로흡수되어매우강력한신경독성을나타내며효과또한축적되므로반드시장갑과마스크를착용해야한다. 1) 단백질정량의원리 단백질정량은생화학의가장기본적인실험중의하나다. 보통 ABS ratio assay, Lowry assay, Bradford assay의 3가지방법이널리쓰인다. 그중브래드포드 (Bradford) 단백질정량법은용액속에녹아있는단백질양을측정하는데매우유용한방법이다. 브래드포드법은발색제로 Coomassie Briliant Blue G-250을이용하여단백질을염색한다. CBBG는 3가지형태로존재한다. 양성자를얻어양전하를띄면붉은색, 중성에서는녹색, 음전하를띄면파란색을띈다. 보통산성용액에서염료는두개의양성자를얻어적색을띄나염료가단백질과결합하면양성자를잃고안정된파란색으로변한다. 단백질과염료가결합한이형태는 595 nm에서분광기를이용하여흡광도를측정하여그양을알아낼수있다. 발색반응은 2분이내에완결되며 1시간정도안정성 이유지된다. 브레드포드법은빠를뿐아니라비단백질성분들에의한방해도거의없다는장점이있어일반적으로가장많이사용되는단백질정량법이다. Lowry 법에서는생기는청색은 (1) 뷰렛반응에서와같이 Cu 2+ 이펩티드결합과반응하는데기인되며, (2) 포스포몰리브덴산을함유하는착화합물시약 ( 페놀시약, Folin시약, Lowry시약, Folin-Ciocalteau 시약 ) 을단백질에있는티로신과트립토판잔기들이환원하는데도기인된다. 이방법의감도는 100-200 μg의단백질량이다. 이번실험에서는브레드포드법을이용하여단백질을정량한다. 2) 램버트 - 비어 (Lambert-Beer) 법칙 광도측정법의대부분은두가지법칙에근거를둔다. 첫째는램버트 (Lambert) 의법칙이다. 이법칙에의하면매질에의해흡수된입사광의비율은입사광의 200 심화생명과학

광도와무관하며또매질의각연속적단위층은그것을통과한빛의동등한부분을흡수한다. 예를들어, 만일용액에입사되는빛의강도가 I이고흡수용액의각단위층의흡수가입사광의 1/10이라면, 빛의강도는각단위층을통과할때마다연속적으로다음과같이감소할것이다 1.0, 0.9, 0.81, 0.73, 0.66,. 이말을수학적으로다음과같이나타낼수있다. I = I 0 e -αl (1) I 0 = 입사광의강도 I = 통과된빛의강도 l = 빛이통과한길이 (cm) α = 용액의흡광계수이식을대수형태로바꾸면, ln=αl (2) 이되며이식을 10을밑수로하는대수로표현하면다음과같이된다. log 10 =Kl (3) 여기서 K=α/2.303이고 log는흡광도 (Absorbance, A, 또는 Optical density, O. D.) 라고한다. α 계수와 K는농도요소를포함한다. 광도측정법의두번째법칙인비어 (Beer) 의법칙은이변수를다룬다. 비어 (Beer) 는빛이 c의농도와 l의길이를갖는용액을통과할때와 c/2의농도와 2l의길이를갖는동일한물질의용액을통과할때통과한빛의강도가서로같다는것을발견했다. 일반적으로비어의법칙은빛의흡수는빛이통과하는흡광물질의분자수에비례한다고표현할수있다. 그러므로만약흡수물질이투명한용매에녹아있다면용액의흡광도는흡광물질의몰농도에비례한다. 비어의법칙과램버트의법칙은 α와 K의농도요소들이있기때문에쉽게합칠수가있다. 두법칙을합쳐서다음과같이쓸수있다. Ec = K (4) 여기서 E는흡광계수, c는농도이다. 식 (4) 의관계를식 (3) 에대입하면 log =Ecl 또는 A( 또는 O.D.)=Ecl이된다. 한편농도 c의용액을통과하기전 (I 0 ) 과후 (I) 를나타낸다. 이때투광도를 T Ⅲ. 유전과유전공학 201

A=-logT = log I I 0 라하면빛이용액을통과하기전후의빛세기는아래식처럼나타낼수있다. T = I I 0 빛이용액에흡수된양을흡광도와투광도는아래식과같은관계를갖는다. 흡광도는흡광도의셀의길이 l과셀에들어있는물질의농도 c에비례한다. A = Ecl 이실험에서단백질의농도가진하면 CBBR 염료에의해염색된발색정도도진하므로정량하여이미농도를알고있는 BSA 표준용액의발색정도와비교하여미지시료의단백질농도를구할수있다. 3) SDS- 폴리아크릴아미드겔전기영동 SDS-폴리아크릴아미드겔전기영동은단백질을분리하고분자량을추정하는데많이이용되는방법이다. 단백질은각각분자량과등전점 (PI) 이다르므로전기장을걸어주면분자량과등전점의차이로단백질이분리된다. 그러나 SDS- PAGE를시행할때는먼저 SDS을이용하여아미노산잔기에 (-) 전하를띠게한후겔에서전기영동을하므로등전점차이보다는단백질의분자량차이에의 단백질 SDS 겔 - 로딩 완층용액처리 열 해이동속도가달라지게된다. 분자량이크면겔과의충돌이커지고저항이증가하므로이동속도가느리고, 반면분자량이작으면이동속도가증가한다. 이때구조적차이 시료 표준분자량 단백질 시료 에의해이동속도가영향을받을수있으므로, 환원제인머캅토에탄올이나 DTT를사용하여단백질내이황화결합을파괴시켜단백질을 1차구조로변성시킨다. 관찰하려는 스태킹겔 분리용겔 단백질의크기에따라겔의농도를달리하여단백질의이동속도를조절할수있다. 단백 분자량이작을수록이동속도빠름 질의크기가클수록이동속도를증가시키는것이좋으므로낮은농도의겔을사용한다. < 그림 Ⅲ- 70> 단백질전기영동 (SDS-PAGE) 202 심화생명과학

무균조작기술 무균조작기술은배양물을접종하거나취급할때배양액에다른오염미생물이들어가지않게하거나다루는미생물이취급하는사람이나주변의다른사람에게오염되지않게하는방법이다. 정리하기 순수배양기술 획선평판법 : 멸균된백금이에분리하고자하는미생물의시료를묻혀고체배지의한쪽에서시작하여점진적으로획선을긋는방법이다. 주입평판법 : 원시료를여러번희석하여배양접시에붓는것으로미생물각각을분리된군체로형성할수있도록하는방법이다. 도말평판법 : 미생물이포함된한방울의현탁액을고체배지위에떨어뜨리고멸균된유리막대로펼치는방법이다. 세균의염색과관찰 염색은세포성분중단백질이나핵산같은거대분자와염색액성분이정전기적인력에의해결합하게색을띠게되는원리를이용한다. 그람염색법은세균에따라차이를보이는세포막과세포벽의특성에따라세균의염색이달리되는성질을이용한방법으로세균분류의한기준이다. 미생물의생장곡선구하기 세대시간 (generation time=gt) 은미생물집단의규모가두배로증가하는데걸리는시간으로 GT는다음과같이구할수있다. GT = 1 k = 1 n log2 t logn t -logn 0 ( 단, No : 처음시작점에서세균의수, Nt : 일정시간 (t) 경과후세균의수 ) 플라스미드분리및절단 DNA의운반체로쓰이는플라스미드는세균내에서자신 DNA와관계없이스스로복제할수있는환형의작은 DNA이다. 플라스미드를절단하는데쓰이는효소는제한효소라고불린다. 제한효소는 DNA의특정염기서열을인지하여특정부위를자르는효소이다. Ⅲ. 유전과유전공학 203

정리하기 DNA 절단및전기영동 DNA를크기별로분리하기위해서는전기영동의방법이쓰인다. 아가로스판에 DNA를위치시키고전기장을걸어주면당-인산축의바깥쪽이 (-) 전하를띠는 DNA는 (+) 쪽으로이동한다. DNA는겔상에서 DNA 작은분자는겔구멍속을쉽게빠져나갈수있는반면큰분자는저항이커이동속도가느리기때문에분자량이작을수록이동이빠르고큰조각일수록이동이느리다. 전기영동한 DNA 분자의이동거리는크기에반비례하여분리되므로이동속도를비교하면 DNA의상대적크기를알수있다. DNA 지문법 DNA 지문법은 DNA가분리될때나타나는패턴을분석하는기법으로어떤개체도동일한 DNA를가질수없으므로이방법을통해개인을식별할수있게된다. DNA 지문법은현재진단의학, 친자감별, 범인추적, 계통분석등의많은분야에서활용하고있다. 또한동일 DNA를서로다른제한효소로잘라제한절편의길이를분석할경우제한효소지도도작성할수있다. 대장균의형질전환 형질전환은외래의유전정보를가진 DNA 조각이수용체세포에들어가유전적변화를일으키는과정을말한다. pglo 플라스미드는 GFP유전자와항생제인암피실린에저항성을가진유전자를포함하고있다. 아라비노오스가영양배지에포함되어있을경우 GFP 유전자가발현되어콜로니는 UV를비추면녹색형광을띄게된다. PCR을이용한 DNA 증폭 PCR 과정은주형 DNA 가닥의분리를위한변성 (Denaturation), 프라이머와주형 DNA와의결합 (Primer Annealing), Taq 중합효소를통한 DNA가닥의합성 (Extention) 으로나뉘어진다. PCR은고온에서도활성을잃지않는효소를미국옐로스톤국립공원의온천에사는테르무스아쿠아티쿠스 (Thermus aquaticus) 에서얻어가능하게되었다. 204 심화생명과학

단백질분리 SDS 겔전기영동은단백질을분리하고분자량을추정하는데많이이용되는방법이다. 단백질은각각분자량과등전점 (PI) 이다르므로전기장을걸어주면분자량과등전점의차이로단백질이분리된다. SDS-PAGE를시행할때는먼저 SDS을이용하여아미노산잔기에 (-) 전하를띠게한후겔에서전기영동을하므로등전점차이보다는단백질의분자량차이에의해이동속도가달라지게된다. 정리하기 Ⅲ. 유전과유전공학 205

논술및토의 1. 멸균과소독은어떤차이가있는지쓰시오. 2. 일반적인용액의멸균, 가압멸균법으로손상을받는재료의멸균, 열에약 한기구를대량으로멸균할경우, 불에강한금속도구나유리기구를멸균해 야할경우각각어떤방법의멸균법이좋을지토론하시오. 3. 영양배지에한천을녹인후플레이트에부어고체배지를만들때한천배지를바로플레이트에안에붓지않고반드시 50 정도식힌후붓는다. 또한배지가굳자마자사용하지않고일반적으로하루정도지난후사용하기도한다. 미생물을배양할때는플레이트를뒤집어배양기에넣는데이러한방법은모두어떤이유와관련되어있다. 그것이무엇일지설명하시오. 4. 그람양성과그람음성의세균이나타나는것은각세균들에있어서무엇의 차이점때문일까? 5. 환경이최적일때미생물의개체군은대수적증가곡선을그린다. 만약세균하나의무게가약 1 10-12 g 이고지구의무게는대략 6 10 24 g 이라고하자. 그리고하나의박테리아가분열하여두개의세균이되는데 20분이걸린다고가정하자. 세균하나가지구무게만큼의세균개체군을형성하는데얼마의시간이걸릴지계산해보시오. 또실질적으로이런일이결코일어날수없는이유에대해서도토론해보시오. 6. 한배지에키운 5 10 2 의세균이하루동안배양한결과 (24 시간 ) 1 10 8 로 증가하였다. 이배양액속의세균의세대시간을구하시오. 206 심화생명과학

1. pglo 의녹색형광단백질의발현은 arac 유전자에의해조절된다. arac 논술및토의 유전자는아라비노오스오페론에서조절유전자의역할을하는데아라비노오 스오페론이무엇인지조사하고 pglo 에서어떻게 arac 가녹색형광단백질 의발현을조절하는지설명하시오. 2. 친화크로마토그래피로단백질을분리할때단백질의특성을이용하여분리한다. 단백질의기본구조는아미노산들사이의공유결합에의해결정되지만단백질의형태는아미노산들사이의비공유결합에의해이루어진다. 단백질의구조를결정짓는비공유결합에는어떤것이있는지쓰시오. 3. 플라스미드 ( 환상의 DNA) 와제한효소를가지고플라스미드의제한효소자리 지도를그리려고한다. 어떻게하면그릴수있는지실험방법을디자인하 시오. 4. SDS-PAGE를하기위해서는분리용겔용액과스태킹겔용액이필요하다. 이두용액의아크릴아마이드농도와 ph는다르다. 스태킹겔은분리용겔보다농도가낮은데그이유는무엇인지설명하시오. 또분리용겔의농도도분리하려는단백질시료에따라조절할수있는데단백질의분자량이큰것을분리하기위해서는작은것을분리할때보다아크릴아마미드의농도를어떻게조작해야하는지설명하시오. 5. 여러분은이단원을통해 SDS-PAGE나크로마토그래피를이용하여단백질을분리하였다. 그러나세포로부터내가원하는단백질을찾아내연구하기에는이러한분리방법만으로는부족하다. 내가원하는단백질을찾아내기위해서는어떤생명공학방법이쓰일지조사하시오. Ⅲ. 유전과유전공학 207

인체생리 01 02 건강과혈액동적평형

단원안내 인체를이루는수많은세포들은유기적으로연결되어있다. 인체는혈액으로 모든세포들을결합시킨다. 또인체는모든세포들이살아갈수있도록항상성을조절한다. 신경계와내분비계를통한이조절은동적평형을의미한다.

1. 건강과혈액 01. 혈액검사 02. 혈액의구성 03. 혈액과영양소 04. 혈액과기체 05. 혈액과순환 06. 혈액과배설 건강과혈액 과학의눈부신발전과함께현대인의건강에대한욕구가증대되면서, 건강을검진하는다양한기술들이개발되고실시되고있다. 그런건강검진의방법들중에서가장기본적인것이바로혈액검사이다. 혈액은모든세포들을하나로이어주는매개체이다. 혈액은 24시간온몸구석구석을돌아다닌다. 혈액속에는세포들에게필요한물질, 세포들이만들어낸물질등매우다양한물질들이녹아있다. 그물질들은모두건강을나타내는지표가될수있다. 또혈액의흐름자체도매우중요한건강의지표가된다. 이장에서혈액과관련된몸속기관들과서로간의관계에대해서알아보자.

01 혈액검사 학 습 목 표혈액이건강과관련이있음을말할수있다. 혈액속에다양한물질이들어있음을말할수있다. 혈액검사자료를해석할수있다. 우리몸을 24시간흘러다니며, 생명을유지시켜주며, 우리몸을이루는모든조직과조직그리고그것들의모든세포들을하나로연결시켜주는존재, 그것이바로혈액이다. 인류는오랫동안혈액을생명과영혼이깃든신성한액체로숭배했다. 또많은사람들은혈액형을심리와관련지어혈액형에따른사람의심리에많은관심을가지기도했다. 이처럼혈액은오랫동안많은사람들의관심대상이었다. 토론하기 혈액형으로사람의성격을판단하는것이가능할까? 과학의발전은혈액에대한생각을많이바꾸어놓고있다. 병원에서혈액검사는가장일반적인건강검진의방법이다. 혈액한방울로사람의건강상태를알아낼수있기때문이다. 과학의발전에따라혈액검사의항목도매우다양해지고, 정확해지고있다. 혈액검사로우리는어떤정보를알수있을까? 탐구활동 혈액검사항목조사 혈액건강검진결과자료를해석해보자. 그리고가족들의건강검진결과를해석하기위해필요한자료를조사해보자. 우리가족은모두건강할까? 건강을지키기위해어떻게해야할까? 자료 건강검진결과표 Ⅳ. 인체생리 211

해석및논의다음은일반건강검진의혈액검사항목과검사결과이다. 물음에답하시오. < 그림 Ⅳ- 1> 적십자자원봉사캐릭터 관련질환검사항목검사결과정상 빈혈등 혈색소 13.6 g/dl 남 : 13.2~16.5 여 : 12~15.5 당뇨병 공복혈당 143 mg/dl 100미만 고혈압, 이상지질혈증, 동맥경화 총콜레스테롤 196 mg/dl 200 미만 HLD- 콜레스테롤 47 mg/dl 60 이상 트리글리세라이드 183 mg/dl 100~150 미만 (LDL- 콜레스테롤 ) 112 mg/dl 130 미만 만성신장질환혈청크레아티닌 1.2 mg/dl 1.5 이하 간장질환 AST(SGOT) 22 U/L 40 이하 ALT(SGPT) 46 U/L 35이하 감마지티피 (γ-gtp) 33 U/L 남 : 11~63 여 : 8~35 (1) 혈액에매우다양한성분들이녹아있는이유를설명해보자. (2) 혈액검사에서는정상치가범위로제시되어있는경우가많다. 그이유를설명해보자. (3) 위검사결과검사자는건강상에어떤이상이있는지설명해보자. 연구과제 (1) 혈액검사시조사하는항목이우리몸의건강과어떤관련이있는지조사해보자. (2) 가족들이검사한결과를이용해가족들의건강상태를알아보자. 건강에이상이있다면건강을유지하기위해어떻게해야하는지조사해보자. 212 심화생명과학

조사하기대한적십자 http://www.redcross.or.kr/ 적십자에서헌혈시혈액검사항목과내용에대해조사해보자. 혈액은모든조직과조직그리고그세포들을연결시켜주는결합조직이다. 그렇기때문에혈액은모든기관과조직에서만들어내는다양한물질들을함유하게된다. 과학자들은이물질들을분석하여특정물질을만들어내는기관과조직의건강상태를알아낼수있는것이다. 혈액검사를손쉽게받을수있는방법은없을까? 헌혈을하면대한적십자에서는다양한검사를무료로해준다. 그검사에는 B 형간염, C형간염, AIDS, 매독과같은질병의이상유무와간 (liver) 세포의손상정도를알려주는 ALT, AST, 혈액속에있는 500종이상의단백질의양과그단백질의 2/3를차지하는알부민, 알부민과글로불린 (A/G) 비율, 콜레스테롤, 신장기능의지표인요소질소의양등을알수있다. 창의적상상하기 과학의발전으로혈액검사는어디까지발전할수있을까? 그리고그로인해우리들의생활에는어떤변화가일어날까? Ⅳ. 인체생리 213

02 혈액의구성 학 습 목 표혈액이무엇으로구성되어있는지설명할수있다. 현미경으로혈구를찾아관찰할수있다. 혈구의형태를기능과관련지어설명할수있다. 혈액은우리몸무게의약 8% 를차지한다. 이혈액은몸속구석구석으로이어진약 10만 km의혈관속을멈추지않고계속순환한다. 모든세포들이신선한혈액이오기만을기다리고있기때문이다. 혈액의기능과역할은매우다양하다. 혈액은혈장과혈구로나뉜다. 특히혈구는자신이맡은역할에따라독특한모양을하고있다. 혈구들은자신의역할을충실히수행하기위해어떤형태를가지고있으며, 그형태와역할에는어떤관련성이있을까? 탐구활동 혈구관찰 적혈구는산소와이산화탄소를운반하는혈구이다. 물질을운반하기위해어떤형태적특징을가져야할까? 어떤구조가가장효율적일까? 준비물 유의사항 CCD카메라가장착된현미경혹은촬영장치를준비 기구 : 현미경, 받침유리, 덮개유리, 채혈침, 마이크로미터 재료 : 혈액, 솜, 소독용알코올, 라이트염색액 ( 또는김자염색액 ), 고무밴드 방법및절차 (1) 손가락을고무밴드로묶고, 채혈할손가락끝을소독용알코올을묻힌솜으로깨끗이소독한다. (2) 채혈침으로손가락을찔러혈액이나오도록한다. 214 심화생명과학

(3) 혈액한방울을받침유리위에떨어뜨린다. (4) 혈액도말법으로혈액을얇게도말한다. (5) 얇게펴진혈액을공기중에서말린다. (6) 완전히마르면알코올을혈액에한방울떨어뜨린후, 다시공기중에서건조시킨다. (7) 라이트염색액을한방울떨어뜨리고 3분동안놓아두어염색한다. (8) 혈액이도말된면을아래로하고, 그뒷면에약한물줄기를흘려보내염색액을씻어낸다. (9) 덮개유리를덮고주변의물기를제거한다음현미경으로관찰한다. (10) 관찰한혈구의사진을찍고, 그길이를측정한다. 1 2 3 4 5 6 < 그림 Ⅳ- 2> 혈액도말법 1 혈액을받침유리끝에떨어뜨린다. 2 다른받침유리를앞으로가져간다. 3 혈액에닿아받침유리한면으로퍼지도록한다. 4 받침유리를서서히앞으로민다. 5 받침유리에혈액이묻어나지않을때까지밀어낸다. 6 혈액이도말되었다. 결과및논의 (1) 촬영한혈구의명칭과그특성을기록해보자. (2) 각혈구의형태와그기능에는어떤관련이있을지유추해보자. (3) 혈구는혈액의 45% 정도를차지한다. 측정한적혈구의크기를바탕으로우리몸속에들어갈수있는적혈구의개수를추정해보자. 연구과제 (1) 인간과다른동물들은어떤형태의혈구를가지고있을지탐구해보자. Ⅳ. 인체생리 215

혈액을채취하여시험관에넣고원심분리를하면 혈구와혈장으로분리된다. 윗부분의혈장은 55% 를 차지하고, 아랫부분의혈구는 45% 정도이며적혈구, 백혈구그리고혈소판으로구성되어있다. 혈구의대부분은적혈구가차지하고, 백혈구와혈소판은 1% 이하정도이다. 혈장 (55%) 백혈구와혈소판 ( 1%) 적혈구 (45%) 1) 적혈구 < 그림 Ⅳ- 3> 혈액의원심분리 적혈구는혈구의대부분을차지한다. 세포들은생명유지에필요한에너지를얻기위해서산소를반드시필요로한다. 적혈구는헤모글로빈을가지고있어붉게보이며, 산소를운반할수있다. < 그림 Ⅳ- 4> 모세혈관은 10 nm 정도로매우좁다. 또몸이굽혀지고눌리면모세혈관의굵기는더얇아지기도한다. 적혈구의모양은좁은모세혈관을지나가기에적합하다. < 그림 Ⅳ- 5> 혈액속의혈구 216 심화생명과학

적혈구는체내세포로는특이하게 핵이없는세포 이다. 같은표면적에핵이없어양면이둥글게패인원반모양으로내부부피에비해표면적이넓어져물질교환이원활히이루질수있다. 적혈구의이런형태는좁은모세혈관을빠져나갈수있다는점에서도움이된다. 2) 백혈구 백혈구는아메바운동을한다. 백혈구는체내로들어온병원체를직접제거하는식균작용을한다. 또한백혈구의일종인림프구가만들어낸항체는병원체의항원과반응해면역반응을일으킨다. 따라서건강에따라백혈구의수와종류가달라진다. 혈액속의항체종류의검사로질병의특성을확인할수있는것이다. 3) 혈소판 혈소판은혈구중에가장작다. 세포의조각으로핵이없는혈소판은혈액응고반응을유도한다. 추정하기 적혈구의수명은약 120여일이고, 백혈구는약 1주일정도이다. 그러므로혈구는지속적으로생산되어야한다. 하루에어느정도의혈구가사라지고만들어질까? 4) 혈장 혈액의 90% 가물이고, 7~9% 는혈장단백질로되어있다. 나머지는무기이온, 영양소, 호르몬, 노폐물등혈장이운반하는물질이다. 혈장단백질은혈액의점성과삼투압을유지하는데중요한알부민, 혈액응고에필요한피브리노겐, 면역에관여하는면역글로불린등이있다. Ⅳ. 인체생리 217

03 혈액의영양소수송 학 습 목 표혈액에의해영양소가수송됨을설명할수있다. 혈액속의영양소와소화를관련지어설명할수있다. 소화효소의특성을실험을통해설명할수있다. 1) 영양소 < 그림 Ⅳ- 6> 우리는매우다양한먹거리를가지고있다. 인간은먹어야한다. 먹지않으면고통을느낀다. 게다가한종류의음식만먹지도않는다. 지속적으로하나의음식만을먹게되면금세질리고다른음식을찾는다. 거리에는수많은음식점이다양한음식을팔고있고, 많은요리사들은새롭고다양한음식을만들기위해노력한다. 토론하기 인류에있어서다양한식생활이발달한이유를조사해보자. 우리가음식을찾는것은그속에우리에게필요한물질즉영양소가들어있기때문일것이다. 혈액은이영양소들을세포들에게잘전달해주어야한다. 혈액은어떤영양소를수송하고있으며, 그영양소는어디에서어떻게혈액속으로들어오게된것일까? 탐구활동 혈액이운반하는영양소 혈액이운반해야하는영양소에는어떤것이있으며, 그영양소는어디에서왔을까? 건강과영양소에는어떤관계가있을까? 218 심화생명과학

자료 영양소기준치 해석및논의 다음의표는우리몸에필요한각종영양소의기준치를기록한것이다. 물음에답하시오. 영양소 영양소기준치 영양소 영양소기준치 탄수화물 (g) 328 비타민 B2(mg) 1.2 식이섬유 (g) 25 나이아신 (mg NE) 13 단백질 (g) 60 B6(mg) 1.5 지방 (g) 50 엽산 (μg) 250 포화지방 (g) 15 비타민 B12(μg) 1.0 콜레스테롤 (mg) 300 비오틴 (μg) 30 나트륨 (mg) 2000 판토텐산 (mg) 5 칼륨 (mg) 3500 인 (mg) 700 비타민 A(μg RE) 700 아이오딘 (μg) 75 비타민 C(mg) 100 마그네슘 (mg) 220 칼슘 (mg) 700 아연 (mg) 12 철분 (mg) 15 실렌 (μg) 50 비타민 D(μg) 5 구리 (mg) 1.5 비타민 E(mg α-te) 10 망간 (mg) 2.0 비타민 K(μg) 55 크로뮴 (μg) 50 비타민 B1(mg) 1.0 몰리브데넘 (μg) 25 (1) 주영양소와부영양소를구분해보자. (2) 주영양소들은체내에서어떤역할을하는지설명해보자. (3) 부영양소들은체내에서어떤역할을하는지알아보자. (4) 영양소이동과정표현하기 1 큰전지에자신의몸을그리자. 2 음식물이영양소로분해되어혈액속으로이동하는과정을그려보자. Ⅳ. 인체생리 219

연구과제 (1) 건강과영양소에는어떤관련이있을지조사해보자. 조사하기영양표시정보 http://www.kfda.go.kr/nutrition/ index.do 음식과건강이어떤관련이있는지조사해보자. 우리가예로부터즐겨먹던음식에는선지나순대와같이동물의혈액을이용한것이있다. 우리선조들이혈액을음식재료로사용한이유중에는혈액이매우풍부한영양소를가지고있다는점도있을것이다. 혈액이각종영양소를가지고있는것은세포들이필요로하는모든영양소를공급해주어야하기때문이다. 그런데혈액속의영양소는어떤과정을통해들어온것일까? 2) 소화와소화제 음식물은혈액속에녹아흘러다니기에는너무큰고분자이다. 혈관속에서자유롭게이동하기위해서그리고세포들이직접이용할수있도록하기위해서고분자의물질을저분자의물질로소화시켜야한다. 탐구활동 아밀레이스의특성과작용 자장면을먹으면어떤사람에따라빈그릇에남는물의양이달라진다. 이는여러요인이있겠지만입속에있는아밀레이스와관련이있다. 인간의입속에서분비하는아밀레이스의양은개인차가있다. 아밀레이스의양과실제소화되는양은어떤차이가있을지탐구해보자. 220 심화생명과학

실험기구및재료 기구 : 분광광도계, 큐벳, 시험관, 시험관대, 비커, 스포이트, 컴퓨터, 마이크로피펫, 비커, 온도계, 알코올램프, 삼발이, 쇠그물망, 메스실린더, 눈금스포이트, 유리막대, 슬라이드글라스, 깔때기, 깔때기대, 시계 재료 : 뷰렛용액, BSA 3% 표준용액, 아이오딘용액, 베네딕트용액, 가용성녹말, 증류수, 성냥, 솜, 거즈 방법및절차 1) 단백질정량실험 (1) 입안을물로헹군후깨끗한솜조각을입에물고침을모아 5 ml 정도의비커에받는다. (2) 시험관 12개에 0부터 11까지번호를쓴다. (3) 각시험관에표준단백질용액을단백질용액의최종농도에맞도록해당양을아래표를참고하여나누어넣고, 증류수를넣어총부피를 1 ml가되게한다. (4) 11번시험관에침 1 ml를넣는다. (5) 0~11번시험관에뷰렛용액을 4 ml씩넣고섞는다. < 그림 Ⅳ- 7> 분광광도계와간이분광광도계 (Colorimeter) 시약 시험관번호 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 사용할표준단백질용액의양 (ml) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 넣어야할증류수의양 (ml) 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 단백질용액의최종농도 (mg/ml) 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0 (6) 상온에서 30분둔다 (1~2 시간동안은색깔이안정하다 ). (7) 분광광도계를이용하여 540 nm의파장에서각시험관속용액의흡광도를측정한다. (8) 단백질의농도를알아내기위한표준곡선을그리고, 회귀방정식을구한다. 생각하기 단백질의정량과정에서 540 nm 의파장을사용하는것은무엇때문일까? Ⅳ. 인체생리 221

방법및절차 2) 침의소화 (1) 입안을물로헹군후깨끗한솜조각을입에물고침을 5 ml 정도받는다. (2) 모은침을거즈로거르고 20 ml의증류수를섞어서희석한다. (3) 가용성녹말 1 g을증류수 100 ml에용해시켜투명하게될때까지가열하여 1% 녹말용액을만든다. (4) 슬라이드글라스를백지위에넣고, 2분간격으로각시험관의용액을한방울씩꺼내아이오딘반응을시킨다. 이때모든조의반응결과를한곳에모아다른조와비교한다. (5) 20분후각시험관용액에베네딕트반응실험을한다. 결과및논의 (1) 침속의단백질함량은어느정도인가? (2) 소하속도는사람들마다다르게나타난다. 그이유는무엇때문일까? 연구과제 (1) 침속의단백질은모두아밀레이스라고할수없다. 침속에는어떤물질들이들어있을지알아보자. (2) 사람마다침속단백질의함량이다른이유를알아보자. (3) 정량분석과정성분석의차이점은무엇인지알아보자. 66,000 45,000 36,000 29,000 (dalton) 침 1 침 2 침 3 마커침 4 침 5 침 6 < 그림 Ⅳ- 8> 침의전기영동결과 ( 침속의아밀레이스의분자량은약 50,000 dalton 정도이다.) 222 심화생명과학

사람의소화계는입에서시작하여식도, 위, 소장, 대장을거쳐항문에이르기까지기다란소화관과몇개의부속기관으로이루어져있다. 음식물은소화관을지나는동안소화샘에서분비되는소화효소에의해소화된다음영양소는흡수되고찌꺼기는몸밖으로배출된다. (1) 입음식물이입으로들어가면침샘에서침이분비된다. 입에서는음식물을씹어서잘게부수고혀를이용하여침샘에서분비된침과잘게부수어진음식물을섞는기계적인소화가일어난다. 동시에침속의아밀레이스는화학적소화를한다. 음식물을삼킬때는목젖이콧구멍으로통하는구멍을막아주고, 후두개가기관의입구를덮어식도로넘어가게된다. 식도는기계적소화인연동운동을통해음식물을위로이동시킨다. (2) 위위는수축성이큰근육질의주머니이다. 위의내벽에는주름이있다. 식도에서음식물이떨어지면위샘에서위액을분비한다. 위액은펩시노젠, 염산등이들어있다. 특히염산의분비는 ph를낮추고강한산성환경을유지시킨다. 이는음식물에섞여들어온각종세균들을살균시킨다. 위액속에포함된펩시노젠은비활성상태인데, 염산에의해펩신으로활성화된다. 이펩신은단백질을폴리펩티드로분해할수있다. 이와같이펩신이비활성상태로분비되는것은펩신에의해위자체가소화되는것을방지하기위해서이다. < 그림 Ⅳ- 9> 위벽에는분비조직과점막조직이존재한다. 위에서소화된음식물은반유동적인암죽상태가되어연동운동에의해위와십이지장사이에있는유문을통해십이지장으로내려간다. Ⅳ. 인체생리 223

식도 분문구멍 위 유문괄약근 5μm 소장 상피조직의주름 위벽의안쪽표면은깊게주름이잡혀있고관모양의위샘도입부인구멍들이점검이분포된다. 상피 위샘은어떠한위액의성분물질을분비하느냐에따라세가지유형으로나뉜다 : 점액세포, 주세포, 부세포. 펩시노젠 HCI 펩신 ( 활동적인효소 ) 펩시노젠과 HCI 이위내강으로분비된다. HCI 은펩시노젠을펩신으로바꾼다. 점액세포는안쪽에있는세포들을매끄럽게하고보호해주는점액을분비한다. 주세포는소화효소펩신의불활성화형태인펩시노젠을분비한다. 펩신은펩시노젠을더활성화시키고, 연쇄반응이시작된다. 펩신은단백질의화학적소화를시작한다. 부세포는염산 (HCI) 을분비한다. 주세포 부세포 < 그림 Ⅳ- 10> 위샘의분비 (3) 소장 간쓸개즙쓸개위산성유미즙장액 이자액 소장의십이지장 < 그림 Ⅳ- 11> 십이지장으로의분비 이자 길이가약 7~8 m인긴관의형태인사람의소장은위에서부터약 30 cm의십이지장, 그다음약 2 m의공장, 그리고나머지부위인회장으로이루어져있다. 이자에서분비되는이자액과간에서만들어진쓸개즙이십이지장으로분비된다. 이자액속에는여러가지소화효소와함께탄산수소나트륨이포함되어있다. 이것은위에서내려온산성의음식물을중화시키는작용을한다. 소장의안쪽벽에는많은장샘이있어장액을분비한다. 장액에는여러가지소화효소가들어있다. 소장에서는혼합운 동에의해음식물과소화액이섞이고, 연동운동에의해음식물이이동한다. 음식물은대부분소장에서소화된다. 입에서다소화되지못하고소장으로내려온녹말은이자액속에포함된아밀레이스에의해엿당으로분해된다. 엿당은장액속에들어있는말타아제에의해포도당두분자로분해된다. 또장액속에들어있는수크라아제는이당류인설탕을포도당과과당으로분해하고, 락타아제는이당류인젖당을포도당과갈락토오스로분해한다. 224 심화생명과학

이자액에포함된비활성상태의트립시노젠은장액의엔테로키나아제에의해트립신으로활성화되어폴리펩티드를분해한다. 그결과생성되는디펩티드나트리펩티드는장액에포함된여러가지펩티다아제에의해최종단계인아미노산으로분해된다. 지방의소화는소장에서시작된다. 쓸개즙은지방을유화시킴과더불어, 이자액에들어있는비활성상태의프로리파아제를리파아제로활성화시켜지방의소화를도와준다. 지방은리파아제에의해 3분자의지방산과 1분자의글리세롤로분해된다. 탄수화물의소화 단백질의소화 산의소화지 의소화 구강 위 소장 < 그림 Ⅳ- 12> 인체내에서의화학적소화과정 (4) 대장대장은소장의끝에서항문까지이르는비교적굵은관으로맹장, 결장, 직장의세부분으로나뉘며, 주로수분을흡수한다. 대장에서수분이빠진음식물찌꺼기가대변이며, 이것은직장의연동운동에의해몸밖으로배출된다. 한편, 대장속에는대장균을포함하여많은세균들이살고있는데, 이들에의해합성되는비타민과아미노산이대장으로흡수되기도한다. 소화가안된단백질이분해될때에는악취가나는가스가발생한다. Ⅳ. 인체생리 225

생각하기 식습관이서구화되면서대장암의발병률이높아지고있다. 그이유를생각해보자. 3) 간 간은몸속에있는제일큰장기로서성인의경우무게가 1.5 kg정도이며, 적갈색을띤다. 간은쓸개즙을생성하고, 해독작용을하며, 당을글리코젠으로저장하는저장고이다. 또한혈액응고에관여하는물질을생성하는등중요한역할을한다. 간의이러한기능을위해서는조직내의물질수송이원활해야한다. 간조직에지방이쌓이면물질의이동을저해하여기능을떨어뜨리게된다. < 그림 Ⅳ- 13> 간조직에는세포들간의뚜렷한경계가보인다. 이는물질들이이동하는통로이다. 지방덩어리 쓸개즙 큰지방덩어리는십이지장에서쓸개즙에의해유화된다. 기호 영양소흡수 정맥이긴문맥으로혈액을운반함 지방의작은미세융모방울들이쓸개즙 (brush border) 으로둘러싸임 이자효소리파아제에의한지방소화는유리지방산과모노글리세라이드를만들어내고이들은마이셀을이룬다. 지방산, 모노글리세라이드, 쓸개즙으로이루어진마이셀 ( 미포 ) 융모 근육층 장벽 모세혈관 상피세포 둥근큰주름 융모 림프관 암죽관 상피세포 소장의상피 암죽관의상피 암죽관 지방산과모노글리세라이드는마이셀을떠나확산되어상피세포로들어간다. 상피세로에서지방으로재결합되고킬로마이크론을형성한다. 지방성물질을포함하고있는킬로마이크론은엑소사이토시스에의해상피세로부터나와암죽관으로들어감으로써장으로부터림프로이동된다. < 그림 Ⅳ- 14> 소장의구조와흡수 226 심화생명과학

4) 영양소의흡수 소화된대부분의영양소는소장에서흡수되며, 대장에서는많은양의물이흡수된다. 소장의안쪽벽에는많은주름이있다. 이주름에는수많은돌기가나있는데, 이를융털이라고한다. 융털의겉은상피세포로되어있고, 상피세포에는무수히많은미세융털이나있다. 이와같은구조는소장안쪽벽의표면적을증가시켜소화된음식물과의접촉면적을넓혀소화된영양소를효과적으로흡수할수있게한다. 융털의가운데에는림프관의일종인암죽관이있으며, 이암죽관주위를모세혈관이둘러싸고있다. 소장의융털돌기에서흡수된영양소중수용성영양소인단당류, 아미노산, 무기염류, 수용성비타민등은물과함께흡수되어소장의상피세포를거쳐융털의모세혈관으로들어간다. 한편, 지용성영양소인지방산과글리세롤은상피세포안에서지방으로재합성된후지용성비타민과함께암죽관으로이동하게된다. 5) 영양소의이동과저장 융털의모세혈관으로흡수된수용성영양소는간문맥을거쳐간으로들어간다. 간에서여분의포도당은글리코젠으로합성되고, 나머지영양소는심장으로들어간다. 한편, 융털의암죽관으로들어간지용성영양소는림프관과가슴관을거쳐심장으로들어간다. 심장으로들어간수용성영양소와지용성영양소는혈액에의해온몸으로운반된다. 일부영양소는간이나근육, 피하, 장간막등에저장된다. Ⅳ. 인체생리 227

04 혈액과기체 학 습 목 표혈액속의기체를호흡과관련지어설명할수있다. 혈액에의해기체가수송되는원리를설명할수있다. 호흡과관련된실험을통해호흡의특성을설명할수있다. 응급상황에서쓰러진사람의상태를확인하기위해우선적으로 해야하는것은기도를확보해주는것이다. 호흡운동은생명을유지하는데가장기본적인운동이다. 호흡에는폐에서일어나는혈액과공기와의기체교환인외호흡과혈액과세포사이의기체교환인내호흡이있다. 혈액은외호흡을통해폐에서산소를얻고혈관을따라이동하여세포들에게공급한다. 응급상황에서단순히호흡을유지시키는것만으로도세포들은에너지를합성하는데필요한산소를얻을수있어생명을 < 그림 Ⅳ- 15> 기도를유지하기위해서유지할수있다. 바닥과귀가 90 가되도록한다. 호흡과정에발생하는이산화탄소는독성이있는노폐물이기때문에몸에서즉시제거해야한다. 혈액을매개로일어나는호흡에대해알아보자. 조사하기 호흡과정에산소는왜필요하며, 이산화탄소는어떤과정에서생성되는가? 1) 호흡운동 우리몸속의폐는공기주머니로존재한다. 외호흡을위해서는공기주머니인폐에항상새로운공기를공급해야한다. 그러나폐는스스로수축이완할수있는근육을가지고있지않다. 다시말해주변의무언가가폐로하여금운 228 심화생명과학

동하도록만들어야한다. 이런호흡운동은어떻게일어나는것일까? 그리고그운동은어느정도의힘이필요한것일까? 탐구활동 호흡운동과폐활량 사람의호흡운동은어느정도의힘으로일어나며, 호흡을통해어느정도의공기를순환시키는지탐구해보자. 실험기구및재료 기구 : MBL 장치, 압력센서, 호흡벨트, 컴퓨터 재료 : 긴비닐주머니, 1.5 L PET병 실험방법 - 호흡운동 (1) < 그림 Ⅳ- 16> 과같이가슴에호흡벨트를두르고, 압력센서를장착한다. (2) 압력센서를 MBL 장치에연결한다. (3) 압력을조절하여자연스럽게숨을쉬면서압력의변화가자연스럽게일어나도록조절한다. (4) 심호흡을하고최대한숨을내쉬면서압력변화를 5회측정한다. (5) 친구와이야기를하면서압력변화를측정한다. < 그림 Ⅳ- 16> 호흡벨트착용 실험방법 - 폐활량 (1) 긴비닐주머니, 1.5 L PET병만으로만들수있는폐활량측정장치를설계해보자. (2) 다음의폐활량측정기의원리를보고다양한재료를활용하여만들수있는폐활량측정장치를설계하고만들어보자. 예비흡기량 ( 최대로들이마실때일반호기량과의부피차 ) 최대흡기 움직이는방향 흡기 공기 펜 폐의전체용량 리터 최대호기 호기 폐활량계 물 < 그림 Ⅳ- 17> 폐활량측정기의원리 잔기량 ( 최대호흡후에도일정량은남아있다.) 통기량 ( 일반적호흡과정에서교환되는공기량 ) 예비호기량 ( 최대로내쉴때일반호기량과의부피차 ) Ⅳ. 인체생리 229

조사하기폐활량측정기를통해측정할수있는요소들은무엇인지조사해보자. (3) 만들어진장치를이용해폐활량을측정해보자. 실험결과및논의 (1) 흉강의압력변화의범위는얼마나되는지설명해보자. (2) 심호흡을하고최대한내쉬면일반적으로호흡하는것과어떤차이점이있는지설명해보자. (3) 호흡과소리를내는것은어떤관련이있는지말해보자. (4) 우리가하루동안호흡하는공기의양은얼마나되는지추정해보자. 연구과제 (1) 5 m 정도의긴비닐주머니를입에대고호흡을지속하면호흡수에는어떤변화가일어나는지탐구해보자. (2) 운동선수는일반인들과호흡량에어떤차이점이있을지알아보자. < 그림 Ⅳ- 18> 박태환의최대폐활량은보통사람의 2 배에가까운 7,000 cc정도에가깝다. 이는마라토너이봉주의 8,450 cc와비교해도크게뒤지지않는수치이다. 또 산소탱크 로소문난박지성의 5,000 cc, 많은양의산소를섭취해야하는쇼트트랙 간판 이정수의 5,140 cc를훨씬앞선것이다. 230 심화생명과학

사람의호흡운동은횡격막의상승과하강, 늑간근의수축과이완, 흉강의 부피변화가반복되어일어난다. 일반적으로성인은분당 18회정도호흡운동을하며, 매번 500 ml 정도의공기를들이마시고내보낸다. 갈비뼈근육이수축하면흉곽이팽창한다. 공기흡입 갈비뼈근육이이완되면흉곽이작아짐. 공기배출 폐 황격막 들숨횡격막이수축 ( 밑으로내려감 ) 날숨횡격막이이완 ( 위로올라감 ) < 그림 Ⅳ-19> 호흡운동 사람의호흡계는공기가이동하는통로인기도와가스교환이이루어지는폐로구성되어있다. 사람의코와연결된기도는 2개의기관지로갈라진다. 기관지는 4번가지를친후에세기관지로변하고, 16번가지를친후에는세기관지가연필심보다지름이더 < 그림 Ⅳ- 20> 쥐의기관기관에는수많은섬모가있어먼작아져폐포라는얇은벽으로지를걸러준다. 된공기주머니가나타나기시작한다. 6번더가지를친후에는폐포덩어리로끝나게된다. 기도에서는공기중의불순물이걸러진다. 미세한먼지는기관의상피세포에있는섬모와점액에의해걸러져가래와함께체외로배출된다. 하지만기도에서는가스교환이일어나지않는다. 폐의무게는약 1 kg 정도로좌우에하나씩있다. 오른쪽폐는 3조각이고, 왼쪽폐는 2조각으로나뉘어져있다. 왼쪽폐는오른쪽폐보다약간작다. Ⅳ. 인체생리 231

폐정맥의가지 ( 산소가풍부한혈액 ) 말단세기관지 폐동맥의가지 ( 산소가적은혈액 ) 인두 후두식도기도우폐 비강 ( 코안 ) 좌폐 50μm 폐포 기관지 50μm 세기관지 횡격막 ( 가로막 ) 심장 SEM 색을넣은 SEM < 그림 Ⅳ- 21> 사람의호흡계 2) 기체교환 평지에살던일반인이갑자기고지대로올라가면두통, 구 토, 호흡곤란을겪을수있다. 이것을고산병이라고한다. 높은곳에가면왜고산병이생기는것일까? 그답은호흡과정의기체교환원리에서찾을수있다. 폐는수많은폐포로구성되어있고, 폐포의표면에는모세혈관이분포해있어서폐포와모세혈관사이에산소와이산 < 그림 Ⅳ- 22> 폐포는매우얇은세포들로이루어져있고, 모세혈관과근접해있어, 혈액과의가화탄소의교환이일어난다. 한사람이가지고있는폐포수는스교환에적합한구조를하고있다. 약 3억개로가스확산이일어나는표면적은모두약 70 m 2 에이르고농구구장의 1/4정도에해당한다. 폐포에서의가스교환은분압차에의한확산에의해일어난다. 폐포내의산소분압은폐포를둘러싸고있는모세혈관속을흐르는정맥혈의산소분압보다더높으므로산소는혈액속으로확산된다. 한편, 폐포내의이산화탄소분압은모세혈관속을흐르는정맥혈의이산화탄소분압보다낮으므로, 이산화탄소는폐포속으로확산된다. 만일공기중의산소분압이낮아지면공기와정맥혈의산소분압차이가작아지므로공기쪽에서혈액으로확산되는산소량이적어지게된다. 232 심화생명과학

3) 기체수송 적혈구에는엄청난양의헤모글로빈 분자가들어있다. 헤모글로빈은네개의폴리펩타이드소단위체로이루어진단백질이다. 이폴리펩타이드들은각각한개씩의헴기를가지고있고, 이헴기는 4분자의산소와결합할수있다. 산소와헤모글로빈의결합은 S(sigmoid) 자형태를나타낸다. 산소에대한헤모글로빈의친화력은변할수있는데, 그에따라조직으로제공할수있는산소의양도달라진다. 헤모글로빈에대한 ph의영향은보어효과 (Bohr effect) 로알려져있다. 운동중인근육같이활동중인조직을지나갈때혈액은젖산, 지방산, 이산화탄소 같은대사산물들에의해 ph가내려간다. 과잉의 H + 이온은산소가없는헤모글로빈과결합하고그헤모글로빈의산소친화력은감소하게된다. 혈액의기체수송에서산소와함께다른한부분을차지하는것이이산화탄 소이다. 이산화탄소는혈액내에서중탄산이온 (HCO 3 - ) 의형태로수송된다. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - 이산화탄소가조직에서혈액으로이동하면적혈구내의탄산탈수소효소 (carbonic anhydrase) 에의해탄산염 (H 2 CO 3 ) 으로빠른속도로전환된다. 탄산염은다시해리되어중탄산이온이되고, 이것이 Cl - 와교환되면서혈장으로이동된다. 폐에서는이산화탄소와중탄산이온의반응이반대가된다. 호흡운동은지속적으로폐포속의이산화탄소분압을낮은상태로유지한다. < 그림 Ⅳ- 23> 산소는헤모글로빈과결합하고해리되면서수송된다. < 그림 Ⅳ- 24> 산소의해리도는주변환경에따라변한다. 조직에서생성 폐포 모세혈관내피 모세혈관내피 체조직 모세혈관 모세혈관 < 그림 Ⅳ- 25> 혈액의이산화탄소수송과정 체조직 Ⅳ. 인체생리 233

05 혈액의순환 학 습 목 표심장의구조와기능을설명할수있다. 혈관의종류와특징을설명할수있다. 혈압의측정원리를알고혈압을측정할수있다. 자신의몸에서심장이있는위치를한번짚어보자. 대부분학생들은왼쪽가슴에손을얻고심장박동을느끼려한다. 하지만심장은왼쪽가슴부위가아니라가슴한가운데갈비뼈들이붙어있는딱딱한흉골아래에들어있다. 다만주먹보다조금큰근육질로이루어진심장이좌측으로기울어져있는모양을하고있을뿐이다. 심장의운동량은실로대단하다. 심장이한번수축하면좌심실에는약 120 mmhg의압력이생기는데, 이런운동을 1분에약 60~80번, 하루면 10만번이넘게운동한다. 약 10만 km가넘는혈관으로온몸의조직으로보낼산소와영양소가든약 5,600 L 이상의혈액을순환시키는장기가바로심장이다. 심장은혈액을온몸으로순환시키는장기이다. 이장기가멈춘다는것은혈액의역할이멈추는것과같은것이다. 이런이유로조상들은심장의멈춤은곧죽음으로받아들였다. 그런데심장이혈액을순환시키는압력은어떻게측정할수있을까? 탐구활동 혈압의측정원리와측정 환자의건강상태를확인하는과정에가장기본적인것이바로혈압측정일것이다. 그런데신체내부에서일어나는혈압의변화를어떻게측정할수있는것일까? 실험기구및재료 기구 : 혈압계, 청진기실험방법 (1) 팔부위의옷을올리고, 혈압기의압박대를팔이접히는부분에서약 234 심화생명과학

1cm 위쪽에감는다. (2) 펌프로압박대의압력이 140 mmhg정도가되도록공기를주입하고, 팔부위에맥박이뛰는곳을찾는다. (3) 압박대의압력을낮추면서압박대와팔사이에끼운청진기를통해동맥에서나는소리를듣는다. (4) 압박대의압력을계속서서히낮추면서청진기를통해 툭 하는소리가날때의압력을측정한다. (5) 이과정을여러번하며평균값을구한다. 실험결과및논의 (1) 혈압이측정될수있는원리를설명해보자. (2) 심장의박동과혈압과의관계를설명해보자. 연구과제 (1) 자동혈압계의원리와비교해보자. 적색의동맥은좌심장을통해온몸으로산소를지닌혈액을운반한다. 상대정맥 대동맥 폐판막 대동맥폐동맥 폐 하대정맥 비장간신장 소장결장청색의정맥은우측심장으로이어져폐순환을통해혈액에산소를공급한다. 1 2 3 폐로이동상대정맥폐에서들어옴 조직에산소를공급한혈액이우심방으로들어옴 삼첨판을거쳐우심실로들어옴 우심실은혈액을폐로이동시킴 대정맥 우심방 폐로이동폐에서들어옴폐정맥 4 5 폐순환을거친혈액이좌심방으로들어옴 이첨판을거쳐좌심실로들어옴 6 좌심실은혈액을온몸으로보냄대동맥판막 < 그림 Ⅳ- 26> 심장의구조와순환 Ⅳ. 인체생리 235

1) 심장 심장은매우독특한구조로구성되어있다. 하나의장기인심장은두개의펌프를작동시키는 2 in 1 시스템으로만들어져있다. 좌우에두개의심방과심실이각각들어있으며, 좌우의 1심방 1심실이중벽이라는격벽으로완전히분리되어있다. 우심실은폐로혈액을보내혈액이산소를많이가질수있도록한후좌심실로보내고좌심실은산소가많은동맥혈을높은압력으로혈관으로내뿜어온몸구석구석으로공급한다. 즉심장은폐로혈액을보내는순환펌프와온몸으로혈액을보내는순환펌프두개가하나로합쳐진모습을하고있다. 우리몸에는 3종류의근육이있다. 팔과다리, 등과같이뼈에힘줄이붙어있어골격의움직임을담당하는골격근, 소화기관을구성하면서소화운동을담당하는내장근, 그리고하루도쉬지않고온몸으로혈액을공급하는심장을이루고있는심근이바로그것이다. 3종류의근육들은구조적으로독특한모습을하고있지만, 모두전기적자극으로움직이는공통점을가지고있다. 우리가움직이기위해서는근육에적절한전기적자극을주어야한다. 춤을추거나걷거나달리거나하는행동을하기위해뇌나척수에서적절한전기적신호를신경을통해근육으로내려보낸다. 뇌와척수는우리가인식하고있는운동과호흡과같은자율적인운동을대부분통제하고있다. 그런데뇌와척수의조절을받지않고자기장단에춤추는근육이있다. 그것은바로심장이다. 심장에는자신이춤출장단인전기적자극을스스로규칙적으로만드는곳이있는데, 그것이바로동방결절이다. 동방결절을영어로 pacemaker라고부르는이유도바로여기에있다. 박동원이수축신호를생성 방실결절에서신호가지체됨 신호가심장의기저부까지전달 심실전체에신호가퍼짐 동방결절 ( 박동원 ) 방실결절 가지다발 심장기저부 푸르키네섬유 ECG < 그림 Ⅳ- 27> 심장박동과심전도 236 심화생명과학

동방결절은우심방의윗벽에있다. 이곳에서만들어진전기적자극은심방을수축시킴과동시에심방과심실사이에위치하고있는방실결정을자극한다. 이는다시전기적신호로바뀌어좌우심실로전기적자극이이동하여강한심실의수축을일으킨다. 이런전기적자극이흐름으로인해심방의수축후심실의수축이리듬을타면서일어날수있다. 또한전기적자극이심실아래로이동한후심실의위쪽으로이동하여아래에서부드럽게위쪽으로짜줄수있는운동을하는것이다. 자율신경계또한심장을조절할수있다. 자율신경계는심장으로서로반대되는역할을담당하는교감신경과부교감신경을연결해심장박동의속도를높일수도있고낮출수도있다. 예를들어놀라거나달릴경우자율신경계의교감신경이심장을자극하여심박수가높아지고, 잠을자거나기분이저하되면부교감신경이심장을자극하여심박수를낮춘다. 2) 혈관계 혈관은동맥, 정맥, 모세혈관으로구분할수있다. 심장이내뿜는혈액은동맥을통해각조직으로분포한모세혈관으로이동되고, 모아진혈액은정맥을통해심장으로돌아온다. 동맥의경우심장의강한압력을견뎌야한다. 그런이유로구조적으로탄력섬유층이발달해있다. 심장이혈액을뿜으면팽창했다가수축하게되고, 이때생기는힘은동맥으로혈액이흐르는것을도와준다. 목이나손목에서혈압을느낄수있는것도바로이런이유때문이다. 정맥은몸의각조직에서심장으로들어오는혈액이흐르는혈관이다. 특히정맥에는판막이있어낮은혈압에도혈액의역류를방지한다. 동맥 판막내피기저막탄성층평활근 정맥 탄성층 결체조직 < 그림 Ⅳ- 28> 동맥과정맥의구조 Ⅳ. 인체생리 237

모세혈관은한층의세포로되어있으며온몸에그물모양으로퍼져있다. 혈 관중총단면적이가장넓고혈류속도도느려물질의교환에유리하다. 높음 큰동맥 작은동맥 혈압 소동맥 모세혈관 소정맥 정맥 혈류속도 총단면적 낮음 큰동맥 작은동맥 소동맥 모세혈관 소정맥 정맥 < 그림 Ⅳ- 29> 모세혈관의구조와특성 심장이혈액을내뿜는힘으로인해혈관이압력을받게되는데, 이것이바로혈압이다. 성인의경우동맥의혈압은심장이수축할때 120 mmhg, 심장이이완할때 80 mmhg 정도이다. 수축기와이완기의차를맥압이라고하는데, 심장으로부터밀려나가는혈액량이증가하거나나이가많아혈관벽의탄력성이감소하면맥압은증가한다. 20 세일반인의정상혈압은 120/70 이다. 이숫자의단위는 mmhg 로, 120 mmhg 라면 120 mm 높이의수은기둥이가하는압력과같다는뜻이다. 띠의압력이점점낮아지면혈액이흐르는소리가들리지않게된다. 이는동맥의혈루가외부압력에막히는일이없이흐른다는것을의미하며이시점에서기압계에나타나는값이심장의이완기때동맥에남아있는이완기혈압에해당한다. 측정된혈압 : 120/70 띠의압력이 120 보다작아짐 띠의압력이 120 이하로떨어짐 띠의압력이 70 이하로떨어짐 고무띠에공기를채운다. 120 120 70 동맥 동맥이닫힘 청진기를통해소리가들림 소리가멈춤 혈압계는팽창가능한고무띠가기압계에연결되어있는구조로서동맥의혈압을측정한다. 고무띠를위팔에감은후이띠에공기를불어넣는다. 동맥의혈압보다높은압력이주어지면혈관이완전히막혀혈액이흐르지않게된다. 그림과같이청진기로소리를들으면서천천히공기를빼면어느순간에동맥으로혈액이흐르기시작하는소리를들을수있다. 이때가바로띠의압력과수축기혈압이같아지는순간으로이때기압계의눈금을읽으면수축기압을측정할수있다. < 그림 Ⅳ- 30> 혈압측정의원리 238 심화생명과학

3) 혈액의순환 심장의순환은체순환과폐순환으로이루어져있다. 체순환의경우좌심실의수축으로동맥으로밀려나온동맥혈이모세혈관을거치면서산소와영양소를공급하고노폐물을가지고나오며정맥혈이되어우심방으로들어가는순환이며, 폐순환의경우폐동맥을따라정맥혈이폐로들어가산소를공급받아폐정맥을따라동맥혈이다시좌심방으로들어가는순환을말한다. 혈액외에도림프들은림프관의수축, 팔과다리의운동시일어나는근육의수축등에의해일어나며, 판막에의해한방향으로흐르게된다. 모세혈관으로들어온혈액은혈압과혈압의삼투농도에의해혈장이조직으로이동하게되는데, 빠져나가는양이들어오는양에비해많다. 조직세포 세포사이액 모세혈관 적혈구 15 μm 모세혈관 액이빠져나옴 액이들어감 동맥에가까운모세셜관에서는혈압이삼투압보다높기때문에액체성분이세포사이액으로빠져나간다. 혈류방향 압력 혈압 삼투압안으로흘러들어옴 정맥에가까운곳에서는혈압이삼투압보다낮기때문에세포사이액에서모세혈관으로액체성분들이이동한다. 모세혈관의동맥쪽끝 모세혈관의정맥쪽끝 < 그림 Ⅳ- 31> 모세혈관의특성 특히모세혈관에는괄약근이있어혈액의양을조절할수있다. 운동을하면붉어지거나날씨가추워지면얼굴이창백해지는것이그런까닭이다. 새동맥 모세혈관전괄약근 직통도 모세혈관서정맥 < 그림 Ⅳ- 32> 모세혈관의괄약근 탐구하기 MBL을활용하여온도센서를손에잡고, 차가운물에 3분정도손을담군후꺼내어손바닥체온의변화와 42 에 3분정도손을담군후꺼낼경우체온변화의차이점을알아보자. Ⅳ. 인체생리 239

06 혈액과배설 학 습 목 표노폐물의생성과정을설명할수있다. 배설계의구조에대해설명할수있다. 혈액내의노폐물이배설되는과정을설명할수있다. < 그림 Ⅳ- 33> 도시의쓰레기를버리지않으면어떻게될까? 사람들이만들어내는쓰레기의양과종류는어마어마하다. 전세계적으로많은국가들이쓰레기문제로몸살을앓고있다. 며칠동안도심의사람들이만들어내는쓰레기들을청소하지않으면어떻게될까? 도심의사람보다훨씬빽빽하게자리잡고있는우리몸의세포들을생각해보자. 그세포들이만들어내는각종노폐물을청소하지않으면어떻게될까? 우리몸속노폐물을매일매일운반하는혈액. 그렇다면이혈액속의노폐물은어디에서어떻게깨끗하게제거하는것일까? 1) 노폐물의생성 영양소는에너지원, 체구성물질등으로사용된다. 이과정에서이화와동화과정의물질대사가일어나게되면서, 노폐물이생성되게된다. 조사하기 우리몸속에서노폐물이생성되는과정과종류에대해조사해보자. 호흡과정에서사용되는탄수화물의경우노폐물로이산화탄소와물이발생하게된다. 이산화탄소의경우대부분외호흡을통해배설되고, 물은오줌이나땀으로배설된다. 단백질이나핵산의경우는탄수화물과지질과는달리질소를포함하고있다. 이영양소가분해되고나면이산화탄소와물이외에도질소노폐물을만들게된다. 240 심화생명과학

질소노폐물의대표적인예는독성이강한암모니아이다. 혈액은이암모니아를간으로수송한다. 간은이암모니아를독성이암모니아의 10만분의 1 정도로약한요소로전환시킨다. 요소는물에잘녹아혈액을따라신장으로운반된다. 신장은혈액에서요소를제거한후오줌으로배설한다. 2) 배설기관 하대정맥신동맥과신정맥대동맥수뇨관방광요도 신장 ( 콩팥 ) 속질 ( 수질 ) 겉질 ( 피질 ) 신우 (a) 배설계와주요연결혈관들 수뇨관 (b) 신장의구조 쥐의신장단면 겉질 신동맥으로부터나온수입세동맥 사구체보먼주머니 근위세뇨관세뇨관주위모세혈관 집합관 속질 20 μm SEM 사구체에서나온수출동맥 원위세뇨관 신우로이동 신정맥의분지 집합관 (c) 네프론 헨레고리 하행지상행지 직행모세혈관 < 그림 Ⅳ- 34> 사람의배설계 (d) 여과액과혈액의흐름 Ⅳ. 인체생리 241

말피기소체네프론중사구체와보먼주머니를말한다. 현미경을이용한동물해부학의창시자인이탈리의의학자인말피기 (Malpighi, M. ; 1628~1694) 에의해발견되었다. 혈액속의노폐물을체외로배설하는기능을담당하고있는우리몸의장기는신장이다. 신장은횡격막아래부분에있는소화기관의뒤등쪽에한쌍으로존재한다. 각각의크기는주먹만하다. 이신장을횡으로자르면신장의겉부분인겉질 ( 피질 ) 과속부분인속질 ( 수질 ) 로구분되며, 내부의오목한부분은신우라고한다. 혈액은많은노폐물을가지고신동맥을따라신장으로들어가고, 신정맥을따라나온다. 이과정에서네프론 ( 신단위 ) 에의해노폐물이걸러지게된다. 네프론은모세혈관의덩어리인사구체, 사구체를감싸고있는보먼주머니, 그리고긴관으로이루어진세뇨관으로구성되어있으며, 각신장에는 100만개정도의네프론이달려있다. 혈관은가능한한노폐물을많이배설하고, 필요한물질을보존하기위해네프론을따라두가지의모세혈관망을가지고있다. 하나는신동맥에서신장으로들어온후오줌을걸러내는사구체이며, 다른하나는사구체를지난혈액이오줌이만들어지는세뇨관주위를지난후신정맥으로들어가는모세혈관망이다. 세뇨관은형태와역할에따라크게사구체와연결된근위세뇨관, 신장의속질로이동하면서머리핀모양으로생긴헨레고리, 집합관으로연결되는원위세뇨관으로나눌수있다. 세뇨관은집합관으로연결되며, 집합관은 < 그림 Ⅳ- 35> 토끼의신장조직 ( 사구체와조밀하게분포한세뇨관그리고많은작은혈구들을볼수있다.) 신우로이어지며, 신우는수뇨관으로방광과연결되어있다. 3) 신장의기능 신장의기능은혈액속의노폐물을모아오줌으로배설하는것이다. 이작은장기가온몸에서만든노폐물을어떻게제거할수있는것일까? 탐구활동 혈장과오줌의성분분석 혈액이운반하는물질과오줌속에있는물질은어떤차이가있을까? 242 심화생명과학

자료 혈장과오줌의성분분석표, 뇨검사지 해석및논의 다음표는정상적인사람의혈장과오줌속에포함되어있는몇가지물 질들의함량을비교한것이다. 물음에답하시오. 성분 혈장 (%) 오줌 (%) 물 90~93 95 단백질 8~9 0 포도당 0.1 0 Na + 0.3 0.35 K + 0.02 0.15 요소 0.03 2.0 요산 0.002 0.02 기타 < 1.0 < 0.8 (1) 혈장과오줌의성분비에서다른점은무엇인지말해보자. (2) 오줌에서요소의농도가혈장에비해높은까닭을설명해보자. 연구과제 (1) 정상인과달리당뇨병환자의경우오줌에당이검출된다. 그이유를설명해보자. (2) 신장의신동맥과신정맥의혈장성분에는어떤차이점이있을지설명해보자. (3) 뇨검사지를통해알수있는것은무엇이며, 그정보들이건강과어떻게관련이있는지알아보자. < 그림 Ⅳ- 36> 뇨검사지를이용하면신장의이상, 당뇨등에대한검사를쉽게할수있다. Ⅳ. 인체생리 243

신장으로들어오는혈장과나가는혈장에많은변화가일어난다. 신장은네프론을이용해혈장을여과하고, 그여과액을세뇨관으로이동시키며다시주변의모세혈관과재흡수및재분비과정을통해오줌을만든다. 신장으로들어오는혈압은오줌의생성에매우중요한요소이다. 신장으로들어오는신동맥은더작은소동맥으로갈라져사구체로이어진다. 사구체에서다시모세혈관으로이어진다. 구조적으로사구체로들어가는혈관의지름이나오는혈관의지름보다크기때문에사구체의모세혈관에는높은압력이가해진다. 이압력은오줌의혈장을밀어내게되고, 크기가큰혈구, 단백질, 지질등을제외한작은입자의성분들이보먼주머니로흘러나가게된다. 이를여과라고한다. 이여과를통해만들어진오줌을원뇨라고한다. 원뇨는이런방식으로하루에약 180 L가만들어진다. 그런데우리가원뇨의형태로그대로배설을하게되면어떻게될까? 인체가원뇨를그대로배설한다는것은곧죽음을의미할것이다. 이원뇨를최대한농축시키고작은입자중에서우리몸에꼭필요한것들을다시몸속으로흡수하는것은생명을유지하기위해당연한일이다. 원뇨가세뇨관을통과하는동안대부분의물, 작은입자의비타민, 아미노산, 포도당, 각종무기염류들은재흡수된다. 한편여과를통해배설하지못한혈액내의노폐물들은역시재분비라는과정을통해세뇨관으로보내지고배설되게된다. 조사하기 혈액내의노폐물들이어떻게재흡수와재분비될수있는지조사해보자. 혈액은신장의여과, 재흡수, 재분비과정을거치면서노폐물을제거하게된다. 244 심화생명과학

읽을거리 냉동인간 신장암으로시한부인생을살던미국의심리학자베드퍼드는 1967년 73세의나이로미래에암치료법이나오기를기다리며냉동인간이되었다. 냉동인간은말그대로인간을얼려버리는기술이다. 냉동상태에서는시간이멈춰버린다. 이렇게시간이멈춘다는것은사람의상태를그대로고정시킬수있다는것을말한다. 고정된냉동인간은뇌활동이멈춰버리고결국몇백년, 몇천년후에깨어난다하더라도그저잠시잠이들었던것처럼느끼게된다. 과연그는암치료법이개발된미래에깨어날수있을까? 이런꿈같은일이그저인간을얼려버린다고이루어지는것은아니다. 수많은과학적연구와기술이필요하다. 액체가냉각되어급격히굳어지는온도인유리전이점 (glass transition temperature) 에도달하게되면액체의점성이급격하게증가하다가유리에가까운고체상태가돼분자들이고정된다. 그온도는약영하 120 이다. 유리전이점보다높은온도에서는아주느리게화학반응이일어나지만그보다낮은온도에도달하게되면분자들은움직임을멈추고화학반응도일으키지못하게된다. 인간을냉동시키는데가장큰걸림돌은물이다. 물이얼면부피가증가한다. 예를들어혈액의경우혈장의 90% 가물이다. 혈액이얼면부피가늘어날것이다. 이는몸전체에퍼져있는모든혈관들의손상으로이어지며, 그와인접한기관들의파괴도어쩔수없는일이다. 그래서냉동전에인체에서혈액을모두제거한후동결방지제를주입해야혈관과조직의손상을막을수있다. 인체냉동보존기술에서는이렇게동결방지제를사용하여얼음이생기는것을막아조직과세포들을손상없이보존시키는기술을유리화 (vitrification) 라고한다. 냉동을할수있다고문제가끝나는것은아니다. 해동하는기술도상당히중요하기때문이다. 동결방지제로사용하는글리세롤의독성은세포에게피해를준다. 이미냉동인간이돼소생을기다리고있는냉동인간들을소생시키는방법은아직없다. 해동과정에서가장중요한요소는 뇌의기억을살릴수있는가? 하는문제이다. 냉동인간으로불치의병을치료하게되었다고해도기억이없어지거나손상되어온전한기억으로살수없다면냉동인간을선택할이유가그만큼없기때문이다. 즉자아의식이사라지며언어를비롯한기초적인인간의관습들도모두새로배워야할지도모른다. 이렇게해동과정이중요한것은그과정에서치명적인정신적, 신체적손상이뒤따를수있기때문이다. 과학자들은이런문제점을나노기술이해결해주리라기대하고있다. Pre-1992(3 몰글리세롤 ) Pre-1992(4 몰글리세롤 ) Ⅳ. 인체생리 245

1992-2001(7.5 몰글리세롤 ) 2001 년이후 ( 최근유리화기술 ) 냉동후해동시킨뇌조직의현미경사진 - 냉동과해동기술의발달로조직을보존하는 데획기적인발전을보이고있다. 토론하기 1. 누군가냉동인간이보관된냉동고를고의로훼손하였다면, 그는살인자인가? 기물파손범인가? 2. 냉동인간이되기위해서는현재에도엄청난돈을지불해야한다. 과연이렇게많은돈을지불하면서미래를보장받지못하는냉동인간을선택하는것이합리적인선택인지토의해보자. 246 심화생명과학

혈액검사 혈액은인체의모든세포들을하나로이어주는결합조직이다. 혈액에는인체의건강상태를알려줄수있는다양한정보가들어있어, 혈액건강검진의주요항목이다. 정리하기 혈액의구성 혈액은혈장과혈구로이루어져있다. 혈구에는적혈구, 백혈구, 혈소판이있으며, 저마다의역할에맞는적절한형태를가지고있다. 혈장은다양한물질들의수송, 삼투조절등의중요한역할을한다. 혈액과영양소 혈액은인체에필요한모든영양소를수송한다. 인체에필요한영양소는음식에들어있으며, 인체는소화기관을통해소화과정을통해소장에서흡수된다. 소화기관은기계적인운동과다양한효소들을통해고분자의화합물을흡수가가능한저분자의화합물로소화한다. 혈액과기체 혈액은인체에필요한산소를공급한다. 호흡운동은횡격막의상승과하강, 늑간근의수축과이완, 흉강의부피변화가반복되어일어난다. 폐포나조직에서의기체교환은가스의분압차에의해일어난다. 산소는적혈구의헤모글로빈에결합되어이동하며, 산소와헤모글로빈의친화력은주변환경에영향을받는다. 이산화탄소는적혈구의탄산탈수소효소에의해탄산염 (H 2 CO 3 ) 으로빠른속도로전환되어수송된다. Ⅳ. 인체생리 247

정리하기 혈액의순환 혈액은심장의운동에의해혈관을따라이동한다. 심장은폐순환을담당하는우심장과체순환을담당하는좌심장으로이루어져있다. 혈관은동맥, 정맥, 모세혈관으로구분되며, 혈액의순환에적절한특성을가지고있다. 심장의수축으로동맥이압력을받게되는혈압은혈압계를이용해측정이가능하다. 혈액과배설 혈액은인체의세포들이만들어낸각종노폐물을함유하고있다. 신장은네프론을통해노폐물을걸러낸다. 신장은여과, 재흡수, 재분비과정을통해혈액속의노폐물을제거한다. 248 심화생명과학

1. 산소분자는대기중에서인체내로들어가세포내에서노폐물이되어몸밖 논술및토의 으로나오게된다. 1) 이과정에서산소가겪게되는생물학적과정들을설명해보자. 2) 산소는세포내의어디에서어떤과정을통해어떤노폐물이되는지말해보자. 2. 심장에서나온혈액이계속해서순환할수있는이유에대해설명해보고, 이를실생활에적용한예는어떤것이있는지토의해보자. 3. 다음을읽고물음에답하시오. 트랜스지방이심혈관계질환을일으키고각종성인병의원인이될수있다고밝혀졌다. 트랜스지방은시스형이아닌트랜스형의이중결합이한군데이상있는지방산이다. 트랜스지방의일부는유제품지방이나반추동물의고기에서유래하지만, 대부분액체상태의식물성기름을고체화하는과정에서수소를첨가할때와식품을기름에튀기거나고온으로처리할때생성된다. 트랜스지방은흔히 나쁜콜레스테롤 이라고부르는혈액의 LDL 농도를높이고, 좋은콜레스테롤 이라고하는 HDL 농도를낮추는기능이있다고보고되고있다. 트랜스지방이많은식품으로는마가린, 쇼트닝, 피자, 감자튀김, 케이크, 쿠키, 팝콘같은가공식품과인스턴트식품, 패스트푸드를들수있다. 현재많은식품업체들은 트랜스제로 를선언하는등트랜스지방의사용을엄격히관리하고있다. 1) 지질의특성에대해조사해보고, 혈액내의 HDL 농도와 LDL 농도가중요한이유는무엇인지설명해보자. 2) 건전한식생활이중요한이유에대해토론해보자. Ⅳ. 인체생리 249

2. 동적평형 ( 인체의조절 ) 01. 항상성조절 02. 뉴런의자극전달 03. 신경계의구조와기능 04. 내분비계 05. 인체의항상성조절과정 인체 대도시의도로는언제나혼잡하다. 출퇴근시간에는더욱그렇다. 이런복잡한도로에서차들을통제하는것이바로신호등이다. 차들의혼잡한정도에따라신호등의신호길이를달리하면차량의흐름을더욱효과적으로통제할수있다. 그런데만약복잡한출퇴근시간에시내한복판에서신호등이고장나면누가신호등이고장났다는것을알수있을까? 도로는어떻게될까? 그리고신호등이다고쳐졌다는것은어떻게알수있을까? 인체는대도시의도로보다훨씬더복잡한체계를가지고있다. 모든세포들이유기적인관계를맺고살아가는인체는어떻게모든세포들을통제하고조절할수있을까? 이단원에서는인체의동적평형상태인항상성을신경계와내분비계가어떻게조절하는지알아보자.

01 항상성조절 학 습 목 표항상성의의미를설명할수있다. 피드백의원리를설명할수있다. 생활주변에서볼수있는항상성조절을찾을수있다. 인체의생리작용을위해서는외부환경과는다른특별한내부환경이필요하다. 내부환경은모두세포외액으로이루어져있고, 모든세포들은그안에잠긴상태로영양분을공급받고노폐물을방출한다. 이렇게내부환경에의해보호되어야만세포들은생명을유지할수있는것이다. 하지만인체내부환경은외부환경에의해끊임없이교란되며, 인체내부활동에의해서도교란된다. 마라톤선수를생각해보자. 선수가뛰는동안외부온도, 습도등은계속해서변한다. 또한인체내부환경은운동으로급격한변화가일어난다. 마라톤을뛰기위해세포들은많은양의영양소를사용하여에너지를발생시키지만, 이과정에서이산화탄소와젖산등의노폐물이쌓이게되며, ph가떨어지게된다. 또신체내부의온도는상승하고, 그로인해지속적으로땀을흘리게되면서체액의양도변하게된다. 하지만인체는운동을하는동안체내의환경변화를적절히조절하면서지속적으로운동할수있도록해준다. 만약그어느것하나라도조절되지못하면어떻게될까? < 그림 Ⅳ- 37> 마라톤을완주하기위해서는몸속환경이잘조절되어야한다. H 2 O H 2 O 고장액등장액저장액 < 그림 Ⅳ- 38> 적혈구는주변농도에의해형태가결정된다. < 그림 Ⅳ- 39> 해수어를담수에넣으면살지못한다. 또담수어를해수에넣어도살지못한다. 왜그럴까? Ⅳ. 인체생리 251

적혈구가기체를수송하기위해서는형태가매우중요하다. 적혈구를고장액에넣으면쭈그러들고, 저장액에넣으면터져버린다. 즉적혈구내부의삼투농도와외부의삼투농도가어느정도비슷하지않으면형태를유지할수없다. 적혈구가자신의형태를유지하기위해서는적혈구내부의삼투농도와비슷한농도인등장액의환경이필요하다. 결국혈장의삼투농도가일정하게유지되기때문에적혈구가자신의역할을적절히수행할수있는모양을유지하고있는것이다. 내부환경의조건을일정하게유지하는것을우리는항상성조절이라고하는데, 복잡한조직과기관을가지고있는동물들에게는필수적인특징이라고할수있다. 토론하기 체액의삼투조절이실패할경우어떤일이일어날수있는지토론해보자. 1) 인체와시스템 항상성조절에있어서인체의기관들은유기적인관계에있다. 만약어떤기관이자신이맡은항상성조절임무에실패하게되면그기관에영향을주는것으로그치는것이아니라, 전신체에영향을주어매우심각한결과를초래할수있다. 이는인체가하나의시스템 (System, 계 ) 이기때문이다. 시스템은전체적으로의미가있도록서로상호작용하는요소들이나과정들의집합을말한다. 시스템에는 1 요소 2 경계 3 요소간의상호작용 4 투입과산출물이라는특성이있다. 시스템의예에는박테리아, 우주, 태양계, 지구, 인체등이있다. 그럼인체는시스템으로서어떤특성을가지고있을까? 탐구활동 인체와시스템 인체는하나의시스템이다. 인체를시스템의관점에서바라볼경우어떻게설명할수있을까? 자료 시스템분석표 252 심화생명과학

해석및논의 (1) 인체의어떤면들이시스템의각특성에해당하는지말해보자. (2) 인체의소화계, 순환계, 배설계, 신경계등을시스템의특성으로분석해보자. 경계 요소 투입 상호작용 산출물 요소 연구과제 (1) 작은어항에수족관을꾸미려고한다. 이수족관을시스템의특성으로분석해보자. 인체를시스템의특성으로분석해보면, 요소로는뇌, 간, 위, 심장, 근육등이포함되며, 더깊게는단백질, 지질과같은세포분자등이포함된다. 경계는우리몸을보호하는피부조직과상피조직이될것이다. 상호작용으로는행동혹은활동등으로나타날수있는데, 예를들어연설, 소화등이있다. 연설은외부자극, 뇌, 신경, 근육등의상호작용의결과이다. 소화는음식과소화기관의상호작용한결과이다. 인체로투입되는것들은음식, 공기, 빛, 소리등이되며산출물로이산화탄소, 배설물등이포함된다. 인체는시스템을잘작동시켜야한다. 시스템의작동이원할지못하거나작동하지못한다면인체의생명활동이지속되지못함을의미한다. 인체는이시스템을어떻게통제하고관리하고있을까? Ⅳ. 인체생리 253

2) 피드백조절 ( 되먹임조절 ) 인체의체온은약 37 로유지되고, 혈액과세포사이의액체들은 ph 7.4에서 0.1 ph 범위로유지된다. 이런인체의항상성은피드백조절에의해이루어진다. 피드백조절은우리가늘무언가를유지하기위하여사용하는방식중하나이다. 예를들어, 컵에일정한높이로물을채울때를생각해보자. 우선우리는눈으로컵을응시하고컵속의공간을확인하면서물을붓기시작할것이다. 그러다어느정도물이차오르면주전자를세워가면서컵으로들어가는물의양을줄이게된다. 너무많은양의물이들어가면컵에서적정량의물을버리기도할것이다. 이처럼원하는만큼의물을따르는조절방식이바로피드백조절이다. 이런피드백조절의방법은주변에서쉽게그예를찾을수있다. 조사하기 생활주변에서피드백조절의예를알아보자. 생활주변에서가장쉽게찾을수있는피드백조절의예는바로실내온도 조절장치일것이다. 우리는늘일정온도를설정해놓고원하는온도에서생활할수있다. 탐구활동 실내온도조절과피드백조절 온도조절기를이용해실내온도를일정하게맞추어두면, 일정한온도가유지된다. 이조절과정은어떻게일어나며, 이는우리인체의조절과정과어떤관련성이있을까? 자료 실내온도조절원리, 온도조절장치 해석및논의 그림은실내온도조절과정을모식적으로나타낸것이다. 물음에답하시오. 254 심화생명과학

반응 열생성중지 시상하부에에있는체온조절장치가냉각기작을활성화시긴다. 염샘은증발되는땀을분비하여몸을냉각시킨다. 난로껴짐 실내온도하강 설정온도 너무더움 설정온도 체온상승운동을하거나뜨거운환경에있을때와같은경우 피부에있는혈관은이완한다. 모세혈관은따뜻한피로채워져서피부표면으로부터열이복사된다. 체온이떨어진다. 체온조정장치는냉각기작용을중단시킨다. 항상성내부체온은대략적으로 36~38 이다. 실내온도상승 조절중추 : 자동온도조절장치 너무추움 난로켜짐 설정온도 체온에올라간다. 체온조절장치는입히기기작을중단시킨다. 피부에있는혈관은수축한다. 혈액을피부로부터더깊은혈관쪽으로보내서피부표면에서의열손실을감소시킨다. 체온하강 ( 차가운환경에있을때와같은경우 ) 반응 열생성 < 그림 Ⅳ- 40> 피드백에의한온도조절 골격근육빠르게수축하여떨림을일으켜열을생성한다. 시상하부에있는체온조절장치는입히기기작 (warring mechaniem) 을활성화한다. (1) 실내온도가일정하게유지되는과정을설명해보자. (2) 온도를일정하게유지하는데필요한정보는무엇이며, 어떻게인식 되는지설명해보자. (3) 실내온도조절과정의각요소들은신체의어떤부분에해당하는지 설명해보자. (4) 체내의온도조절과정과실내온도조절과정의공통점과차이점은 무엇인지설명해보자. 연구과제 (1) 자동온도조절기를분해하여그구조를탐구해보자. Ⅳ. 인체생리 255

실내온도조절에서, 실내기온이설정온도보다낮을때난로는켜지고실내온도는올라간다. 실내기온이설정온도를넘어서면곧난로작동은중단되며, 실내온도는천천히하강한다. 이과정이반복되면이윽고실내온도는작은폭에서오르내리게되며, 곧실내온도는일정하게유지된다. 난로의온도는큰폭으로변하지만, 실내온도의변화폭은크지않다. 실내온도를조절하는과정에서난로는온도변화를감지하여그변화를최소화한다. 이를음성피드백조절이라고한다. 수은스위치 보일러로 가는선 설정온도 꼬인바이메탈 실제온도 풀린바이메탈 다이얼식온도조절장치 < 그림 Ⅳ- 41> 자동온도조절장치 ( 원하는온도를설정해두면주변온도에따라바이메탈이풀리거나꼬여서보일러는조절한다.) 항상성은일종의역동적인평형상태를의미한다. 예를들어난방기를켜자마자바로실내온도가설정온도에도달하는것은아니다. 또난방기의작동정도에따라설정온도를넘어도열을낼수있다. 그리고시간이지나설정온도아래로떨어져야다시온도를높이는과정을시작한다. 결국항상성은내부환경의변화를감소시키는것이지중단시키는것은아니다. 이는인체내조절에서도마찬가지이다. 그런데난로의경우는전선을통해정보를주고받을수있지만인체는무엇을통해어떻게정보를교류할수있는것일까? 256 심화생명과학

02 뉴런의자극전달 학 습 목 표뉴런의구조적특징을알수있다. 활동전위의생성과전달을설명할수있다. 시냅스의특징과신호의전달과정을설명할수있다. 1) 뉴런 체내의환경을적절히조절하기위해서는외부환경을정확히판단하는것이필요하다. 신경계는각종감각기와연결되어외부환경에대한정보를받아들이고전달하며, 효과적인판단을내리고이에반응하도록정보를적절한반응기에전달한다. 이과정은신경계의기본단위인뉴런에의해일어난다. 뉴런 말이집신경과민말이집신경유수신경과무수신경이라고도하며말이집 ( 수초 ) 의유무에따라구분한다. 은신경계의구조적 기능적기본단위이다. 수상돌기 세포체 핵 축삭둔덕 신호전달방향축삭 시냅스 시냅스전신경세포 말이집 ( 수초 ) 시냅스말단 시냅스후신경세포 < 그림 Ⅳ- 42> 뉴런의구조와신호전달뉴런은핵과세포질로이루어진신경세포체와이것에서뻗어나온돌기로이루어져있다. 이돌기들중길게뻗어나온것을축삭돌기라고하며, 나머지짧은돌기를수상돌기라고한다. 축삭돌기는말이집이라고하는것에의해싸여있는것이있는데, 이를말이집신경이라고한다. 말이집은슈반세포가여러겹을둘러싸고있는것을일컫는말이다. 슈반세포는다시슈반초라고하는막으로싸여있다. 이슈반 Ⅳ. 인체생리 257

초는신경돌기를싸서축삭돌기를보호할뿐만아니라절연체의역할을한다. 그러나말이집은축삭돌기전체를감싸고있는것이아니라, 축삭돌기를약 1 nm 정도의일정간격으로노출시켜놓고있다. 이간격을랑비에결절이라고한다. 뉴런은역할에따라크게감각뉴런, 연합뉴런, 운동뉴런으로나눌수있다. 감각뉴런은감각기에서받은정보를연합뉴런이있는중추신경계로전달한다. 중추신경계의연합뉴런은받은정보를처리하여반응기와연결된운동뉴런에게정보를전달한다. 뉴런은수상돌기에서정보를받아축삭돌기말단으로보낼수있다. 정보를주는쪽의뉴런과받는쪽의뉴런이있는데, 시냅스라고하는약 20 nm의특별한틈을통해정보를전달하게된다. 랑비에결절 축삭 슈반세포 슈반세포 축삭 말이집 랑비에결절 슈반세포의핵 < 그림 Ⅳ- 43> 말이집신경 (1) 휴지막전위 뉴런의세포막에는이온펌프와채널들이휴지전위와활동전위를만들어낸다. 이온펌프는에너지를이용해이온의불균등한분포를만들어낸다. 대표적인것이 Na + -K + 펌프이다. 이펌프는 Na + 을세포밖으로 K + 을세포안으로 역수송특정이온을세포밖으로수동시키면서동시에다른특정이온을세포내로수송하는방식 역수송한다. 채널은펌프와는달리에너지를사용하지않고특정이온을이동시킬수있다. 뉴런의세포막에는많은이온채널들이존재한다. 이이온채널중에는전압에의해개폐되는전압개폐성채널과특정한화학물질이채널에결합하여개폐되는화학개폐성채널이존재한다. 신경세포에서는펌프와채널이 세포안팎의이온농도를불균등하게만든다. K + 채널은뉴런의휴지상태에서가장많이열려있다. 그로인해많은양의 K + 은세포밖으로빠져나가려고한다. 하지만세포밖의 Na + 과세포내의음전하를가진단백질이이들 K + 에게정전기적인력을가해일정한평형상태 258 심화생명과학

에놓이게된다. 이때휴지막은약 -70 mv의전위를가지게된다. 이를휴지막전위라고한다. 2) 활동전위 신경에자극을주면불과 1~2 msec 사이에갑작스럽게전위가변한다. -70mV였던휴지막전위가 +30 mv까지치솟은후다시 -60 mv수준으로떨어진다. 이를활동전위라고한다. 휴지상태에있던신경세포막에자극이가해지면 Na + 채널의활성화문이열리고 Na + 이유입되면서탈분극이일어난다. 하지만자극의세기가크기않아역치수준을넘지못하면자극은사라진다. 자극이역치수준이상이면전압개폐성채널을포함한대부분의 Na + 채널이열리게되고많은양의 Na + 이내부로유입되면서세포는활동전위를만들게된다. 양 (+) 전하의활동전위는전압의존성 Na + 채널의불활성화문을닫고, 전압의존성 K + 채널을열어다시분극상태를유지한다. 이때과량의 K + 이유출되면막전위가더낮아져과분극상태가된다. 과분극은모든개폐성채널을닫게되고, 전압의존성 Na + 채널의불활성화문을열게한다. 결국막전위는다시휴지막상태로유지되게된다. 활동전위의상승기탈분극에의해대부분의 Na + 채널의활성화문이대부분열리게되고 K + 채널의활성화문은닫혀있는상태가된다. Na + 의유입은막안쪽의상대적전위를상승시킨다. 탈분극자극을받아일부 Na + 채널의활성화문이열리고 Na + 의유입이일어나막아탈분극된다. 탈분극의정도가역치값에이르면활동전위가생성된다. 막전위 (mv) 자극 +50 활동전위 0-50 역치 휴지막전위 -100 시간 활동전위의하강기대부분의 Na + 채널의불활성화문이닫히고 Na + 의유입이멈춘다. 대부분의 K + 채널의활성화문이열러서 K + 의유출이일어나세포안쪽의막전위가내려간다. 세포외액 K + 채널 활성화문 세포막 세포질 Na + 채널 불활성화문 휴지상태전압개폐성 Na + K + 채널의활성화문이닫히고휴지막전위가유진된다. < 그림 Ⅳ- 44> 활동전위의발생 과분극 Na + 채널의두관문이모두닫힌상태에서일부 K + 채널의활성화문이열러있다. 이제대부분의 K + 채널의활성화문이닫히고 Na + 채널의불활성화문이열리면서막전위는휴지막전위값으로돌아간다. Ⅳ. 인체생리 259

뉴런의수상돌기나세포체로전달된정보는가공되고합성되어다음뉴런으 로전달되는데, 이활동전위는축삭언덕에서시작된다. 활동전위는축삭을따 < 그림 Ⅳ- 45> 허들이 10 개있는경우와 5 개있는경우누가더빨리결승점에들어올까? 라이동하게되는데, 말이집의유무에따라전달속도가달라진다. 신경의전달속도는말이집신경이민말이집신경보다휠씬빠르다. 이는말이집이절연역할을하면서흥분을도약전도시키기때문이다. 말이집신경의일반적흥분전도속도는 120 m/s 정도이다. 생각하기 1. 신경의전도는한방향으로이루어진다. 전도가한방향으로일어날수있도록해주는것은무엇인지생각해보자. 2. 신경의전달속도는어떻게측정할수있을지생각해보자. 3. 말이집신경이민말이집신경보다흥분전도속도가빠른이유를생각해보자. 2) 시냅스 활동전위가신경말단에도달하면시냅스를통해전위가전달된다. 축삭말단은부풀어오른구조를하고있고, 그속에는아세틸콜린과같은신경전달물질이들어있는분비소낭이분포하고있다. 이분비소낭은세포체에서만들어져미세소관을따라축삭을내려와시냅스말단까지운송된것이다. 자극이신경말단으로전달되면, 활동전위는 Ca 2+ 채널을열어 Ca 2+ 을받아들인다. Ca 2+ 은분비소낭의분비를유도한다. 분비소낭은시냅스막과융합되면서세포외배출작용 (exocytosis) 으로시냅스틈으로분비된다. 분비된아세틸콜린은시냅스후뉴런의아세틸콜린수용체와결합하게되어흥분을전달한후아세틸콜린에스테라아제의작용에의해아세틸기와콜린으로분해되어시냅스전뉴런으로흡수되어재활용된다. 260 심화생명과학

시냅스전신경세포 시냅스후신경세포 신경전달물질이들어있는시냅스소포체시냅스전막 Na + K + 신경전달물질 시냅스후막 저압개폐성 Ca 2+ 채널 Ca 2+ 시냅스후막 리간드개폐성이온채널 시냅스틈 리간드개폐성이온채널 < 그림 Ⅳ- 46> 화학시냅스 1 활동전위가시냅스말단으로전달된다. 2 활동전위는전압의존성 Ca 2+ 채널을열어 Ca 2+ 를유입시킨다. 3 칼슘농도가증가하여분비소낭이시냅스전막에융합된다. 4 시냅스틈으로신경전달물질이방출된다. 5 신경전달물질이시냅스후막에존재하는수용체에결합하여막전위를변화시킨다. 6 신경전달물질은수용체에서떨어지고다시분해되어재활용된다. 조사하기 1. 신경신호를전달하는방식에는화학적방식과전기적방식이있다. 이두방식의장점과단점을조사해보자. 2. 신경전달물질에는어떤것이있는지조사해보자. 3. 식품첨가재인 MSG의사용을줄여야하는이유에대해조사해보자. Ⅳ. 인체생리 261

03 신경계의구조와기능 학 습 목 표 신경계의구조와기능을설명할수있다. 신경계의항상성조절기작을설명할수있다. 체내의항상성을조절하기위해서는신체각부분에서필요한정보를정확히받아이를적절히판단하여, 신체각부분의활동을적절히조절하고통제해야한다. 인체에서이러한조절의가장중추적인역할을담당하고있는것은무엇일까? 1) 중추신경계 응급환자의상태를파악하는과정에서가장우선적으로수행하는것이심장과폐의이상유무이다. 심폐가제대로작동하지않으면곧바로심폐소생술을실시해야한다. 이처럼심장과폐는생명현상유지에가장필수적인장기이다. 심장박동의정지와호흡의중단은죽음과직결된다. 이런이유로심폐기능의정지는죽음의중요한판단기준으로받아들여져왔다. 생각하기 1. 뇌가죽었다고해도심장은박동한다. 그이유에대해생각해보자. 과학과의학의발전으로인해죽음의판단기준에심폐기능외에새로운기준이생겨나게되었다. 그것이바로온몸의생명활동을조절하는뇌의기능정지이다. 심장과폐의운동을조절하는뇌가죽게되면곧심장과폐의죽음과같은것이기때문이다. 그런데뇌가죽었다는것은어떻게알수있는것일까? 262 심화생명과학

탐구활동 뇌사판정 뇌사의판정은한사람의생사를가늠하는일이다. 뇌사자의뇌는죽었지만각신체의장기들은일정기간살아있다. 이는다른고귀한생명을살릴수있는기회가될수있다. 뇌사상태와식물인간상태를어떻게확인할수있는것일까? 자료 장기등이식에관한법률, 뇌사판정기준자료 해석및논의 (1) 인터넷으로국회법률지식정보시스템에접속하여 장기등이식에관한법률 을검색하여자료를얻거나, 국립장기이식관리센터에접속하여정보를찾아보자. (2) 다음의내용은뇌사판정기준의일부분이다. 각판정기준은인체의어떤부분의이상유무를검사하는것인지각종자료를조사해설명해보자. 1 외부자극에전혀반응이없는깊은혼수상태일것 2 자발호흡이되살아날수없는상태로소실되었을것 3 두눈의동공이확대ㆍ고정되어있을것 4 뇌간반사가완전히소실되어있을것 : 다음에해당하는반사가모두소실된것을말한다. ( 가 ) 광반사 (light reflex) ( 나 ) 각막반사 (corneal reflex) ( 다 ) 안구두부반사 (oculo-cephalic reflex) ( 라 ) 전정안구반사 (vestibular-ocular reflex) ( 마 ) 모양체척수반사 (cilio-spinal reflex) ( 바 ) 구역반사 (gag reflex) ( 사 ) 기침반사 (cough reflex) 5 자발운동ㆍ제뇌강직ㆍ제피질강직및경련등이나타나지아니할것. 6 무호흡검사결과자발호흡이유발되지아니하여자발호흡이되살아날수없다고판정될것. 7 재확인 : 1 내지 6에의한판정결과를 6시간이경과한후에재확인하여도그결과가동일할것. 8 뇌파검사 : 7에의한재확인후뇌파검사를실시하여평탄뇌파가 30분이상지속될것. 9 기타필요하다고인정되는대통령령이정하는검사에적합할것. 무호흡검사자발호흡이소실된후자발호흡의회복가능여부를판정하는임상검사로그검사방법은다음과같다. - 100% 산소 (O 2 ) 또는 95% 산소 (O 2 ) 와 5% 이산화탄소 (CO 2 ) 를 10분동안인공호흡기로흡입시킨후인공호흡기를제거한상태에서 1분당 100% 산소 (O 2 ) 6 L 를기관내관을통하여공급하면서, 10분이내에혈압을관찰하여혈액의이산화탄소분압이 50torr이상으로상승함을확인하였음에도불구하고자발호흡이유발되지않으면자발호흡이되살아날수없다고판정하고, 검사가불충분하거나중단된경우에는혈류검사로추가확인하여야한다. Ⅳ. 인체생리 263

(3) 뇌사판정이철저히관리되어야하는이유를설명해보자. (4) 뇌사판정을통해뇌사자의장기는적출되어이식될수있다. 그이유를설명해보자. 조사하기 뇌사는어떻게관리되고있는지조사해보자. 장기이식과관련된법률검색 국립장기이식관리센터 http://likms.assembly.go.kr/ law/jsp/main.jsp http://www.konos.go.kr/ 연구과제 (1) 국가의법률적인죽음의기준과문화적인죽음의기준은무엇인지조사해보고, 그판정기준이가지는의미를알아보자. (2) 우리몸에서반사과정으로조절되는것에는어떤것들이있는지알아보자. < 그림 Ⅳ- 47> 희망의씨앗 264 심화생명과학

신경계는중추신경계와말초신경계로되어있다. 중추신경계는뇌와척수로이루어져있다. 뇌와척수는말초신경계를이용해우리몸을통제조절하는역할을한다. 말초신경계는체성신경계와자율신경계로이루어져있다. 신경계는어떤특징을가지고어떤역할을수행하고있을까? (1) 뇌 뇌는두개골이보호되고있다는점에서도알수있듯신체에서가장민감하고중요한일을담당하고있다. 뇌세포들은모두신경간세포에서분화된다. 일반적으로임신 5주에서 20주까지증식하고, 이후뇌의신경세포들은증식하지않는다고알려져있다. 뇌는 1개월된배의발생단계에서앞, 중간, 뒤부분으로구분되는데, 앞뇌는대뇌와간뇌로분화되고, 중뇌는뇌간의일부로분화되며, 뒤쪽의후뇌는뇌간, 소뇌, 연수로분화되게된다. < 그림 Ⅳ- 48> 뇌들보집의들보 ( 교량모양으로양쪽을연결하며휘대뇌는뇌의여러부분중에서가장크고복잡한어진나무 ) 의형태와비슷하여지어데, 좌우의대뇌반구로분리되어있다. 그리고뇌진이름이다. 이뇌들보의아래부분이퇴화되면파킨슨병이발생한다. 들보 ( 뇌량 ) 가분리된두반구를연결하고있다. 앞뇌에서유래된간뇌는시상, 시상하부, 뇌하수체후엽, 송과체등이있다. 시상은대뇌로가는감회색질각정보를적절히조절하는역할을담당한다. 시상하부는호르몬의분비를조절하며, 체온, 혈압, 공복, 갈증, 성적충동, 방어반응등을조절하며, 분뇌질노와즐거움과같은감정을느낄수있게해준다. 또시상하부의일부는생체시계의역할을하는것으로알려져있다. 후뇌의일부인소뇌는대뇌에비해크기가 10분 < 그림 Ⅳ- 49> 뇌의겉질은회백질, 속질은백색질로되어있다. 회백질은연합뉴런이분포하고있는의 1에불과하지만, 표면적은대뇌의절반정도이곳이다. 고뉴런의수는대뇌가 140억개정도인데비해거의 1000억개정도에달한다. 소뇌는청각기와시각기를통해들어오는정보뿐만아니라몸에서오는정보를종합하여몸이평형을유지할수있도록한다. 또한대뇌로부터오는운 백색질 Ⅳ. 인체생리 265

동정보를통합하여운동과균형을이루도록해준다. 소뇌는대뇌와는달리여러신경경로들중에서특정운동과관련된신경만을남기고다른연결망들을소거시키는방법으로정보를기억하는것으로알려지고있다. 즉누군가자전거타기를학습한다고하면, 소뇌와연결된다양한신경통로들중에서쓸데없는움직임을제공하는시냅스회로를사라지게하는방법으로운동에대한정보를기억한다. 만약이소뇌를손상받게되면가만히앉아있는것도어려워진다. 소뇌는온몸의근육을조화롭게조절하는오케스트라지휘자의역할을담당하는것이다. 배아의뇌영역 성인의뇌구조 전뇌 종뇌간뇌 대뇌 ( 대뇌반구 : 대뇌피질, 백색질, 기저체를포함 ) 간뇌 중뇌 중뇌 중뇌 ( 뇌간의일부 ) 후뇌 후뇌연수 뇌교 ( 뇌간의일부 ), 소뇌 연수 ( 뇌간의일부 ) 중뇌 후뇌 간뇌 중뇌 후뇌 연수 대뇌반구간뇌 : 시상하부시상송과선 ( 시상상부의일부 ) 뇌간 : 전뇌 종뇌 척수 뇌하수체 중뇌뇌교연수 (a) 1 개월째태아 (b) 5 주째태아 (c) 성인 척수 소뇌중심관 < 그림 Ⅳ- 50> 뇌의발생과구조 조사하기 1. 뇌연구의역사와일화에대해조사해보자. 2. 뇌의기능과관련된질병에대해조사해보자. (2) 척수 척수는척추로보호받고있다. 척수에서는좌우로 31쌍의신경이나오며몸의말단으로연결되어있다. 척수의마디마다앞쪽으로는운동신경다발이좌우로한개씩나와전근을이룬다. 뒤쪽으로는감각신경다발이좌우로한개 266 심화생명과학

씩나와후근을이룬다. 척수는뇌와감각기관및운동기관을연결해주는통로의역할과함께척수반사의중추이기도한다. 척수반사는대뇌의의지와는관계없이일어난다. 무릎반사의경우망치로무릎과연결된힘줄을때릴때허벅지에근육이늘어난정도를알아내는신장수용기가반응을통해정보를후근을통해척수로보낸다. 이것은바로전근을통해신경이나오는운동신경으로근육을자극하여다리를움직일수있도록한다. 척수가담당하는대표적인반사에는무릎반사이외에도젖분비, 땀분비, 배뇨반사등이있다. 감각기가대퇴근의갑작스러운스트레치를인지한다. 감각신경세포가척수로정보를전달한다. 감각신경세포는대퇴근을움직이는운동신경세포와연락한다. 운동신경세포가대퇴근에신호를전달하면대최근이수축하면서다리아랫부분이앞쪽으로움직이게된다. 반사작용은대퇴근 ( 신근 ) 과연결된인대를두드림으로써시작한다. 대퇴근 후근신경절감각신경세포의세포체 백질 회백질 대퇴근의감각신경세포는척수에있는연합신경세포에정보를전달한다. 오금근 척수 ( 단면 ) 감각신경세포운동신경세포연합신경세포 연합신경세포는오금근육 ( 이완근 ) 을억제한다. 그결과이완근의수축이억제돼대퇴근육의활동을방해하지않는다. < 그림 Ⅳ- 51> 무릎반사 뇌와척수의반사작용은급박한자극에즉각적으로작용해생명을유지하는데중요한역할을하고있다. 2) 말초신경계 말초신경계는정보전달의방향성에따라중추신경계로정보를전달하는구심성, 중추신경계에서정보를전달받는원심성으로나눌수있다. 감각신경은신경의중심인중추신경계로정보를전달하는구심성신경이다. 이정보들중에는시각, 청각, 통각등과같이우리가자각할수있는것뿐아니라혈압, 체온등과같이우리가느끼고인식할수없는것도있다. 원심성신경계는중추신 Ⅳ. 인체생리 267

경계의명령을근육이나분비샘등에전달하는기능을담당한다. 이신경계에는뛰거나공을잡는것과같은의식적행동을지배하는경로인체성신경계의운동신경과소화액이분비되거나심장이빨리뛰는것과같은비의도적인행동을지배하는경로인자율신경계로나눌수있다. 체성신경계에는 12쌍의뇌신경과 31쌍의척수신경으로이루어져있다. 자율신경계의경우교감신경계와부교감신경계가있다. 이두신경계는일반적으로길항작용을통해신체기관의기능을조절한다. 교감신경계의활성화는각성과에너지생성을유발한다. 부교감신경의활성화는교감신경과는반대로정적이며에너지생성을억제하는방향의신체반응을일으킨다. 체성신경계와자율신경계는항상성유지를위해서로협동하고있다. 자율신경계는어떻게항상성유지에관여하고있는것일까? 부교감신경계 교감신경계 표적기관에미치는영향 : 표적기관에미치는영향 : 신경절전신경세포의위치 : 뇌간과척수의천추 동공의축소침샘의분비촉진 동공의확대침샘의분비억제 신경절전신경세포의위치 : 척수의흉추와요추 신경절전신경세포에서분비되는신경전달물질 : 아세틸콜린 폐의기관지수축심장박동감소 경추 교감신경절 폐의기관지이완심장박동촉진 신경절전신경세포에서분비되는신경전달물질 : 아세틸콜린 신경절후신경세포의위치 : 표적기관내에혹은가까운곳에위치한신경절 위와소화관의활성촉진 흉추 위와소화관의활성억제 이자의활성억제 신경절후신경세포의위치 : 표적기관과가까운곳에위치한신경절, 척수와이웃한연쇄신경절 신경절후신경세포에서분비되는신경전달물질 : 아세틸콜린 이자의활성촉진 쓸개의자극 요추 간으로부터포도당의분비촉진 : 쓸개의억제 부신수질자극 신경절후신경세포에서분비되는신경전달물질 : 노르에피네프린 방광축소 방광이완 생식기의발기촉진 시냅스 천추 질의수축, 사정촉진 < 그림 Ⅳ- 52> 자율신경계의교감신경계와부교감신경계 268 심화생명과학

탐구활동 심박수와호흡수의조절 자율신경계는우리가의도하지않아도자율적으로작동한다. 운동시에는근육이급격하게에너지를소모하고생산하면서항상성에변화가일어난다. 그변화는어디에서감지되는것일까? 또그변화는어떤과정을통해조절되는것일까? 실험기구및재료 기구 : 심박수측정기, 초시계, 컴퓨터, 러닝머신등운동기구 ( 체력단련실을활용 ) 실험방법 (1) 사용할심박수측정기의사용법을확 < 그림 Ⅳ- 53> 학교체력단련실을인한다. 각종운동기구를탐구에활용해보자. (2) 몸에심박수측정기를착용하고, 잘작동하는지점검한다. (3) 3명이한조가되어실험한다. 한사람은운동을하고, 다른한사람은심박수측정계를조작하며, 다른한사람은호흡수를측정한다. (4) 호흡률은 30초동안의호흡수를측정하고, 이값을 2배하여분당호흡수 < 그림 Ⅳ- 54> 심박수측정기를착용하고체력테스트를하는선수들를구한다. (5) 먼저 2분정도가만히있는다. (6) 1분동안제자리에서걷기를하면서심박수와호흡률을측정하기 1 시작전 30초심박수와호흡률을측정한다. 2 시작후 30초동안의 2회총 1분간심박수와호흡률을측정한다. 3 운동이끝난후 30초단위로정상상태로돌아오기까지심박수와호흡률을측정한다. (7) 1분동안달리면서심박수와호흡률을측정한다. 1 시작전 30초심박수와호흡률을측정한다. 2 시작후 30초동안의 2회총 1분간심박수와호흡률을측정한다. 3 운동이끝난후 30초단위로정상상태로돌아오기까지심박수와호흡률을측정한다. (8) 모둠에서역할을바꾸어실시한다. Ⅳ. 인체생리 269

결과및논의 (1) 실험결과를표에기록해보자. 제자리에서걷기 구분 심박수 ( 수 / 분 ) 호흡률 ( 수 / 분 ) 운동전 운동중 운동후 30 초 60 초 30 초 60 초 90 초 120 초 달리기구분심박수 ( 수 / 분 ) 호흡률 ( 수 / 분 ) 운동전 운동중 운동후 30 초 60 초 30 초 60 초 90 초 120 초 (2) 2 가지운동의결과를하나의그래프에나타내보자. (3) 휴식시의맥박수와호흡률을같은모둠의다른사람들과비교해보자. 개인차가나타나는이유는무엇인지생각해보자. (4) 실험결과를통해심박수와호흡률의변화를설명해보자. 운동성서맥운동선수에게서나타나는심박수감소를 운동성서맥 " 이라고한다. 이는장기간의강도있는훈련에의해심폐능력이일반인보다더우수하다는것을나타낸다. 심박수감소는부교감신경자극의증가와교감신경자극의감소와같은생리적인변화로인해일어나는것이다. (5) 심박수와호흡률의변화가나타나는이유를설명해보자. (6) 학급전체의평균을내어보고, 자신의자료와비교해보자. 연구과제 (1) 운동선수와일반인의심박수와호흡률의차이는어떻게나타나는지연구해보자. (2) 운동이외어떤자극들이심박수와호흡률를변화시키며, 운동시변화와어떤차이점이있는지연구해보자. (1) 호흡과맥박의조절 호흡은의식적으로통제할수있다. 노래를부르거나연설을할때, 음식을 270 심화생명과학

먹으면서도호흡은적절히조절되어야한다. 호흡률도체내의대사에맞도록조절된다. 운동을한후에는숨을헐떡이게되는데, 이것은평소의호흡보다훨씬빠르고깊은숨이다. 이것은인체가산소의공급과이산화탄소제거의필요성에따라호흡의깊이와빈도를조절하기때문에일어나는현상이다. 이조절의중추는척수바로위에위치하고있는뇌간의연수이다. 만일그곳에손상을입으면비주기적인호흡양상이그대로존속하게될것이다. 연수는횡격막의운동을조절할수있는데, 횡격막의수축과이완에맞추어조절하게된다. 연수보다위에있는뇌부분은연설, 음식섭취, 기침, 감정상태들에맞도록호흡을순응시키는역할을한다. 운동을하게되면산소와이산화탄소의분압이변하게된다. 이변화는연수에자극을주게되고연수는호흡의리듬을변화시킨다. 뇌척수액 연수의호흡조절중추가기본적인속도를조절한다. 뇌교의중추는들숨과날숨의전환을부드럽게한다. 뇌교 연수의조절중추는혈객내 CO 2 농도조절에도관여한다. 연수에있는감지기는혈액과뇌척수액의 ph 변화를감시한다. 연수중추의신경에서갈비뼈근육과횡격막에신호를보내수축하도록하여, 들숨이유발된다. 호흡조절중추 연수경동맥 대동맥과경동맥의혈관내벽에있는감지기는혈액의 ph 를감지하여연수로신경정보를보낸다. 여기에반응하여연수가호흡의깊이와속도를조절한다. 즉 CO 2 농도가높으면호흡의깊이와빈도를모두증가시키고, CO 2 농도가낮으면둘다감소시킨다. 이신경신호는보통사람이쉬고있을때분당 10~14 회격발된다. 들숨과들숨사이에는호흡관련근육들이이완되어날숨이유발된다. 횡격막 갈비뼈근육 대동맥 대동맥과경동맥의감지기는산호의농도도감지한다. 산소의농도가매우낮을때호흡을촉진하라는신호를연수에보낸다. < 그림 Ⅳ- 55> 호흡과맥박의조절 심장의경동맥과대동맥은많은양의혈액을공급받는곳이다. 이곳에는혈액의가스분압을인지하는소체가존재한다. 이혈관을따라이동하는혈액내의산소분압이나혈압이변화하면이화학수용기가작동하여호흡의중추인연수에정보를제공하게된다. 조사하기 교감신경계와부교감신경계의특성에대해알아보자. Ⅳ. 인체생리 271

04 내분비계 학 습 목 표내분비계의특징을알수있다. 인체내분비계지도를그릴수있다. 호르몬의종류와기능을설명할수있다. 호르몬은비교적분자량이작은물질로되어있으며, 내분비샘에서혈액으로분비되어표적세포에작용한다. 호르몬은항원으로작용하지않는특징이있어, 종의특성이없다. 과거인슐린을얻기위해돼지, 고래와같은동물의이자를사용하기도하였다. 적은양으로도대사조절에영향을주는호르몬은너무많아도병이되고, 너무적어도병이된다. 인체의조절에가장중요한역할을담당하는호르몬은어디에서분비되고어떤역할을담당하는것일까? 탐구활동 인체내분비계지도그리기 우리몸에서호르몬은어디에서분비되는것일까? 그리고그것들의역할은무엇일까? 분비샘에서작용하는세포들까지어떻게이동하며정보를주고받는것일까? 실험기구및재료 기구 : 인터넷이가능한컴퓨터, 프린터기 재료 : 호르몬관련서적, 전지, 각종필기도구, 크레용, 포스트잇등 실험방법 (1) 조별로호르몬관련서적과인터넷을통해관련자료를수집한다. (2) 한명이전지위에눕고, 다른사람이인체의모양을그리자. (3) 인체모양이만들어지면그모양에어떤방식으로분비샘과그것의기능을표현할것인지토의하자. (4) 전지의인체모양에내분비계지도를그려보자. 272 심화생명과학

결과및논의 (1) 우리몸의호르몬분비샘은어디에분포하고있는지말해보자. (2) 호르몬의분비샘과표적세포는얼마나멀리떨어져있는지말해보자. (3) 호르몬이분비되는과정에대해설명해보자. 연구과제 (1) 내분비계지도에항상성조절과정을가능한한많이표현해보자. (2) 신경계와호르몬계의항상성조절과정을인체모양에가능한한많이표현해보자. 1) 호르몬의종류 호르몬은구조와합성경로에기초하여펩티드, 아민그리고스테로이드호르몬 3종류로나눌수있다. 아민은아미노산의유도체를가리킨다. 인슐린은펩티드호르몬의일종이고, 티록신은아민계호르몬, 성호르몬은스테로이드호르몬이다. 대부분의호르몬은펩티드또는단백질이다. 이런호르몬은수용성이므로혈액을통해쉽게운반되지만지질성분인세포막을통과할수없다. 반면지질성분으로이루어진스테로이드호르몬의경우는세포막을쉽게통과할수있다. 생각하기 펩티드호르몬과스테로이드호르몬의분비과정에는어떤차이점이있을지생각해 보자. 펩티드호르몬의경우세포막을통과하지못하기때문에특별한수용체가필 요하다. 수용체의종류에따라세포내의반응도달라진다. Ⅳ. 인체생리 273

2) 뇌하수체 뇌하수체는입천장바로뒤두개골하부의움푹파인곳에위치한다. 완두콩만한크기의뇌하수체는전엽, 중엽, 후엽으로나뉘지만사람의경우에는중엽은흔적으로만남아있다. 뇌하수체전엽과후엽은기능도다르며발생의기원도다르다. 전엽은구강이발생중밖으로생장하며생성되었고, 후엽은뇌가생장하면서만들어졌다. (1) 뇌하수체후엽호르몬후엽에서항이뇨호르몬 (ADH) 와옥시토신이분비된다. 이호르몬들은시상하부의세포체에서만들어지자마자소포로포장되어축삭을따라내려와신경말단에저장된다. 항이뇨호르몬은신장에서물의재흡수를조절하며, 옥시토신은출산시자궁수축과젖분비와관련이있다. 시상하부 시상하부 유입되는혈액 혈관입구 유입되는혈액 뇌하수체자루 시상하부의뉴런 후엽 전엽 모세혈관 뇌하수체전엽 뇌하수체후엽 < 그림 Ⅳ- 56> 뇌하수체의전엽과후엽의호르몬분비 (2) 뇌하수체전엽호르몬뇌하수체전엽에서는펩티드와단백질로되어있는갑상샘자극호르몬 (TSH), 부신피질자극호르몬 (ACTH), 황체형성호르몬 (LH), 여포자극호르몬 (FSH) 이분비된다. 이들은다른내분비선의활성을조절하는샘자극호르몬이다. 또한뇌하수체전엽에서는성장호르몬 (GH) 및프로락틴 (PRL) 과같은단백질호르몬이분비된다. 성장호르몬은다양한조직에직간접적으로작용하여 274 심화생명과학

생장을촉진한다. 이런성장호르몬이성장기에충분히공급되지못하면난쟁이가되고, 과다하게공급되면거인이된다. 프로락틴은가슴의발달과젖의생성및분비를자극한다. 뇌하수체전엽은분비샘이다. 전엽의호르몬분비를위해서는시상하부에있는세포가만드는적은양의신경호르몬이문맥혈관시스템을통해뇌하수체전엽으로운반되어야한다. 시상하부가분비하는방출및방출억제호르몬이뇌하수체전엽의호르몬분비를조절한다. 3) 갑상샘과부갑상샘 갑상샘은성대바로아래쪽기관의연골에나비모양으로붙어있는내분비샘으로티록신과칼시토닌을분비한다. 티록신은두개의티로신분자로부터합성되고, 다시네개의아이오딘원자가화학적으로결합된다. 그래서티록신분자는 T4라고불린다. 티록신은대부분체세포의유전자전사를자극하여세포대사를조절하는역할을한다. 티록신의분비증가는신진대사를증가시키고, 반대로티록신의분비저하는신진대사를저하시킨다. 티록신의과다분비는바제칼시토닌갑상샘이도병, 부족하면크레틴병을일으킨다. 칼시토닌을분비한다. 갑상샘에서분비되는또다른호르몬인칼시토뼈의 Ca 2+ 침적을유도한다. 닌은파라토르몬, 비타민 D와함께혈액내의칼슘이온의농도를조절한다. 파라토르몬은부갑상샘이분비하는호르몬이다. 부갑상샘은갑상샘자극 : 증가하는혈중 Ca 의뒤쪽에있는두쌍의콩알만한크기로존재 2+ 양한다. 항상성 : Ca 2+ 농도 ( 대락 10 mg/100ml) 칼시토닌은혈액의칼슘농도를낮추는작용혈중 Ca 을한다. 파골세포는뼈를파괴하여혈액으로칼 2+ 농도가표준수위까지증가한다. 슘을방출시킨다. 반면조골세포는혈액내칼슘뼈에서 Ca 2+ 방출부갑상샘하도록유도한다. 을이용하여뼈조직을생성한다. 칼시토닌은뼈의칼슘축적을유도하고, 신장에서칼슘흡수를억제해혈액내의칼슘농도를낮춘다. 성인에게는뼈의생성이잘일어나지않아칼시토닌이칼신장에서의 Ca 2+ 흡수가증가한다. 신장에서 Ca 2+ 흡활성화된수를자극한다. 슘의항상성에중요한역할을하지않는다. 전반비타민D 적으로칼슘농도는칼시토닌보다파라토르몬에 < 그림 Ⅳ- 57> 칼슘이온의항상성조절 혈중 Ca 2+ 수준이표준수위로감소한다. 자극 : 감소하는혈중 Ca 2+ 양 PTH 신장에서의 Ca 2+ 흡수가줄어든다. Ⅳ. 인체생리 275

더큰영향을받는다. 파라토르몬은조골세포를활성화하여뼈의전환을향상시키고, 한편으로파골세포를활성화하게하는사이토카인을분비한다. 그결과뼈의손실없이혈중칼슘의농도를높이게된다. 또파라토르몬은비타민D 의활성을자극하고, 이비타민D는소화관에작용하여음식물안에칼슘의흡수를높인다. 비타민D는파라토르몬과함께작용하여신장에서칼슘이소변으로빠져나가는것을억제한다. 부신 겉질 4) 부신 속질부신은신장위에모자처럼놓여있다. 부신은겉질과속질이서로구분되며, 이둘은각각다른호르몬을분비한다. 부신의겉질은뇌하수체전엽에서분비되는부신겉질자극호르몬의자극을받아호르몬을분비한다. 부신겉질에서분비되는호르몬을코르티코스테로이드라고통칭하는데, 당질코 < 그림 Ⅳ- 58> 부신겉질과속질르티코이드, 무기질코르티코이드, 성스테로이드가있다. 당질코르티코이드는혈당농도에영향을주며, 다른한편으로지방, 단백질및탄수화물대사에도영향을준다. 무기질코르티코이드는알도스테론이라고하며, 신장을자극하여나트륨을재흡수하고, 칼륨은배출하도록한다. 부신피질에서생성되는성스테로이드는무시될정도의소량이분비된다. 부신속질에서분비되는호르몬은에피네프린 ( 아드레날린 ) 과노르에피네프린이있다. 속질에서만들어지는호르몬중 80% 정도가에피네프린이고 20% 정도가노르에피네프린이다. 에피네프린과노르에피네프린은심장박동과혈압을증가시키고, 혈액의흐름을근육으로유도한다. 싸움-도망반응과같은육체적인위협은물론, 수업시간에갑작스럽게질문을받거나시험을칠경우와같이정신적인스트레스에의해서도분비된다. 5) 생식샘 정소와난소는정자와난자를생산하는것뿐만아니라성호르몬을생성하는분비샘으로서의역할도수행한다. 남성의생식샘에서분비되는테스토스테론은정자의생산을촉진하고근육을발달시키며, 성징을발현시킨다. 여성의난소에서는에스트로겐과프로게스테론이분비된다. 여성의성호르몬은뇌하수체전엽에서분비되는여포자극호르몬과황체형성호르몬에의해조절된다. 276 심화생명과학

05 인체의항상성유지 학 습 목 표혈당량유지과정을설명할수있다. 혈당량측정실험을통해자신의항상성조절과정을알수있다. 체내삼투조절과정을설명할수있다. 인체는내부환경을유지하기위해신경계와내분비계를활용한다. 대표적인인체의항상성조절로는혈당량, 체온, 삼투압조절이있다. 그중혈당량과삼투압조절방법에대하여자세히알아보자. 1) 혈당량조절 혈당은인체의건강상태를점검하는가장중요한지표중하나이다. 혈당의양을조절하지못하여지나치게많아지면병이된다. 이것이바로당뇨병이다. 우리나라의당뇨병환자수는꾸준히증가하고있다. 2005년한국의당뇨병심포지엄에서는지금의추세라면 2030년당뇨병환자가 722만명 ( 인구의 14.4%) 에이를것이라며정부차원의대책마련이시급하다고경고하고나서기도했다. 미국에서는더욱심각하다. 정부는당뇨병과비만으로부터어린학생을보호하기위해학교내에서탄산음료는물론설탕이가미된음료들의판매및자판기의설치를금지하고있다. 탄산음료를마시면우리몸속의혈당은어떻게변하는것일까? < 그림 Ⅳ- 59> 뉴욕시탄산음료공익광고 < 그림 Ⅳ- 60> 혈당계를이용해손쉽게혈당을측정할수있다. Ⅳ. 인체생리 277

탐구활동 탄산음료와혈당의변화 우리몸속의혈당조절은대표적인항상성조절작용이다. 탄산음료를마시게되면우리몸속의혈당은얼마나높아질까? 탄산음료의당은얼마나빨리흡수되는것일까? 이런변화는우리몸의건강과어떤관련이있을까? 실험기구및재료 기구 : 혈당계, 혈당측정용스트립, 채혈침 재료 : 혈액, 솜, 소독용알코올, 고무밴드, 탄산음료 ( 일반음료와다이어트음료 ), 물, 컵 실험방법 (1) 사용할혈당계의사용법과스트립의유효기간을확인한다. (2) 손가락을고무밴드로묶고, 채혈할손가락끝을소독용알코올을묻힌솜으로깨끗이소독한다. (3) 채혈침으로손가락을찔러혈액이나오도록한다. (4) 스트립을이용해혈당을측정한다. (5) 10분간격으로 3회를실시한다. (6) 실험구와대조구로나뉘어각각탄산음료, 다이어트탄산음료, 물을 < 그림 Ⅳ- 61> 죄수가창살을빠져나갈 500 ml씩마신다. 만큼다이어트탄산음료는다이어트에효 (7) 10분간격으로혈당의변화를측정과가있을까? 하여기록한다. 실험결과및논의 (1) 혈당의변화를그래프로나타내시오. (2) 혈당이어떤기작을통해변화하는지설명해보시오. (3) 일반탄산음료와달리다이어트탄산음료를마시면혈당이높아지지 않는다. 그이유를알아보자. 278 심화생명과학

연구과제 (1) 나의몸속혈당은하루동안어떻게변하고있을까? (2) 섭취하는음식물의종류에따라혈당량의변화속도는어떻게달라질까? (3) 학교내에서탄산음료의판매를금지하는것이타당한것인지논의해보자. (4) 혈당계의측정원리에대해조사해보자. < 그림 Ⅳ- 62> 음료에따라많은양의당이들어있다. 혈중포도당농도가올라갔을때이자라고불리는분샘에서호르몬의일종인인슐린을혈액속으로분비한다. 자극 : 먹이섭취후 ( 식사후 ) 혈중포도당농도가올라간다. 항상성 : 100 mg포도당 /100 ml 혈액 인슐린은몸속세포로포도당수송을증가시키고간과근육에서포도당을글리코젠으로저장시키도록자극한다. 그결과혈중포도당농도가떨어진다. 글루카곤은간에서글리코젠의분해와혈액속으로분비를촉진시켜혈중포도당농도를올린다. 자극 : 정점이하고혈중포도당농도가떨어진다. 혈중포도당농도가떨어졌을때이자에서는인슐린과반대되는효과를내는글루카곤호르몬을분비한다. < 그림 Ⅳ- 63> 몸속연료인포도당의항상성조절 < 그림 Ⅳ- 64> 사람의이자조직이자에서는외분비조직과내분비조직이같이존재한다. 세포의에너지원으로가장많이사용되는영양소인포도당은음식물을통해서얻을수있다. 우리가섭취한음식물중탄수화물은포도당으로분해되어소장의모세혈관으로흡수되므로혈당량을증가시킨다. 하지만체내에서상황에따라포도당을사용하게되므로혈당량은지속적으로변하게된다. 정상인의혈당량은 100 ml의혈액에 100 mg의포도당이들어있는정도이며, 일정한농도 (0.1%) 로유지된다. Ⅳ. 인체생리 279

우리가탄산음료를마시게되면음료속의당이신속히흡수되어혈당이높아진다. 혈당을낮추기위해이자에서인슐린이분비되고당은대사의에너지원으로사용되고, 글리코젠이나지질로도합성되어혈당은떨어진다. 반대로물을마시거나에너지를소모하는각종활동으로혈당이떨어지면이자는글루카곤을분비하여합성했던글리코젠을분해하여다시혈당을높이게된다. 이와같은방식으로혈당량은일정하게유지될수있다. (1) 인공감미료 HO O O NH CH 3 O NH 2 O < 그림 Ⅳ- 65> 아스파탐의구조 다이어트음료에는단맛을내기위해인공감미료가들어있다. 인공감미료로는시클라메이트, 아스파탐, 사카린, 수크라로오스등이있는데, 설탕에비해각각 30배, 150배, 450배, 600배정도가더달다. 하지만이런물질은몸에들어가서당으로작용하지않는다. 이런인공감미료가더강한단맛을내는이유는혀의단맛을느끼는수용체에아주강하게결합하기때문이다. 인공감미료는단맛의수용체뿐만아니라쓴맛을느끼는수용체와결합하게되는데, 그런이유로뒷맛이쓰게느껴지기도한다. 약 품의경우맛이굉장히쓰기때문에인공감미료를많이첨가하고있다. (2) 혈당측정기혈당측정기는혈액속에들어있는포도당의양을재는기구이다. 이포도당의양을측정하는원리에는두가지가있다. 하나는광도측정법이고, 다른하나는전기화학법이다. 광도측정법은시험지에빛을쏘아올린후반사된빛의양을분석하여혈당을측정하는방식이다. 시험지에혈액이묻게되면, 혈액과시험지에있는효소가반응하여착색이되게된다. 이때발광장치에서착색된부분에빛을쏘아올리면그착색의정도에따라빛을흡수하는정도가달라져이를이용해측정하는방식이다. 전기화학법은혈액속포도당이시험지의효소와반응하여전자를생성하도록한후, 생성된전자의양을혈당수치로바꾸어서보여주는방식이다. 시험지에묻은혈액속에포도당이많이포함되어있으면그포도당들이시험지의 280 심화생명과학

효소와더많이반응해서많은양의전자를만들어내게되고, 그전자의양만큼혈당수치도높게나오게된다. 쏘아올린빛 시험지표면 반사된빛 혈액과효소가반응하는곳 전자의신호를측정기에서수치화 발광장치빛측정장치시험지의착색된부분은빛의일부를흡수 < 그림 Ⅳ- 66> 광도측정법의원리 당과반응하여전자가생성되고기기로보내짐 < 그림 Ⅳ- 67> 전기화학법의원리 조사하기 혈당계의원리에따라어떤장단점이있는지조사해보자. (3) 당뇨병 2002년발표된통계청의사망원인통계를보면인구 10만명당암이 123.5 명으로 1위, 뇌혈관질환이 73.8명으로 2위, 심장질환이 34.2명으로 3위, 당뇨병이 23.8명으로 4위였다. 사망원인순위로볼때지난 10년동안암다음으로많이증가한질환이바로당뇨병이다. 이수치는 OECD 국가중에서가장높은수준이다. 미국의경우 CDC( 질병통제예방센터 ) 는 2004년미국인중 4천 100만명정도가당뇨병으로발병할수있는준당뇨병이라고밝히고있다. 이처럼당뇨병은흔한내분비계질환이다. 당뇨병은체세포가혈액속의포도당을제대로흡수하지못해일어나는내분비계질환이다. 이병은혈액내에인슐린의양이부족하거나체세포가인슐린과정상적으로반응하지못해서일어난다. 이와관련되어당뇨병을두가지형태로나눌수있다. 하나는인슐린의존성당뇨병이고다른하나는인슐린비의존성당뇨병이다. 제Ⅰ형당뇨병인인슐린의존성당뇨병은백혈구가이자의내분비샘을일부파괴하는자가면역질환이다. 이결과이자는인슐린을충분히만들지못하고세포는인슐린의명령을전달받지못해혈액속의포도당을에너지원으로사용하지못한다. 이병은 15세이전의어린이들에게서도나타난다. 정기적으로인슐린을투여하 < 그림 Ⅳ- 68> 인슐린펌프는혈당변화에따라인슐린을체내로자동적으로주입면정상적으로활동할수있다. 한다. Ⅳ. 인체생리 281

제Ⅱ형당뇨병인인슐린비의존성당뇨병은이자샘이정상적으로인슐린을생산한다. 하지만체세포가인슐린에적절하게반응하지못해나타나는병이다. 미국의당뇨병환자중 90% 가이경우이다. 이병은비만과관련이많은것으로생각되며대부분 40대이후에발병하는성인병이다. 조사하기 1. 당뇨병은왜위험한병인지조사해보자. 2. 당뇨병은어떻게치료할수있는지조사해보자. 2) 삼투조절 인체는수분과염류의균형, 그리고요소생성량에따라오줌의부피와삼투농도를모두조절할수있다. 우리가아주짠음식을먹거나물을적게먹으면고농도의오줌을생산하여물의손실을최소화할수있고, 반대로물을많이마실경우오줌을통해과량의물을배설할수있다. 평소우리는체내삼투농도가약 300 mosm/l인데, 과량의체액을배설할때는오줌을약 70 mosm/l 까지희석할수있다. 인체는어떤과정을통해삼투를조절할수있을까? 탐구활동 삼투조절 체내의삼투농도는계속해서변한다. 삼투농도는세포들의대사과정및생존에가장중요한요인이된다. 이런삼투농도를조절하기위한과정은어떻게일어나는것일까? 자료 삼투조절과정자료 해석및논의다음은인체의삼투조절과정을모식적으로나타낸것이다. (1) 짠음식을먹거나땀을많이흘려체액의농도가 300 mosm/l 이상 으로높아지면어떻게되는지설명해보자. 282 심화생명과학

뇌사수체 시상하부의삼투수용기시상하부 ADH 투과도증가 갈증 물을마시면혈액의삼투몰농도가적정선까지낮아짐 원위세관에서 Na + 와물에대한재흡수증가 알도스테론 항상성 : 혈압, 혈액부피 자극 : 곁사구체기구 (JGA) 가혈액량또는혈압감소에반응 자극 : 시상하부의삼투수용기가삼투몰농도의증가를감지하면 ADH 의분비가촉발됨 집합관 원위세관 물의재흡수는더이상의삼투몰농도증가를억제함 세동맥수축부신샘안지오텐신 II 원위세관안지오텐시노겐 JGA 항상성 : 혈액의삼투몰농도 레닌합성 레닌 (a) 항이뇨호르몬 (ADH) 은물의재흡수를도와수분의손실을막는다. (b) 레닌 - 안지오텐신 - 알도스테론 (RAAS) 계는혈액량을늘리고혈압을높인다. < 그림 Ⅳ- 69> 체내삼투조절과정 (2) 출혈이나염류의섭취가부족할경우체내에는어떤일이벌어지는지설명해보자. 연구과제 (1) 짧은시간동안과도한양의물을마시면매우위험하다. 그이유를알아보자. (2) 삼투조절과정과관련된질병의원인과특성을조사해보자. Ⅳ. 인체생리 283

(1) 항이뇨호르몬에의한조절인체의삼투조절에가장중요한역할을하는것이항이뇨호르몬 (antidiuretic hormone, ADH) 이다. ADH는시상하부에서합성되어뇌하수체후엽에저장된후자극에따라분비된다. 시상하부의삼투수용기는혈액의삼투압을측정하고뇌하수체후엽의 ADH 분비량을조절한다. ADH는혈액의삼투가높아지는상황에서분비된다. ADH는신장의원위세뇨관과집합관에주로작용한다. ADH는집합관의물에대한투과성을높여물의재흡수량을증가시킨다. 그결과오줌의양은줄어들어체액의삼투농도를낮추게되고, ADH의분비도줄어들게된다. 혈액의삼투농도가낮아지면반대의과정이진행된다. ADH의분비는거의일어나지않고, 그로인해집합관에서물의재흡수가줄어들고과량의오줌이만들어지는것이다. (2) 레닌 - 안지오텐신 - 알도스테론의조절 체액삼투농도의항상성을돕는조절기구에는레닌-안지오텐신-알도스테론계 (RAAS) 가있다. RAAS에는사구체로혈액을보내는수입소동맥에붙어 레닌-안지오텐신-알도스테론계 RAAS (Renin-angiotensinaldosterone-system) 있는특수한조직인곁사구체기구 (JGA) 가관여한다. 혈압이떨어지면 JGA에서레닌이라는효소를분비하고, 레닌은혈액내의안지오텐시노젠이라는단백질을변형시켜호르몬으로작용하는안지오텐신Ⅱ라는작은펩티드를만든다. 안지오텐신Ⅱ는소동맥을수축시켜혈압을높이고, NaCl의재흡수를도와 준다. 또부신피질을자극하여호르몬인알도스테론의합성을증가시킨다. 알 곁사구체기구 JGA (Juxtaglomerular apparatus) 도스테론은원위세뇨관에작용하여 Na + 과물의재흡수를증가시키고, 그결과혈압은높아지게된다. ADH와 RAAS는물의재흡수를증가시키기는하지만 ADH는지나친탈수나수분섭취의부족에의해혈액의삼투농도가증가하면자극을받는다. 반면에 염류와물의손실이한번에일어날경우에는 RAAS 가작동하게된다. 조사하기 1. 삼투조절과혈압약과의관계에대해조사해보자. 284 심화생명과학

항상성조절 인체는하나의계 (System) 이다. 이계가잘작동하기위해서는조절이필요하다. 계에는 4가지특성인 1요소, 2경계, 3상호작용, 4투입과산출물을가지고있다. 인체의항상성은신경계나내분비계에의해조절되며, 피드백조절은대표적인조절방식이다. 정리하기 뉴런의자극전달 뉴런은역할에따라운동뉴런, 감각뉴런, 연합뉴런으로나눌수있다. 뉴런은휴지막전위를유지하고역치이상의자극에대해활동전위를만들어자극을전달한다. 뉴런과뉴런은시냅스라는미세한간격을두고인접해있으며, 신경전달물질을통해자극을전달한다. 신경계와내분비계 신경계는중추신경계와말초신경계로나눌수있으며, 중추신경계는뇌와척수, 말초신경계에는체성신경계와자율신경계로구분된다. 체성신경계는운동신경과감각신경이, 자율신경계에는교감신경계와부교감신경계가있다. 인체의중요한조절은대부분반사적으로조절되고있으며, 반사적인조절은즉각적으로반응하여신체의항상성조절에중요한역할을담당한다. 내분비계는분비샘에서혈액으로분비되어각표적기관의활동을조절하여항상성조절에관여한다. 신경계와내분비계는서로상호작용하며인체의항상성조절에관여한다. 인체의항상성조절 혈당조절과정에는이자에서분비되는호르몬인인슐린과글루카곤에의해조절된다. 신체의삼투조절과정에는뇌하수체에서분비되는항이뇨호르몬 (ADH) 와삼투조절을돕는조절기구인레닌-안지오텐신-알도스테론계 (RAAS) 가관여한다. Ⅳ. 인체생리 285

논술및토의 1. 공학자들은인간을닮은로봇을만들기위해많은노력을기울이고있다. 인 간처럼두발로서고뛰는로봇을만드는것은생각처럼그렇게쉽지않다. 1) 로봇이인간처럼행동하기위해어떤요소들이필요할지토의해보자. 2) 인체의시스템조절방법중로봇의제어시스템에적용할수있는것은무엇이있을지토의해보자. 2. 다음을읽고물음에답하시오. 혈압과호흡등생체반응을이용, 피의자진술의진위성을판별하는장치인거짓말탐지기가요즘에는상반된진술과이해관계가얽혀있는교통사고피의자진술의진위성을판별하는데활용되고있다고한다. 강력사건은증거관계가명확하지만교통사고의경우에는당사자들간진술이상반되고이해관계가첨예하게대립할뿐아니라피의자판단에어려움이많아거짓말탐지기검사의뢰가증가하고있다. 1) 거짓말탐지기의결과는법정에서중요한증거로사용된다. 거짓말탐지기의결과는얼마나신뢰할수있는것인지과학적근거를들어설명하시오. 2) MBL을이용한거짓말탐지기를설계하고, 실험을수행할수있는계획을세워보시오. 286 심화생명과학

3. 일반청량음료, 다이어트청량음료, 물을마신후혈당의변화를측정한 논술및토의 결과이다. 물음에답하시오. 1) 위결과를통해알수있는사실들을가능한많이나열해보자. 2) 각음료에대해시간의경과에따라체내에어떤변화가일어났을지설명해보자. Ⅳ. 인체생리 287

생명의다양성과생태계 01 02 03 생명의다양성생태계생물의다양성과보전

단원안내 원시지구에생명체의태동이시작된후역동적인진화의과정을통해수많은생명체가지구상에나타나고사라졌다. 그진화의결과현재에도매우다양한생명체가지구상에살아가고있다. 그생명체들은매우다양한환경에서그들만의생태계를이루고있다. 하지만최근환경오염으로인해생물의다양성이위협받고있어그대책이시급하다.

1. 생명의다양성 01. 생명의기원 02. 진화론의등장 03. 집단유전과진화 04. 인류의진화 지구의역사는얼마나되었을까? 옛날많은사람들은지구의나이가겨우수천년쯤이라고생각했다. 또한지구가신에의해만들어진불변의존재라고생각했다. 이런고정관념은생물의연구역사에도그대로영향을주었다. 이런기존의생각에변혁을가져온과학자가다윈이다. 다윈은지구의역사가알려진것보다훨씬오래되었으며생명체는그역사의과정에서변할수있다고주장한다. 그의진화론은그후비약적으로발전하여이제는우리문화의한부분이되어가고있다. 진화론은생명이왜다양할수있는지설명하고있다. 지구의역사에서어떻게생명체가시작되었는지생각해보고, 진화는어떤과정을통해일어나는지알아보자.

01 생명의기원 학 습 목 표생명의기원을논리적으로설명할수있다. 세포내공생설에대해설명할수있다. 생명진화의역사를설명할수있다. 1) 유기물의생성 우주의나이는 110 억 ~160 억년쯤일것으로추정되며, 우리태 양계는약 46억년전에생성되었을것으로추정된다. 46억년전태양은갓태어난신생별이었다. 지구가둥근형태를갖춘후에도지표면은 6억년동안굳지않았고, 아주과열되어있었을것으로추정된다. 유성이나소행성들이무차별적으로원시지구를공격했을것이다. 이런환경에서는분명생명체가존재하지못했을것이다. 지구가점점냉각되고수증기가비가되어내리면서 < 그림 Ⅴ- 1> 블록장난감으로조립하기지표면도굳어지고지각이형성되었다. 만약생명이탄생할수위해조립식장난감이필요하듯, 생명체에는유기물이필요하다. 있는여건이만들어졌다면, 생명은어떻게시작했을까? 최초의생명체에대한의문을풀기위해서는우선생명을이루는유기물이어떻게생성되었는가에답해야한다. 유기물은자연적으로만들어질수있는것일까? 탐구활동 유기물의생성과밀러의실험 영국의화학자홀데인은 1929년그의논문에서 지구의원시바다는뜨거운묽은스프 라고설명하고있다. 그는유기물로가득한원시의바다에서생명체가스스로발생했다고주장한다. 오파린과홀데인은생명의기원에대한다음과같은 3가지가설을주장했다. 첫째, 원시대기에는산소가없었고단지성간물질과화산가스등의성분으로채워져있었으며이들가스의성분은수소, 수증기, 메탄, 암모니아, 이산화탄소등이었을것이다. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 291

둘째, 당시오존층이없었기때문에지구가자외선에노출됐으며화산활동이나번개등의고에너지활동이빈번했을것이다. 셋째, 원시대기에화산활동이나번개등의열에너지가가해져생명체를구성하는기본단위인단백질의구성분자가만들어졌을것이다. 이런조건에서유기물이합성될수있다면생명의기원에대한실마리가될수있을것인가? 자료 밀러의실험결과, 생명의기원에대한내용 1953년스탠리밀러는오파린과홀데인가설을검증하기위해실험실에서지구의바다를상징하는약간의물과원시지구의대기성분으로생각하는수소 (H 2 ), 암모니아 (NH 3 ), 메탄 (CH 4 ) 을플라스크에넣었다. 이것들을고무관으로연결한후지구의바다를끓게하고, 불안정한대기에서발생했을번개를만들기위해전기방전을일으켰다. 며칠이지나자원시바다에는아미노산, 유기산, 시안화수소 (HCN), 요소등과같은여러유기물이뒤섞여녹황색을띄었다. 찬냉각수 원시대기 원시바다 응축기 가열 < 그림 Ⅴ- 2> 밀러의실험 해석및논의 (1) 밀러의실험결과를통해생명의기원에대한결론을내려보자. 292 심화생명과학

(2) 밀러의실험결과가오파린과홀데인의가설을지지하는지판단해보자. 만약지지한다면오파린과홀데인의가설은과학적으로어떤의미가있는말해보자. 연구과제 (1) 현재는밀러의실험은여러측면에서부정되고있다. 어떤점에서오류가있었는지알아보자. 엄청난시간이흐른지금에와서원시지구에서생명체가어떻게탄생하였는가를확인하는것은불가능에가까운일이다. 과학자들은생명의기원에대한두가지학설을주장한다. 하나는외계포자설이며, 다른하나는화학적진화설이다. 외계포자설은우주공간에존재하는많은운석, 혜성등에서생명의기원이될수있는생명의포자가존재한다는가설이다. 화학적진화설은밀러의실험에서볼수있듯이생명체에게필요한유기물질들이자연적으로발생할수있다는것이다. 이처럼과학자들은생명체가자연적으로발생할수있다고주장한다. < 그림 Ⅴ- 3> 외계포자설화성에서떨어져나와남극에떨어진운석속에서생명체의흔적으로추정되는유기물 2) 원시생명체의기원 < 그림 Ⅴ- 4> NASA의딥임팩트계획우주에 1920년러시아의과학자알렉산더오파린 (A. I. Oparin) 은생명의포자가퍼져있을것이라는외계포자설을증명해줄것이다. 큰단백질과다당류의혼합물을흔들어주면코아세르베이트라는원시생명체가만들어진다고주장하였다. 코아세르베이트라는이원시생명체모델은물과약간의물질교환이일어났으며, 매우안정적이었으며, 여러개가합쳐지거나분리하기도했다. 폭스 (S. W. Fox 1963) 는산성과염기성아미노산을다량함유한혼합액을가열하면아미노산들이중합하여폴리펩티드가생긴다는사실을발견하였다. 이것은원시단백질과비슷한것이었다. 이원시단백질을묽은염용액에용해 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 293

한뒤에냉각하면희고탁해지며지름이 0.5~2 nm의균일한지름을가진마이크로스피어 (microsphere) 가생긴다. 이원시단백질성마이크로스피어는자연조건하에서발생할수있는원시세포모델이다. 이것은코아세르베이트에비해더욱안정적인구조이며, 효모와비슷하게출아현상을보인다. 다양한유기화합물을혼합한찬물에서도형성되며, 막은세포의이중층과비슷하게형성된다. 이러한설명을통해세포라고하는독특한공간적구조가쉽게이루어질수있다는것을보여주었다. 또한, 가시광선이나근자외선을흡수하는분자들이있는데, 이것을발색단이라고한다. 이발색단은지질막에내재되거나결합되어있는데, 이것에빛을비추어주면막을경계로전기적인차를발생시킨다. 이러한특성은미토콘드리아의내막에서일어나는전자전달계와같은것으로진화되었을것이다. 세포가독자적으로생체에너지를생성할수있는기능이자연적으로발생할수있는가능성을설명하고있는것이다. 3) 유전정보의시작 생명의기원에서가장중요한질문중하나는유전정보가어떻게자연적으로만들어질수있는가하는것이다. 거의모든생명체는 DNA라는물질을이용하여유전정보를가지고있다. 하지만바이러스와같은일부생물들은 RNA 를유전정보로가지고있다. 과학자들은단순한구조인 RNA가원시세포의유전정보이었을것으로생각한다. RNA는단일가닥이고짧은구조를하고있지만, DNA는이중가닥으로상보적인결합과길고보다복잡한구조를가지고있기때문이다. DNA와 RNA의성분인뉴클레오티드의퓨린과피리미딘은밀러의실험에서자연적으로발생될수있음이증명되었지만, 문제는생물체내의모든조절은단백질로구성된효소에의해일어난다는것이다. 이어지는문제는효소가 DNA와 RNA가없이는만들어질수없다는것이다. 이문제는마치 닭이먼저인가, 알이먼저인가 와같은맥락이었으므로해결이쉽지않아보였다. 1970년대에비로소이문제를해결하기위한실마리가보였는데, RNA 분자를퓨린과피리미딘이함유된용액에첨가하면 5~10개의뉴클레오티드서열이형성되었던것이다. 1981년, 과학자들은 RNA 스스로가단백질효소와비슷한촉매역할을통해 400개의뉴클레오티드서열로된인트론을잘라내고엑손을결합하는과정을수행한다는사실을발견하였다. 이런촉매작용을하는 RNA 294 심화생명과학

를 리보자임 이라고부른다. 이러한사실들은스스로복제할수있으면서, 촉매의역할을할수있는 RNA가최초의유전물질일수있음을보여준다. 시간이지나면서 RNA를가진원시세포사이에서보다안정된분자인 DNA를가진세포가등장하였고진화과정을통해발전하였다고생각된다. 주형 리보자임 (RNA 분자 ) 토론하기화학적진화설은논리적비약과한계가존재한다. 그럼에도과학자들이생명의기원에대해지속적으로연구를해야하는지에대해토론해보자. 뉴클레오티드 상보적 RNA 복사본 < 그림 Ⅴ- 5> 리보자임 과학자들은생물의기원과관련된대부분의질문에대한해답을제시하지못한다. 생명의기원에관한우리들의물음에대한답은과학이발전하면할수록자꾸멀어져만가는듯하다. 4) 원시생명체의진화 어느순간부터원시지구의바다에원시생명체가등장했을것이다. 그렇다면이원시생명체는핵의구조를가지지않은원핵생물이었을것이다. 그리고이원시생명체는유기물의바다에서유기물을섭취하고살아가는종속영양생물이었을것이다. 종속영양생물의긴번성은원시바다속에서무한할것같았던유기물을이내고갈시켰을것이다. 이로인해언젠가유기물을스스로합성할수있는독립영양생물이발생했을것이다. 약 35억년전에발생한이생물들은독특한화석인스트로마톨라이트로그흔적이남아있다. 남세균들은햇빛과황화수소를이용해광합성을할수있었다. 현재의많은원핵생물은독립영양생물로자신에게필요한에너지를햇빛이나황화수소, 황, 또는철분등의화합물을통해얻는다. 시아노박테리아는빛을이용하여에너지를얻는광독립영양생물이다. 남세균과같은시아노박테리아의번 < 그림 Ⅴ- 6> 강원영월군북면소재스트로마톨라이트천연기념물제 413 호 < 그림 Ⅴ- 7> 생명체가도저히이용할수없을것같은비소로사는미생물 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 295

성으로대기중에산소의양이점점증가했다. 약 27억년전산소가대기중에많아지면서점점오존층이형성되었을것이다. 대기중산소의양이증가함에따라산소를이용하여유기물을분해하는종속영양생물이출현했을것이다. 산소를이용하는유기호흡은무기호흡에비해많은양의에너지를생성할수있었기때문에유기호흡생물은빠르게진화할수있었을것이다. 생물들이육지로진출하면서호기성생물들에게더많은삶의터전이제공되었다. 5) 진핵생물의출현 세포막 미토콘드리아 세포질 조상원핵세포 종속영양성조상진핵세포 DNA 안쪽으로접혀들어간세포막 호기성종속영양성원핵세포를삼킴 소포체 핵막 미토콘드리아 광합성을하는조상진핵세포 < 그림 Ⅴ- 8> 세포내공생설 핵 핵과세포내막계가있는세포 일부세포가광합성을하는원핵세포를삼킴 색소체 최초의생명체는오늘날의원핵세포처럼단순한세포구조를하고있었을것이다. 그렇다면이들은어떻게복잡한진핵구조를가지게되었을까? 화석기록에의하면진핵생물은약 20억년전쯤에나타난다. 진핵생물의독특한구조는막중첩설과세포내공생설로설명되어진다. 막중첩설은세포의원형질막이안쪽으로접혀들어가면서소포체와핵막과같은구조가만들어졌다는가설이다. 또한세포내공생설은독립적으로존재하던호기성세균과시아노박테리아가세포내로들어와공생적인관계를가지고각각미토콘드리아와엽록체로서살아간다는가설이다. 세포내공생설의증거로많은것들이제시되었다. 첫째, 미토콘드리아와엽록체의경우자신만의 DNA를가지고있다. 이 DNA는대장균의플라스미드와같은환형 DNA이다. 둘째, 미토콘드리아와엽록체는자신만의 DNA를복제하고이분법을통해분열할수있다. 물론이러한분열은진핵생물의핵속 DNA와긴밀한관계속에서이루어진다. 셋째, 원핵생물리보솜과미토콘드리아, 엽록체리보솜간의유사성을들수있다. 리보솜을원심분리기로침강시킬경우진핵생물의침강계수는 80S이지만미토콘드리아와엽록체는 70S로나타나는데, 이는원핵생물들의침강계수와일치한다. 세균의리보솜에작용하는항생제는미토콘드리아나엽록체에도작용하여단백질합성을저해할수있다. 넷째, 리보솜 RNA의염기배열이세균의것과유사하다. 296 심화생명과학

6) 생명진화의역사 원시의바다에서태어난생명체는지속적인진화과정을통해서오늘날다양한생명체를만들었다. 그진화의과정을시간적으로표현하면어떻게나타날까? 탐구활동 진화역사그리기 지구에생명체가출현하고오늘날과같이진화하기까지매우오랜시간이필요했다. 지구의역사를한눈에보면어떤특징이있을까? 어떻게표현하면지구의역사를한눈에볼수있을까? 진화역사를표현할수있는방법을고안해보자. 실험기구및재료 재료 : 지질학적기록자료및자신이고안한것을표현하기위한재료 실험방법 (1) 자신이표현하고싶은방식에맞도록연대의비율을잘맞춘다. (2) 연대를구분짓고, 각시기별특성을기록한다. 실험결과및논의 (1) 학급에서가장잘표현한산출물은무엇이고, 어떤특징이있는가? (2) 지구의역사를한눈으로보면어떤특징을찾을수있는지말해보자. 연구과제 (1) 지질역사에서의환경변화를조사해보자. 진화의첫번째사건은최초의생명체의등장이었다. 그로부터 20억년뒤진핵생물이출현하였다. 진핵생물은유성생식을통해진화의속도를가속화한다. 6억년전쯤생물들은폭발적으로진화하였다. 고생대의전시대인선캄브리아기에디아카라동물군에서발견되는화석들은운동성이없는생물들을많이포함하고있다. 이동물들은딱딱한조직이없고, 외부와물질교환을통해살아가고있었다. 그러던동물들이갑자기폭발적으로진화한다. 캄브리아기에는현재의모든문분류에해당하는동물들이모습을드러낸다. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 297

이언의상대적기간대기세연대 (100 만년전 ) 생물의역사에중요한사건 현생이언 현생이언 시생이언 신생대 중생대 고생대 신제3기고제3기백악기쥐라기트라이아아스기페름기석탄기데본기실루리아기오르도비스기캄브리아기 현세홍적세선신세중신세점신세시신세효신세 0.01 1.8 5.3 23 33.9 55.8 65.5 145.5 199.6 251 299 359.2 416 443.7 488.3 542 역사적시대 빙하기, 인간출현 호오속기원 포유류와속씨식물의방산, 인원류와유사한인간조상기원 인원류를포함한영장류기원 속씨식물우점증가, 대부분의현대포유류목의방산이계속됨 포유류, 조류, 꽃가루매개곤충의방산 현화식물 ( 속씨식물 ) 출현, 공룡등많은생물이백악기말에멸종 ( 백악기멸종 ) 겉씨식물의우점지속, 많은수의다양한공룡 구과식물 ( 겉씨식물 ) 의경관우점, 공룡방산, 포유류와유사한파충류기원 파충류방산, 대부분의현생곤충목기원, 많은해양생물과육상생물이페름기말에멸종 관다발식물의광범위한숲, 최초의종자식물, 파충류기원, 양서류우점 경골어류의다양화, 최초의사지동물과곤충 초기관다발식물의다양화 해양조류풍부, 절지동물과식물이육지를점령 많은동물문이갑자기나타남 600 다양한조류와연체성무척추동물 2,200 2,500 2,700 가장오래된진핵생물세로화석대기산소농도가높아지기시작함 3,500 가장오래된세포의화석 ( 원핵생물 ) 3,800 약4,600 지표면에서가장오래된암석지구기원 < 그림 Ⅴ- 9> 지질학적자료 이시기의생물들은지금은볼수없는매우독특한형태를가지고있었다. 고생대의데본기에육상으로올라온생물체들은다양한진화적양상을보였 는데, 바다속의조류에의해생성된오존층으로인해최초의육상식물이나타 298 심화생명과학

나게된것은약 4억년전이다. 화석기록에서초기의관다발식물로추정되는리니아 (Rhynia) 라는양치식물이발견된다. 실루리아기에는유관속식물의조상이라고생각되는실로피톤 (Psilophyton) 이라는고생물이출현한다. 이식물은데본기에대형나무형태인양치류로진화한다. 양치식물은많은양의수분을필요로한다. 환경의변화로습기가줄어들게되면서이런환경에적응하는식물이등장하는데, 종자양치식물이바로그것이다. 이식물은석탄기에번성하다가페름기에멸종한다. 석탄기에는종자양치식물에서진화된소철류와은행나무류가등장한다. 또한이무렵침엽수의조상도등장한다. 최초의육상동물은거미와노래기류와같은무척추동물이다. 이시기에물속에서는폐어와같은동물이나타난다. 데본기의중기에는유스테노프테론 (Eusthenopteron) 이라는발달한골격과지느러미를지닌어류가나타난다. 이물고기는육상에서도움직일수있게되고양서류로진화한다. 2억 3천만년전에서 6천 5백만년전까지의중생대에서고생대는공룡이번성한다. 약 2억 8천만년전의유파르케리아 (Euparkeria) 라는공룡의직접적인조상은거대한공룡과육상식물동물익룡등으로진화하게된다. 지구를군림하던공룡은어느날대격변을맞게된다. 약 6천 5백만년전중생대백악기말의어떤사건으로인하여공룡과암모나이트는자취를감춘다. 이런생물의대규모멸종은지질시대에여러번존재한다. 고생대말의삼엽충류와방추충의종류들도대규모로다세포멸종한적이있다. 진핵생물공룡이사라진이후, 진화의역사는포유류에게로넘어온단세포진핵생물다. 약 6천 5백만년전부터 4만년전까지의신생대는포유류와피자식물의번성시대이다. 포유류의조상은중생대에이미그모습을드러냈다. 약 2억년전포유류의조상들은공룡들속에서근근이존재하다가중생대말공룡들의멸종과함께모든지역에적응하면서번성하게된다. 인류가지구상에나타난것은극히최근의일이다. 신생대중생대인간 1 대기산소 태양계와지구의탄생 원핵생물 < 그림 Ⅴ- 10> 지구역사의핵심사건을시계에비유해표현할수있다. 4 시생이언원생이언연대 (10억년전 ) 2 3 조사하기 우리나라에서진화의흔적을볼수있는화석과그특성을조사해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 299

02 생명의다양성 학 습 목 표물속의다양한원생생물을찾을수있다. 짚신벌레의관찰을통해원생생물의특성을설명할수있다. 계통수를통해다양한생물들이특징을공유하고있음을설명할수있다. 1) 생명의다양성 지구상에는매우다양한생명체가살고있다. 우리주변에도수많은생물들 이우리가인식하든인식하지못하든늘함께살고있다. 주변에서볼수있는생물들은어떤것이있을까? 원생생물채집 - 논이나습지에서바닥의물을찌꺼기와함께채집 - 여러포기의물품을비커에넣고흔들어씻어채집 - 플랑크톤네트를이용해채집 - 물속의돌을꺼내어칫솔로문질러채집 실험어항의준비물을넣고한동안청소하지않고햇빛이잘드는곳에둔것을사용한다. 콩고레드로염색된효모액 50mL의물에건조효모를 1g 정도넣어풀고 24시간놓아둔다음, 이것을가열하여거의끊는온도로 8 분간두었다가 0.1g의콩고레드가루를넣는다. 탐구활동 원생생물의다양성물은생명의근원이다. 물속에는우리가생각하지못하는세계가있다. 원생생물은지구상에가장먼저출현했을진핵생물이다. 주변에서찾을수있는원생생물에는어떤것이있을까? 실험기구및재료 기구 : 현미경, 받침유리, 덮개유리, 비커, 스포이트, 어항, 면도날 재료 : 솜, 짚신벌레배양액, 메틸셀룰로오스, 콩고레드가루실험방법-다양한원생생물관찰 (1) 면도날을어항의유리벽면에붙이고, 유리벽면을따라밀면서유리벽면에붙어있는원생생물을채취한다. (2) 현미경을저배율에서고배율로높이며다양한원생생물을찾아보자. (3) 특정원생생물을찾으며, 그특징이잘드러나도록기록으로남긴다. 300 심화생명과학

실험방법 - 짚신벌레관찰 (1) 이쑤시개로메틸셀룰로오스용액을떠서받침유리중앙에작은원을그린다. (2) 원안에짚신벌레배양액을한방울떨어뜨리고덮개유리를덮는다. (3) 현미경의저배율로짚신벌레를찾은다음, 서서히움직이는짚신벌레를찾아고배율로관찰한다. (4) 짚신벌레의운동모습, 수축포활동, 섬모운동등을관찰한다. (5) 받침유리위에솜을조금떼어놓고그위에콩고레드로염색한효모액을조금떨어뜨린다음, 짚신벌레배양액을한방울떨어뜨리고덮개유리를덮는다. (6) 현미경으로관찰하면서짚신벌레의섭식운동과소화과정을관찰한다. 실험결과및논의 (1) 짚신벌레의특징이잘드러날수있도록관찰결과 ( 사진, 그림, 기록등 ) 를전시하고가장좋은산출물을골라보자. 그리고고른산출물이짚신벌레의어떤특징을잘드러내고있는지설명해보자. 섬모수축포세포입식포소핵세포인두대핵 ( 가 ) 식포 < 그림 Ⅴ- 11> 짚신벌레의구조 수축포의관찰방법수축포를쉽게관찰하기위해서는짚신벌레의운동을최소화시켜야한다. 이를위해메틸셀룰로오스를사용한다. 또다른방법은덮게유리와받침유리를압착시키는것이다. 프레파라트를만들고일정시간을두면물이마르기시작하는데물이마르면덮게유리와받침유리가밀착되어그사이에짚신벌레가압착된다. 이상태에서짚신벌레의내부구조를쉽게관찰할수있다. 하지만시간이좀더지나면짚신벌레가터져죽기때문에관찰하는데유의해야한다. 아상태에서짚신벌레가식포를형성하는과정도관찰할수있다. (2) 짚신벌레가효모를섭취하여소화하는과정을설명해보자. (3) 관찰한생물중원생생물인것과아닌것은어떻게구별할수있는지설명해보자. 연구과제 (1) 다양한원생생물의특징이잘들어나도록찍은사진이나, 그림등에원생생물의특징을기록하여전시용판넬을제작해보자. (2) 도감을활용하여관찰한원생생물의이름을조사해보자. (3) 각종원생생물이자유롭게움직이는원리에대해탐구해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 301

원생생물은원핵세포와달리핵이핵막으로둘러싸여있으며, 미토콘드리아, 소포체, 골지체, 등의세포소기관을가지고있는대부분단세포되어있는진핵생물이다. 원생생물이라는분류는최근계통학의발전으로원생생물계의존재가사라지고있다. 원생생물은그특징을한두가지로설명할수없다. 그이유는원생생물에속하는종은그구조와기능이다양하기때문이다. ( 대부분의원생생물은비록군체이거나다세포성이있기는하지만단세포생물이다.) 단세포원생생물은간단한진핵세포가아니다. 원생생물은우리몸의세포들보다훨씬복잡한구조를가지고있다. 원생생물은삼투조절을위해일반적세포와는달리수축포를가지고있다. < 그림 Ⅴ- 12> 짚신벌레의수축포운동 원생생물계원생생물의어떤좋은다른원생생물보다식물, 균류, 동물에더가깝다. 이런이유로원생생물계는폐기되고있다. 원생생물은다른진핵생물보다다양한영양방식을취한다. 일부원생생물에는엽록체를가지는광독립영양생물, 유기물을섭취하거나큰먹이입자를섭식하는종속영양생물, 이두가지형태가혼재되어있는혼합영양생물이있다. 원생생물의생활사도매우다양하다. 무성생식만하는종이있는반면에유성생식을하거나감수분열과유성생식을하는과정을거치는종도있다. 조사하기 원생생물에속하는한종을선택하여생물에대한구조, 특성, 생활사등에대해자세히조사해보자. 원생생물은식물, 동물, 균류와같은수많은생물들과진화적관련성을맺고있다. 이런관련성을어떻게쉽게볼수있을까? 302 심화생명과학

2) 계통수 계통은공통조상으로부터내려오는생물체집단의전승을기록하는계통분류학자에의해제안된하나의가설이다. 계통수는그역사를그려보는하나의방법이다. 그속에서하나의혈통이각각의마디나갈라짐이종분화사건을나타내는가지를낸 나무 로서표현된다. 그래서계통수는혈통이분열된것을가정하는정도를보여준다. 계통수를재구성하기위해계통분류학자들은생물체의형질의진화적변화를분석한다. 그들은변형의대물림이라는다윈의기본생각에따르는데, 그것은모든종은공통조상으로부터내려온다는설명이다. 계통수속에서시간은왼쪽에서오른쪽으로흘러간다. 계통수는생물체계통사이의상대적분리시기를보여준다. 그러나수직거리는별다른의미를가지지않는다. 종간의분리는특정형질에의해일어난다. 새로운유전자의출현 현생하는모든분류군은오른쪽에위치 가장오래된조상 개체군이둘로나누어져새로운종을형성. 곡선은진화속도와는무관함. A B C D E F G H I J K L 분기점의위치는개체군이갈라진순서 분기점의위치는개체군이갈라진순서 가장초기 시간 현재 M < 그림 Ⅴ- 13> 계통수의구조 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 303

탐구활동 계통수그리기 지구상에는다양한생물들이살고있다. 그리고그생물들은공통의특징들을가지고있다. 그공통의특징으로계통수를그릴수있다. 계통수를만들면어떤것을알수있을까? 자료 < 생물의특성자료 > 파생형질 분류군턱폐 발톱과손톱 모래주머니 깃털 털가죽 젖샘 각질비늘 먹장어농어도롱뇽도마뱀악어비둘기생쥐침팬지 - + + + + + + + - - + + + + + + - - - + + + + + - - - - + + - - - - - - - + - - - - - - - - + + - - - - - - + + - - - + + + - - 해석및논의 (1) 다음의자료는생물들의형질특성을기록한표이다. 이를이용해계통수를그려보자. (2) 그려진계통수에서알수있는것은무엇인지말해보자. 연구과제 (1) 원생생물계의계통수를조사해보고, 각생물들의특징에대해알아보자. (2) 다양한생물군의계통수를조사해그생물군의특징에대해알아보자. 304 심화생명과학

지구상에는존재하는다양한생명체들은서로비슷한특성을공유하고있다. 과학자들은이런생물들의특성을이용해분류하고그관계를계통수로나타낸다. 계통수의가장근본적인가설은공통조상이있을것이라는것과그것이진화했을것이라는데있다. 지금의계통수는생물의외부적인특성뿐만아니라유전자의관련성을고려하고분류하고있다. 계통수를구성하는데있는과학자들은최절약원리를사용한다. 가장일반적인형식으로최절약원리는관찰된자료를설명할수있는가장간단한가설을설정하는것이다. 생물의가장큰분류군은계단계이다. 1960년이전에는생물을 2계로생각했으며, 1906년후반부터모네라계, 원생생물계, 식물계, 동물계, 균계의 5계체계가최근까지널리받아들여지고있었다. 하지만유전적자료의연구를통해최근세균영역, 고세균역, 진핵생물역의 3역이받아들여지고있다. 조사하기 2 계에서 3 역으로분류방식이어떻게변화되어왔는지조사해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 305

03 진화론의등장 학 습 목 표진화론이등장하기까지의역사적배경을찾을수있다. 다윈의진화론을설명할수있다. 진화론을지지하는증거들을찾아설명할수있다. 진화론은생물학사에서가장위대한결과물이라고말할수있다. 20세기생물학뿐만아니라사회문화전반에영향을주었으며, 철학적변화를주도했다. 그런데이런위대한업적은다윈혼자만의연구에서나타난것이아니다. 진화론이대두되기까지역사적으로어떤일들이있었을까? 탐구활동 다윈의생애와사상의역사적배경 다윈의진화론이대두되는과정에는어떤일들이있었으며, 그이론들은직간접적으로진화론에어떤영향을주었을까? 역사적배경은어떠했을까? 실험기구및재료 기구 : 컴퓨터, 빔프로젝트, 진화론배경자료, 자 재료 : 각종필기구, 그림도구, 전지실험방법 (1) 진화론에영향을미친자료를수집하고정리한다. (2) 역사적시기에따라한눈에잘알아볼수있는연대표를고안하고제작한다. (3) 빔프로젝트나전시등을통해발표한다. 실험결과및논의 (1) 다윈의진화론에영향을준학자들은누구이며어떤영향을주었는지알아보자. 306 심화생명과학

(2) 라마르크의진화가설은어떤역사적의미를가지고있는지알아보자. 연구과제 (1) 멘델이후현대의진화론까지진화론의변천사를알아보자. 몇몇그리스철학자들은생명체가시간이지나면서점점변화할수있다고제안했다. 하지만아리스토텔레스 (Aristotle, 384~322 B. C.) 는생명체를고정된것으로바라보았으며, 이는후대에오랫동안영향을주었다. 생명체가신에의해개별적으로설계되어창조되었으며, 그런만큼완전하여변하지않는다는생각은오랫동안지속되었다. 1700년대과학자들은생물들이자신의환경에맞추어잘적응하고있다는것을알았지만, 이는신의완벽한설계로해석되었다. 생물의분류체계를확립한린네역시분류체계가창조된양상일것이라고생각했다. 하지만분류체계는결국진화론의중요한역할을하게되었다. 지질학자인허튼과라이엘은지구의지질학적특징들이현재와비슷한속도로점진적으로변한다고주장하였다. 그들의주장이맞는것이라면지구의나이는성서에의거한수천년으로부터상당히늘어나게된다. 강이침식되고계곡이만들어지고흙이퇴적되는것이상당히오랜시간이걸렸다면이런유사한과정이생물에게도일어날수있을것이라고과학자들은생각하기시작하였다. 라마르크는현재살아있는종과화석의형태를비교하면서상대적으로최근의화석이현재의종과비슷하다는사실을알았고, 종이변한다는생각을하였다. 그는두가지원리로그의이론을설명하였다. 하나는용불용설로, 잘사용하는부위는강화되고잘사용하지않는부위는퇴화된다는것이었다. 그예로기린의목을들수있는데, 라마르크는기린의목이긴이유를높은가지에있는나뭇잎을먹기위해목을계속늘이기위해노력했기때문이라고서술했다. 다른하나는획득형질의유전인데, 이원리의핵심은후천적으로얻은생물적인특성이자손에게도물려진다는것이다. 라마르크의생각이모두옳은것은아니었으나, 최초로생물의변화에대한체계적인설명이었다는점에서큰의의를가진다. 라마르크의이러한설명에도불구하고생물이변할수있다는생각이널리받아들여지기까지는많은시간이필요했다. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 307

1) 진화론 다윈은 1831년비글호를타고 5년간탐험여행을하면서남미의여러지역에살고있는생물들과화석을채집하고관찰하였다. 특히, 갈라파고스군도의생물상을연구하면서생물이진화한다는생각을갖게되었다. 다윈은자연선택메커니즘으로진화과정을설명하고자하였다. 그는자신의주장에설득력을부여하기위해잘알려진식물과가축의품종개량사례를논의하였다. 인간은좋은형질을가진개체들을오랜세대동안선택하고교배시키는인위선택으로다른종들을변화시켰다. 인위선택으로인하여조상과전혀다른종이생겨난다. 그는인위선택과비슷한과정으로자연선택이일어날수있다는것을여러가지예를들어설명하였다. 또한다윈은맬서스의인구론을인용하며, 자원의한계에의해인구의수가제한될수밖에없는것처럼자연에서도이런일이일어난다고설명하였다. 먹이자원의한계, 자손의과잉생산등에의해생존경쟁이일어난다는것이다. 다윈의자연선택설을요약하면다음과같다. 대부분의생물은실제생존할수있는것보다더많은자손을생산하는경향이있으며, 과잉생산된개체들은살아남기위해경쟁을하게된다. 대부분의개체군내에서개체들사이에는형태나기능이조금씩다른변이가존재한다. 환경에보다잘적응하는변이를가진개체는더높은확률로살아남아더많은자손을낳는다. 살아남은개체의변이는자손에게전달되며이러한과정이오랫동안계속되면생물의진화가일어난다. 진화론에서중요한점은자연선택이개체들에게일어나지만진화의대상은개체가아니라종자체라는점, 자손에게전해지는형질은유전되는형질이며획득된형질이아니라는점, 환경요인은시간과장소에따라변하며때에따라같은형질에대해서도유리할수도불리할수도있다는점이다. 다윈의진화론은계속해서진화하고있다. 현재모든생물학분야에진화론이사용되고있다. 특히유전자가발견되면서진화의본질에좀더접근할수있었으며, 진화의단위가개체에서유전자로받아들여지고있다. 그런데생물이진화한다는증거들에는어떤것이있을까? 308 심화생명과학

2) 진화의증거 생물의진화에는시간이필요하다. 진화는매우긴시간동안서서히일어나 기때문에그증거를쉽게찾아내기힘들다. 그렇다면생물의진화는무엇으로확인할수있을까? 진화의증거들에는무엇이있을까? 조사하기 진화의증거들을조사해보자. (1) 관찰된증거일상생활에서도진화과정은직접관찰된다. 예를들어신형독감이유행하여많은사람들이고통받기도하고, 항생제의과용으로기존의항생제에내성을가진슈퍼박테리아가등장하기도한다. 구피라는작은열대어는암컷을유혹하기위해화려한색을띠고있다. 하지만화려한색은포식자의눈에띌염려가커지게하므로위험요인이기도하다. 그결과포식자가없는물웅덩이에는화려한구피가많아지고, 포식자가있는물웅덩이에는덜화려한색을가진구피가많아진다. 만약포식자가많은물웅덩이에화려한구피를넣으면어떻게될까? 시간이지나면서구피개체군은덜화려한색으로변해간다. 화려한색을가진어린개체들은포식자에게빨리먹혀생식의기회를가지지못하는것이다. (2) 화석증거화석의기록은중요한증거를제시한다. 화석은시간에따라지구상의생명체가어떻게변화해왔는지의양상을설명해줄뿐만아니라다른증거들로부터나온진화에관한가설을검증하는데도움을준다. 예를들어양서류가육상척추동물의조상이라는가설이맞는다면, 시간적으로양서류의화석이육상척추동물화석이전에존재해야한다. (3) 해부학적증거 생물의형태나구조와같은해부학적특성들을비교하면생물이진화해온과정을알수있다. 사람의팔, 고양이앞다리, 고래의가슴지느러미, 박쥐와 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 309

새의날개와같이그기능이모두다르지만해부학적기본구조가같은기관을상동기관이라고한다. 이는하나의공통조상에서기원했을것이라는것을보여준다. 인간 고양이 고래 박쥐 < 그림 Ⅴ- 14> 포유류의앞다리 ( 팔 ) 의상동구조 상동기관은계통적으로유연관계가있는종에서나타난다. 그러므로상동성을이용하면진화의계통수를그릴수있다. 반면에유연관계가먼종들이비슷한환경에서비슷한방식으로적응할수도있다. 새의날개와곤충의날개를그예로들수있는데, 같은기능을수행하지만그기원과구조가다른기관을상사기관이라고한다. 상사기관은하나의특성으로수렴진화한예이다. 요즘은생물정보학의발전으로분자를이용해유연관계와진화과정을밝힐수있다. 생물의형질을결정하는유전정보는 DNA에존재하고, 이유전정보는 A, T, G, C 네종류의염기배열을통해결정된다. DNA의유전자는진화의단위가된다. 그러나유전자단위에서상동성과상사성을구분하는것은쉽지않다. (4) 지리적분포상의증거약 2억 5000만년전판게아라는대륙판이움직이면서약 2000만년전비로소오늘날과비슷한대륙분포가형성되었다. 그결과생물의분포는대륙별로많은차이점이나타난다. 오스트레일리아에는다른대륙에서는거의발견되지않은유대류가서식하고있으며, 포식자가없는환경에서날지못하는독특 310 심화생명과학

북아메리카 종자를먹는종부리가종자를채취하고부수기쉽도록적응 큰부리핀치는크고단단한종자를부술수있다. 태평양 코코스섬갈라파고스섬 남아메리카 작은부리의핀치는큰종자를부술수없지만작은종자를능숙히다룰수있다. 선인장핀치는선인장열매를열어서씨앗을뽑아낼수있다. 싹을먹는종 : 두툼한부리가가지에서싹을떼어내기에적합하도록적응 큰나무핀치는부리로나무를후벼내고그속의애벌레를잡는다. 작은나무가중간나무핀치와망그로브핀치는가지나잎에붙어있는벌레를잡아먹거나틈속에숨어있는먹이를먹는다. 벌레를먹는종 : 부리가벌레의특성에따라다양한형태로적응 딱따구리핀치는긴부리를죽은나무의나무껍질과틈사이를탐색하는데사용한다. 벌레잡이핀치는식물표면에있는벌레를잡아먹는다. < 그림 Ⅴ- 15> 핀치의부리 한새가발견되었다. 생물의지리적분포는다윈의진화론에중요한증거를제공하였다. 다윈은갈라파고스군도에서각섬마다분포하는핀치새가조금씩다르다는것을발견하였다. 갈라파고스섬은멀리떨어져있는다른열대지역과환경이비슷하지만섬에서식하는핀치새들은남아메리카대륙의새들과계통적으로더가까웠다. 다윈은이를토대로남미대륙에서이주해온새들이섬에정착하여대륙의새들과는다른과정을거쳐진화하였다고결론지었다. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 311

04 집단유전과진화 학 습 목 표실험을통해하디-바인베르크의법칙을설명할수있다. 하디-바인베르크의법칙이가지는의미를인식할수있다. 집단유전에서유전자풀의변화요인을설명할수있다. 자연상태에서교배가가능한개체로이루어진무리를집단이라고한다. 이집단의모든개체가가진유전자전체를유전자풀이라고한다. 즉유전자풀은한집단내에있는개체들이가진모든대립유전자이다. 유전자풀은집단의유전적특징을나타내며집단이다르면유전자풀도달라진다. 생각하기 한강수계와낙동강수계의동일한어류종은같은집단일지다른집단일지생각해보자. 1908년에영국의수학자하디는케임브리지대학에서유전학자인퍼넷을만났다. 퍼넷은하디에게, 짧고땅딸막한손가락의대립유전자가우성이고, 정상길이손가락의대립유전자가열성인데도불구하고대부분의영국사람들이정상적인길이의손가락을가진것에대한의문을들려주었다. 왜우성형질을가진사람들이점점더많아지지않는것일까? 탐구활동 하디 - 바인베르크의법칙 하디-바인베르크의법칙을알아보기위해작은구슬을이용해실험하고자한다. 주머니속구슬은유전자가되고, 색이다른구슬은서로대립유전자가된다. 이실험을통해어떻게하디-바인베르크의법칙을설명할수있을까? 실험기구및재료 기구 : 불투명한주머니, 두가지색구슬각각 100개 312 심화생명과학

실험방법 (1) 주머니에 100개의구슬을넣는다. 이때색과개수를기록한다. A: ( ) 색 ( ) 개, a: ( ) 색 ( ) 개, (2) 주머니속을들여다보지않고무작위로 2개를골라낸다. (3) 골라낸 2개의유전자형 (AA, Aa, aa) 을기록한후 2개를다시주머니속으로넣는다. (4) 방법 2, 3을다음세대인 50개의개체를기록할때까지계속한다. 실험결과및논의 (1) 대립유전자 A의빈도를 p, 대립유전자 a의빈도를 q라고할때, p+q=1이다. 이실험의이론값을구해보자. 부모세대자손세대대립유전자빈도유전자형수대립유전자빈도 A a AA Aa aa A a (2) 실험결과를이용해얻은자료를이용해대립유전자빈도를알아보자. 부모세대자손세대대립유전자빈도유전자형수대립유전자빈도 A a AA Aa aa A a (3) 예상결과와실험결과를비교하기위해통계분석인 chi-square를 수행하여야한다. 다음의결과를기록하고분석해보자. 구분 AA Aa aa 관찰결과 (o) 예상결과 (e) 분산 (o-e) = d d 2 d 2 /e chi-square(x 2 )=Σd 2 /e 자유도 (Degree of freedom=2), 유의수준 (Level of significance) p<0.05 (4) 골라낸구슬을다시주머니에넣은이유는무엇일지말해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 313

(5) 위의결과들은하디-바인베르크의법칙을따른다고볼수있는지말해보자. (6) 만약 50세대를거친다면어떤결과를얻을수있을것으로기대하는지말해보자. 연구과제 (1) 컴퓨터프로그래밍을통해하디-바인베르크의법칙을검증하는프로그램을만들어보자. 1) 하디 - 바인베르크법칙 멘델집단의조건 1. 돌연변이가없어야한다. 2. 교배가무작위로이루어져야한다. 3. 집단의크기가충분히커야한다. 4. 개체군간의이동이없어야한다. 5. 특정한대립유전자에대해자연선택이작용하지않아야한다. 지리적개체군내에서국지적으로교배가일어나는집단을멘델집단이라고한다. 멘델집단이되기위해서는여러조건을만족해야한다. 이런조건에서는두가지결과가나타난다. 하나는한유전자에서대립유전자의빈도는세대를거치면서일정하게유지된다. 둘째는한세대동안무작위로교배후에유전자형빈도는다음의비율로유지된다. 유전자형 AA Aa aa 빈도 p 2 2pq q 2 다른방식으로나타내면, p 2 +2pq+q 2 =1이된다. A의대립유전자의빈도 ( p ) 가 0.55인개체군 1세대를생각해보자. 개체가무작위로배우자를선택한다고가정하면, 무작위로 100개의난자를선택하면그중 55개가대립유전자 A가된다. 당연히대립유전자 a의빈도 q는 1- p 이므로 q는 0.45가된다. 314 심화생명과학

제 1 세대 유전자형 개체군내의유전 자형빈도 개체군내의대립 유전자빈도 배우자 제 2 세대 난자 정자 유전자형빈도를모두합치면하디 - 바인베르크방정식이된다. p 2 +2pq+q 2 =1 < 그림 Ⅴ- 16> 하디 - 바인베르크의법칙 수정을할경우 (p+q)(p+q) 가되므로동형접합자가될경우 p p = p 2 = (0.55) 2 = 0.3025 q q = q 2 = (0.45) 2 = 0.2025 이형접합자가될경우 p q+p q = 2pq = 2 (0.55 0.45) = 2 (0.2475) 하디-바인베르크법칙은역설적으로진화가일어날수밖에없음을시사한다. 하디-바인베르크법칙이성립되는개체군은사실상없기때문이다. 유전자풀은늘변화한다. 그렇다면어떤요인이유전자풀을변화시킬수있을까? Ⅴ. 생명의다양성과생태계 315

2) 유전자풀의변화요인 (1 ) 돌연변이 돌연변이는유전물질의복제과정에서자연적으로발생하거나전자기파, 방사선이나화학물질등과같은외부적인요인에의해발생한다. 돌연변이는 1개의염기가다른염기로치환되거나, 1개또는그이상의염기가유전자에삽입또는결실되어일어난다. 이런돌연변이로새로운대립유전자가생겨유전자풀이변화한다. (2) 자연선택 하디-바인베르크의평형이유지되기위해서는서로다른대립유전자를가진개체들의번식력이나생존율이같아야한다. 그러나자연선택에의하여어떤유전자를가진개체들은잘적응하여많은자손을남기고어떤개체들은많은자손을남기지못한다. 그결과집단내의대립유전자빈도가변하게된다. 탐구활동 자연선택과유전자풀의변화 다윈의자연선택설은진화론에가장기본이되는원리이다. 자연선택에따라유전자풀은어떻게달라질수있을까? 실험기구및재료 기구 : 전자저울 재료 : 콩 100개 실험방법 (1) 전자저울을이용해콩 100개의무게를각각달아기록한다. (2) x축을무게, y축을개수로하는그래프를그려보자. 실험결과및논의 (1) 콩의무게분포가어떻게나타나는지말해보자. (2) 만약사람들이인위적으로무게가나가는콩만을선별한다면분포곡 선은어떻게변하게되는지말해보자. 316 심화생명과학

연구과제 (1) 자연선택에의한진화의예를찾아보자. 개체빈도 원집단 원집단 진화된집단 표현형 ( 털색 ) < 그림 Ⅴ- 17> 자연선택 자연선택은선택압이어떻게작용하는가에따라안정화선택, 방향성선택, 분단성선택으로나타난다. 안정화선택은중간정도의형질을선호하는선택이다. 그예로신생아의몸무게를들수있다. 사람의출생시몸무게는너무많이나가도출산하기어렵고, 너무적어도태어난후생존하기어렵다. 그결과태어나는아이들의무게는평균에많이몰려있다. 방향성선택은분포의한쪽끝에있는형질을선호하는선택이다. 예를들어극지방에사는북극토끼의경우털이희면흴수록포식자의눈에띄지않는다. 따라서북극토끼는흰털을갖게되었다. 분단성선택은분포의중간형이아닌양극단에있는개체들이선호되는선 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 317

택이다. 그예로카메룬의핀치새를들수있다. 작은부리의새는작고부드러운씨앗을쪼아먹고살며큰부리의새는딱딱한씨앗을먹는다. 중간부리의새는두씨앗중무엇도제대로먹을수없다. 3) 유전적부동 집단의크기가작을때집단의유전자풀이우연에의해변하는현상이나타날수있다. 이를유전적부동이라고한다. 유전적부동에는병목효과와창시자효과가있다. 탐구활동 유전적부동과유전자풀의변화 유전적부동은대립유전자의빈도를변화시킨다. 동전을던져앞면이나올확률은 50% 이지만, 10번을연달아던졌을때에도정확히앞면이 5번나오기는어렵다. 앞면이나올확률이 50% 라는것은수백번, 수천번정도충분히많은횟수만큼던져야알수있다. 이실험을통해병목효과와창시자효과에대해알아보자. 이두효과는대립유전자의빈도를어떻게변화시키는가? 실험기구및재료 기구 : 불투명한주머니, 컴퓨터혹은전자계산기 재료 : 두종류의색구슬 100개 실험방법 (1) 주머니에각각 50개의다른색구슬을넣는다. (2) 구슬 2개씩을 5번꺼내 1세대의유전자형을기록하고대립유전자의빈도를기록한다. (3) 1세대의결과를바탕으로기대되는유전자형빈도를계산하여기록한다. (4) 1세대의대립유전자빈도에따라다시주머니에 50개체에해당하는구슬을넣는다. (5) 각각의세대결과를바탕으로새로운유전자풀을만들어실험한다. 만약하나의대립유전자로고정되면실험을끝마쳐도된다. 실험결과및논의 (1) 실험결과를다음의표에기록하자. 318 심화생명과학

실험결과 기대되는 세대 유전자형빈도 대립유전자빈도 유전자형빈도 AA Aa aa A(p) a(q) p 2 2pq q 2 0 - - - 0.5 0.5 0.25 0.50 0.25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (2) 얼마나많은세대를거쳤는지말해보자. (3) 각각대립유전자의빈도 p와 q가세대에따라어떻게변했는지그래프를그려보자. (4) 두대립유전자중하나만남았다면그과정에어떤작용이일어났는지말해보자. (5) 다른조와결과를비교해보자. 어떤차이점이있는지말해보고, 그이유를설명해보자. 연구과제 (1) 유전적부동의예를찾아설명해보자. (2) 실험을시뮬레이션할수있는프로그램을컴퓨터로설계해보자. (3) 창시자효과에관련된실험을구상해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 319

병목효과는홍수, 산불, 질병등의자연재해로인해집단의크기가급격히줄어들면서나타난다. 본래집단이다양한대립유전자를갖고있었어도재난을거치면서특정대립유전자들이사라질수있다. 1890년미국북부바다코끼리는남획으로거의멸종의위기에몰렸다. 미국정부의보존노력으로개체수는 3만마리로다시증가되었지만유전적다양성은매우낮다. < 그림 Ⅴ- 18> 병목효과 창시자효과는집단의일부가모집단에서떨어져나와다른곳에정착하게되는경우나타난다. 새집단의유전자풀은모집단과매우달라진다. 4) 이주와격리 방사를통해한강수계에낙동강수계에서서식하는쉬리를풀어놓으면기존의유전자풀이변하게된다. 강에사는같은종의물고기라도서식지에따라유전자풀은다르기때문이다. 산맥, 협곡, 강등으로서식지가분리되어오랜시간이지나면초기에동일한유전자풀을가지고있었다고할지라도유전자풀이여러조건에따라바뀔수있어시간이지나면각집단은교배가불가능한상태가될수있다. 이를생식적격리라고한다. 생식적격리가생기면각집단사이에생식이불가능해져서로다른종으로분화하게된다. 조사하기 1. 유전자풀의변화와관련된예를조사해보자. 2. 실질적으로무작위적인교배는이루어지지않는다. 동물은우수한형질의짝을고르는데에매우발달해있다. 이를성선택이라고한다. 성선택에대해알아보자. 320 심화생명과학

05 인류의진화 학 습 목 표계통분석을위한프로그램을설명할수있다. 유전정보를찾을수있다. 인류의진화과정을설명할수있다. 인류는어디에서시작되었을까? 인간은현존하는다른종중어느종과가장가까운가? 이러한물음은생물학에조금만관심이있는사람이라면한번쯤품어봤을것이다. 인류의진화에관하여연구하는학자들역시 1990년대부터이러한물음에대한답을얻기위하여꾸준히노력해오고있다. 1990년대이후분자생물학이발달하면서세포에서 DNA를직접추출하고 PCR이나염기서열분석기법등을통하여 DNA 분자의직접적인염기서열을얻을수있게되면서이에대한실마리가조금씩풀려가고있다. 현생인류의기원에대한가설은대표적으로두가지가있는데, 다지역가설과아프리카기원가설이그것이다. 다지역가설은지구상의여러지역에존재하던고전적인인류진화군이개별적으로현대의인류로진화했다는가설이며, 아프리카기원가설은아프리카에서현대의인류집단이나타났으며이집단이세계로퍼져나가현재의인류집단을만들었다는가설이다. 미토콘드리아와같은세포소기관들은모체의난자로부터유래한다. 그러므로우리몸안에있는모든미토콘드리아는어머니로부터물려받은것이다. 이에착안하여미토콘드리아 DNA를계속거슬러올라가며현존인류의가계도를추정하여밝힌가상의공통조상을 미토콘드리아이브 라부른다. 탐구활동 MEGA 프로그램을이용한미토콘드리아이브찾기 MEGA프로그램을이용해미토콘드리아의이브를찾아보자. 인류의조상은어디에서온것일까? Ⅴ. 생명의다양성과생태계 321

실험기구및재료 기구 : 컴퓨터 ( 인터넷연결 ) MEGA 프로그램이란? MEGA 프로그램설치 (1) http://www.megasoftware.net에접속하여홈페이지상단의 Download MEGA탭 Windows를클릭한다. < 그림 Ⅴ- 19> MEGA Molecular Evolutionary Genetics Analysis, 실험을통하여얻어진 DNA 와단백질서열을이용하여진화적분석을수행하는프로그램이다. 다른분석프로그램과달리대부분 GUI(Graphic User Interface) 로이루어져있어사용이편리하다. < 그림 Ⅴ- 20> 과정 1 < 그림 Ⅴ- 21> 과정 2 (2) 다운로드를받고자하는사람의이름을입력한뒤 Submit and Download 버튼을클릭한후 MEGA를다운받아설치한다. 프로그램은무료이다. 실험방법 (1) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ 의 NCBI 사이트접속하거나, MEGA 의메인창에서 Alignment 탭을클릭한후 Show Web Browser를클릭하여 NCBI에접속한다. MEGA program은 Show Web Browser 클릭시자동으로 NCBI 메인창으로연결하여준다. < 그림 Ⅴ- 22> NCBI 메인화면 < 그림 Ⅴ- 23> 과정 1 322 심화생명과학

(2) NCBI에연결이되었으면, 염기서열을검색한다. 예를들어침팬지의미토콘드리아염기서열을획득하고자할때에는침팬지의학명인 Pan troglodytes를입력한후 Search를클릭한다. Search를클릭하게되면침팬지 (Pan troglodytes) 의 NCBI Database 안의모든정보들이검색된다. NCBI( 미국국립생물정보 센터 ) 는 1988년설립되었다. DNA 및단백질의서열데이터베이스인 GenBank 및입력한 DNA 또는단백질의서열에대한유사성을검색할수있는 Blast 등으로이루어져있다. 현재가장보편적으로쓰이는데이터베이스이다. < 그림 Ⅴ- 24> 과정 2( 학명으로유전자찾기 ) < 그림 Ⅴ- 25> 과정 2 의검색결과 (3) PubMed의경우침팬지와관련된논문이검색되며아래의 Nucleotide Genome 등에는침팬지와관련된 DNA 염기서열들이검색된다. 이번과정의목표인미토콘드리아염기서열을획득하기위해우리는 <Genome> 아이콘을클릭한다. <Genome> 아이콘앞의 32 라는숫자는침팬지와관련된 <Genome> 의수가 32개라는것을의미한다. <Genome> 아이콘을클릭하게되면, 우리가획득하고자하는미토콘드리아의게놈뿐만아니라염색체게놈까지입력이되어있는것을확인할수있다. 이중침팬지의미토콘드리아전체게놈인 NC_001643을클릭한다. < 그림 Ⅴ- 26> 과정 3 유전자검색과정 2 < 그림 Ⅴ- 27> 과정 3 의검색결과 (4) 이어지는창에서도다시한번더 NC_001643 을클릭한다. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 323

(5) NC_001643을클릭하게되면침팬지 (Pan troglodytes) 의미토콘드리아전체염기서열이나오게된다. NCBI data base에서염기서열은각각의유전자별로나뉘어져있다. 미토콘드리아유전자의경우 13개의단백질유전자와, 22개의 trna 유전자그리고 2개의 rrna 그리고하나의번역되지않는 Control region으로이루어져있다. 이각각의유전자는유전자종류에따라 trna, rrna, Gene 등으로표시된다. 침팬지유전자가필요한이유유전자의비교를위해서는대조구가될수있는그룹이필요하다. < 그림 Ⅴ-28> 침팬지의미토콘드리아게놈 (6) 미토콘드리아이브를찾기위한연구 (Ingman et al., 2000) 에서는전체유전자에서 Control region을제외한나머지영역을모두이용하였다. 하지만이실험에서는미토콘드리아유전자중 ND1(NADH dehydrogenase subunit 1) 유전자만을이용하기로한다. 계통분석을위한유전자를선택하는것은매우신중해야하며, 또한매우중요한일이다. 계통분석에잘못된유전자를사용할경우사실과는다른결과가도출될수있다. (7) 위화면에서아래로드래그하게되면, 몇개의 trna 이후에 ND1 유전자가존재한다. ND1 유전자의왼쪽의 gene 또는 CDS를클릭하게되면, ND1 유전자만을확인할수있다. 이후다시뜬화면에서 Format 탭의 <FASTA> 를클릭한다. 324 심화생명과학

< 그림 Ⅴ-29> 침팬지의 ND1 유전자검색 < 그림 Ⅴ- 30> 과정 7~8 (8) Format 탭의 <FASTA> 를클릭한다. FASTA를클릭하게되면 ND1 유전자의 DNA 염기서열만이나타난다. 나타난 DNA 염기서열을 > 이후의것을드래그하여마우스오른쪽클릭을한뒤복사를한다. < 그림 Ⅴ- 31> 미토콘드리아에존재하는 ND1 유전자 (9) 검색한염기서열을 FASTA 형태로저장한다. (10) 이후에내용을알아보기쉽게 > 이후를 Pan troglodytes 로수정한다. FASTA 형태염기서열의분석을위한저장형태로서각개체의염기서열을 > 표시로서구분한다. 검색한염기서열을메모장을연다음에 Ctrl+V를하여붙여넣는다. < 그림 Ⅴ- 32> 과정 9 < 그림 Ⅴ- 33> 과정 10 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 325

(11) 위의과정을반복하여미토콘드리아이브를찾기위한나머지종과인간개체의미토콘드리아 DNA의 ND1 유전자를다운받아 FASTA 형태로저장한다. 단, 검색을빠르게하기위하여나머지개체들의 GenBank accession number는아래의표에나타내었다. 사람 (Homo sapiens) 의경우검색창에서 GenBank accession number 를입력한후검색결과창에서 Nucleotide를클릭하는것이외에는모든과정이동일하다. 메모장에아래표의아프리카를비롯한다양한지역사람들의미토콘드리아 ND1 유전자를저장한다. < 표 Ⅴ- 1> 분석대상인간의 Mitochondrial Genome GenBank accession number Species (Homo sapiens) GenBank accession number 아프리카 Mkamba AF347000 아프리카 Madenka AF346995 아프리카 Ibo F346986 아프리카 Kikuyu AF346992 아프리카 San AF347008 아메리카 (North) Native_American AY195748 아메리카 (South) Guarani AF346984 아시아 Chinese AF346972 아시아 Japanese AF346989 아시아 Korean AF346993 아시아 Vietnam DQ981470 오스트레일리아 Aborigine AF346963 유럽 France AF346981 유럽 Italy AF346988 (12) 검색한모든염기서열을 FASTA 형태로만든후 Human_ND1.txt이름으로저장한다. < 그림 Ⅴ- 34> 과정 11 326 심화생명과학

(13) 염기서열의정렬및 MEGA form으로의전환. (13-1) 저장한염기서열을 Align 과정을통하여재정렬한다. MEGA의메인창에서 Alignment 탭을클릭한뒤 Alignment Explorer /CLUSTAL 을클릭한다. 그러면 Alignment Editor라는창이뜨게된다. Create a new alignment를체크하고 OK < 그림 Ⅴ- 35> 과정 13-1 버튼을클릭한다. (13-2) 이후 DNA 염기서열인지아미노산서열인지묻는창에서우리가분석하려는 Data < 그림 Ⅴ- 36> 과정 13-2 는 DNA 염기서열이므로 Yes를클릭한다. (13-3) Alignment Explorer창이새롭게뜨고, 위의여러메뉴중 Edit 탭을클릭한후 Insert Sequence from file을클릭하여저장한미토콘드리아 ND1파일을불러들인다. 그러면 DNA 염기서열이차례대로화면에보이게된다. 왼쪽칼럼에는유전자의이름이그리고그종이가진유전자가한줄로늘어선다. < 그림 Ⅴ- 37> 과정 13-3 파일삽입하기 < 그림 Ⅴ- 38> 과정 13-3 Alignment 된모습 (13-4) Alignment 탭에서 Align by clustal W를클릭한다. 이후나오는창에서 select all이나오면 YES를클릭한다. < 그림 Ⅴ- 39> 과정 13-4 (13-5) Clustal W parameter 창이나오게되는데기본값으로두고 OK 를클릭한다. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 327

< 그림 Ⅴ- 40> 과정 13-5 < 그림 Ⅴ- 41> 과정 13-6 (13-6) MEGA 프로그램은 Align( 정렬 ) 과정을수행하게된다. < 그림 Ⅴ- 42> 과정 13-6 결과정렬된유전자 (13-7) 정렬이수행된염기서열을확인하여보면흐트러져있던염기서열들이동일한염기끼리뭉쳐있는것을확인할수있다. 이후정렬이수행된미토콘드리아 ND1 염기서열을저장한다. 저장을위하여 DATA 탭을클릭한후 Export Alignment - MEGA format을클릭한다. Human_ND1.meg 로저장한다. 이후나오는 Title 입력창에는 Human mitochondria라고입력하고, 이후나오는단백질번역유전자인지묻는질문에 YES를클릭한다. < 그림 Ⅴ- 43> 과정 13-7 < 그림 Ⅴ- 44> 과정 13-7 328 심화생명과학

(13-8) Alignment Explorer 창을닫는다. 창을닫고나면 MEGA 프로그램에서저장한파일을열것인지묻게되는데, 이때 YES를클릭한다. < 그림 Ⅴ- 45> 과정 13-8 (13-9) 저장한 DATA 파일을열게되면 MEGA 프로그램메인창과 Sequence Data explorer 창이동시에뜨게된다. < 그림 Ⅴ- 46> 과정 13-9 (14) 염기서열정보를이용한계통수그리기 (14-1) DATA를이용하여사람미토콘드리아 ND1 유전자의계통수를그린다. 메인창에서 Phylogeny 탭을클릭한후 Bootstrap Test of phylogeny - Neighbor joining을클릭한다. < 그림 Ⅴ- 47> 과정 14-1 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 329

(14-2) 나머지값은그대로두고 Model tap을클릭 - Nucleotide - Tamura-nei를선택한후 COMPUTE를클릭한다. < 그림 Ⅴ- 48> 과정 14-2 (14-3) MEGA 프로그램은 MODEL을바탕으로계통수를작성하고, 작성된계통수를보여준다. < 그림 Ⅴ- 49> 과정 14-3 실험결과및논의 (1) 이실험결과만들어진계통수는어떤가설을지지하는지말해보자. (2) 이실험결과가가지는한계는무엇인지말해보자. 연구과제 1. 자신이관심있는주제를설정하고유전자를찾아분석해보자. 330 심화생명과학

인류는약 400~800만년전사이에인류와유인원의공통조상에서갈라져나와진화했을것이라고추정하고있다. 인류의조상은 300만년전살았던오스트랄로피테쿠스로키가 1~1.5 m 정도였을것으로추정된다. 사람과에속하는최초의화석인류는약 200만년전살았던호모하빌리스이다. 이들은뇌용량이평균 650 ml 정도였다. 그후현대인에가까운호모에렉투스가진화되었다고여겨진다. 이들의뇌는약 900 ml 정도였으며, 석기도구로사냥을하며불을사용했을것으로추정된다. < 그림 Ⅴ- 50> 인간과침팬지의 ATPase 관련유전자를불러온다. 현대인과비슷한인류의조상은네안데르탈인과크로마뇽인이다. 그들의뇌용량은현대인과비슷했으며, 불과무기를사용했을것을추정된다. 크로마뇽인들은동굴에살며정교한석기와여러벽화를남기기도했다. 그럼현존하는생물중인간에가장가까운유인원은누구일까? 물질대사에관여하는효소인 ATPase를사용해침팬지와인간을비교하면 99% 이상동일한배열을가지고있다는것을알수있다. 그렇다면 4속 7종의유인원들은어떤유연관계를가지고있을까? < 그림 Ⅴ- 51> 저장후 MEGA 로나가면메인화면아래쪽에파일이실행중임을알수있다. 이메인화면에서 Compute Pairwise 를실행한다. 이어지는파업창에서 Compute 를실행시킨다. 그결과두유전자의다른정도가결과로나오게된다. < 그림 Ⅴ- 52> 인간과침팬지의비교결과 0.008 즉 0.8% 가다르다. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 331

4~6 백만년 6~8 백만년 12~16 백만년 사람과 (Hominidae) : 4속 7종오랑우탄속 (Pongo) 고릴라속 (Gorilla) 침팬지속 (Pan) 사람속 (Homo) < 그림 Ⅴ- 53> 사람과의계통수 탐구활동 유인원의계통도그리기 MEGA 프로그램을이용해유인원의계통도를그려보자. 유인원의유연관계에대해어떤이론들이있는지조사해보고자신이생각하는가설을설정해보자. 실험기구및재료 기구 : 컴퓨터 ( 인터넷연결 ) 실험방법 (1) 자신이생각하기에적절한유전자를선정해보자. 어떤유전자를선택하는것이좋을까? 선택한후선정이유를적어보자. (2) NCBI에서유전자를찾아보자. (3) 찾은유전자를저장하고 MEGA프로그램을이용해계통도를그려보자. 실험결과및논의 (1) 이실험결과만들어진계통수가자신의가설을지지하는지설명해보자. (2) 이실험결과가가지는한계는무엇인지말해보자. 연구과제 (1) 인간게놈에는어떤정보들이들어있는지알아보자. 332 심화생명과학

NCBI 에서는다양한유전자를찾을수있다. 시토크롬 b 유전자를찾아보면 유인원및네안데르탈인의유전자도찾을수있다. < 그림 Ⅴ- 54> 시토크롬 b 유전자를정렬한결과 이를이용해계통수를그리면다음과같은결과를얻을수있다. 이결과는유 인원들중인간과침팬지가가장가깝고, 오랑우탄이가장먼것으로나타났다. 81 75 100 100 100 100 H.sapiens H.s. neande P.paniscus P.troglody G.g.gorill G.gorilla P.abelii P.pygmaeus H.lar out 20 < 그림 Ⅴ- 55> 시토크롬 b 를이용한계통수 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 333

정리하기 생명의기원 원시지구 : 메탄 (CH 4 ), 암모니아 (NH 3 ), 수증기 (H 2 O), 수소 (H 2 ) 등으로구성되어있었을것이다. 유기물의생성 : 원시환경에서유기물의합성이일어났을것이다. 원시생명체의탄생 : 원시지구에서합성된유기물은스프와같은바다를이루고그속에서유기물이코아세르베이트와같은복합체를이루면서원시생명체가시작되었을것이다. 생명체의출현과환경변화 : 최초의생명체는종속영양생물이었으나원시지구에유기물이고갈되면서독립영양생물이나타나지구에오존층을만들고환경을변화시켰을것이다. 진핵생물의출현 : 간단한세포가막의막중첩과세포내공생으로인해진핵생물로진화하게되었을것이다. 진화론의등장 다윈의진화론 : 다윈의진화론이태동되기까지많은학자들에의해지구의역사가매우길다는것과생물이변할수있다는의견이대두되었다. 다윈은많은생물을관찰하고인위선택의예를들어자연선택의타당성을설명하며조심스럽게진화론을발표한다. 진화의증거 : 진화의증거는지금도발견되고있으며, 화석, 해부학상의증거, 분자생물학상의증거, 지리적분포등을통해제시될수있다. 집단유전과진화 유전자풀과진화 : 한생물집단이갖는유전자전체를유전자풀이라고한다. 이유전자풀을구성하는대립유전자빈도가변하면서진화가일어난다. 하디-바인베르크의법칙 : 이법칙은어떤변인이작용하지않을경우대립유전자빈도가매세대마다동일하게유지되는것을설명해준다. 진화의요인 : 유전자풀을변화시키는요인에는돌연변이, 자연선택, 유전적부동, 이주와격리등이있다. 인류의진화 인류의진화 : 인류는지속적으로진화되어왔으며, 계통분석을통해유인원들과유연관계가있음을알수있다. 334 심화생명과학

1. 지구상에진핵생물이발생하기까지의과정을설명하고, 그설명과정에서 논술및토의 있을수있는논리적비약을지적해보자. 2. 하나의종이여러종으로진화되는과정을설명해보자. 3. 진화의비교해부학적증거가되는상동기관과상사기관적특성이 ATGC 의 4 가지염기로구성된유전자상에서는어떻게나타날수있을지설명해보자. 4. 식물원에있는어떤식물의유전자형을조사하였더니, 유전자형으로 AA 를갖는개체가 200그루, Aa를갖는개체가 100그루, aa를갖는개체가 100그루이었다. 이들을자유롭게교배시켜다음 F1에서 640그루의개체를얻었다. 1) 이식물집단에서유전자 A 와 a 의유전자빈도를구하라. 2) F1 중에서유전자형으로 Aa 를갖는개체는이론상몇그루인가? Ⅴ. 생명의다양성과생태계 335

2. 생태계 0 1. 생태계 02. 에너지흐름 03. 물질순환 04. 환경오염 지구생태계 지구에는인간을포함한수많은생물과그주위를둘러싼비생물적인요소들이조화를이루고있다. 오랜세월동안생물은그들이살고있는자연환경과상호작용을해왔다. 이처럼생물과자연환경은상호의존하는유기적관계로연결되어있다고할수있으며, 최근이러한연결고리는인간활동에의해위협을받고있다. 생태계의구성요소는무엇이며규모는어떻게분류될까? 그리고생물적관계와비생물적관계는생태계에서어떤역할을할까? 인간에의해직간접적으로발생한여러종류의환경오염, 기후변화, 그리고외래생물의유입등이생태계에어떤영향을주고있을까? 생태계의구성과기능을학습하여이러한문제에대한해답을찾아보자.

01 생태계학 습 목 표생태계를정의하고설명할수있다. 생태계의구성요소를설명할수있다. 생물들이다양한환경조건에서어떻게적응하여살아가는지말할수있다. 개체군의특성과군집의구성및특성을이해할수있다. 생물체와생물체, 그리고생물체와주변환경과의관계를연구하는학문을생태학 (ecology) 이라고하며, 생태학은환경과학을위한이론적토대를제공한다. 생태학에서중시하는여러생태요소사이의관계는특정지역에서식하는생물들의개체군밀도와종다양성을결정하게된다. 생태학은개체의적응과선택이번식과생존에미치는영향을연구하는개체생태학, 개체군의성장과개체들사이의상호관계를연구하는개체군생태학, 특정지역에서식하는종수에영향을주는요인을연구하는군집생태학, 군집에서의에너지와물질이동을연구하는생태계생태학을포함하고있다. 생태계는크게비생물적환경과생물적환경으로나눌수있다. 비생물적환경에는햇빛, 온도, 토양, 물, 공기등이포함되며생물적환경과서로유기적으로통합되어하나의생태계를만들게된다. 비생물적환경은생물의생활에영향을미치며이를작용이라고한다. 생물의활동도반작용을통해비생물적환경에영향을미치게된다. 생물들끼리의영향을상호작용이라고한다. 조사하기 생물적 (biotic) 관계생물체와생물체사이의관계 비생물적 (abiotic) 관계생물체와비생물적환경사이의관계 생태학자들이하는일과우리주변에서생태학이적용되는직업에는어떤종류가있는지조사해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 337

1) 비생물적환경 생물은주변의비생물적환경에적응하여생존하고있다. 우리주변에서이러한적응행동은쉽게관찰할수있다. 꽃피는식물의경우일조시간에따라특징적인개화현상을보여준다. 보리, 무와같은장일식물은봄이나이른여름에개화하지만국화와코스모스같은단일식물은늦여름이나가을에개화한다. 새들의경우도일조시간과짝짓기시점은깊은관련이있다. 일조시간에따라생물의행동이 < 그림 Ⅴ- 56> 짝짓기를위해한껏몸을부풀리는군함조주기적으로나타나는현상을광주기성이라고한다. 일조시간이외에도빛의세기나종류도생물에게영향을준다. 엥겔만의보색적응설과하나의식물에서양엽과음엽의내부구조차이등이좋은예가된다. 조사하기 엥겔만의보색적응설은바다깊이에따라서식하는해조류의분포를설명한다. 보색적응설에대해조사해보자. 토론하기 양엽과음엽의잎내부구조를조사하고, 그러한구조를가지는이유에대해토론해보자. 탐구활동 일조시간이개화에미치는영향자료분석 일조시간이식물의개화활동에실제로어떠한영향을줄까? 단일, 장일식물에대하여조사를하고, 주어진자료를통해비생물적환경중하나인빛과생물의관계를이해해보자. 1. 화원에서인위적으로개화시키는방법을조사해보자. 자료다음자료는명기와암기조건에따른어떤식물의개화특성을보여준다. 낮 밤 백색광 적색광 (R) 개화함개화안함개화안함 원적색광 (FR) 개화함 (R) (FR) 개화함 (R) (FR) (R) 개화안함 338 심화생명과학

해석및논의 (1) 이식물의개화에가장큰영향을미치는빛의조건은무엇이라고생각하는가? 연구과제 (1) 피토크롬은식물의개화에관여하는호르몬이다. 이호르몬에대해조사하여자료에서나타나는실험결과를논리적으로설명해보자. 탐구활동 플랑크톤의일주기운동자료분석 플랑크톤은대표적인일주기운동을보여주는생물체이다. 어떻게일주기운동이일어나는지탐구자료를분석하여이해해보자. 1. 일주기운동을보일것으로예상되는플랑크톤의종류를조사해보고, 그이유를논리적으로생각해보자. 자료다음자료는플랑크톤의일주기운동을기록한것이다. 평균깊이 (cm) 완전히어둠에넣었을때 일주기운동 해석및논의 (1) 하루에몇번의주기를가지고운동하는가? 시간 (h) (2) 이플랑크톤의일주기운동에영향을미치는요인이무엇이라고생각 하는가? 연구과제 (1) 플랑크톤의일주기운동의이유는무엇일까? 실험실에서이실험을수행할수있도록탐구실험을설계해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 339

온도역시생물의생활에영향을미친다. 그이유는생물체에서일어나는물질대사를촉매하는효소가영향을받기때문이다. 온도와생물의적응에대한좋은예가알렌법칙과베르그만법칙이다. 알렌법칙은대부분추운지방으로갈수록신체의말단이작아지는, 베르그만법칙은몸집이커지는현상을말한다. 두법칙모두동물이서식하는환경의온도에적응하는방법을잘보여준다고할수있다. 토론하기 왼쪽여우그림을비교하여이러한형태적적응이각각의환경에서유리한이유를설명하고, 아프리카인종과한국인종의체형과연관시켜토론해보자. < 그림 Ⅴ- 57> 사막여우 이상서술한비생물적요인이외에도수분, 토양, 공기등과같은많은요인들이생물의생활에다양한영향을미친다. 특정서식지에서살고있는생물체는그서식지를둘러싸는많은비생물적요인들에적응하여살고있는것이다. < 그림 Ⅴ- 58> 북극여우 조사하기 육상동물들은체내수분을보존하기위해어떻게적응하는지조사해보자. 조사하기낮은지대에살고있는사람이고산지대로이동하게되면희박한산소농도때문에고통을받게된다. 하지만시간이흐르면낮은지대에서처럼활동할수있게적응한다. 이와관련된자료를조사해보자. < 그림 Ⅴ- 59> 약 3600 m 의고지대에서살고있는사람들. 이들은희박한공기, 낮은온도에직면해서생존하고있다. 2) 생물적환경 같은종의생물개체들이모여개체군을형성하며, 여러종류의개체군이모여군집을이루고있다. 개체군내에서개체들사이의상호작용이일어나며, 340 심화생명과학

군집에서는개체군사이의상호작용이일어나게된다. 개체군의특성은밀도, 생존곡선, 연령분포로나타낼수있으며개체군의크기변화는생장곡선으로나타낸다. 개체군생장곡선을통해개체군에가해지는환경저항을이해할수있다. 환경저항이외에도포식과피식관계에의해개체군의크기는변동될수있다. 개체군밀도일정한서식공간에살고있는생물의개체수혹은단위부피당생물량 생존곡선각개체군마다동일한시기에출생한개체들의수를시간별로조사한그래프 토론하기 연령분포각연령별개체수의비율 그림은생존곡선그래프이다. 어떤동물개체군을구성하는개체수가 10,000마리라고가정할때, 시간에따라일정한비율로사망하는경우의생존곡선을그리고, 제시된그림과비교하여토론해보자. 생존률 E C D B A 을의미하며연령피라미드로나타낸다. 생장곡선시간에따른개체수의변화 상대연령 (%) 생각하기 인간개체군의생장곡선은전형적인 J자형을보여준다. 이에비해다른개체군의생장곡선은 S자형을보여준다. 이러한차이가발생하는이유는무엇인지생각해보자. 많은개체가모여개체군을구성하기때문에개체들사이에는끊임없는상호작용이일어나게된다. 개체군의크기가커지면먹이, 공간, 배우자선택등에문제가생기며개체사이에경쟁이극심해지게되어많은에너지가소모된다. 이러한에너지소모는생식, 먹이섭취, 천적으로부터의방어등에불리하게작용하기때문에생물들은과다한경쟁을피하는방향으로진화해왔다. 동일개체군내에서의상호작용에는세력권 ( 텃세권 ), 순위제, 리더제, 동물사회등이있으며, 이러한상호작용을통해각개체는불필요한경쟁을최소한으로줄일수있게된다. 개체군생장율 dn/dt = rn (r= 출생률-사망률, N= 개체군을구성하는개체총수 ) 지수적성장 ( 자원이무제한인경우 ) r > 0인경우로 J자형생장곡선을보여준다. 로지스틱성장 ( 자원이제한적인경우 ) 개체군이커지면서자원이소모되기때문에자원은개체군성장에서제한요인이된다. 개체군크기의최대치를환경수용력 (K) 라고하며, 개체군생장율은 dn/dt = rn(k-n)/k가된다. 조사하기 K 순위제와리더제의차이점을조사해보자. 조사하기 dn dt =rn dn dt =rn (K-N) K 늑대와원숭이는전형적인순위제를보여준다. 늑대와원숭이의순위제를 사진으로조사하여비교해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 341

생태적지위공간지위와먹이지위를포함하는개념 경쟁배타의원리 종이서로다른이종개체군사이에서볼수있는상호작용에는경쟁, 포식 과피식, 공생과기생이있다. 유사한생태적지위를갖는경우공간, 먹이등에대해치열한경쟁을하게된다. 일반적으로생태적지위가같은경우동일 한장소에서함께살수없게된다. 이것을경쟁배타의원리라고한다. 조사하기 경쟁과포식-피식, 기생의차이점을조사하고생태적지위가유사한두종이경쟁을피하는방법에는무엇이있는지구체적인사례를찾아보자. 가우스 (Gause, G.; 1910~ 1986) 러시아개체군생태학자인가우스가짚신벌레배양실험을통해증명했기때문에가우스원리라고도한다. 군락식물군집을의미함 방형구법정사각형모양의방형구를이용하여군락을정량적으로조사하는방법이다. 일반적으로초원은 1 m 2, 삼림은 100 m 2 크기의방형구를사용한다. 군집은특정지역에서식하는동식물개체군의집합이다. 군집을나타내는특징으로는군집의구성단계를들수있다. 군집에서는생물들사이의포식과피식에의해물질과에너지가이동하게되고, 이러한먹이사슬관계와영양섭취방법을기준으로생물들을생산자, 소비자, 분해자로나누게된다. 포식과피식의관계는선형의관계이기보다복잡하게얽힌먹이그물을형성한다. 군집의다른특성으로는구조가있다. 주로식물군락을중심으로군집의구조가결정되며, 이때방형구법을이용하게된다. 탐구활동 가상군집조사학생들이가지고있는학용품등을식물로가정하고방형구법에따라밀도, 빈도를구하는가상실험을통해군집의특성을이해해보자. 1. 어떤지역에서밀도는매우높고, 빈도는매우낮은식물이존재할수있는지예측해보고, 그이유를논리적으로설명해보자. 준비물 재료 : 각자소지한학용품, 포스트잇 방법및절차 (1) 학생들은각자가가지고있는학용품을자기책상위에올려놓는다. (2) 각학용품에기호를부여하고 ( 같은종류의학용품은동일한기호를부여 ) 개수를센다. (3) 칠판에모든책상을그리고각책상그림에해당자리의학생이올려놓은학용품의기호를표시하고수를센다. 교실전체가하나의방형틀이고, 책상은하나의방형구에해당한다고가정한다. 342 심화생명과학

결과및논의 (1) 각학용품의상대밀도, 상대빈도와상대피도를구해보자. (2) 상대밀도, 상대빈도, 상대피도가가장큰학용품은무엇인가? 실제군락에서이학용품은어떤의미를갖는지생각해보자. 연구과제 (1) 이동성을가지고있는동물의경우위의실험을수행하기어렵다. 동물을대상으로이루어지는기존의생태실험방법을조사하고, 주변의동물들을대상으로생태실험을하려고할때적용할수있는생태실험방법을고안해보자. 우점종은군락의상관을결정한다. 지역에따라강수량과온도등이달라군 락의구조는달라지며, 군락은크게삼림, 초원, 황원, 수계로구분된다. 지표종은특정군락에서만관찰되는종을의미한다. 상관군락의겉보기모습으로우점종이교목인경우그군락의종류는삼림이된다. 조사하기 다양한지표종에대해조사하여포스터로표현해보자. 시간이지나면서군집은변하게된다. 군집의변화에는생물종의조성이나분포상태의변화에의해일어나며, 이러한변화를천이라고한다. 보통천이는식물군락의중요한특성이된다. 생물이전혀없는나지에서시작되는변화를 1차천이라고한다. 1차천이는다시토양에서시작되는건성천이와물에서시작되는습성천이로나뉜다. 이에비해산불등에의해손 상된지역에서다시시작되는천이를 2차천이라고한다. 1차천이의시작은개척자라고알려진지의류등에의해일어난다. < 그림 Ⅴ- 60> 지의류균류와조류가조합을이루어상리공생하는생물군 지의류에이어서이끼와 1년생초본이등장하고시간이지나면소나무와같은양수림이등장하게된다. 천이의끝에서는음수림인참나무나전나무가자리잡으며군집은안정된상태를유지하게된다. 이상태가극상이다. 가을철멋 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 343

진단풍을보여주는산들은대부분천이의극상을보여준다. 음수림 ( 참나무등 ) 양수림 ( 소나무등 ) 지의류, 이끼류 풀, 관목, 묘목 개척자 시간 < 그림 Ⅴ- 61> 건성천이과정 극상군락 조사하기 개척자식물은어떤특성을가지고있는지조사해보자. 토론하기 양수림다음에음수림이자리잡는이유를빛의세기와광합성량관계그래프를이용하여토론해보자. 발표하기 습성천이과정을위에제시된건성천이과정그림처럼표현하여발표해보자. 344 심화생명과학

02 에너지흐름 학 습 목 표생태계의평형을에너지흐름으로설명할수있다. 생태피라미드를이용하여생태계에서의에너지흐름을이해할수있다. 지구생태계를유지하는원동력은태양에너지 다. 태양에너지로부터출발한에너지를이용하열여무생물적환경과생물군집사이에서물질순환이이루어지며에너지가흐르게된다. 생태계열에서물질은순환되어재사용될수있는반면, 에너지는결국열에너지로바뀌므로순환되지못분해자 ( 세균, 균류 ) 한다. 생산자인식물이일정기간생산한유기물의총량을총생산량이라고하며, 여기에서호흡량을뺀열나머지를순생산량이라고한다. 다시순생산량에서피식량과고사량을뺀나머지를생장량이라고한다. 어떤군락의생장량을그군락의생산력이라고부르고각영양단계에저장된유기물의총량은생물량이라고부른다. 일반적으로천이가진행중인군집은생산력이크고생물량은적지만극상상태의군집은그반대가된다. 무생물적화학물질 (CO 2, O 2, N 2, 무기염류등 ) 소비자 ( 초식동물, 육식동물 ) 태양에너지 < 그림 Ⅴ- 62> 생태계에서의물질순환과에너지흐름적색은물질순환, 황색은에너지흐름을의미한다. 열 생산자 ( 식물 ) 열 생각하기 천이가진행중인군집은생산력이크고생물량은적지만극상상태의군집은그반대가된다. 그이유를생각해보자. 생태계에서태양에너지는광합성생물에의해화학에너지로전환되며, 화학에너지는먹이연쇄를따라이동하게된다. 각영양단계를거치면서화학에너 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 345

열 지의일부는최종에너지형태인열에너 10 3 차 ( 최종 ) 소비자 ( 인간 ) 2 차소비자 ( 물고기 ) 열 열 분해자 지로외부로방출된다. 열에너지는다시화학에너지로전환되지않기때문에생태계의지속적인유지를위해서는근본적으로태양에너지가계속공급되어야한다. 100 열 1,000 1 차소비자 ( 동물성플랑크톤 ) 열 10,000 에너지량 (kcal) 생산자 ( 식물성플랑크톤 ) < 그림 Ⅴ- 63> 생태피라미드 탐구활동 먹이그물작성하기 생물체들은서로먹고먹히는관계에있으며, 복잡한먹이그물을구성하고있다. 먹이그물의복잡성은생태계의안정에매우중요하다. 외래종의유입은기존생태계의먹이그물을파괴하여생태계를교란시키는원인이될수있다. 우리가평상시섭취하는음식을대상으로먹이그물을구성해보자. 1. 우리나라에서외래종에의해먹이그물이파괴된사례를조사해보자. 준비물 재료 : A4 종이, 색연필 방법및절차 (1) 개인별로어제먹은음식을종이에기록하자. (2) 기록한각음식의구성성분들을모두써보자. 그런후각구성성분이식물유래인지동물유래인지표기하고, 또이름을표기해보자. 예를들어점심때케이크를먹었다면다음과같이목록을작성한다. 밀가루-식물 ( 밀 ), 설탕-식물 ( 사탕무 ), 계란-동물 ( 닭 ) (3) 목록에작성한동물의경우이동물들이먹는 2~3개정도의먹이종류의생물이름도목록으로작성한다. 예를들어케이크와함께우유를마셨다면, 소를기록하고소가먹는풀과옥수수를목록으로작성한다. 346 심화생명과학

(4) 종이의맨아래부터목록에있는식물들의이름을쓰고, 그위에이식물들중하나라도먹는초식동물의이름을쓴다. (5) 각식물에서그식물을먹는동물로선을그린다. (6) 목록으로작성한동물과기록된초식동물을먹는동물의이름을초식동물위쪽에쓴다. 각초식동물에서이동물을잡아먹는육식동물을선으로연결한다. 해석및논의 (1) 먹이그물을여러가지색으로표현해보자. (2) 다른학생이작성한먹이그물과복잡성을비교해보자. (3) 자신이작성한먹이그물에서어떤생물종에문제가생길때불안정해 질지찾아보고, 그이유를설명해보자. 연구과제 (1) 작성된먹이그물을생태피라미드개념으로설명해보자. 생태계를구성하는군집의영양단계별개체수, 생물량, 에너지량을그래프로나타낸것을생태피라미드라고한다. 상위영양단계로갈수록이동하는에너지량은점점감소하며, 먹이의영양가가높고포식능력이커서에너지효율은높아진다. 탐구활동 생태계의에너지흐름자료분석 지구에도달한태양에너지의일부만이생태계로유입된다. 빛에너지는처음으로화학에너지로전환된후영양단계를따라이동하며, 그과정에서일부에너지는사용할수없는열에너지형태로외부로방출된다. 자료분석을통해실제에너지의이동은어떻게되는지이해해보자. 1. 상위영양단계로올라갈수록에너지효율은어떻게되는지예상해보고, 논리적으로설명해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 347

자료다음자료를보고분석해보자.( 단, 단위는 kcal) 6612 14,198 6 6 3 차 ( 최종 ) 소비자 ( 육식동물 ) 21 15 46 피식 / 고사 67 2차소비자 ( 육식동물 ) 383 316 호흡 1095 1478 1차소비자 ( 초식동물 )3368 1890 5465 8863 생산자 ( 식물 )20,810 11,977 태양에너지 1,700,000 순생산량 총생산량 해석및논의 (1) 위그림자료를표의형식으로전환해보자. 에너지효율 (%) 현단계의에너지량전단계의에너지량 100 (2) 각영양단계에서에너지효율을계산해보고, 자료해석을하기전에 예측한내용과비교하여설명해보자. (3) 호흡으로방출되는에너지는완전히쓸모없는에너지라고생각하는 가? 자신의답에대한타당한근거를제시해보자. 연구과제 (1) 해양생태계의경우바다깊이를기준할때어떠한모양의생태피라미드가예측되는지조사해보자. 348 심화생명과학

03 물질순환 학 습 목 표생태계의평형을물질순환으로설명할수있다. 생태계에서여러물질들이순환하는과정을이해할수있다. 인간은흙에서태어나흙으로돌아간다 라는말이있다. 이처럼에너지와달리물질은생태계내에서끊임없이재활용된다. 물질순환의시작은환경이며, 생태계내에서의물질순환은생물학적, 지질학적, 화학적수송과관련이있기때문에생물지구화학적순환이라고부른다. 얼음과눈속의물 대기속의물 응축 강수 승화 증산 증발 침투 눈과얼음용해후하천으로유수 샘 하천 증발 표수유수 지하수음수 담수 해수저장 지하수저장 < 그림 Ⅴ- 64> 물의순환 탄소 (C) 와질소 (N), 황 (S) 의순환은지구와생물권이연결된거대한생태계에서일어나는데비해, 인 (P) 의순환은매우지역적인특성을보인다. 인은 ATP, DNA, RNA와같은생물학적분자의핵심원소이지만다른원소에비해매우간단한순환구조를가지고있다. 인은대기에존재하지않으며지각이 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 349

대기 대기중질소기체 N 2 식생 화학연료, 연소 / 시멘트생산 식물 동화작용 토양 해양생물권 용해된유기탄소분자 강해양표층수 침전 해양심층수 뿌리혹등의질소고정세균 질소고정토양세균 분해자 ( 유기혹은무기호흡세균과균류 ) 암모늄이온 (NH 4+ ) 아질산화세균 질산이온 (NO 3- ) 아질산이온 (NO 2- ) 탈질산화세균 질산화세균 < 그림 Ⅴ- 65> 탄소의순환 < 그림 Ⅴ- 66> 질소의순환 질소고정박테리아대기의질소를 NH 3 나 NH 4+ 로전환시켜주는박테리아로리조비움 (Rhizobium), 플랭키아 (Frankia) 등이있다. 이중리조비움은콩과식물의뿌리혹에서식한다. 중요한인의저장소로기능한다. 지각에저장된인은풍화나침식작용에의해토양으로들어가며, 식물은인산의형태로인을흡수하여동화작용에이용하게된다. 생각하기 물질에따라순환하는방법에차이가있는이유를생각해보자. 특히수생생태계에서인은중요한제한요인이되며, 과도한양의인은부영양화를유발하여적조나녹조와같은현상을일으키게된다. 질산화박테리아 NH 3 나 NH 4+ 를식물이이용할수있는 NO 3- 로전환하는세균으로니트로소모나스 (Nitrosomonas), 니트로박터 (Nitrobacter) 등이있다. 탈질산화박테리아질산염 (NO 3- ) 을질소기체로환원시키는박테리아이다. 물질대사과정에서산소대신질산염을이용한다. 다양한자연산물과인간으로부터유래한무기인수계로되돌아온무기인 식물흡수 동물섭취 ( 유기인 ) ( 유기인으로전환 ) 사망 사망 배설 분해 ( 세균에의한유기인의무기인전환 ) < 그림 Ⅴ- 67> 인의순환 조사하기 적조현상과녹조현상의차이점을조사해보자. 350 심화생명과학

과거의자연상태에서탄소순환은균형을이루고있었지만인류의화석연료사용이급증하면서그균형은깨지고있다. 대기중 CO 2 의농도는꾸준히증가되고있으며, 이로인해지구의온난화가가속되고있다. 대기중 CO 2 의농도증가는식물성장을촉진하지만초식동물의밀도를감소시키게된다. 발표하기 위에제시한여러원소의순환그림처럼산소의순환을그림으로표현하여발표해보자. 탐구활동 CO 2 증가가동물에게미치는영향자료분석 CO 2 의증가는기본적으로광합성을하는식물의생장량을증가시킨다. 그렇다면동물들에게는아무영향을미치지않을까? 자료분석을통해 CO 2 의증가가동물에게미치는영향을이해해보자. 1. 동물에게 CO 2 의증가가어떠한영향을미치는지논리적으로추론해보자. 자료 (1) 특정지역에서 16개의지붕이열린방을만들고, 그중 8개의방에서 CO 2 의농도를 360 ppm에서 720 ppm으로증가시킨다. (2) 각방에서잎에붙어있는초식성곤충 ( 이곤충은잎을먹으면서생존한다.) 의수를세고시간이지난후죽은초식성곤충의수와포식자나기생충과같은천적이곤충을공격하는비율을관찰한다. (3) 방당초식곤충의수 200 의수 연도 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 351

(4) 관찰된사망율의원인 ( 잎에있는유충의사망율에한함 ) 사망원인 실험군사망률 (%) 대조군사망률 (%) 영양결핍 10.2 5.0 포식자 2.4 2.0 기생충 10.0 3.2 (5) 질소농도 시간이지나면서토양과잎의질소의양은감소하였다. 해석및논의 (1) CO 2 의증가와초식동물의생존은어떤관계인지설명하고, 자료분석 전에예측한것과비교하여차이점을찾아보자. (2) 이실험에서설정된변인들에대해정리해보자. 연구과제 (1) 해석 1번에대한설명을논리적으로생각하여발표해보자. 352 심화생명과학

04 환경오염 학 습 목 표환경오염의원인을알아보고, 생태계의평형을복구하고보존하는방법을알수있다. 환경오염을줄일수있는방법을이해하고, 생활에서직접그방법을적용할수있다. 환경오염의거의대부분은인간활동에서비롯된다. 과학과기술, 의학의발달로인구수는지구생태계의수용한계를넘은상태이다. 인구수가증가하면서인간이이용하는생물및비생물자원의소비량이급증하였으며, 그결과로오염물질의양과종류도증가하면서환경오염은매우심각해졌다. 환경의중요성을표현한 부메랑효과 에따르면인간생활에서비롯된환경오염에의해우리인간은결국피해를보게된다. 지구는현재살고있는우리것이아닌후손에게서빌려왔다는말을우리모두심각하게되새겨봐야한다. 토론하기엘고어의 불편한진실 이라는시사영화는지구온난화라는알고싶지않은진실을, 정치적문제가아닌인간의윤리적문제로써모두가떠안아야한다는내용을시사한다. 이영화를감상하고서로의생각을이야기해보자. 방아쇠효과평형이유지되고있는생태계에서어떤작은요인에변화가일어나면그영향이연쇄적으로확대되어생태계전체에큰변화를초래하는경우가있다. 이런현상을방아쇠효과라고하며, 인간에의해서이러한방아쇠효과가나타나서생태계가파괴된예가있었다. 부메랑효과부메랑은호주원주민들이놀이나사냥을목적으로사용하던것으로목표물에명중하지않으면원을그리며제자리로다시돌아오게되는도구이다. 이러한부메랑의특징에환경문제의특징을설명하는데빗대어사용하기도한다. < 그림 Ⅴ- 68> 영화 불편한진실 2006 년작, Davis Guggenheim 감독, 전미국부통령 Al Gore 해설 1) 대기오염 대기오염은주로각종연료를연소하는과정에서발생한다. 석탄과석유등에포함된황이연소과정중에이산화황으로발생하며, 이산화탄소는생물의 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 353

호흡과연료의연소과정에서발생한다. 산화질소류는주로자동차배기가스를통해배출된다. 이산화황과산화질소류는빗물에녹아각각황산과질산으로전환되기때문에산성비의원인이되기도한다. 토론하기 우리나라주요도시에는도로의환경오염현황을전광판을이용해시민들에게알려주고있다. 자신이살고있는지역의연간환경오염자료를조사하여토론해보자. 자동차배기가스와공장에서배출되는대기오염물질들이한곳에장시간정체되면스모그현상을일으킨다. 스모그는태양광선을차단하여열의유입을막고, 호흡기질환을일으키며많은생물체의생육에피해를준다. 조사하기 CO 2 농도 (ppm) 온도 ( ) 스모그의종류와성분에대해조사하고, 우리나라에서발생하는스모그의특성을조사해보자. 이산화탄소는직접적인피해를주지않지만, 대기중농도가증가하면온실효과를일으킨다. 온실효과를일으키는기체는이 연도 산화탄소뿐만아니라수증기, 메탄등도포함된다. < 그림 Ⅴ- 69> 연도별 CO 2 농도와온도변화주황색은 CO 2, 적색은온도 설명하기 복사평형개념을이용하여온실효과를설명해보자. 이러한기체들뿐만아니라화산재와시멘트제조공장에서배출되는매우작은입자들은대기중에떠다니며진폐증을일으키거나태양광선을차단시켜식물의광합성작용에좋지않은영향을미치게된다. 탐구활동 여러지질시대에서의 CO2 농도와온도자료분석 각지질시대에서의 CO 2 농도와온도의관계분석을통하여 CO 2 에의한온도변화의직 접적인연관성을이해해보자. 1. 과거지질시대에서대기중 CO 2 농도의변화가일어난원인에대해조사해보자. 354 심화생명과학

자료 온도 CO 2 CO 2 CO 2 CO 2 현재 CO 2 수준 온도 ( ) 대기중 CO 2 농도 (ppm) 현재로부터과거연도 현재 해석및논의 (1) 대기 CO 2 농도와온도를관련지어결론을기술해보자. (2) 과거에도 CO 2 의농도가매우높은시기가여러번있었다. 그이유를조사해보자. 연구과제 (1) 과거대기의 CO 2 농도는어떻게측정되었는지조사하고, 실험실에서대기중 CO 2 의농도를간편하게측정할수있는방법을고안해보자. 2) 수질오염 가정에서나오는생활하수나공장에서나오는폐수, 축사에서나오는가축의분뇨, 농약성분등에포함된유기물, 영양염류, 중금속등에의해수질오염이발생한다. 이중유기물에의한수질오염은수중생태계에큰영향을일으키며, 오염정도는수중산소농도를가지고쉽게측정할수있다. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 355

BOD(Biological Oxygen Demand) 생물학적산소요구량으로 20 에서 5일동안소비된산소의소비량을말한다. 수중에서산소소비가큰경우는유기물의분해와질화작용이일어날때이다. 질화작용에의한산소소비는보통배양 10여일후활발해진다. 5일동안의배양에서는주로탄소유기물질의분해가일어난다. DO(Dissolved Oxygen) 용존산소량으로수용액속에녹아있는산소의양을말한다. 탐구활동 BOD 측정실험하천이나강, 호수, 바다로유입된유기물은미생물에의해분해되고, 이러한분해작용이일어날때산소소비가증가된다. 따라서수중산소량을통해유기물에의한수질오염정도를알수있다. 특정수용액의산소량을측정하여수중산소량과수질오염정도와의관계를이해해보자. 1. 우리주변에있는하천의 DO를높여주기위한방법에는무엇이있는지생각해보자. 준비물 재료 : 오염정도가다른물 기구 : 20 항온기, 300 ml BOD 병, 10 ml 뷰렛, 교반기, DO미터 (MBL) 방법및절차 (1) 공장폐수가유입된하천수, 깨끗한물, 부영양화가심한하천수등의채수지역을정한다. (2) 각채수지역에 4개의 BOD 병을준비하여병속에빈공간이없도록채수하여바로 BOD 병마개로밀봉한다. (3) 4개의시료가들어있는 BOD 병중 2개는 DO미터를사용하여바로용존산소량을측정하고, 나머지 2개는 20 항온기에넣어 5일간배양한다. (4) 5일후 DO미터를사용하여나머지 2개의 DO를측정한다. (5) 채취후바로측정한용존산소량과 5일후측정된용존산소량의차이로 BOD 값을측정한다. 결과및논의 (1) 각시료에대한 DO값과 BOD값을표와그래프로작성해보자. (2) 20 에서산소포화도는 9.09 mg/l 이다. 실험에사용한시료의최고 BOD 값은이론적으로얼마가최대인지논의해보자. 연구과제 (1) 실험실에서가능한수중유기물의양과 BOD의인과관계를조사할수있는탐구실험을설계해보자. 356 심화생명과학

소량으로유입되는유기물들은하천, 호수, 바다에서호기성미생물에의해거의산화및분해되기때문에수질오염이좀처럼발생하지않는다. 이러한자연적인복구과정을자정작용이라고한다. 하지만유입되는유기물의양이자정작용의한계를넘게되면수중생태계는파괴된다. 유기물의대량유입으로호기성세균이급증하고수중용존산소량이급격히감소하여, 그결과물고기등의생물들은호흡곤란으로죽게된다. 동시에혐기성세균에의한유기물의불완전분해로메탄, 황화수소등의기체가발생하여악취가발생한다. 호기성세균살아가는데산소를필요로하는세균으로산소를이용하여영양소를분해하고, 이때발생하는에너지를이용하는세균. 혐기성세균산소가없는환경에서서식하는세균으로무기호흡을통해에너지를얻는세균. < 그림 Ⅴ- 70> 유기물유입에따른수질특성과생물체변화 조사하기 수질오염의정도를측정하는방법에는어떤것들이있는지조사해보자. 물속으로유입되는유기물중에인산염이나질산염과같은영양염류가증가하면물은부영양화상태가된다. 이러한상태에서는식물성플랑크톤이대량으로증식하여녹조나적조현상이일어나며, 용존산소량의감소와독성물질의발생으로어패류가죽게된다. 토론하기 하수처리시설에서물이정화되는과정을조사하여수중오염을방지할수있는적극적인방법에대해토론해보자. 유기물뿐만아니라수질오염물질에포함되어있는중금속물질이나시안화 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 357

중금속비중이 4 이상인금속으로수은, 카드뮴, 납등을말한다. PCB(PolyChlorinated Bipheny) 폴리염화비페닐이라는약품으로전기절연물질로사용됨. 현재는사용하지않지만기존물건들이폐기될때문제가되고있다. 합물, PCB 등은분해되기매우어렵기때문에먹이연쇄를따라농축되어결국최종소비자인인간에게심각한생리적장애를일으킨다. 2007년 12월 7일서해안에서발생한원유유출사고는아직까지도사회경제적으로해결하지못한많은문제를가지고있다. 오염이일어나지않도록주의하는것이가장중요한일이지만오염원을신속히해결하는방법을개발하는것도매우중요하다. 기름을분해하는미생물을이용한생물정화법도그러한방법중의하나가된다. 바닷물 1 ml속엔 1만 ~1백만마리의미생물이산다. 기름유출사고가나면 독성때문에대부분의미생물은죽게되지만기름성분을분해하는소수의미생물은생존할수있다. 생물정화란이런토착미생물이기름을더잘분해할수있도록양분을주어활성화시키거나, 기름분해능력이탁월한외부미생물들을오염현장에넣어주는방법이다. 미생물은원유에포함된탄화수소를먹이로삼아물과이산화탄소로분해하면서증식한다. 조사하기 생물방제방법에는어떤것이있는지조사하고, 각방법의장단점을조사해보자. 5) 토양오염 토양은생물체의터전이며물질순환경로의중요한담당자이다. 따라서토양이오염되면생물체의생활에문제가생기고정상적인물질순환이일어나지못한다. 예를들어산성비나화학비료등에의한토양의산성화는토양미생물의감소를일으키고, 그결과토양의통기성이나무기이온보유능력이낮아지게된다. 또한제초제, 살충제등의농약은정상적인먹이그물을파괴하고토양속에오래잔류하여생물농축현상을일으킨다. 조사하기 우리조상들은농사를짓거나거주하기좋은토양을옥토라고불렀다. 옥토가무엇이며, 어떤특성을지닌토양인지조사해보자. 358 심화생명과학

읽을거리 첨단연구 사람들의적극적인발명활동으로스스로오염가스를제거하는석탄, 수질오염을막는자석, 프레온가스를먹는미생물, 고래를이용한해양오염정화방법등이개발되고있다. 석탄이탈때내뿜는이산화황가스는인체에유독하며산성비를뿌리는원인이되고있다. 하지만미국제너시스연구소가개발한석탄은가스의배출량을 80% 까지줄이고, 쓰고남은석탄재는비료나시멘트용재료로재활용된다. 많은나라에서폐수로생기는수질오염으로심각한문제를가지고있으며그동안많은사람들이폐수의정화방법을연구해왔지만폐수속에들어있는인이라는물질은제거하기어려웠다. 네덜란드의한엔지니어링회사에서만들어진폐수정화방법은보통의폐수처리과정에거대한자석만추가하면된다. 이방법은박테리아로폐기물을처리한바로그다음단계에서석회나특수철을섞어주고난후거대한자석으로남아있는인을걸러낸다. 인과결합한이덩어리에다시자철광으로만든가루와폴리머를섞어주고, 도넛모양의자석이있는방으로들여보내면오염물질이제거된다. 최근에프레온가스를먹는세균이발견되었다. 미국국립지질조사소의미생물학자인데릭러블리가발견한이세균의이름은클로스트리듐파스퇴로아늄박테리아이다. 이세균은대기중에이미퍼진프레온가스는제거하지못하지만못쓰게된에어컨이나냉장고를처리할때쉽고간편하게프레온가스를처리할수있다. 바다에서기름이유출될경우바다의오염으로인한막대한폐해가발생한다. 최근에고래를이용한해양오염정화방법이개발되었다. 고래는오염된바다에서도잘견디는데그이유가미국오리건주립대학의수의학교수인모리크리에그박사에의해밝혀졌다. 모리크레이그박사는기름과산성물질로오염된크릴새우를고래의먹이로계속공급해주었는데고래는아무탈없이정상적인생활을했으며, 그이유는독특한소화기능때문으로알려졌다. 고래를보호하는것이곧바다의오염을줄이는최선의방법으로제시되고있다. 조사하기 가정에서환경오염을막거나감소시킬수있는새로운방법을고안해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 359

정리하기 생태계 생태학은생물체사이의상호관계와생물체와환경의상호관계를연구하는학문이다. 생태학분야는개체, 개체군, 군집, 생태계생태학분야로나뉜다. 생태계는생물적요소와비생물적요소로구분되며, 두요소는상호작용한다. 비생물적요소는생태계에큰영향을주며, 생물체는이러한요소에적응하여생존하고있다. 개체군의특성에는밀도, 생장곡선, 생존곡선, 연령분포등이있다. 생물들은에너지절감을위한독특한상호관계를진화시켰다. 여러개체군으로구성된군집의특성은구성단계와구조로설명된다. 식물로이루어진군락은시간에따라변하는천이과정을거치게된다. 에너지흐름 생태계의유지를위해서는태양에너지의근본적인유입이필요하다. 생태계에서에너지는먹이그물을통해흐른다. 생물체는화학에너지의형태로다른먹이그물단계로에너지를전달한다. 생태피라미드를통해에너지효율을계산할수있다. 식물의생산성은 1차총생산량으로측정한다. 물질순환 여러원소들이물리적환경으로부터생물로들어와서다시물리적환경으로되돌아가재활용되는것을생물지구화학적순환이라고한다. 인 (P) 의순환은국부적으로순환한다. 이산화탄소의증가는식물성장을일으키지만초식동물의생존에도영향을미치게된다. 질소순환은질소고정, 질산화, 동화작용, 암모니아전환, 탈질산화의 5단계를거치게된다. 360 심화생명과학

환경오염 환경오염의종류는크게대기오염, 수질오염, 토양오염이있다. 환경오염은주로인간활동으로부터기인한다. 대기오염에의해스모그, 산성비가형성되며생물체의생육과생리적기능에영향을미치게된다. 생태계는자정능력을가지고있다. 자정능력의한계를벗어난오염물질의유입으로생태계가파괴된다. 자연에서쉽게분해되지않는물질들은생물농축과정을거쳐최종소비자인인간에게치명적인해를입힌다. 정리하기 1. 서해안원유누출사고와같이바다로기름이유입되면해양생태계가어떻 논술및토의 게파괴되는지논술해보자. 2. 개체수피라미드에서중간영양단계에해당하는생물의개체수변화가전 체피라미드에어떠한변화를일으키는지논술해보자. 3. 외래종이유입되면생태계가교란되며, 심할경우파괴되기도한다. 우리 나라로유입된외래종을조사하고이들외래종생물들에의해생태계가어 떻게교란되는지토의해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 361

3. 생물다양성보전 01. 생물다양성보전이유 02. 생물다양성손실원인 03. 생물다양성보전방법 황금박쥐 최근멸종위기종인사향노루, 붉은박쥐, 긴점박이올빼미등이 DMZ 인근에서식하고있다고보고되었고, 특히온몸이황금색을띄고있어황금박쥐로알려진붉은박쥐는충남서산의한동굴에서도발견되었다. 1급멸종동물중하나인황금박쥐가발견된이동굴인근에서도로확장공사가벌어지고있기때문에시급한보호대책이요구되고있는상황이다. 이와같이우리주변에는멸종위기에처한생물들이위태롭게살고있으며, 많은사람들이이들을보전하기위해노력을기울이고있다. 그이유는미지의생물체가우리에게무한한가치를줄수있는잠재력을가지고있기때문이다.

01 생물다양성보전이유 학 습 목 표 생물다양성을이해할수있다. 생물다양성을보전하는이유를설명할수있다. 생물다양성의위기를극복하기위한과학을보전생물학 (conservation biology) 이라고한다. 보전생물학의대상은하나의종수준일수도있지만, 더넓게서식지나생태계가될수도있다. 현재생물다양성에위협이되는요인을분석하고생물다양성이감소되는것을막기위한다양한전략이개발되고있다. 생물다양성은무엇을의미하는가? 생물의다양성은유전적다양성, 종다양성, 생태계다양성을모두포함하는개념이며, 따라서생물다양성을보전하기위해서는생물학전반에걸친원리와지식이종합적으로활용되어야한다. 보전진화를포함하는생물학적온전성이보장되는범위에서이용되거나보호되는행위 보존동물원, 식물원처럼자연적이지않고현시점의유전적정보를고정해두는방식으로이용되거나보호되는행위 생물학자에리히 (Paul Ehrlich) 와윌슨 (E. O. Wilson) 은생물다양성을보전해야하는세가지이유를제안하였다. 첫째, 우리는지구상의살아있는동반자를보호해야하는도덕적책무성을가지고있다. 둘째, 우리는생물로부터파생된식품, 의약품등의생산물로부터많은이득을얻어왔고, 이후더많은것을얻을가능성을가지고있다. 셋째, 생태계에의해제공되는필수적인공기, 물과같은것을지속적으로얻기위해서정상으로기능하는생태계를보전해야한다. 에리히 (Ehrlich, P.; 1932~) 독일조직, 면역학자 토론하기 윌슨 (Wilson) 은생물애 (biophilia) 를주장하였다. 생물애에대해조사하여생물다양성보전과관련지어토론해보자. 생물자원의손실은농업및의학산업발달에서매우중요한제한요소가된다. 많은의약품이열대우림에서서식하는식물들로부터기인하고있는데, 우 윌슨 (Wilson, E.; 1929 ~) 미국사회생물학자 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 363

리가아직모르는중요한치료성분을가지는생물의멸종은인류의궁극적인목적이되는건강하게장수하는길을막을수도있을것이다. 이렇게직접생물로부터얻는물질에의한혜택도있지만자연생태계로부터얻는것도매우중요하다. 생태계를구성하는식물은 CO 2 를흡수하고 O 2 를방출하며, 잘보전된숲은토양을비옥하게해주고, 물을보존해준다. 생물다양 < 그림 Ⅴ- 71> atharanthus roseus 일일초라불리는식물로백혈병과홉킨스병치료에사용되는빈크리스틴을가지고있다. 성의손실은생태계가가지고있는이러한능력을파괴시킬수있다. 1997년네이처 (Nature) 논문에서생태경제학자 인콘스탄자 (R. Constanza) 는세계생태계의가치를세계경제총생산 (19조달러 ) 의거의두배에해당하는것으로결론을냈다. 콘스탄자 (Constanza, R.; 1950~) 미국생태경제학자 생태계의보존을위해서생물다양성의보전은필수적이다. 그렇다면정상적으로생태계가기능하기위해서는생물다양성이어느정도로유지되어야할까? 생태계기능과생물다양성의관계를설명하는가설에는다양성-안정성이론, 리 벳가설, 중복성가설, 개연성가설이있다. 어느모델이정확한지명확하지않지만생태계의기능에미치는종의손실효과를이해하는것은매우중요하다. 다음자료분석에서보여주는 1990년대초에이루어진에코트론 (Ecotron) 실험은생물다양성과생태계기능의관계를 < 그림 Ⅴ- 72> 에코트론 (Ecotron) 영국실우드파크에설치된생태연구시설 잘보여주고있다. 탐구활동 생물다양성과생태계기능관계자료분석 1990년대초나엠 (Naeem) 등은영국의실우드파크에서에코트론이라는시설을세워 14개의환경조절실을이용하여생물다양성이생태계기능에어떠한영향을미치는지실험하였다. 각조절실의종숫자는고, 중, 저로설정되었고, 모두 4단계의영양순환단계 ( 생산자, 1, 2차소비자, 분해자단계 ) 를갖는다. 이자료를통해생물다양성이안정된생태계유지에어떻게영향을미치는지이해해보자. 1. 생물다양성이생태계의기능에어떠한영향을줄지논리적으로예측하고근거를제시해보자. 364 심화생명과학

자료 (1) 온도, 습도가조절되는 14개의동일한환경조절실을제작한다. 공기유출 환풍기 급수관 공기유입 냉각공기 습도 / 온도센서 < 그림 Ⅴ- 73> 환경조절실 (2) 원모양은종을, 연결선은생물학적먹이연쇄를나타낸다. 14개의환경조절실은세종류의실험 ( 높은종풍요도, 중간종풍요도, 낮은종풍요도 ) 으로나뉘며, 4개의영양순환단계가존재한다. 적색은세종류실험군에모두존재하는종을, 청색은두종류의실험군에만, 자주색은가장종다양성이높은실험군에서만존재하는종을의미한다. < 그림 Ⅴ- 74> 환경조절실의세종류의실험 Ⅴ. 생명의다양성과생태계 365

(3) 피식도의변화는다음과같다. < 그림 Ⅴ- 75> 피식도변화 해석및논의 (1) 이실험에서설정한독립변인과종속변인을찾아보자. (2) 실험결과로부터결론을도출하고, 자료분석전에예측한내용과비교해보자. (3) 피식도와집단생산량의관계를생각해보자. 연구과제 (1) 우리주변의생물들을이용하여간단히수행할수있는위자료와관련된탐구실험을설계해보자. 토론하기그림은종의다양성과생태계의기능에대한이론인다양성-안정성가설, 리벳가설, 중복성가설, 개연성가설을순서대로나타낸것이다. 각그래프의의미에대해토론해보자. 366 심화생명과학

읽을거리우리는동물과식물등많은생물에둘러싸여있을뿐만아니라우리의일상생활에많은도움을받고있다. 생태계는식량, 섬유, 건축자재, 의약품원료를제공할뿐만아니라여가공간으로이용되고있으며또한토양형성, 대기와물, 기후의조절및정화기능을하고있다. 생태계가제공하는이모든것들을생태계서비스라고부른다. 생물다양성은생태계서비스의기반이되며, 보이게, 혹은보이지않게우리의생활을지탱해주고있다. 생물다양성이높을수록생태계는외부의위협으로부터보호되거나피해로부터회복하기쉽다. 그러나서식지파괴, 기후변화, 외래종침입, 남획, 오염등으로생물다양성이급속하게손실되고있다. 생물다양성관리와보전의중요성에대한이해부족도한원인이라할수있다. 2006년유엔총회는생물다양성의지속적인손실과이로인한사회, 경제, 환경, 문화적영향에우려를표하면서 2010년을 세계생물다양성의해 로선포하였다. 인간의삶에미치는생물다양성의중요성에대한인식을높이고, 생물다양성의손실속도를멈추는데기여하며, 생물다양성보전우수사례를공유하는데목적이있다. 유네스코는설립초기부터특히 MAB( 인간과생물권사업 ) 의국제적인과학협력을통해생물다양성연구를촉진해왔다. 또한유네스코가지정한세계유산지역과생물권보전지역은생물다양성보전과지속가능한이용에대한연구의중심이되어왔으며, 지역사회의토착및전통지식의맥락에서생물다양성과문화다양성의연계에관심을기울여왔다. 생물다양성협약은국제환경협약중하나로생물다양성의가치를인식하여 1992년에채택되었고현재 189개국이비준하여폭넓은지지를받고있다. 이협약은생물다양성보전과지속가능한이용및생물다양성혜택의공정하고공평한배분을추구한다. 협약이채택된지 10년후인 2002년에협약당사국은빈곤경감에기여하고지구의모든생물이혜택을받을수있도록 2010년까지지구적, 지역적, 국가적단위에서현재의생물다양성손실속도를현저히줄일것을결의하였다. 생물다양성관련국제협약 - 세계유산협약 - 생물다양성협약 (CBD) - 습지에관한람사협약 - 유엔기후변화기본협약 (UNFCCC) - 유엔사막화방지협약 (UNCCD) - 생물다양성과생태계서비스에대한정부간플랫폼 (IPBES) 조사하기 유네스코 (Unesco) 홈페이지를방문하여 UN에서생물다양성보전을위해어떠한노력을수행하는지조사해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 367

02 생물다양성손실원인 학 습 목 표 생물다양성이파괴되는이유를말할수있다. 멸종위기에처한생물종을알고구별할수있다. 과거에비해현대에서종의멸종이가속화되고있으며, 이러한상황을생물다양성의위기라고부른다. 종멸종의가속화는인간개체군의성장에의해비롯되는것으로생각된다. 동물의멸종그래프와인구증가그래프의비교를통해동물의멸종과인간개체군의성장관계를잘알수있다. 멸 종수 인구수 (10억) 조류포유류 연도 < 그림 Ⅴ- 76> 조류와포유류의멸종 연도 < 그림 Ⅴ- 77> 인구증가 조사하기 우리나라에서멸종위기에처한생물들을조사해보자. 생물종의멸종원인은무엇일까? 주요원인은인간에의해직접적으로이루어지는외래종의도입, 지나친남획그리고서식지파괴이다. 간접적으로는 368 심화생명과학

인간활동에의해유도된기후변화, 환경오염등도생물다양성파괴에큰요인이된다. 위에열거한요인이외에도작은집단으로유지되는생물종들은근친번식, 유전적부동그리고제한적인교미로인한유전적다양성감소에의해멸종위험 에처하게된다. 작은집단에서는짝을찾지못하는개체가존재할수있으며이개체가가지는특정유전자는후세에전달되지못하여유전적다양성이감소하게된다. 이러한현상을앨리효과 (Allee effect) 라고하며유전적부동의한예가된다. 일반적으로작고격리된집단에서는유전적다양성이세대당 1/2N(N= 개체군크기 ) 의비율로감소한다. 토론하기 멸종위기생물종 (endangered species) 서식지의전지역에서또는상당부분에걸쳐멸종위험에놓여있는생물종 멸종가능성생물종 (threatened species) 가까운미래에멸종할가능성이있는생물종 어떤작고격리된근친교배집단에서유전적부동의효과를개선할수있는방법에는무엇이있는지토론해보자. 많은집단에서다음세대로유전자를넘겨주는개체수는전체개체수보다작다. 특히몇몇우두머리수컷만이교미하는개체군에서이러한제한적교배에의한유전적다양성감소현상을쉽게볼수있다. 다음세대로유전자를넘겨주는개체수는유효개체군의크기로나타낼수있는데, 예를들어어떤개체군의수가 500, 성의비율이 1:1 그리고모두번식에참여한다면, 유효개체군의크기는 (4 250 250)/(250+250)=500이된다 ( 모집단의 100%). 하지만이개체군에서수컷 250마리중 10마리만암컷과교미한다면, 유효개체군의크기는 (4 10 250)/(10+250)=38.5 밖에안된다. 즉, 모집단의 8% 에불과하게된다. 조사하기 유효개체군의크기가작아유전적다양성이감소되는집단에서유전적다양성을인위적으로증가시킬수있는방법에는무엇이있는지조사해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 369

03 생물다양성보전방법 학 습 목 표생물다양성을보전하기위한여러노력들을이해할수있다. 우리주변에서쉽게할수있는생물다양성보전방법을찾고실천할수있다. < 그림 Ⅴ- 78> 생태이동통로 < 그림 Ⅴ- 79> 유럽의서식지통로인줄울타리 < 그림 Ⅴ- 80> 생태경관보호지역인동강 가장직접적인보전방법은멸종위기종들을보호하는것이다. 서식지파괴나분절에의한인위적인집단의크기감소를막기위해노력해야한다. 이를위해우선적으로는집단크기감소의정확한원인을파악하는것이다. 더불어멸종위기에처한생물, 앞으로멸종될가능성이있는생물들에대한정확한파악도있어야한다. 서식지단절을막기위한적극적인행동중하나는생태이동통로이다. 생물종들의서식지를인위적으로연결해줌으로써집단의크기가감소되는것을막아주게된다. 하지만이러한시설물들이서식지의파괴를근본적으로막아줄수는없으며우리인간활동의희생이더욱요구된다. 장기적으로생물종을보전하기위해서생태학의원리를적용하여생태계전체의구조와역동성을연구하는학문을경관생태학이라고한다. 경관생태학의목표는과거, 현재, 예측가능한미래에서의인간의토지사용유형을연구하여생물다양성보존에우선권을주는것이다. 생태계간의주변부는경관의중요한특징이다. 주변부는독특한물리적특성이있으며특정생물들은주변부에서번성하기도한다. 일반적으로주변부가많아지면생물종다양성은감소하고특정종들이많아지게된다. 따라서많은나라에서생태경관보호지역을정하고있다. 위에서언급한생태경관보호지역처럼집중적으로보전하기 370 심화생명과학

위한지역들이선택되고있는데, 이러한지역에는멸종위기혹은멸종가능성이있는생물종과그지역에서만발견되는고유종이많이서식하며생물다양성집중지역 (biodiversity hot spot) 으로불린다. 현재생물다양성집중지역으로선정된곳은지구면적의 1.5% 에불과하지만전지구의 1/3에해당하는식물종과척추동물이서식하고있다. 하지만이러한선정은무척추동물이나미생물을고려하지않고있다는데문제가있다. 다른지역, 그리고다른생물에대한보전노력도함께이루어져야한다. 위도 < 그림 Ⅴ- 81> 생물다양성집중지역 ( 주황색 ) 토론하기 평상시우리가할수있는생물종보전노력에는무엇이있는지조사하여토론해보자. 탐구활동 섬 (island) 지리분포이론에기초한자연보호지역의이론적설계자료분석 섬 (island) 모형을이용하여생물지리와조경생태원리를바탕으로자연보호지역의다양한설계를해석할수있다. 이과정을통해각지역상황에서최선의자연보호지역을설계해야한다는것을이해해보자. 1. 자연보호지역의설계에서가장중요한기준이무엇이라고생각하는가? 그리고그렇게생각하는이유를제시해보자. 자료 (1) (a) ~ (f) 는특정기준을가지고설계된보호지역의예이다. 각기준에서위쪽에배치된설계도가자연보호에유리한것으로판정된다. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 371

좋음좋음좋음 나쁨나쁨나쁨 (a) (b) (c) 좋음좋음좋음 나쁨나쁨나쁨 (d) (e) (f) 해석및논의 (1) 각기준에서자연보호에유리하다고판정된이유를설명해보자. (2) (b) 의경우넓은보호지역이여러개의작은보호지역보다유리하다고하였다. 그생각에동의하는가? 즉, 커다란공원과여러개의작은공원중어떤것이종의다양성보전에유리할지상황을설정하고자신의생각을발표해보자. 연구과제 (1) 우리가살고있는지역의보호지역을조사하고종의다양성보전에적합한지분석해보자. 앞에서생물종다양성을보전하기위한여러가지노력을알아보았다. 하지만이미파괴된생태계의복원역시매우중요한노력의일환이라고할수있다. 이러한분야를복원생태학 (restoration ecology) 이라고부른다. 생태계복원의시작은개발제한지역설정으로시작되며서식지복원과함께포획번식프로그램이이용되기도한다. 포획번식프로그램은생물들을인위적으로번식시켜후 372 심화생명과학

에자연생태계로되돌려보내는프로그램으로유전적기술이동원되기도한다. 조사하기 포획번식프로그램수행시주의해야될사항이무엇인지조사해보자. 생태계는놀라운자정능력과함께복원능력을가지고있다. 원래의자연상태모습에서생태계는가장안정된상태를유지할수있다. 인간사회의발전과정에서발생하는생태계의파괴는매우빠르게일어나고있지만파괴된생태계의복구에는너무많은시간이필요하게된다. 슬기로운발전방안을모색하여자연을원래상태로유지하는노력이필요할때이다. 생물다양성보전의궁극적인목표는지속가능한개발이다. 어느생물보다도뛰어난지적능력을가지는인간에의해생태계는위험에처하게되었다. 더늦기전에생물권의복잡한상호연관성을이해하여생물권을보호하여야한다. 많은나라에서지속가능한생물권계획을수립하여현명하게지구자원을개발, 유지, 보존하려고노력하고있다. 이러한노력의일환에생물다양성보전과복원이포함되는것이다. 자연은어느누구, 국가의소유가아니며모든생물체가세대를통하여영원히공유해야하는대상이라는것을항상명심하여야한다. 토론하기 집혹은학교에서실행할수있는지속가능한개발에는무엇이있을지토론해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 373

읽을거리북극곰은기후변화에적응하며생존할수있을까? 많은과학자들이회의적이다. 왜냐하면북극얼음이녹는속도가너무빠르기때문이다. 같은포유류동물이지만양자강돌고래는사람들이잘모르는사이에사실상멸종상태에처했다. 2007년국제조사단이최신장비를동원해양자강을오르내리며수색했지만돌고래의흔적은찾을수없었다. 조사단은사실상양자강돌고래는멸종했다고선언했다. 양자강돌고래의멸종은북극곰의위기와는달리인간의남획과개발행위로서식환경이파괴되면서일어났다. 2010년은유엔이정한생물다양성의해다. 유엔이이렇게정한것은지구생태계가크게도전받고있다는반증이다. 전문가들은생물다양성이야말로지구환경위기가바로우리삶의주변으로다가왔음을뜻한다고경고한다. 우리인간이전적으로의존하고기대어살수밖에없는것이생태계이고, 생물다양성은생태계가건강하다는바로미터이기때문이다. 그런데지구촌곳곳에서생물다양성이무서운속도로파괴되고있다. 북극곰이서식지를잃어가는것은기후변화때문이고, 양자강돌고래가멸종에이른것은남획과산림벌채등무분별한경제개발때문이다. 개발과기후변화가상승작용을일으키며생물다양성을파괴하고있다. 호랑이같은큰포유동물의개체수감소는눈에잘보이지만눈에보이지않는동식물의멸종이더광범하게진행되고있다. 생물다양성의보고인열대우림은지금 1초에 1200평씩사라지고있다. 20분마다하나의생물종이지구상에서사라지고있다. 우리가유의해야할일은멸종의속도다. 20억년의지구생물역사상생태계는새로운종이생겨나고또사라지면서평형을유지해왔다. 그런데지금멸종의속도는지구생태계가평형을유지했을당시멸종속도보다무려 1000배나빠르다고한다. 과학자들은말한다. 생태계는인간을필요로하지않는다. 그렇지만인간은생태계가꼭필요하다. 종은한번없어지면다시회복할수없다. [ 내일신문김수종칼럼 멸종의세기 ] 조사하기 멸종속도가매우빨라진이유를조사하여구체적으로나열해보자. 374 심화생명과학

읽을거리 북극잡종 이늘어난다. 지구온난화로생태계교란이심화되고있다. 북극해연안의북극열도중가장서쪽에위치한캐나다북서부노스웨스트주 ( 州 ) 뱅크스섬. 에스키모라불리는이누이트족이살며, 이끼가자라고순록, 늑대, 북극여우, 북극곰이서식한다. 2006년 4월이섬으로사냥을간미국인짐마르텔 ( 당시 65세 ) 은이누이트족가이드와함께멀리서어슬렁대는북극곰을발견하고방아쇠를당겼다. 가까이가보니쓰러진곰의흰털에군데군데갈색털이섞여있고, 발톱또한갈색이었다. 작은머리와긴목은북극곰인데, 혹처럼솟아오른등은북미대륙북부에사는갈색그리즐리베어와닮았다. 몸길이도최대 3 m가넘는북극곰보다그리즐리베어에가까운 2.2 m였다. 주정부는이곰을압수하며마르텔에게경고했다. 북극곰사냥면허로그리즐리베어를잡았으니 1000달러벌금과최고 1년징역형을부과할수있다는것이었다. 그러나몇주뒤 DNA 검사가끝나자당국은마르텔에게아무런처벌없이곰을돌려줬다. 곰은북극곰엄마와그리즐리아빠사이에태어난혼혈동물이었기때문이다. 엄밀히보면북극곰이아니지만그리즐리베어도아닌것이다. 생물학자들은그리즐리베어 (grizzly bear) 와북극곰 (polar bear) 의혼혈곰에 그롤라베어 (grolar bear) 란별명을붙였다. 왜두곰이갑자기만나서교배까지하게됐는지, 북극생태계와관련해무엇을말하고있는지에대한연구가시작됐다. 브렌든켈리알래스카대학교수등미국연구진 3명은지난주과학학술지네이처기고문을통해이것이지구온난화때문이며, 북극권에곰을포함해 34개혼혈종이나타났거나출현할위기에놓여있다고분석했다. 두곰이같은공간에서살게됐다는것은서로경쟁자가됐다는뜻이다. 미국 UCLA대학그레험슬레이터박사는북극곰과그리즐리베어의두개골을 3D 시뮬레이션프로그램으로분석해이경쟁의결과를예측했다. 한마디로북극곰의패배가거의확실하다는것이다. 두개골강도와씹는힘을분석했는데, 깜짝놀랐다. 북극곰이훨씬약하고, 이빨도작다. 북극곰은바다표범의부드러운살을먹는데, 그리즐리는딱딱한열매나나무줄기를먹는데적합한두개골을갖고있다. 온난화된북극권에서둘이경쟁한다면그리즐리가살아남을확률이더높다. 북극곰은아주혹독한환경에너무적응이잘된몸을갖고있어서새로운환경에적응하기가쉽지않다. 그리즐리와경쟁까지해야한다면생존은더어려운일이된다. ( 슬레이터박사 ) 켈리교수는 수천년에걸쳐진행돼야할생태계변화가불과수십년만에일어나고있다. 시간이별로없다. 북극권생물의이종교배실태를모니터하며대책을찾아야한다 고말했다. [ 국민일보쿠키뉴스 2010.12.30] 토론하기 지구온난화에의해생물다양성은어떻게변할까? 다양한모델을세워토론해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 375

정리하기 생물다양성보전이유 생물다양성의위기를극복하기위한과학을보전생물학 (conservation biology) 이라고한다. 생물다양성을보전해야하는세가지이유는다음과같다. 첫째, 우리는지구상의살아있는동반자를보호해야하는도덕적책무성을가지고있다. 둘째, 우리는생물로부터파생된식품, 의약품등의생산물로부터많은이득을얻어왔고, 이후더많은것을얻을가능성을가지고있다. 셋째, 생태계에의해제공되는필수적인공기, 물과같은것을지속적으로얻기위해서정상적으로기능하는생태계를보전해야한다. 생물다양성이보전될때생태계는정상적으로기능한다. 생물다양성손실원인 인간활동에의해생물다양성이감소하며, 이로인해생태계가위험에처해있다. 생물다양성감소원인에대한정확한이해는생물다양성보전노력에서가장중요하다. 생물다양성감소를막기위한창의적인노력이필요하며, 이때첨단적인생물학적이론과원리가바탕이된다. 생물다양성보전방법 생물다양성보전의직접적인방법은생물의멸종위기를막는것이다. 생물의멸종위기를막기위한방법에는개체들의자유로운공간을보장해주는것이며, 생태통로등은하나의방법이된다. 인간을위한개발에서최우선권은생태계보전에두어야한다. 376 심화생명과학

1. 다음의글은지속가능한성장에대한것이다. 논술및토의 생태계지속성은영속적으로생태계의역할을올바르게수행할수있는능력으로정의된다. 생태계지속성을위해서는미래세대의복지를위태롭게하지않으면서현재의인류의요구에맞추어야한다. 생태계지속성의목표는환경의퇴보를막는것이다. 지속할수없는상태 는자연자본 ( 자연자원의총량 ) 이보충될수있는속도보다빠르게사용될때에발생한다. 지속이가능하려면인류는그활동에서자연적으로보충될수있는비율내에서자연자원을사용해야한다. 원래 지속가능한발전 이라는개념은 적재량 (Carrying capacity) 의개념과얽혀있다. 이론적으로, 환경퇴보가장기적으로지속되면인류의삶을지탱할수없게된다. 이러한전지구적인규모의퇴보는인류의멸종을초래할수있다. 지속가능한성장이가능하기위해서해야될일을논술해보자. 2. 과학자들은 생태계는인간을필요로하지않는다. 그렇지만인간은생태 계가꼭필요하다 라고현재생태계의안전에경보를보내고있다. 이말의 의미를구체적인사례를들어옹호하는방향으로논술해보자. Ⅴ. 생명의다양성과생태계 377

부록 01 02 03 04 05 교과서의효율적활용을위한자기주도적학습전략창의적문제해결능력증진을위한실험탐구일지작성법현미경사용법, 생명과학실험실사용법및안전수칙 VGL II 가상유전실험프로그램사용방법초파리의특징과사육방법

심화생명과학교과서는학생들이교과서내용의지식생성과정에서나타나는과학적사고과정, 탐구실험활동, 창의적문제해결력등을경험하도록제시하였다. 이러한학습과정에서학생들은학습자스스로실험탐구활동계획을수립하고실험탐구보고서를작성하는데효과적인기능과방법을필요로할것이다. 새로이습득한학습내용을정리하고, 요목화하고종합하여큰개념으로이해하는데활용할수있는전략으로도식화, 개념도, 표, 그래프등을제시하였다. 또한개별적으로탐구실험주제를선택하고이를작성하는데에는미래과학자들의전문적인방법과정직하고성실한태도가필요할것이다. 이러한요소들을반영하는과학탐구일지작성방법을제시하였다. 나아가생명과학실험을수행하는데기본적으로필요한현미경사용법, 실험용시약만들기, 실험후정리, 실험실안전수칙등을제시하였다.

01. 교과서의효율적활용을위한자기주도적학습전략 심화생명과학교과서를학습하는동안에여러분이향상시킬수있는몇가지학습전략가운데학습내용을조직화하는방법을가장먼저소개하고자한다. 체계적으로정리하는방법또는파일관리가학습에큰도움이된다는것은알고있을것이다. 여러분은심화생명과학공책에학습한지식, 탐구실험활동과정, 과학적사고과정을어떻게조직적으로정리할수있는지를알게될것이다. 여러분은교과서내용의날개에표시되어있는동기 / 참여, 탐색 / 조사, 설명 / 적용, 확장 / 심화, 평가의 5단계를관심있게보아야한다. 이 5단계는순환학습모형에따른단계별특징이포함되어있으며, 이단계를구분하여학습한내용을정리하는것이효율적일것이다. 그리고이단계를구분하면서오늘배운것과내일배울것을연결한다면학습내용을더효과적으로이해할수있을것이다. 1) 대단원의예습복습을위해짝과질문하고정리하기이학습활동은대단원을시작하기전의예습활동, 대단원을종료한후의복습활동, 예습-복습연결활동, 종합정리활동에대한내용이다. 이활동들은짝과함께 2인 1조로수행하는것이바람직하다. 생명과학수업에서는짝과함께학습하는것이필요하다. 매대단원마다학습내용을다음과같이예습하고복습하여이에대한내용을자신의공책에기록하고조직화시켜야한다. (1) 예습활동대단원제목이포함된페이지의내용만을살펴보자. 여기에는대단원에대한소개내용과중단원및소단원의제목이제시되어있다. 이페이지를읽고자신이가장흥미있다고생각되는제목을찾아라. 자신이선택한제목을짝이선택할수있으므로그다음으로가장흥미있다고생각되는제목도준비해두자. 자신과짝이서로다른제목을선택한후다음을진행한다. 1 자신이선택한제목이왜흥미가있는지짝에게설명하라. 짝도선택한제목이왜흥미가있는지를설명할때주의깊게들어라. 그런다음심화생명과학공책에자신에게가장흥미가있다고생각한제목을기록하고그이유를한가지이상의문장으로설명하라. 380 심화생명과학

2 자신이선택한제목에포함되어있는많은과학개념과아이디어를교과서를보지않고생각해보아라. 이런개념들을포함하는질문 ( 예 : 세포구조가서로다른것은어떤기능과관계될까?) 을최소한 5개이상만들어보고공책에기록하라. 3 자신이기록한질문들을짝에게설명하고짝의질문들도살펴보아라. 그리고짝이선택한제목에대해생각해보라. 짝이기록한질문들에추가할수있는질문들이있는가? 자신의질문을짝에게설명하는과정에서갑자기생각난새로운질문들도추가하라. (2) 복습활동대단원의학습내용을주의깊게살펴보아라. 이교과서의모든단원들은순환학습모형의 5단계 ( 동기 / 참여, 탐색 / 조사, 적용 / 설명, 심화 / 확장, 평가 ) 에따라제시되어있다. 이 5단계를활용하여학습하는것은학생들의과학적탐구와이해에효과적이다. 이대단원에서학습한내용을 5단계에맞추어자신의공책에정리해보아라. 1 먼저 5단계의단계별의미에대한자신의생각을공책에기록하라. 수업시간에참여한학습활동에서무엇을하였는지생각해보면서기록하라. 교사가설명한내용, 짝과했던토론활동이나조원들과함께했던실험탐구활동을생각해보고기록에참조하라. 2 이 5단계의단계별학습활동은그이전단계를기초로이루어지고그다음단계를준비하는데도움이된다. 각단계별활동마다연결되는질문이있는지를찾아보아라. 이연결되는질문의목적에대해짝과토론하라. 자신이생각한내용가운데가장좋은생각을자신의공책에기록하라. (3) 예습-복습연결활동이제 (1) 예습활동 에서기록한질문들과 (2) 복습활동 에서 5단계의단계별로설명한내용들을다시살펴보아라. 1 (1) 예습활동 에서기록한질문가운데이대단원수업활동을통해학습한것으로생각되는질문에 표하라. 2 (1) 예습활동 에서기록한질문들을 복습활동 에서 5단계의단계로조직해서다시정리하라. (5단계의각단계에해당되는질문이없다면질문을 부록 381

단계에맞도록수정하거나추가해도좋다.) 3 재정리하는과정에서갑자기생각나는질문들도추가하여정리하라. 4 자신의짝에게재정리하고추가한질문들을설명하고, 짝의질문들도주의깊게살펴보아라. 5 (1) 예습활동 에서기록한질문가운데자신의학습에도움을준질문과그이유를기록하라. (4) 종합정리활동 (1) 예습활동, (2) 복습활동, (3) 예습-복습연결활동 을살펴보고더알고싶은내용에대한질문을 1개이상추가하여기록하라. 그리고대단원의학습내용을한문단으로종합적으로정리하라. 2) 학습한내용을충분히이해하기위해다양한학습전략활용하기이학습전략은매차시, 소단원, 중단원, 또는대단원이종료한시점에서활용할수있다. 이학습전략은개별적으로활용하거나소집단으로협력하여활용할수있다. 이학습전략들은소단원또는소단원의단계별학습내용을충분히이해하는데효과적으로활용할수있다. (1) 학습한내용을다양한방법으로표현하기때로는학교에서요구하는과제들이시간낭비처럼생각될수도있다. 그러면과제가학습에어떻게도움을줄수있는지를알수있을까? 이를아는한가지방법은과제가가지는특성을확인하는것이다. 예를들어학습한내용을다양한방법으로표현하는것을생각해보자. 즉, 학습내용을요약하고, 모식도, 모형, 그림등으로표현하고, 실험 관찰보고서를쓰라는것이다. 왜학습한내용을다양한방법으로표현해야하는가? 학습한내용을다양하게표현하는일은문제를풀고, 기억력을증진시키고, 의사소통능력을향상시키는데에도움이된다. 이학습전략을통해습득한능력들이학교에서의성취수준이나미래직업선택에어떤영향을미칠지생각해보라. 이제학습한내용을다양하게표현하는방법의과정을살펴보자. 먼저일반적인표현방법들을검토하고그가운데주어진상황에가장알맞은방법을선택하여표현한다. 그리고다른방법으로바꾸어다시표현해본다. 예시는다음과같다. 382 심화생명과학

< 표 1> 학습내용표현방법과예시 표현방법표현형태예시 말이나글로표현하기 구두발표, 연설, 대화, 노래가사, 칠판판서, 텍스트메세지, 메모등 개미는지구의생물량의 10% 를차지한다. 수식이나기호로표현하기 방정식, 비율 100 = 10% M = 질량 도형, 표, 모식도등으로표현하기 도표, 그래프, 스케치, 사진 10% 다른생물들 90% 개미 3 차원구조물등으로표현하기실물모형, 실험장치 - 다음내용을위 4가지방법으로표현해보고짝과비교해보자. 그리고가장적절한표현방법을선택해보자. 학급의남학생과여학생수비교 요트를움직이는데필요한바람의힘 나무가자라는속도 (2) 생각하기-공유하기-의견듣기-수정하기 (TSAR) 전략사용하기한단원을학습한후시험성적을받고나면그단원의학습이끝나는것일까? 그렇지않다. 매수업에서학습한것도마찬가지다. 즉, 수업이끝났다고해서학습이끝나는것은아니다. 시험을치른후나차시수업을마친후, 학습내용에대한자신의생각을짝이나다른친구에게설명하여그들의의견을듣고자신의생각을수정하면, 더많은것을얻을수있을것이다. 이 TSAR 전략은학교에서뿐만아니라미래의다양한활동에서도매우유용할것이다. 대단원 Ⅲ. 인체생리의 2. 동적평형, 01. 항상성조절의 [ 탐구활동 ], 실내온도조절과피드백조절 (254쪽) 에서, 학습내용에대한질문에대답하는과정에 TSAR 전략을적용하는예시가제시되어있다. 그탐구과정을읽어보라. 그런다음탐구과정의각항목과 TSAR 표의항목을연결해보라. 이 TSAR 전략은문제해결상황이나모듐별활동상황에서도사용할수있다. 부록 383

< 표 2> TSAR 작성방법과예시 TSAR 단계내가할일친구가할일 Think ( 생각하기 ) -자신이알고있는지식과방법으로접근하기 -주제/ 과제 / 내용에대해개별적으로생각하기 -아는것과모르는것을찾아내기 -질문만들기 -자신의생각을과학공책에기록하기 - 개별적으로생각할시간을존중해주기 Share ( 공유하기 ) -팀원들에게자신의생각을크게읽어주기 -그림, 차트, 스케치를활용하여설명하기 -친구의질문에상세히답하기 -주의깊게듣기 -예의바르게질문하기 Advise ( 의견듣기 ) -친구의생각에대해새로운것을제안해주기 -친구의생각을정교화하거나다른방법으로설명하기 -자신의제안에대한친구의질문에답하기 - 친구의제안을주의깊게듣기 - 필요하면추가설명을요청하기 Revise ( 수정하기 ) - 자신의처음생각에서친구의제안으로수정된생각을기록하기 ( 친구제안중받아들일수있는것을반영하여수정 ) -자신의처음생각이바뀐이유를기록하기 - 처음생각을수정할시간을존중해주기 (3) 학습한내용을다양한종류의표로조직하기학습한내용의지식과정보를조직화하면, 패턴을발견할수있으며내용도더잘이해할수있다. 학습한내용을다양한종류의표로조직할수있다. 다음의예시표에제시된것과같이, 새로운정보를조사할때, 서로다른대상을비교하거나비유할때, 실험데이터를기록할때다양한종류의표를사용할수있다. T-표 : T-표는같은행에있는정보의관계를조직하는데활용할수있다. T-표에는 2개또는그이상의열을포함할수있다. 읽기자료를학습할때 < 표 3> 과같은 T-표를활용할수있다. 문장과문단을읽을때자신의생각을표에기록하여생각을조직할수있다. 384 심화생명과학

< 표 3> T- 표작성방법 유전학관련읽기자료 읽기자료에서얻은정보또는생각 읽기자료의정보와생각에대한나의질문 비유표 : 비유표는같은행에있는서로다른열의정보간의관계를일관적으로비유하는데활용할수있다. 예를들면, 과학탐구과정의특징을이해하기위해 < 표 4> 와같이여행에비유하는표를활용할수있다. 새롭게이해하려는과학탐구과정의특징을이미잘알고있는여행의특징에적용하여표로기록하여생각을조직할수있다. < 표 4> 비유표작성방법과예시 여행의특징 과학탐구과정의특징 ~ 하면, ~ 한다. ~ 하면, ~ 한다. 계획에따라수행한 예기치못한막다른길에부딪히면, 우회로를찾는다. 연구과정에서예상하지못했던결과를얻으면, 연구방법을바꾼다. 여행에서알지못한새로운길을발견하면, 계획한길을새로운길로변경한다. 연구수행과정에서새로운해결방안이떠오르면, 연구계획을수정하여새로운방법을시도한다. 차에이상이생기면, 집으로돌아온다. 실험장비의이상이생기면, 실험을중단한다. 여행출발시점에서갑자기아프면, 의사에게검진을받는다. 실험생물의배양이잘되지않으면, 전문가에게자문을구한다. 실험관찰표 : 실험관찰표는양적, 질적관찰기록이나실험결과의내용을조직하는데활용할수있다. 실험관찰표를활용하여그래프를만들거나직접계산할수있다. 학생들이현미경으로세포의크기를측정한후 < 표 5> 와같은실험관찰표를활용하여기록할수있다. 부록 385

< 표 5> 실험관찰표작성방법과예시 물질 송화가루 ( μm ) 양파세포 ( μm ) 기공 ( μm ) 1회 60 250 2회 85 300 3회 65 375 4회 70 275 평균 70 300 (4) 학습한내용을벤다이어그램으로조직하기벤다이어그램은시각적으로주제또는개념을비교하는강력한전략으로, 공통점과차이점을명확히나타내는데활용할수있다. 벤다이어그램은 2개또는 3개의원을겹쳐서그리며, 각원은한개의주제또는개념을나타낸다. 각원안쪽에는주제또는개념의특성을기록하고, 겹쳐진원부분에는두개념의공통적특징을기록한다. 새와파충류를비교할때 < 그림 1> 과같은벤다이어그램을활용할수있다. 새 파충류 깃털 정온동물 동물 난생 비늘 변온동물 < 그림 1> 벤다이어그램작성방법과예시 벤다이어그램을그릴때, 다음과같은단계를따르는것이효과적이다. 단계 1. 비교할주제또는개념의중요한특징을찾아정리한다. 단계 2. 위예시그림과같이 2개의원의일부를겹쳐서그린다. 단계 3. 비교할주제또는개념을각원의위쪽에기록한다. 단계 4. 한개의주제나개념에만해당하는특징을원의겹친부분의바깥쪽에기록한다. 단계 5. 주제또는개념의공통된특징은원의겹친부분에기록한다. 386 심화생명과학

(5) 더좋은관찰하기관찰은과학탐구과정에서가장중요한요소가운데하나이다. 정교한관찰은그결과를통해관찰결과의의미까지도발견할수있다. 그렇지만좋은관찰력은타고나는것이아니다. 좋은관찰력은배워서길러질수있는것이며, 과학자들은지난수세기동안효과적으로좋은관찰방법을발전시켜왔다. 다음의질문들은좋은관찰을위한지침이될수있을것이다. [ 좋은관찰을위한질문 ] 관찰과정의각단계는탐구하고자하는초점질문이나문제와어떤관련이있는가? 관찰과정의첫단계의관찰결과는어떻게기록하는것이효과적인가? ( 예 : 표, 스케치, 그래프, 방정식, 문장등 ) 관찰과정의마지막단계에서관찰결과를효과적으로기록할수있는방법은무엇인가? 관찰과정의각단계에서나타나는특징적결과들을기록하는데가장효과적인방법은무엇인가? ( 관찰과정에서관찰결과를기록하는동안나타나는빠른변화를놓치지않도록미리계획을세워야한다.) 관찰결과가실험에서조작한독립변인의종속변인이될수있는가? 반복실험이관찰결과의신뢰도를증가시키는가? 초기의생각이관찰과정에서어떻게변하는지를기록하는가장효과적인방법은무엇인가? (6) 도표, 그래프등에설명과주석을추가하기과학자들은수세기동안자신이관찰한것을도표, 도형, 그래프, 그림으로기록하고기록한것의의미를설명해왔다. 여러분도관찰한것을기록하고그의미를설명해야한다. 이과정은관찰결과로부터얻은증거와이에근거한논리적해석을효과적으로연결시킨다. 설명과주석을추가하는것은그래프, 도표등으로정리된결과를해석하는데도움이된다. 이러한추가설명과주석은과학적정보를전달하는것에효과적이다. 예를들어, 나무가 24시간동안흡수한영양분의양을조사한다고가정하자. 수집한결과를어떻게이해할수있을까? 다음의 < 표 6> 과같이설명과주석을추가하면수집한결과를더잘이해할수있을것이다. 부록 387

< 표 6> 그래프에설명, 주석작성방법과예시 단계 예시와설명 1. 도형이나그래프에나타나는경향, 변화, 차이등을찾아화살표로표시한다. 영양분의양 (mg) 경향 변화 낮 밤 차이 시간 (h) 설명추가하기 2. 그래프에서찾아낸경향, 변화, 차이에대한설명을기록한다. 전체적으로그래프는양의기울기를가진다. 낮 밤 기울기의크기가한번변했음 낮의기울기가밤보다더큼. 시간 (h) 낮 밤 영양분의흡수율은낮밤에따라변함. 3. 그래프에기록한설명이어떤의미인지해석하여기록한다. 나무의영양분양이일정한비율로증가됨을의미. 빛이강한낮이빛이약한밤보다영양분의흡수율이큼. 시간 (h) 주석추가하기 4. 주석을추가한다. 내가본것 에그것이 의미하는것 을문장의형태로추가하면서기록한다. 문단을논리적으로작성한다. 주석은그림전체를설명하는문장으로시작하면좋다. 주석 : 이그래프는나무가 24시간동안흡수한영양분의양을나타낸다. 낮동안그래프는지속적으로양의기울기를보이는데이는영양분흡수율이일정함을의미한다. 낮과밤의기울기가다른것은흡수율이변한것을의미한다. 낮에비해밤에기울기가작은것은, 밤에는영양분을느리게흡수하는것을의미한다. 388 심화생명과학

(7) 문제해결방법의지침을활용하기우리는왜아기가우는지, 어떻게집을짓는지등에대해알지못한채로태어난다. 우리는알지못하는이런문제들을해결하기위해문제해결방법의지침을배워야한다. 이문제해결방법의지침은학교에서배울수있는것들가운데중요한요소이다. 모든문제는서로다르다. 일반사람들은이러한문제들을해결하기위해일상이나학교생활에서경험한방법들을활용한다. 다음은전문가들이문제를해결하는방법이다. 이방법을배워서문제해결방법의지침으로사용해보자. [ 문제해결방법의지침 ] 1. 문제를소리내어읽어본다. 문제를큰소리로읽는것은문제의핵심을이해하는데도움이된다. ( 예 : 세포분열이필요한이유는무엇인가?) 2. 적극적이고긍정적으로사고한다. 문제해결에대한태도는매우중요하다. 문제해결의실패나위험을두려워하지마라. 어렵다거나하기싫다고해서화를내거나피하지말자. ( 피해야할마음자세의예 : 나는과학을못해, 그래서나는노력하지않을거야., 나는한번도문제를맞혀본적이없어. 포기할래., 다시는이방법을사용하지않을거야. 내가왜이문제를풀어야하지?, 풀어야할문제에서모르는것이너무많아. 싫어. 안할거야. ) 3. 문제를분석한다. 문제를읽고이전경험을사용하여자신이아는것과모르는것을분석하여라. 이단계에서문제를정확히찾아내고이해할수있다. 다음의 < 표 7> 을활용하면문제를분석할수있다. < 표 7> 문제해결을위한문제분석방법 내가아는것 내가모르는것 세포는세포막을통해물질을교환한다. 세포의표면적이크면물질교환이잘일어날까? 세포는전체부피를감당할수있을만큼표면적이넓어야한다. 세포의길이가증가할때표면적과부피의증가비율이같지않다. 세포막을통과하는물질의양은세포표면적대부피의비율에의해결정될까? 세포는무한대로커질수있을까? 4. 분석한문제를다양한형식으로표현한다. 내가아는것과모르는것을글로쓴다음에그림, 그래프, 도표, 목록등을작성한다. 부록 389

5. 전략을다양하게적용한다. 문제를성공적으로해결하는전문가는한가지방법이아닌다양한방법을이용한다. 성공적인문제해결방법에는핵심개념적용하기, 논리성확인하기, 예측하고검정하기, 패턴찾기, 역학조사하기, 실행하기등이있다. 선택한방법이효과가없다면, 실망하지말고다른방법을시도한다. ( 핵심개념적용하기 를활용한예 : 세포는세포막을통해물질을교환한다고배웠다. 물질교환은표면적이넓어야원활하게일어난다. 세포의크기가커지면필요한양분과산소, 배출하는노폐물의양이많아져서표면적이넓어져야한다. ) 6. 타당성을검토한다. 일상의경험이나과학이론에자신이내린결론을적용해서확인해보자. 모순이있다면, 필요에따라문제해결과정을반복해본다. ( 예 : 세포분열이일어나는이유는세포막을통한물질대사를원활하게하기위해서이다. 세포의크기가커지면부피에비해표면적의비가작아지므로물질대사가원활하게이루어지지않는다 (< 그림 2> 참조 ). 세포는물질대사를위해무한정커질수없으며세포분열을하여작은크기를유지한다. ) 부피에비하여표면적이더크다. 부피에비하여표면적이더작다. 표면적 1-mm 입방체 2-mm 입방체 4-mm 입방체 6 면 1 2 = 6 mm 2 6 면 2 2 = 24 mm 2 6 면 4 2 = 96 mm 2 부피 1 3 = 1 mm 3 2 3 = 8 mm 3 4 3 = 64 mm 3 표면적대부피비 6/1 3/1 15/1 < 그림 2> 세포크기에대한문제풀이과정 390 심화생명과학

3) 학습한내용을큰그림으로이해하기위해개념도작성하기이학습전략은매차시또는소단원, 중단원, 대단원이종료한시점에서개별적으로활용하거나소집단으로협력하여활용할수있다. 그래서이학습전략은학습한내용에포함된주제, 용어, 아이디어, 법칙또는이론들사이의관계를이해하는데효과적이다. 개념도는다양한종류로작성할수있다. 주제, 용어, 아이디어, 법칙또는이론들을연결하는선을그리거나연결선을설명하는연결어를이용하면내용을더욱정확하게나타낼수있다. 다음과같은단계를거쳐개념도를작성할수있다. [ 개념도작성단계 ] 단계 1. 학습한내용에서주요주제, 용어, 아이디어, 법칙또는이론들을선택한다. 학습내용을이해하는데에중요한것들을선택하여나열하는것이좋다. 단계 2. 과학공책의새쪽에단계 1에서선택한것들을쓰고, 어떤형태의개념도를작성할것인지를구상한다. ( 예 : 그물망, 상위조직자, 나열형, 포도나무형등 ) 단계 3. 자신이구상한개념도형태를사용하여단계 1에서선택한주제, 용어, 아이디어, 법칙또는이론들을배치한다. 단계 4. 배치한주제, 용어, 아이디어, 법칙또는이론들간의관계를보여주는연결선을그리고, 연결어를작성한다. 다음은혈액에대한개념도의예이다. 혈구 영양소혈장기체질소노폐물 ~ 로구성된다. ~ 를운반한다. 혈액 ~ 에의해운반된다. 심장 혈관 < 그림 3> 개념도작성방법과예시 부록 391

4) 학습한내용과관련된정보를웹을통해찾아보기이학습전략은매차시또는소단원, 대단원을학습하는전과정이나과학일지를작성할때활용할수있다. 이학습전략도개별적으로활용하거나소집단으로협력하여활용할수있다. 이학습전략은모르는내용을찾아보거나과학일지를작성하는데더많은내용을알고싶을때활용할수있다. 웹에서검색하는방법이체계적이지않으면불필요한사이트까지검색하게되어많은시간이걸릴수있다. 다음과같은웹검색단계를따르면필요한정보를효과적으로검색할수있다. [ 웹검색의단계 ] 단계 1. 핵심단어를신중하게선택하라. 검색하고자하는주제와관련있는핵심단어를검색엔진에입력한다. 주제에가장적합한단어를선택한다. 예를들면, 생태계의물질순환에서질소고정을담당하는질소고정박테리아의종류에관한정보를찾는다면, 질소고정 이라는핵심단어를이용할수있다. 동사, 형용사, 부사와같은유사한단어들을선택하면검색엔진에서원하는정보가제대로검색되지않거나검색의범위가불필요하게넓어진다. 단계 2. 핵심단어를여러개사용하라. 적절한핵심단어를여러개사용하면검색의범위를충분히축소시킬수있다. 단계 1의예시에서 질소고정 을검색할때, 생태계, 물질순환, 질소고정, 박테리아 라는단어를추가하면더유용한검색결과를얻을수있다. 단계 3. 핵심단어를적절히변형하여 OR로연결하라. 예를들면, 질소고정 OR 질소고정박테리아 를검색하면 질소고정 이포함된다른내용들도찾아줄것이다. 단계 4. 핵심단어의동의어를 OR로연결하라. 예를들면, 발견 과 찾다 를 OR로연결하여검색하면핵심단어를다르게설명하는정보도찾아줄것이다. 단계 5. 핵심단어가 2개이상의단어로구성되면따옴표 ( ) 안에넣고검색하라. 392 심화생명과학

예를들면, 두개단어로결합된핵심단어인물질순환은검색엔진에 물질순환 넣고검색할때핵심단어와정확히일치하는검색결과를얻을수있다. 단계 6. 2개또는 3개의핵심단어를결합하고, 괄호로구별하면검색결과를좁혀주고정확도를높여준다. 예를들면, ( 생태계 )( 물질순환 )( 질소고정박테리아 ) 를사용하는것은좋은검색방법이다. 단계 7. 핵심단어를결합할때, 가장중요한순서로배열하여검색하라. 예를들면, ( 질소고정박테리아 )( 종류 )( 생태계 ) 의순서로배열하여검색하면검색엔진은검색에서첫번째핵심단어와일치하는문서를먼저정렬한다. 부록 393

02. 창의적문제해결능력증진을위한실험탐구일지작성법 1) 실험탐구일지작성하기 심화생명과학 교과서를공부하는모든학생들은개별탐구활동에필요한실험탐구일지를준비하는것이바람직하다. 실험탐구일지는여러가지목적으로사용할수있다. 실험탐구일지에는실험관찰결과를기록하고, 실험관찰결과에대한설명과주석을작성하며, 실험계획과진행과정을기록하고, 탐구문제와해결법을기록할수있다. 실험탐구일지는영구적인기록이될것이고, 토론하고과제를수행하는동안지속적으로참고하게될것이다. 실험탐구일지를완벽하게작성하는것만큼학습에도움을주는방법은없을것이다. 실험탐구일지는분철되지않도록제본된공책으로준비한다. 실험탐구일지는처음기록과나중기록을모두영구적으로보관해야하므로느슨한공책또는뜯을수있는스프링공책은사용하지말아야한다. 모눈종이가포함된공책을준비하면그래프그리기가쉬울것이다. 다음은실험탐구일지를작성할때활용할수있는방법들이다. (1) 실험관찰결과기록하기과학은정확한실험관찰결과에서부터시작한다. 실험탐구일지에실험관찰결과를기록할때애매하고불완전하게기록하면작성한사람조차도정확도를확신할수없다. 실험관찰결과는명료하게조직하고명확하게기록하여정확도를확보해야한다. 실험관찰결과를기록할때지워지지않는필기도구를사용하라. 지워지지않는필기도구를사용하여기록하면, 결과에대한해석이변하더라도원래기록한결과는영구적으로남게된다. 실험탐구일지에새로운것을추가하여기록하거나, 처음생각이바뀌어다른생각을기록하게될때다른색깔의필기도구를사용한다. 그러면선생님과작성자인학생모두탐구활동의진행과정을알수있다. 실험탐구일지는일기형식으로기록한다. 따라서매기록마다작성자의이름, 날짜와시간, 날씨등을포함한가능한정보를상세히기록한다. 또한탐구활동의각과정을구분해서기록한다. 요점을기록하고, 기록해야할것은빠뜨리지않도록한다. 반드시완전한문장으로기록해야할필요는없지만, 단어로만기록하면관찰한것을정확하게설명하기가어렵다. 실험관찰결과를기록할때그림을그리거나스케치하는것도좋은방법이다. 그림을그릴때예술적인기교는필요하지않지만, 관찰한것은정확하게 394 심화생명과학

표현해야한다. 그림이나스케치는실험탐구일지가운데에배치하여표제달기, 수정, 설명및주석을추가할여백을남겨두어야한다. 그림은연필을사용하여간단하고정확하게그리고명칭등을명확하게표시한다. 실험관찰결과가숫자인경우는표를활용하는것이좋다. 수를세거나크기를측정하여결과를기록할때는반드시측정단위 ( 예 :, cm 등 ) 를함께표시해야한다. 실험관찰결과를다른종이에기록하거나그림으로그리고난후에는, 이내용을실험탐구일지에옮겨서다시기록하거나그리지않아야한다. 그렇게하면더깔끔할수도있지만, 정확성은떨어질것이다. 오히려실험관찰결과를최초로기록한종이를실험탐구일지에풀로붙이는것이바람직하다. 실험탐구일지에는야외활동이나실험수행시생기는얼룩이나더러움이당연히남겨져있어야한다. 탐구활동의실험관찰은대부분모둠별활동으로진행될것이다. 따라서실험탐구일지는모둠의다른구성원이기여한것도기록한다. 다른구성원이기여한내용은다른색이나동그라미로표시하여구분하여야한다. (2) 질문에대한답을기록하기토론이나활동의질문에대한답을실험탐구일지에기록할때, 날짜와활동제목을쓰고답에질문의번호를기록한다. 이렇게하면어떤질문에대한답인지를찾을때유용할것이다. 때로개인또는모둠과함께질문에대답할경우에는당신만의응답인지모둠의것인지를표시하라. 답을쓸때완벽한문장으로쓰려고노력하자. 문장으로작성하게되면, 생각을종합하고표현할때도움을준다. 답을쓴후에는그후떠오르는추가질문이나의견을쓸공간을남겨두도록한다. (3) 자신의생각기록하기실험탐구일지를작성할때는먼저날짜를기록한후, 기록할정보의출처를밝혀라. 정보의출처는사람, 책, 비디오, 웹사이트, 컴퓨터프로그램일수있다. 그리고자신의생각을기록할때새로운아이디어는새로운단락에서시작하라. 큰제목과관련된아이디어를여러가지로찾아내려는노력은중요한아이디어가서로어떻게연결되어있는가를기억하는데도움이된다. 기록하는것은생각하는것보다더중요하다. 단어만기록하게되면나중에단어만으로아이디어를떠올리는것이어려울수있으므로, 그림과도표를포함하여기록 부록 395

하라. 그러면아이디어를더명확하게떠올릴수있다. 모둠또는학급이토론하는동안기록하는것은선생님이아이디어를제시하거나지도할때필기하는것만큼이나가치가있다. 게다가, 실험탐구일지에서읽은것을기록하게되면, 읽은정보를더잘이해할수있게된다. 실험탐구일지에기록해놓은정보들은토론을준비할때, 배운것을복습할때, 과제활동을수행할때유용하게사용할수있다. (4) 궁금한점을놓치지않고적어두기이교과서를공부하는동안궁금하거나이해하기어려운점이있다면, 나중에모둠원이나선생님에게물어볼수있도록실험탐구일지에질문을적어두어라. 스스로답하고싶은질문을기록할때에도이렇게하면도움이된다. (5) 실험탐구일지에과제기록하기과학수업에서는실험탐구일지를사용하는것이좋다. 이실험탐구일지는수업에서제시하는과제를기록하기에좋은곳이다. 과제와관련된내용은실험탐구일지의위쪽모퉁이에빨간색으로기록하는것이좋다. (6) 과제를수행하는동안실험탐구일지사용하기학급토론과모둠별발표를통해제시되는과제나단원의마지막부분에제시된과제들을실험탐구일지를사용하여수행하는것이좋다. 선생님은주기적으로실험탐구일지를모아서과제수행정도를평가할것이다. 한주제나단원을마무리할때, 단원에대해기록한결과가상세하게잘조직화되었다면그실험탐구일지는좋은평가를받을것이다. 실험탐구일지를기록할때는누구나가읽기쉽고이해할수있도록작성해야한다. 모든활동, 기록, 데이터마다여백을두어라. 이여백을활용하여필요한새정보를추가하도록하라. 2) 그래프를작성하고해석하기좋아하는야구선수가일정기간에걸쳐안타나홈런을친기록을조사해본적이있는가? 아니면좋아하는가수의 CD나즐겨사먹는과자의가격이얼마나올랐는지를기록해보았는가? 과학수업시간뿐만아니라경제, 수학수업시간에자료를조사하고이를도표나그래프로나타낼필요가있을것이다. 관찰결과나수집자료를도표나그래프로나타내는능력은매우중요하다. 396 심화생명과학

이러한능력은자료를해석하고그자료의경향을파악하는데도움이되기때문이다. 따라서우리는도표와그래프의기본유형을읽고해석할수있어야한다. 과학뿐만아니라다양한분야의전문가들이이능력을활용하여유효한성과를이루어낸다. (1) 그래프작성하기 1 x축과 y축에변인값과범위설정하기대부분의그래프는수평방향에변인 ( 조작변인 ) 을표시한다. 그래프의이부분을 x축또는가로축이라하고, 수평방향의변화량을나타낸다. 수직방향에는변인 ( 조작변인 ) 에따라변하는부분 ( 종속변인 ) 을표시하며, 이를세로축또는 y축이라한다. 가로 세로축을 x y로표현하는이유는 x와 y값을데이터포인트로그래프를구성하기때문이다. 이데이터포인트를 xy 좌표라고하며, (x, y) 로표시한다. 그래프를구성할때중요한다음단계는 x축과 y축의범위를결정하는것이다. 이를위해자료를검토하여, x축과 y축의변인들의가장큰값과가장작은값을적는다. 축의최대값은자료의가장큰값보다는 10~20% 정도더크게한다. 측정된변인값에서큰값과작은값의차이를범위라고한다. x축과 y축은숫자 0에서시작하는것이좋지만, 그래프로만드는자료의값에따라다를수있다. < 표 8> 붉은다람쥐와키에밥다람쥐의개체수밀도 붉은다람쥐 키에밥다람쥐 * 0.3685 0.0844 0.4955 0.1931 0.5317 0.1083 0.4739 0.0993 0.9713 0.1671 1.0529 0.1263 1.3779 0.2607 0.3126 0.0657 0.3770 0.0377 * 키에밥 (kaibab) 다람쥐는미국에리조나주소재키에밥국립공원에서서식하는다람쥐를말함. 부록 397

2 xy 그래프그리기 xy 그래프는한쌍의 xy 자료를데이터포인트로좌표에표시하는것을말한다. 때때로사람들은 xy 그래프를산점도라고부르기도한다. 그러나산점도를 xy 그래프로부르면, 분산되는점보다매우직선 ( 상관관계 ) 인그래프만으로한정하여표현하게되므로적당하지않다. 예를들어, < 표 8> 은북아리조나의폰데로사소나무숲에사는두종류의다람쥐의개체수밀도이다. 개체수밀도는 100 m 100 m 의크기의면적에서식하는다람쥐의수를말한다. < 표 8> 을살펴보면이숲에는붉은다람쥐가전반적으로키에밥다람쥐보다좀더많다는것을한눈에확인할수있다. 표에서가장큰값과가장작은값을찾아보자. 이때붉은다람쥐의범위는약 1.07(=1.38~0.31) 이고, 키에밥다람쥐의범위는약 0.23(=0.26~0.038) 이다. 표에서 x, y값은그래프의범위를결정하는데도움이된다. < 표 8> 을참조하여 x( 붉은다람쥐 )=1.5와 y( 키에밥다람쥐 )=0.3을그래프의범위로설정하는것이좋다. < 그림 4> 의 xy 그래프는표자료보다두관계를훨씬더잘이해할수있도록도와준다. xy 그래프는붉은다람쥐의수가증가할수록키에밥다람쥐의수또한증가한다는것을명확하게보여준다. 이자료에서붉은다람쥐와키에밥다람쥐의개체수는상관관계를가진다고말할수있다. 아마도이자료를살펴본생물학자는아마붉은다람쥐와키에밥다람쥐의수가함께변하도록만드는요소를더깊이탐구하는데관심을가지게될것이다. 0.3 북애리조나폰데로사소나무숲지대서식다람쥐밀도 0.25 키에밥다람쥐밀도 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 붉은다람쥐밀도 < 그림 4> 붉은다람쥐와키에밥다람쥐의개체수밀도그래프 398 심화생명과학

3 xy 그래프에서기울기의의미 xy 그래프는 x값과 y값사이의관계를보여주는그래프이다. xy 좌표들을연결하여선을그릴수있으며, 각각의 x값에대하여 y값이얼마나변하는지를확인하는기울기를계산할수있다. 기울기는 Dx 로표현한다. x축의변수가 Dy 시간이고 y축의변수가이동거리이면, 기울기는속력변화율을나타낸다. 이것이속력을계산하는방법이다. 자동차를예로들어보자. 어떤자동차가일정시간동안특정지점까지운행한총거리를기록하면 < 그림 5> 와같다. 이자동차가출발해약 3시간동안 190마일을운행하였다. 이자동차의평균속력은얼마인가? 350 시간에따른이동거리 300 250 거리 (mile) 200 150 최대한좌표점에가깝게지나가는직선 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 시간 (hr) < 그림 5> 시간에따른자동차의이동거리그래프다음의 5단계를통해기울기를계산하면평균속력을알수있다. 1. 최대한좌표점에가깝게지나가는직선을그린다. 2. x축에임의의두점을선택한다. 이점들은실제측정값이아니라도된다. < 그림 5> 에서 x축의 1과 5를선택한다. 3. x축에선택한두점에서단계1에서그려두었던직선과만날때까지선을따라올라간다. 4. 직선과만나는점에서의 y값을읽으면선위에있는두지점의 xy 좌표를얻을수있다. 이것을 T분포표에나타내거나, x1, y1 그리고 x2, y2로나타낸다. 5. 선위에있는두점의기울기를계산할수있다. 이때 x축과 y축의단위에주의한다. 예시에서는 x축이시간일때에는기울기값이속력이라는 부록 399

것을보여준다. 기울기 = = Dy Dx = (y 2-y 1 ) (x 2 -x 1 ) (290-61) 마일 (5-1) 시간 = 229 마일 4 시간 몇가지기억해야할점이있다. 첫번째, Dy Dx = 57.3 마일시간 즉, 기울기는 x값의증가 량에대한 y 값증가량의비율이다. 이때 Dx 는시간을의미한다. 예를들어, 차 의속력은단위시간동안이동한거리이다. 두번째, 때로는가장직선에가까운선을그릴수는있겠지만, 실제모든물리적관계에서는직선이그려지지않을수도있다는것을명심하자. 다음에제시되는 그래프의종류살펴보기 에서방사능에관한시간경향그래프를보게될것이다. 이그래프는직선이아니다. 이러한예로가속도, 인구성장, 산의침식, 순환변화등이있다. 그러므로기울기는직선또는거의직선을이루는관계에서만유효하다. 0.3 (2) 그래프의종류살펴보기 1 시간경향그래프 (Time-Trend Plot) - 이중 y 그래프, 선형그래프, 지수그래프시간경향그래프는 x축이시간단위인 xy 그래프의한종류이다. 이러한유형의그래프는시간에대한변인값이예측가능한방법으로바뀌는지를검사하는데사용된다. x축은시간을나타내며, y축에는측정된변인값은나타낸다. 예를들어, 부산시의월별기온기록을살펴보자. < 그림 6> 은 2006년에서 2010년까지 5년동안의월별기온에대한기록을보여준다. y축에는온도, x 축에는연도와월이나와있다. 두꺼운선은월별평균기온을나타낸다. 이선은평균최고온도 ( 그달의일별최고온도의평균 ) 와평균최저온도 ( 그달의일별최저온도의평균 ) 사이에존재한다. 이그래프는연간기온주기와연도별기온의변화경향을보여준다. x축의공통변인값 ( 조작변인 ) 에대한두개의다른변인값 ( 종속변인 ) 을나타내기위해 y축의왼쪽과오른쪽을모두이용할수있다. 이러한이중 y 그래프인 < 그림 7> 은부산시의 5년동안의시간변화에따른기온과강우량변화경향을나타내는데에유용하다. xy 그래프를또다른방법으로그릴수있다. 우리는종종좌표축에서눈금을격자모양으로표시하기도한다. 또다른때에는, 압축하여 10의지수를표0 400 심화생명과학

35 30 25 20 15 10 5 0-5 2006 2007 2008 2009 월평균기온최저기온 ( 평균 ) 최고기온 ( 평균 ) 2010 < 그림 6> xy 그래프 - 부산시의월별온도그래프 1000mm 900mm 800mm 700mm 600mm 500mm 400mm 300mm 200mm 100mm 00mm 30 25 20 15 10 05 00 2006 2007 2008 2009 강수량 ( 합계 ) 월평균기온 2010 < 그림 7> 이중 y 그래프 - 이중 y 축을이용한부산시기온과강우량 시하기도한다. 보통이러한축은지수의형태를나타내는데이것을 log축이라고한다. 핵재앙을예를들어생각해보자. 우라늄원자 (U-235) 에대한핵반응산물은스트론튬 (Sr-90) 이라는방사능원자이다. 이것은우리몸의칼슘과비슷하여우리몸의뼈에빠르게흡수되기때문에정부에서는방사능 Sr-90의유해성을염려하고있다. 표본의방사능원자 Sr-90의양은약 30년 ( 정확하게 28.8년 ) 동안절반으로감소한다. 이것이 Sr-90의반감기이다. < 표 9> 는최초 100 g인 Sr-90이매 부록 401

30 년마다절반으로감소하는것을보여준다. < 표 9> Sr-90( 스트론튬 ) 의반감기 년수 Sr-90 의양 (g) 0 100.0000 30 50.0000 60 25.0000 90 12.5000 120 6.2500 150 3.1250 180 1.5625 210 0.7813 240 0.3906 270 0.1953 300 0.0977 330 0.0488 360 0.0244 390 0.0122 420 0.0061 450 0.0031 480 0.0015 510 0.0008 540 0.0004 570 0.0002 600 0.0001 이표의자료는그래프로확인하는것이훨씬더이해하기쉽다. 지나간매 30년동안, Sr-90의질량은절반으로감소하였다. 60년후에 Sr-90의양이약 25% 만이남아있다. < 그림 8> 의그래프는 240년이후에 Sr-90이모두없어진다는것을보여주고있다. 그러나 1 g 이하도건강에위험이될수있는 Sr-90이만약 < 그림 8> 그래프에나타내기어려울만큼아주작은양으로여전히존재한다면, 일차적인눈금을통해어떻게구분할수있겠는가? 이런경우는 < 그림 9> 와같이 log눈금을사용하는 log 그래프를사용할수있다. log그래프는증가분이 10배로나눠질수있도록 y축의눈금이변환된다. 402 심화생명과학

일반적으로값이 0.01, 0.1, 1.0, 10, 100, 1,000 등으로증가한다. 100 10 매 30 년동안 Sr-90 의질량은반으로감소 Sr-90 의양 (g) 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 시간 ( 년 ) < 그림 8> Sr-90의선형그래프 log 그래프의중요한특징은 y축이 0으로가지않는것이다. 10배사이의값은일차눈금에서의 (0에서 10 사이인 ) 5가아니라, 약 3정도이다. < 그림 9> 의그래프는 log 그래프로서 < 그림 8> 과같은 Sr-90 자료를보여준다. 100 80 매 30 년동안, Sr-90 의질량은반으로감소 Sr-90 의질량 (g) 60 40 20 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 시간 ( 년 ) < 그림 9> Sr-90 의지수그래프 2 막대그래프 (Bar Graph) 막대그래프는 x축에있는항목에대한 y축의값이나도수를나타낸다. x축은수적인크기를나타내는것이아니다. 2008년우리나라에황사와태풍이월별로얼마나자주발생하였는지어떻게알수있을까? 막대그래프는이런경우에적절하게사용할수있다. < 그림 10> 은 2008년 1월부터 12월까지황사와태풍의빈도를보여준다. 황사는 3월에, 태풍은 9월에가장많이발생한것으로나타난다. 이자료를이용하여과학자는이러한경향이다른해에도적용되는지확인할수있다. 부록 403

2008 년우리나라의황사와태풍빈도 월별발생빈도 황사태풍 2008 년 1 월 ~12 월 < 그림 10> 황사와폭풍의발생빈도막대그래프 3 히스토그램 (Histogram) 히스토그램은또다른종류의그래프로, 결과가발생하는빈도를보여준다. 생명과학점수를예로들어보자. 아래의히스토그램은생명과학탐구실험과제에서 27명의점수를보여준다. < 그림 11> 의히스토그램은점수가기록된구획과급간을보여준다. 평균점수는 88.1인데, 이점수는가장높은값을가지고있는막대안에있다. 히스토그램은평균치가얼마나다양한지를보여준다. < 그림 12> 를 < 그림 11> 의히스토그램과비교해보면, 같은자료의급간크기를 2로한것을알수있다. 결과는비슷하지만, 평균 88.1의두군데뚜렷한최고점을보여준다. 작성하고자하는히스토그램에서중요한점을나타내기위해서는다양한급간크기를사용하여작성해보는것이좋다. 생물과학실험과제에서 27 명의점수 ( 급간크기 5 점 ) 생물과학실험과제에서 27 명의점수 ( 급간크기 2 점 ) 학생수 9 6 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 65 70 75 80 85 90 95 100 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 점수점수 학생수 5 4 3 2 1 < 그림 11> 생명과학점수 ( 급간크기 5 점 ) 의히스토그램 < 그림 12> 생명과학점수 ( 급간크기 2 점 ) 의히스토그램 히스토그램에대해몇가지를주의깊게살펴보자. 급간크기가 5인히스토그램에서는, 값이최고점을중심으로분포되어있다. 이것을종 (bell) 형곡선이라부르기도한다. 이종형곡선은최고점을중심으로자료의왼쪽과오른쪽의빈도와위치가거의일치할때나타난다. 이러한경향은교실내의모든학 404 심화생명과학

생들의키를나타내는히스토그램에서볼수있을것이다. 그래프는 168 cm 의평균을중심으로 152 cm와 182 cm 사이의급간들에서값을가질것이다. 히스토그램을만드는데가장핵심은첫째, 관찰결과와자료를긴세로줄로기록하는것이다. 둘째, 급간크기를결정한다. 마지막으로, 각급간에몇개의값들이들어가는지를표로만든다. 이렇게하면히스토그램을성공적으로그릴수있다. 4 파이도표 (Pie Chart) 측정값이나자료를나타내는또다른방법은파이도표이다. 범주가 x축이아닌동그란모양으로전개되어있고, 파이조각처럼생겼기때문에파이도표라고부른다. 각범주의양은전체의퍼센트만큼주어진다. 범주의퍼센트를취하는방법과균형있게 360 원으로나누는방법은생명과학선생님이알려주실수있을것이다. 사람의몸을생각해보자. 사람몸의대부분은물이다 라는말을들어본적이있을것이다. 그러면우리몸을구성하는각원소는무엇일까? < 그림 13> 의파이도표는우리가약 92% 정도산소, 탄소, 수소로되어있음을명확히보여준다. 탄소 18% 수소 10% 황 0.75% 질소 1% 인 3% 미량원소 3.25% 산소 64% < 그림 13> 몸의구성성분을나타낸파이도표 (3) 오차계산하기측정을여러번반복하는것은실험에임하는좋은태도이다. 실험은완벽할수없기때문에매번실험을할때마다정확하게똑같은측정값을얻을수는없을것이다. 평균 (x - ) 은측정으로부터실제값을예측하는하나의방법이다. 우리는평균값을계산하는것에는익숙하다. 그러면그평균을둘러싼다양한측정값들을어떻게보여줄것인가? 여기에몇가지방법이있다. 첫번째방법은평균을둘러싼모든측정값들을나타내는것이다. 히스토그램의예시에나왔던생명과학탐구실험과제의점수를생각해보자. < 그림 14> 의그래프는큰기호로표시된평균값주변에 27명의점수를모두나타내었다. 생명과학수업에서제시된두개의사전과제에서는평균과함께각각의점수는점으로표시되었다. 부록 405

두번째방법은모든측정값을나타내는평균근처의오차지수를계산하는 것이다. 이것은표준편차를계산하는빠른방법이다. 먼저, 범위 (w) 를계산하라. 다음으로, 오차 (e) 를계산하기위해폭을빈도 (n) 의루트값으로나누어라. e= w n 생명과학시험의실제값으로계산해보면, 범위는 w=(98.3-73.1)=25.2이다. 27명의점수 (n=27) 에서오차가 ±4.8이다. ± 기호는점수에서의오차가평균의위아래로확장될수있다는것을보여준다. 오차의측정은점수들의약 60~70% 가 x - ±e의사이에있는값을가진다는것을의미한다. 생명과학수업의기말고사에서의점수는 88.1±4.8이다 ( 즉, 약 60~70% 의점수가 83.3에서 92.9사이의점수안에있다는것을말한다.). 이것은또한 < 그림 15> 의그래프에서막대위부분에선으로오차범위를제시할수있다. 점수 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 생명과학의평균점수 생명과학퀴즈점수생명과학퀴즈평균생명과학중간고사점수생명과학중간고사평균생명과학기말고사점수생명과학기말고사평균 100 90 80 70 점 60 수 50 40 30 20 10 생명과학의점수오차 퀴즈 중간고사 기말고사 활동 0 퀴즈중간고사기말고사 < 그림 14> 생명과학시험점수의평균 < 그림 15> 생명과학시험점수의오차 3) 실험보고서작성하기 실험보고서는연구문제를설정하고이에따른연구를수행한후연구결과를종합하여결론을도출하는경우에작성하는것이바람직하다. (1) 5단계실험보고서작성하기한과학자가특정한과학적현상에대해정보, 데이터, 증거를충분히가지고있을때, 이내용을공식적인과학논문으로요약하고전문학술지에출판하기위해투고한다. 이러한논문은특정전문학술지가요구하는세부항목으로구분하여조직화되어있다. 여러분이 3) 실험보고서작성하기 를활용하여실 406 심화생명과학

험보고서를작성하면, 여러분의실험보고서는전문학술지에게재된과학논문과비슷하게된다. 실험보고서에포함될 5단계의내용은다음과같다. 1 도입단계이단계는실험이무엇에대한것인지를나타내는단계이다. 도입은과학논문, 교과서, 신문또는잡지기사에서얻은배경지식을포함한다. 논문의마지막에인용한참고문헌의목록을작성하는것을잊지않도록하자 ( 실험보고서의참고문헌과표절방지에관한안내를참고하라.). 또한도입은연구또는답을구하려는질문의목적을포함해야한다. 도입단계에는다음을포함시키는것이바람직하다. a. 배경정보 : 전반적인주제를밝힘으로시작한다. 실험설명 ( 또는쓰고자하는실험보고서와관련된주제설명 ) 을살펴보자. 배경정보에는그내용을똑같이쓰는것이아니라포함될정보가무엇인지를나타낸다. 그러기위해서는실험설명을참조할필요가있으며, 그예로 광합성과태양에너지 에대한실험보고서를작성한다고가정할경우, 광합성정의를쓸수도있고, 백색광의성분을설명할수도있다. b. 목적 : 이실험이무엇을위한것인지를진술한다. 실험단계를생각해보고, 목적이무엇인지결정한다. 광합성에서백색광과녹색광의영향을알아보기위한것이라면, 이실험의목적은광합성률에백색광과녹색광이미치는영향으로진술할수있다. c. 가설 : 이실험에서예상하는결과를진술한다. 대부분의실험에대한설명 ( 특정주제 ) 은기대되는결과를암시하고있을것이다. 이내용을가설의형태로진술한다. 예를들어, 백색광이녹색광보다광합성에서더큰영향을미칠것이라고가설을설정할수있다. 2 실험과정단계실험을어떻게수행하였는지나타낸다. a. 사용한실험기구 : 보고서를읽는사람이보고서만보고도실험을계획할수있도록명확하게작성한다. 교과서나참고자료에서실험과함께제시된그림을살펴본다. 그리고실험이어떻게수행되는지를설명해놓은실험과정을읽는다. 이제실험기구를자신의말로바꾸어설명해본다. 150와트램프는탄산수소나트륨 (NaHCO 3 ) 용액으로가득찬시험관안의엘로디아 (Elodea, 물풀 ) 를비추는백색광의광원이라고설명할수있다. 비커는램프와시험관사이에두 부록 407

며, 이비커에든물은열을흡수한다고설명할수있다. b. 자료수집 : 실험수행과정에서수집한자료를나타낸다. 실험과정중관찰또는측정한것이무엇인가? 광합성률은방출된산소의양과가지달린시험관의가지쪽으로물방울이얼마나이동하였는지를측정함으로써알수있다. 3 실험결과단계명확한방법으로자료를나타낸다. a. 그래프또는표 : 가능하다면모든자료를표또는그래프로나타낸다. 실험을하는동안에작성하였던표를살펴보자. 자료수집과관련된모든항목을다시나타내본다 ( 이부분에서는실험결과에대한해석과관련된어떤내용도포함시키지않는것이바람직하다 ). 그리고결과를그래프로작성해볼수있다. b. 자료설명 : 자료를고찰해보고그자료가무엇을나타내는지를설명한다. 표에서나타난자료에따르면광합성률은백색광이녹색광보다더높다는것을나타낸다고말할수있을것이다. 4 토의단계자료를해석하고결론을내린다. 이부분에서는특정연구의결과를토의한다. 이미알고있는것과수행한실험결과는어떤관련이있는가? a. 가설검증 : 가설이입증되었는지를나타낸다. 미리세운가설과실험결과를비교해본다. 가설은실험결과와일치하는가? 이가설을지지하는실험결과는녹색광보다백색광에서더높은비율의광합성이일어났다고진술할수있다. b. 설명 : 왜이러한실험결과를얻었는지설명한다. 실험실에서대답하였던질문들을살펴보고, 이질문들을활용하여적절한설명을제시할수있도록한다. 예를들어, 태양에너지 라는주제에관련된질문을활용하면, 백색광은모든가시광선을다가지고있기때문에높은광합성률을보인다고진술하는데에도움이된다. 녹색광은녹색빛을흡수하지않기때문에낮은광합성률을나타낸다 ( 실험결과를정확하게작성하는것을반드시염두에두어야한다. 실험결과가가설을지지하지못한다면, 왜그러한지를설명해본다.). 408 심화생명과학

5 결론단계결론에서는본연구에서발견한것을요약한다. 이실험결과에서어떤경향이보이는가? 이결론에대해어떤일반적진술을할수있는가? 그실험결과는무엇을의미하는가? 물체, 유기체, 현상에서나타난일들은무엇을의미하는가? 등과같은질문에답하려고노력해야한다. 그러면빛의특성은광합성률에영향을미칠수있다는것을알게되었다고진술할수있을것이다. (2) 실험보고서작성시유의점 1 기록의명확성읽는사람이쉽게이해할수있도록기록을잘정리하여제출해야한다. 2 문장의명쾌성문법과표현에특히신경을쓰라. 주의깊게교정하고수정하면작문실력을향상시킬수있다. 다른사람들이자신의실험보고서를읽고평가하도록부탁하라. 그리고자신이실험보고서를재검토할때다른사람들의평가를세심하게고려해본다. 3 관찰과해석의차이관찰과해석을명확하게구별해야한다. 여러분들은종종관찰과해석을혼동하곤한다. 4 결론도출을위한판단효과적으로판단하는방법을익혀라. 실험보고서를작성할때, 실험결과를어떻게해석하고표현할것인지에대해끊임없이결정을내리고선택하게될것이다. 어떻게판단하는것이효과적인지에대해서관심을가지고실험보고서를작성하라. 그러면실험보고서는한층더우수해질것이다. 부록 409

< 실험보고서예시 > ( ) 실험보고서 일자 : 이름 : 1. 도입 a. 배경정보 b. 목적 c. 가설 2. 실험과정 a. 사용된실험기구 b. 자료수집 3. 실험결과 a. 그래프또는표 b. 자료설명 4. 토의 a. 가설검증 b. 설명 5. 결론 410 심화생명과학

4) 실험보고서의참고문헌과표절방지에관한안내연구를수행하는동안전문가들이연구한결과를참조하여필요한자료를찾아낼수있다. 전문가들이발표한연구결과로부터자신의연구에대한통찰력을얻을수있다. 이러한참고문헌을사용하게되면자신의연구는더욱가치있게될것이다. 학생들은참고문헌작성을잊어버리거나심지어다른사람의연구결과를명확한출처없이사용하기도한다. 하지만타인의연구를자기의것이라고주장하는것은부정행위이다. 창의적이고과학적인연구결과나다른사람의생각을명확한출처없이사용하는것은도둑질의한형태이다. 이런유형의도둑질을표절이라고부른다. 표절하는것은법을어기는행위이다. 여러분은실험보고서를작성할때표절하지않아야한다. 표절하지않는방법은, 여러분이실험보고서를작성할때다른사람의생각이나연구결과를사용하게되면, 그연구결과의출처를분명히밝히면서인용하는방법이다. 정확한출처의참고문헌은여러분의연구를더욱가치있게만들것이다. 학교에서탐구과제를수행할때웹을사용하는것은흔히있는일이다. 과제물에인용한웹사이트는책이나전문학술지의글처럼반드시인용하였음을나타내야한다. 어떤연구나탐구를수행할때인용한모든참고문헌은반드시제시해야한다. 이러한연구규정을따르는것은연구의일부이다. 연구에서참고문헌을사용하는것은다른사람의연구결과와선행연구를재조직하는공식적방법이며, 여러분의연구결과와이에따른해석을확증하는적절한방법이다. 다음의 2단계를사용하면, 참고문헌을정확하게작성할수있다. (1) 실험보고서본문 (text) 에참고문헌인용하기실험보고서의내용에서선행연구나다른사람의연구결과를인용하면곧바로참고문헌을명확히표시해야한다. 저자의성과선행연구가출판된연도를표기한다 ( 다음의예시를참조하라.). 선행연구결과가운데이미널리잘알려진과학적사실 ( 예 : 빛의속도, 원소주기율표의원자량 ) 을인용할수도있다. 이때는본문에서참고문헌을인용할필요가없다. 예를들어여러분이 20년이상흡연한성인의비율변화를연구할경우, 이연구를수행한실험보고서의본문에서참고문헌을인용한부분을살펴보자. 최근연구자료에서는미국인의흡연율은감소하고있지만미국인의 22.5% 가여전히흡연하는것을보여준다. (Centers for Disease Control and 부록 411

Prevention [CDC], 2004). 흡연하는비율은사회경제학적지위 (Adler, Boyce, Chesney, Folkman, & Syme, 1993) 에따라차이가있다고알려지고있다. 한편, 사람들이금연에대한정보를직장, 텔레비전, 또는라디오를통해얻는것으로알려지고있다 (CDC, 2004) (2) 참고문헌작성하기인용한각자료는실험보고서마지막부분인참고문헌에반드시제시해야한다. 학문영역 ( 인문학, 자연과학등 ) 에따라참고문헌을작성하는방법에는차이가있으며, 다음과같이작성할수있다. 참고문헌작성예시 Adler, N. E., Boyce, W. T., Chesney, M. A., Folkman, S., & Syme, L. S. (1993). Socioeconomic inequalities in health. Journal of the American Medical Association, 269, 3140-3145. Center for Disease Control and Prevention. (1999). Best practice for comprehensive tobacco control program. Atlanta, GA: US Department of Health and Human Services, Center for Disease Control and Prevention. 412 심화생명과학

03. 현미경사용법, 생명과학실험실사용법및안전수칙 1) 현미경사용법사람의눈은직경 0.1 mm 이하의작은물체들을구별할수없다. 현미경은시야를확장하기위하여생명과학에서빈번히사용하는실험기기이다. 현미경은아주작은물체를관찰할수있도록한다. 일반적으로사용되는현미경은한개의접안렌즈를가지는단안현미경이고 < 그림 16> 의현미경은쌍안현미경이다. 여기에서는현미경관리법과사용법을살펴본다. 접안렌즈 경통나사 배율 경통의길이 렌즈특성을나타내는띠 회전판 클립 조리개개구수 덮게유리두께 필터를장치하는곳 조절나사 X-Y 이동나사전원스위치광주조절다이얼 < 그림 16> 현미경의각부분의명칭 (1) 현미경관리하기 현미경을올바르게관리하기위하여아래의관리방법을살펴보자. 현미경은적절한관리를요하는정밀한기구이다. 현미경을옮길때는항상두손을사용해야하는데, 한손은받침대아래를받치고다른한손은손잡이를잡는다 (< 그림 17>). 현미경의위치는실험테이블의중앙에두며가장자리에두지않는다. 만약광원장치가현미경에부착되어있다면, 전선을바깥쪽으로둔다. 그리고현미경수업에필요없는것은실험테이블에서치운다. 물을이용하여일회용표본을만들때현미경이기울지않도록한다. 현미경을보관할때는대물렌즈는저배율로고정하고재물대를내린후건조하고습기가없는곳에보관한다. 부록 413

< 그림 17> 현미경옮기는방법한손은받침대아래를받치고다른손은손잡이를잡는다. 현미경을이용하여관찰할때는저배율의대물렌즈로먼저관찰한후고배율의대물렌즈를사용한다. 대물렌즈를다른배율로바꿀때는 딸깍 소리가날때까지회전판을돌린다. 표본을관찰할때충분한빛이공급될수있도록반사경을움직이거나전원장치를켠다. 대부분의현미경은빛강도를조절하기위한조리개가갖추어져있다. 희미한빛에서잘보이는재료도있고밝은빛에서잘보이는것도있다. [ 주의사항 ] 현미경으로물체를관찰할때직사광선을모으기위해거울을사용해서는안된다. 거울은광선을모으는데거울을사용하게되면거울에모인직사광이눈의망막에치명적인해를줄수있다. 그러므로항상간접광을사용한다. 현미경렌즈는건조한상태를유지하고지문과오염물이묻지않도록하며오염물은반드시렌즈페이퍼로닦아서제거한다. (2) 현미경사용하기 [ 준비물 ] 각조 ( 학생 2인 ) 당 덮개유리 3장 가위 1개 받침유리 3장 플라스틱자 1개 100 ml 비이커또는작은병 1개 렌즈페이퍼 피펫 1개 신문지 현미경 물 414 심화생명과학

[ 실험과정 ] 1 실험탐구일지에다음 < 표 10> 과같은데이터표를만들어라. < 표 10> 현미경관찰하기 관찰한물체 관찰결과와설명 글자 [ 가 ] 글자 [ 나 ] 글자 [ 다 ] 또는 [ 라 ] 2 신문지에서한글 [ 가 ] 를자른다. 깨끗한받침유리에글자조각을놓는다. 피펫으로글자위에물한방울을떨어뜨린다. 이런표본형태를습식표본이라고부른다. 3 덮개유리를덮기전에종이가젖을때까지기다린다. 덮개유리를세워받침유리와물방울에대고약 45 각도로천천히덮개유리를잡는다. 천천히덮개유리를내린다. < 그림 18> 은이러한단계를보여준다. 받침유리 덮개유리 물 < 그림 18> 표본만들기 4 현미경재물대에표본을놓는다. 재물대클립으로표본을고정한다. 글자가재물대의구멍가운데오도록표본을움직인다. 저배율의대물렌즈를최대한낮은위치로내리기위해조동나사를사용한다. 5 접안렌즈를들여다본다. 조동나사를사용하여글자 [ 가 ] 가보일때까지옆에서보면서조동나사를돌려대물렌즈를천천히올린다. 6 첫시도에서글자 [ 가 ] 를찾을수없으면단계 4와 5를반복하는과정을한번더한다. 7 [ 가 ] 가보이면미동나사를사용하여초점을선명하게한다. 밝기조절을위하여조리개를움직인다. 현미경을통해글자를보는것과맨눈으로보는것을비교한다. 관찰한것을데이터표에기록한다. 8 얼마나확대되었는지알기위하여, 접안렌즈에표기된숫자와사용한대물렌즈의숫자를곱하여배율을계산한다. 예를들면, 접안렌즈 (10 ) 대물렌즈 (10 ) = 총 (100 ) 이다. 부록 415

9 글자 [ 나 ] 를가지고같은과정으로한다. 현미경을통해보았을때글자가어떻게보이는지데이터표에기술한다. 10 글자 [ 다 ] 또는글자 [ 라 ] 의습식표본을만든다. 현미경을통해보았을때글자가어떻게보이는지기술한다. 글자 [ 다 ] 또는 [ 라 ] 에의해밝혀진새로운정보 ( 글자 [ 나 ] 에서는알수없었던 ) 는무엇인가? 11 엄지손가락과집게손가락을사용하여표본을천천히이동하면서접안렌즈를통해글자를본다. 표본을오른쪽으로움직일경우어느방향으로상이움직이는가? 12 현미경을통해보이는글자를그린다. 현미경하에서일어나는상과이동방향의변화를표시한다. (3) 대물렌즈배율을바꿔사용하기각조 ( 학생 2인 ) 당연한색의머리카락 1가닥진한색의머리카락 1가닥 1 서로다른색의 2개의머리카락을가지고습식표본을만든다. 한개머리카락을다른머리카락에교차해놓는다. 저배율접안렌즈를사용하여관찰한머리카락을그린다. 2 교차된머리카락을저배율하의재물대중앙에놓고밝은빛을모으기위해조리개를조절한다. 3 회전판을돌려고배율의대물렌즈를경통의가운데위치로돌린다. 4 미동나사만으로초점을선명하게한다. 고배율에서는조동나사로초점을맞추지않는다. 사용하지않는이유는고배율의대물렌즈가제일낮은위치에있을때조동나사를사용하면프레파라트와부딪칠수있기때문이다. 5 시야를밝게하기위해조리개를조절한다. 처음고배율에서상을찾는데성공하지못하면단계 2로되돌아가주의하여전과정을반복한다. 6 미동나사를사용하여교차된지점의머리카락에초점을맞춘다. 같은초점수준으로두개의머리카락을선명하게볼수있는가? 머리카락이다른머리카락에교차된것을확인하기위해미동나사를사용하여고배율에서보이는머리카락을그린다. 416 심화생명과학

[ 반성하기와관련지어생각하기 ] 조별또는개별적으로다음질문의답을실험관찰일지에적는다. 1 현미경을통해본상과같은상을눈으로본것의차이점을요약한다. 2 고배율의대물렌즈를통해물체를보았을때모든물체가초점이맞는것은아니다. 이유를설명하라. 2) 생명과학실험실사용법및안전수칙 (1) 용액다루기 1 용액의성질용액은용질을용매에넣은균질한액체이다. 용액의활동성은녹인용질의종류와그용매와상대적인용질의양에의해결정된다. 실험실활동에서농도계산을자주하게되는데, 예를들어특별한농도의실험용액을준비한다거나용질농도로자료를나타내는것이있다. 이러한활동을하기전에이장에서그기본원리를확실히이해하도록한다. 용질은몇가지측면에서용액의특성에영향을미친다. a. 전기적해리전해질의각분자들이이온으로해리될때일어난다. 소금과같은강전해질은완전하게해리된다. 반면에, 아세트산과같은약전해질은부분적으로해리되며, 용액의 ph와온도에의존한다. b. 삼투효과용질입자가효과적으로용질의농도를낮추려는성질때문에나타난다. 이효과는특히생체계와관련이있는데, 막이대부분의용질보다물을잘통과시키기때문이다. c. 이상적, 비이상적행동실제물질의용액이이상용액으로가정했을때의이론적관계를따르지않기때문에생긴다. 고농도의용액은비이상적행동을고려해야한다. 2 용액의농도 a. % 용액 질량비 :100 g의용액속에일정 g의용질이녹아있는용액 부피비 :100 ml 용액속에일정 ml의용질이녹아있는용액 부록 417

b. 몰농도 1 L의물에일정몰의용질이녹아있는용액 c. 몰랄농도 1000 g의용매에녹이는용질의몰수 3 고체시료로원하는농도의용액을만들기 a. 사용할화학약품의농도와순도를알아본다. b. 필요한용액의부피를결정한다. c. 그화학약품의몰질량을알아본다. 수화물인경우물분자가함께계산되어있으므로, 필요한질량을계산할때포함시켜야한다. d. 필요한부피에알맞은농도가되도록필요한화학약품의질량을계산한다. e. 사용할화학약품의양만큼정확하게측정한다. 만약질량이너무작아정확성이떨어진다면다음과같은절차를따른다. 1 용액의부피를늘린다. 2 나중에희석시킬수있는보관용시약을만든다. 3 약품의질량을먼저측정한후, 아래의공식을사용하여용액을만들때필요한부피를계산한다. M V = 농도 f. 비커나플라스크에화학약품을넣은후최종적으로필요한양보다조금적은양의물을붓는다. g. 용액을잘섞고필요하다면약품이용해될때까지가열한다. h. 필요한경우냉각되었을때용액의 ph를조사하고조정한다. i. 용액을원하는부피로만든다. 정확하게하기위해눈금플라스크를사용하고, 그럴필요가없다면메스실린더를사용한다. 넘치지않게깔때기를사용하여비커의용액을눈금용기에붓는다. 메니스커스가측정선에맞도록부피를맞춘다. 정확하게하기위해원래의용액을헹궈서이용액으로부피를맞춘다. 이용액을시약병이나플라스크에옮기고, 용기에이름표를붙인다. 418 심화생명과학

4 희석액만들기 a. 한가지희석액을만들때 적당한도구를사용하여원액을정확한부피만큼눈금플라스크에옮긴다. 필요한용매의부피를구한다. 메니스커스가알맞은높이가될때까지피펫이나용매병에서마지막몇방울을첨가한다. 완전히혼합한다. b. 여러가지희석액을만들때아래식을사용한다. C 1 V 1 = C 2 V 2 c: 용액의농도, v: 용액의부피 1 ml 1 ml 1 ml 1 ml 1 ml 9 ml 용매 원액 ( 10 0 ) 1/10 ( 10-1 ) 1/100 ( 10-2 ) 1/1000 ( 10-3 ) 1/10000 ( 10-4 ) 1/100000 ( 10-5 ) < 그림 19> 여러농도의희석액만들기 < 그림 20> 자석교반기, 혼합기, 회전혼합기 5 용액이나현탁액섞기 a. 자석교반기 (magnetic stirrer) : 처음에는낮은속도로시작하여서서히속도를올린다. b. 혼합기 (vortex mixer) : 작은부피의용액을잘섞으려면섞는속도를조정하는데주의해야한다. 너무느리면시험관이회오리를일으키는것이아니라진동하게되고, 너무빠르면시험관은손에서미끄러져나갈수있다. c. 회전혼합기 (bottle rollers) : 세포배양에서부드럽고지속적인혼합을할때사용한다. 부록 419

d. 그외진탕기나항온수조에서섞기 : 특정온도에서섞을수있어서장기간의배양이나세포성장연구를할때에사용한다. 6 전자저울사용하기 a. 먼저전자저울이수평으로놓여있는지확인을해야한다. 대부분의전자저울을보면수평확인장치가있다. 수평확인장치의기포를중앙에맞추어줌으로수평을조절할수있다. 정밀한작업을위해서저울위에바람막이를한다. b. 빈용기를저울접시위에올려놓고눈금을안정시킨후영점으로맞춘다. c. 측정하려는것을조심스럽게용기에넣는다. 분말형태의약품은적당한크기의깨끗한약수저로옮겨야한다. d. 눈금이안정되면값을읽는다. e. 약품을너무많이넣었을경우이것을덜어낼때매우조심해야한다. 만약저울위나주변에실수로떨어진것을닦아낼때에는전자저울의전원을끈다. 7 시약가열하기시약을가열할때는주의해야한다. 유기물이가열될때가열된액체에의한화상이나발화의위험이있다. 만약분젠버너를사용한다면불꽃은몸이나옷과멀리해야하며, 긴머리는묶는다. 실험대를보호하기위해분젠버너아래에불연성매트를사용한다. 불을쓰지않을때는꺼야하며불꽃의가장뜨거운부분은중앙에있는푸른불꽃의끝부분이다. 약품이나유리도구들을건조시킬때오븐이나건조기를사용할수있다. 이것들은대부분온도조절이된다. 만약에건조중량을측정하기위해유기물을말릴경우그약품들이카라멜화되는것을방지하기위해 80 부근에서건조시킨다. 8 시약이나견본을냉각하기보관용시약이나약품들은실내온도에서변화를일으키거나오염되므로냉장고나냉동고를사용한다. 일반적냉장온도는 -15 ~4 정도이다. 그외다음과같은것을사용할수있다. a. 소금과얼음을섞는다 : 일반적으로 0 이하의온도를유지한다. b. 에탄올과드라이아이스의혼합 : -72 까지낮출수있다. c. 액체질소 : 견본을급속히냉동시킬때사용한다. 이때집게를사용하고 420 심화생명과학

두꺼운장갑과앞치마를착용한다. 액체질소가튀어피부가상할수있다. 또한, 환기가잘되는곳에서작업해야한다. 9 화학약품이나용액저장하기 a. 대부분의약품은철저히뚜껑을봉한뒤냉장실에보관하는것이좋다. 이렇게하면세균에의한오염과실험실공기속의기체들 (CO 2, NH 3, HCl) 에의한변질을예방할수있다. b. 0 이하의온도에수용액을보관할때에는용기에여유를두어팽창할때깨지지않도록한다. c. 원액을저장할때에는시약병에적힌유의사항을따른다. d. 생체에서추출한물질들은공기중에서수분을흡수하여수화물을형성하기쉬우므로주의한다. 이미수화된경우분자량이변화된것이니, 용액을만들때에는변화된만큼가감한다. e. 어떤시약의보관방법을모를경우데시케이터에넣어 4 냉장실에보관하여다른문제들을예방한다. 10 일정한온도유지하기온도가조절되는항온기나배양기로원하는온도를유지할수있다. 11 ph미터를이용하여 ph 측정하기 a. 먼저표준 ph용액을사용해서, ph미터를 6.86에조정한다. 그런다음, 전극을닦는데, 이때전극을티슈로닦으면전극에정전기를유발하기때문에증류수로닦아야한다. 세심하게전극에묻어있는물을티슈위에살짝대주어서습기를철저하게제거한다. b. ph4.0 의표준용액을사용해서다시한번 ph를측정해본다. 이때, ph 가맞지않으면다시한번보정한다. c. 용액의 ph를 ph미터를사용해서측정한다. 한용액을측정한후에는반드시전극을증류수로닦아낸다. (2) ph지시약의원리 1 원리용액의 ph는지시약이나기기를사용하여측정할수있다. 지시약은그자체가약산이나약염기의성질을지니고있는데이온이되었을때와해리되지않았을때의색이다르므로용액의수소이온변화에따라색이변하게된다. 부록 421

HO OH O O - C O C O 무색 OH - H + C COO - 분홍 < 그림 21> 페놀프탈레인용액의색변화 < 그림 21> 은페놀프탈레인으로, 산성용액에서페놀프탈레인은해리되지않은상태로무색이다. 그러나용액의 ph 가 8,2에서 9.8로염기성이되면염기와반응하여 2개의수소이온을잃고이짝염기는분홍색을띠게된다. 2 주의사항지시약을너무많이사용하면적정의불확실성이커지게되므로최소량을사용해야한다. 또한, 지시약의종류에따라색이바뀌는 ph범위가다르기때문에적정하는산과염기의종류에따라적당한지시약을선택해야적정의불확실성을줄일수있다. 3 지시약의변색범위 < 표 11> 지시약의변색범위 < 그림 22> 지시약의변색범위 (3) 실험후정리 1 세척하기 a. 유리기구의세척 422 심화생명과학

실험결과의자료는기구의오염정도에크게좌우된다. 많은경우에유리기구들은금속이온들이나세척제혹은유기침전물에의해서오염되기쉽다. 이렇게오염된유리기구는실험결과에오차를가져온다. 대부분의경우에희석한세척제 ( 물에 0.5% 로희석 ) 로오염물질을씻어낼수있다. [ 특수세척이요구될때 ] 유리기구를중크롬산용액에담근다. 그다음증류수로헹군다. 이때유기침전물이떨어져나간다. 그런후에진한질산으로제 2의세척을한다. 그러면금속이온들이모두제거된다. 마지막으로증류수로여러번헹구어말린다. b. 플라스틱기구의세척플라스틱을세척할때는그소재의화학적인성질을알고서특별한주의를할필요가있다. 폴리에틸렌으로만들어진기구를사용할때에는, 맨처음사용하기전에 9M urea(ph 1.0) 로씻어야한다. 그런다음에증류수로헹구고, 1M KOH로씻어서증류수로헹군다. 그리고나서 10-2M EDTA(C10H166N2O8, 에틸렌디아민테트라아세트산 : 무색의결정성분말로에탄올, 에테르등에는녹지않음 ) 로씻어서금속이온의오염을제거한다. 마지막으로증류수로여러번헹군다. 이렇게하여사용전처리가끝난후에는사용할때마다 0.5% 세척용액으로씻는것으로충분하다. 만일플라스틱용기의내부가사용시에오염된것으로의심될때에는다시위와같은방법으로세척한다. c. 피펫의세척피펫의경우는특별히청결하도록주의해야한다. 왜냐하면피펫은시약을옮길때사용하며, 또내부벽이나끝에시약이쉽게말라붙어서시약을옮길때오차를발생시키거나시약을오염시키기때문이다. 피펫을씻을때에는반드시끝이위로향하게하여 0.5% 세척용액에담아하룻밤을둔후, 수돗물로여러번반복해서씻어내고증류수로헹구어말린다. 2 유리기구나플라스틱기구의건조완전히건조된유리기구가필요할때는아세톤으로닦은다음증발시키면된다. 그러나이경우주의할것은아세톤속에오염되어있던소량의비휘발성물질이기구의내부표면에부착될수있으므로조심해야한다. 유리기구 부록 423

는일반적으로오븐속에서말리는것이가장좋다. 대부분의플라스틱기구는오븐에서가열해서말려도된다. 그러나셀룰로오스니트레이트 (cellulose nitrate) 재질은오븐을사용하면안되므로재질을모를때는오븐에서말리지않는것이좋다. 3 페기물의수집, 운반및보관상의주의실험실의폐기물에는다양한종류가있다. 특히, 화학물질은우리들의건강에어떤형태로든관계가있으므로환경오염을막기위해적은양이라도무단으로방출하지않도록적당한처리를해야한다. a. 화학폐기물수집용기는운반및용량측정이용이한플라스틱용기를사용하여야한다. 금속용기는장기간보관시부식되어폐액의유출에따른안전사고의위험이있고, 유리용기는장거리운반시파손에따른위험이있으므로제한적으로사용하는것이좋다. b. 화학폐기물은폐산, 폐알칼리, 폐유기용제 ( 할로겐족, 비할로겐족 ) 등종류별로구분하여수집하고, 수집용기외부에는품명, 특성등을기록한폐기물스티커를부착한다. c. 화학폐기물용기는복도또는계단에방치되어서는안된다. 폐기물보관장소는직사광선을피하고통풍이잘되는곳에있어야하고, 금연, 화기취급엄금표지와함께폐기물보관수칙을부착해야한다. d. 빈시약병은깨끗이청소한후깨지지않도록상자에넣어폐기물보관장소에보관한다. e. 화학폐기물용기는폐액의유출, 악취가발생되지않도록이중마개로닫는등필요한조치를취한다. f. 폐기물을운반할때에는손수레와같은안전한운반구등을이용하여운반한다. g. 폐기물보관장소에폐기물이일정수준이상으로쌓이거나또는일정한기간이지나면처리업체에연락하여폐기물을수거하도록한다. h. 유해한물질에의하여오염된깨진유리는분리, 처리하도록한다. 각실험실에서는깨진유리만을버리는함을설치하도록한다. (4) 실험실안전수칙과학실험실은안전한장소이기도하지만위험한장소이기도하다. 이차이는당신이안전한실험실규칙들은얼마나잘알며잘지키는가에달려있다. 당 424 심화생명과학

신이여기에있는정보를읽고잠재적인위험상황을인식하고피하는방법을배우는것이중요하다. 과학실과관계된구체적인안전사항에대하여교사의지시에따른다. 실험실에서안전하게실험하기위한기본규칙은다음을포함한다. 1 기본안전 a. 미리준비한다. 수업에오기전에계획된실험을공부하라. 실험을시작하기전에실험과정에대한문제를푼다. b. 조직화한다. 실험에필요한재료를차근차근준비한다. c. 깨끗하게정리하고, 계획된실험에필요한재료를제외한것들은치운다. 책, 가방과지갑은다른곳에보관한다. 실험재료들은실험대가장자리에가까이놓지않는다. d. 긴머리를뒤로묶고달린장신구를제거한다. 긴소매를걷고긴옷을집어넣는다. 늘어진소매또는발가락이나오는신발은실험실에서착용하지않는다. e. 화학물질, 뜨거운액체, 실험실버너, 핫플레이드 ( 열판 ) 또는깨지거나부서지는기구들을사용할때마다보안경과실험실앞치마를착용한다. 보관된표본, 유독하고부식성의화학물질을가지고실험할때또는그와유사한작업을직접할때보호장갑을낀다. f. 화학물질을수반하는실험을하는동안은콘텍트렌즈를끼지않는다. 만약착용해야만한다면 ( 의사의처방에의해 ) 화학물질이수반된실험을하기전에선생님에게알린다. g. 현미경또는광학장치에비추기위해직사광선또는반사광선을사용하지않는다. 직사광선또는반사광선은망막에심각한손상을일으킨다. h. 외과용메스, 해부용바늘또는가위와같이날카롭거나끝이뾰족한장비에손을조심한다. i. 실험과정에서모든주의사항을준수한다. 주의사항은화학물질또는시약에표시된경고글로상해와손상의가능성을말해준다. 주의사항을항상주의깊게읽고구체적인안전규칙을준수하면안전한실험을할수있다. 주의사항은지시를따르지않으면재료나방법이상해나손상을일으킬위험이있다는것을말해준다. j. 다음 < 표 12> 의실험실에서실험수행시주의해야할항목들을익힌다. 부록 425

< 표 12> 실험실에서실험수행시주의항목과예방책 주의항목 예방책 주의기호는올바르게수행하지않으면재료나방법에피해를미칠수있음을경고한다. Caution Caution 날카로운물체 Caution 자극물 뾰족한물체는잘리거나찔리는상처를유발할수있다. 모든뾰족한물체는주의해서다루고오직교사의지도하에서사용한다. 의도하지않은다른목적으로사용하지말라. 만약잘리거나찔리는상처를입는다면, 교사에게말하고응급처치를받아야한다. 자극물은접촉해서살아있는조직을빨갛게하는물체이다. 화학적자극물을다룰때는안전고글을쓰고, 실험실앞치마를두르고, 보호장갑을껴야한다. 접촉했을때, 붉어진부분을적어도 15 분동안비누칠하여물로씻고교사에게말하라. 오염된옷은벗는다. Caution 반응성 이화학물질은물을포함한다른어떤물질과도반응할수있고, 격렬한반응을일으킬수있다. 교사가지시하지않는한, 반응성화학물질을물을포함한다른어떤물질과도섞지않는다. 안전고글을쓰고, 실험실앞치마를두르고, 보호장갑을껴라. Caution 부식성 부식성물질은화학적반응에의해접촉한몸의조직을상처입힌다. 부식성물질을다룰때, 안전고글을쓰고, 실험실앞치마를두르고, 보호장갑을껴야한다. 부식성물질과접촉했을때, 즉시붉어진영향받은부분을물로씻고교사에게말한다. Caution 생물학적위험물 노출되어감염을일으킬수있는어떤생물학적물질을생물학적위험물이라고한다. 이런표시가되어있는물질을다룰때는, 교사의세세한지시를되새겨라. 지도된것외의행동은하지않는다. 안전고글을쓰고, 실험실앞치마를두르고, 보호장갑을껴야한다. 생물학적위험물과어떤접촉도교사에게즉시알려야한다. Caution 가연성 가연성의물질은특정조건에서발화할수있는물질이다. 가연성의물질을열린화염또는열원에가까이접촉하지말라. 교사가지시하지않는한하지말라. 화염성의액체는열원근처에서발화할수있는증기를방출한다는것을기억하라. 화재가일어나면혼자끄려고하지말고교사를불러라. 가연성의물질을다룰때마다안전고글을쓰고, 실험실앞치마를두르고, 보호장갑을껴야한다. Caution 독성 독성은직접적피부접촉, 흡입, 섭취, 침투를통해신체에상처를유발하는것이다. 항상이표시가있는물질을다룰때안전고글을쓰고, 실험실앞치마를두르고, 보호장갑을껴야한다. 피부에먼저상처입은것이있다면어떤독성물질을다루기전에교사에게알려라. 접촉했을경우, 즉시교사를불러라. 보안경 보안경은눈을보호한다. 이표시를보면보안경을착용해야한다. 보안경을썼을때, 보안경이편안하게맞도록해라. 눈에튀었을때, 15~20 분간눈씻는구역에서눈을씻어내라.( 눈꺼풀아래를포함해서 ) 만약콘택트렌즈를착용했다면, 즉시제거하고직접눈을씻어내라. 교사에게알린다. 실험실앞치마 실험실앞치마는옷을보호한다. 이표시를볼때마다, 실험실앞치마를입고뒤도안전하게묶는다. 만약옷에어떤물질을쏟았을때, 교사에게알린다. 장갑 이표시를보았을때또는교사가지시할때장갑을착용한다. 화학물질이나시약을사용할때장갑을껴라. 장갑을너무오래끼고있지않는다. 426 심화생명과학

2 안전을대비하기 a. 선생님이특별히그렇게하도록지시하지않는한실험실에서는입에아무것도갖다대지않으며, 물질을만지거나먹지않는다. b. 실험실에서는선생님이제공한특별한기구없이는물질의냄새를맡지않는다. 그렇다해도직접적으로연기를마시지않는다. ( 공기는물질을당신코쪽으로움직여냄새맡게한다.) c. 실험실에서먹고, 마시고, 껌을씹거나화장품을바르지않는다. 실험실공간에는음식물과음료수를두지않는다. d. 모든안전장비의위치를알고장비를사용하는방법을익힌다. e. 위험한사건, 사고, 화학물질의유출을목격하면선생님에게즉시보고한다. f. 화학물질명과사용시의예방법이표시된용기의재료만을사용한다. 사용하기전에표식 ( 라벨 ) 을읽어각화학물질의안전예방법을익힌다. g. 물로산을희석하기위해 서는항상물에산을넣는다. h. 사용하지않은화학물질을재고병, 원액병 (stock bottle) 에회수하지않는다. 점적기 (dropper) 외에는화학병에어떤물체도넣지않는다. i. 깨끗이청소한다. 선생님의지시에따라화학물질을처분하고사용한유리용기와기구를씻는다. 실험대와개수대를청소한다. 모든장비와제공물을치운다. 물, 가스분사, 버너와전기기구가꺼졌는지확인한다. 모든실험재료와장비를원래장소로되돌려놓는다. j. 실험실을나가기전에생물체나위험성있는재료를만진손을깨끗이씻는다. k. 승인되지않은실험은하지않는다. 선생님이허가한실험만을한다. l. 선생님의지도없이는실험실에서혼자실험하지않는다. m. 성숙된마음으로실험에참여한다. 실험실에서는뛰고, 밀고, 소란스런장난을하거나짖궂은장난을해서는안된다. 실험재료와장비는지시받은대로만사용한다. n. 실험을성공적으로수행하기위해필요한최소한의재료를사용한다. (5) 사전에익혀야할예방법일반안전예방법의준수와더불어몇가지상세한안전범위를알필요가있다. 실험을하기전에다음예방법을익힌다. 1 가열 a. 실험에맞는열원만을사용한다. 부록 427

b. 알코올과같은가연성재료를불꽃이나점화원가까이두지않는다. c. 시험관에있는물질을가열할때, 시험관입구를다른학생에게향하게하지않는다. d. 켜진실험실버너, 핫플레이드 ( 열판 ) 나뜨거운물체를두고떠나지않는다. e. 불꽃이나열원을과하게켜지않는다. f. 집게, 시험관클램프 (clamp), 절연장갑이나뜨거운냄비용헝겊 (pot holders) 을사용하여뜨거운장비를다룬다. g. 사용한후에는모든가스밸브를잠근다. h. 가열된쇠고리나유리기구같은장비에손대지않는다. 뜨겁게보이지않지만매우뜨거울수있다. 2 유리제품 a. 금이가거나깨진유리기구를사용하지않는다. b. 뜨거운유리기구를다룰때는조심하고적합한장비를사용한다.; 가열된유리는냉각된유리와똑같이보인다는것을기억하라. c. 유리기구를사용하기전과보관할때유리기구가깨끗한지확인한다. d. 고무마개에유리관을넣기위해관과마개를물로적신다. 유리관을고무마개에넣거나뺄때뚜꺼운헝겊으로손을보호한다. 관에힘을가하거나비틀지않는다. e. 깨진유리기구를즉시청소하고깨진유리용이라고표시된용기에버린다. 깨진유리를손가락으로집지않는다. 3 전기장비와다른기구들 a. 실험하기전에, 정확한과학정보를얻기위하여기구를안전하고올바르게사용하는방법을배운다. b. 떨어진절연재나느슨하거나손상된전선을가진장비는사용하지않는다. c. 전기장비의안과주위가건조하고가연성재료가없는지를확인한다. 젖은손으로전기장비를만지지않는다. d. 기구를콘센트에꽂기전에모든전원스위치를끈다. 콘센트에서전선을잡아당기거나전선으로기구플러그를빼지않는다. e. 실험할때사용하는여러실험기구들을잘배치하여, 어느실험기구도한쪽으로기울어지지않도록잘정리한다. 428 심화생명과학

4 살아있는표본과보관된표본 a. 해부용표본은올바르게고정되고유지되어야한다. 손으로잡고있는동안표본을자르지않는다. b. 미생물을사용하기전과후에는소독제로작업대표면을닦는다. c. 살아있거나보관된표본으로실험한후에는항상비누와물로손을씻는다. d. 동물은인간적으로다룬다. 이들을다루는일반적규칙들은아래에나와있다. 실험동물을다루는것에대하여항상조심스럽게선생님의지시를따른다. 동물은사육하기적당하고탈출이불가능한우리에넣어방해받지않는장소에둔다. 용기는깨끗하게유지한다. 작은새와포유동물의새장은매일청소한다. 적당한환기, 빛, 온도를제공한다. 항상물을제공한다. 동물의필요에맞게정기적으로먹이를준다. 실험동물을모든상황에서부드럽고친절하게다룬다. 만약동물을정기적으로돌보는책임을지고있으면주말, 휴일과방향동안그들을관리하기위한계획을세워야한다. 필요하다면, 선생님이적합한처분방법이나풀어주는방법을알려줄것이다. e. 많은식물또는일부식물은유독하다. 선생님이명시한식물으로만실험을한다. 식물을입에대지않는다. f. 식물을조심스럽고부드럽게다룬다. 특정필수요건은다를지라도대부분의식물은빛, 토양과물이있어야한다. g. 보관한표본을다루거나해부할때는보안경, 실험실앞치마와보호장갑등의개별보호장비를입는다. 5 사고에대처하기 a. 모든사고, 사건과손상, 그리고파손과유출등사소한것이라도선생님에게즉시알린다. b. 화학물질을피부나옷에흘리면다량의물로바로씻어내고선생님에게즉시알린다. 부록 429

c. 화학물질이눈이나얼굴에닿으면다량의물로바로씻는다. 눈꺼풀아래를포함하여적어도 15분간눈을씻어낸다. 선생님에게즉시알린다. d. 화학물질을바닥이나실험대표면에흘리면혼자서청소하지않는다. 선생님에게즉시알린다. e. 온도계가깨지면맨손으로깨진조각을만지지않는다. 선생님에게즉시알린다. f. 실험대에화재가발생한경우선생님에게즉시알린다. 옷에불이붙은경우바닥에누워구른다. 가능하다면소방담요를사용하고선생님에게즉시알린다. g. 실험실에서받은모든상처와찰과상을작은것이라도선생님에게보고한다. (6) 화학물질안전하게다루기모든화학물질은어떤면에서유해하다. 유해한화학물질은손상을일으키는물질로정의된다. 화학물질은연소성, 유독성, 부식성, 반응성의 4개의위험범주로나눌수있다. 이과정을위한실험조사에서위험한물질의사용을최소화하기위한모든노력이만들어졌다. 그러나많은 덜위험한 화학물질도올바르게다루지않으면손상을일으킬수있다. 다음정보는화학물질에존재하는위험함과화학물질을사용할때손상의위험성을어떻게감소시킬수있는지를알게돕는다. 화학물질을사용하기전에이안전부록의처음에나오는안전규칙 1에서 10을살펴보도록한다. 1 가연성물질가연성물질은연소하는고체, 액체또는가스이다. 연소의과정은연료 ( 연소할수있는물질 ), 산화제 ( 야외나특수한화학물질 ), 점화원 ( 불티, 불꽃또는열 ) 등 3개의성분이관여한다. 화재위험성을관리하기위해, 화재 3요소중적어도하나를제거하거나접하지못하게한다. 가연성화학물질은실험실버너, 핫플레이트 ( 열판 ), 전기장비나정전기에서발생하는불티와같은점화원이존재할때는사용하지않는다. 가연물의용기는사용하지않을때에는닫는다. 실험실의충분한환기는가연성증기의농도를최소로만든다. 2 유독물질실험실에서접하는화학물질의대부분은중독성이있거나생명에유독하다. 독성정도는특정물질의성분, 농도, 노출, 그리고변수에좌우된다. 유독물질 430 심화생명과학

에대한노출의결과는약간의불편에서심각한질병또는죽음에이를수있다. 유독물질에대한노출은섭취, 피부접촉또는유독증기의흡입을통하여일어날수있다. 실험실앞치마, 보호경과보호장갑의착용은유독한화학물질을사용할때중요한예방방법이다. 깨끗한실험실, 빠른유출물대청소, 우수한환기또한중요하다. 3 부식성물질부식성물질은피부조직을파괴하고조직에영구적인변화를일으키는화학작용을하는고체, 액체또는가스이다. 부식성물질은눈과호흡기기관및조직을파괴할수있다. 부식성물질을잘못다루게될경우시력의약화, 영구적인실명, 심각한외관손상, 영구적인심각한호흡곤란, 그리고죽음까지도이를수있다. 부식성물질을다룰때실험실앞치마, 보안경과보호장갑의착용은피부와눈에접촉하는유독물질을막을수있다. 선생님에게알리는동안피부나눈에튄물질을물로바로씻어낸다. 4 반응성물질어떤조건하에서, 반응성화학물질은격렬한반응을활성화시킨다. 화학물질은기계적으로불안할때자동적으로폭발할지도모른다. 반응성화학물질은다른화학물질과혼합했을때대량의에너지를방출하면서빠르게반응한다. 화학물질은실험에서특별지시에따라혼합하지않는한다른것과분리하여보관한다. 부록 431

04. VGL II 가상유전실험프로그램사용방법 < 다운로드사이트 intro.bio.umb.edu/vgl/> 1) 프로그램전체모습 2) 메뉴설명 교배열기새문제 교배닫기 교배다른이름으로저장교배저장끝파일프린트 닫기 도움 정보 3) 창설명 이교배에포함된특징을나타냄 각형질의암수숫자를나타냄 이칸의모든초파리는날개다섯개에파란눈을가졌다 이칸의모든초파리는날개다섯개에붉은눈을가졌다 이칸의모든초파리는날개여섯에파란눈을가졌다 이칸의모든초파리는날개여섯에붉은눈을가졌다 각초파리의특징을나타낸다 이미지단추를누르면그특징을나타내는초파리그림을보여줌 이단추를누르면이미지가닫힘 432 심화생명과학

4) 교배창 우리 (cage) 2 의부모로선택된초파리를나타냄 우리 1 에서선택된부모의자손을나타냄 우리 2 안에있는자손의부모를나타낸다. 원래우리에서클릭했던부모의특성과동일하다. 5) 교배결과표 P 의형질암컷의형질 : 수컷의형질 : 교배결과 형질 1: 형질 2: 암컷숫자수컷숫자암컷숫자수컷숫자 F2 의형질암컷의형질 : 수컷의형질 : 교배결과 형질 1: 형질 2: 암컷숫자수컷숫자암컷숫자수컷숫자 계 : 계 : 형질 1: 형질 2= : F1 의형질암컷의형질 : 수컷의형질 : 교배결과 형질 1: 형질 2: 암컷숫자수컷숫자암컷숫자수컷숫자 계 : 계 : 형질 1: 형질 2= : ( ) 의형질암컷의형질 : 수컷의형질 : 교배결과 형질 1: 형질 2: 암컷숫자수컷숫자암컷숫자수컷숫자 계 : 계 : 형질 1: 형질 2= : 계 : 계 : 형질 1: 형질 2= : 부록 433

05. 초파리의특징과사육방법 1) 초파리의분류학적위치 초파리는분류체계상곤충강 (Class Insecta), 유시아강 (Subclass Pterygota), 빈시하강 (Infraclass Oligoneoptera), 파리목 (Order Diptera), 가락지감침파리아목 (Subborder Cyclorrhapha), 원열이마무리 (Series Schizophora), 무판시구 (Section Acalyptrarae), 초파리과 (Family Drosophidae) 에속한다. 일반적으로초파리라고함은초파리과에속하는파리를가리킨다. 우리나라에는초파리과에속한 8속 16아속약 100종이발견, 연구되고있다. Phylum Arthropoda( 절지동물문 ) - Class Insecta ( 곤충강 ) - Subclass Pterigota ( 유시아강 ) - Order Diptera ( 쌍시목, 파리목 ) - 초파리과 (Family Drosophidae) 2) 초파리의외형초파리는머리, 가슴, 배세부분으로구성되어있다. 몸의 흩눈 겹눈 앞날개 색깔은옅은노란색이며머리 에는더듬이와눈, 입이있고 가슴에는날개와날개가퇴화되어변한평형곤 ( 평균곤 ), 그리고다리가있다. 배부분은 더듬이머리 평균곤배항문 배, 기문, 항문으로구성되어 가슴 있다. 입 발톱 기문 < 그림 23> 초파리의외부형태 날개 : 초파리의날개는원래 2쌍이있었으나앞날개 1쌍은몸의균형을잡는평형곤으로진화하였다. 기부 : 초파리의더듬이아래쪽에기부가있는데기부에는냄새를맡는부분이있어먹이를찾거나짝짓기를할때사용하기도한다. 가슴 : 초파리의가슴은 1쌍의날개와 3쌍의다리가있다. 다리 : 발톱끝부분은빨판처럼되어있어미끄러운표면에서도잘붙어있을수있다. 초파리의다리는모두 3쌍으로되어있는데끝부분에는갈고리모양의발톱이있다. 434 심화생명과학