초파리 관찰과 유전연구에의 활용 대 상 : 평택고등학교 부설 영재 학급 일 시 : 2013. 6. 4(화) 장 소 : 평택고등학교 1층 화학실 지도교사 : 우 지 선
차 례 주제 설정의 취지 및 목적 1 수업 모형의 이론적 배경 3 수업 진행시 유의점 6 교육과정 연계 8 개념 모형도 8 주요 초점 질문 9 교수 학습 계획 10 학습 활동 13 1단계 학습활동 : 문제의 이해 (1) 관심영역 발견(mess-finding) 13 (2) 자료 발견 15 (3) 문제 발견 18 2단계 학습활동 : 아이디어 생성 아이디어 발견 19 3단계 학습활동 : 행위를 위한 계획 (1) 해결 발견 19 (2) 수용 발견 20 평가 22 교육 내용 25 참고 자료 28
초파리를 어떻게 유전 연구에 이용할까? 주제 설정의 취지 및 목적 유전학의 재료로 자주 이용되는 모델생물(model organism)에는 대표적으 로 초파리가 있다. 유전학 연구의 초기인 19세기에서 20세기로 넘어오면서 그 어느 누구도 미생물이나 포유류 세포를 이용하여 유전학 연구를 할 수 있는 기술을 발달시키지 못했다. 그 당시에 유전학 재료로 각광을 받았던 것은 발생학자들이 이용했던 초파리(Drosophila melanogaster)였다. 발생학 연구에서 초파리의 몸에 대한 청사진은 일반적인 몸 형성에 대해 유용한 안 내자 역할을 하여, 사람의 태아 발달에 대한 연구에도 기여를 하였다. 1970년대 이래 수많은 생물학자들이 초파리가 지닌 장점과 매력에 이끌려 초파리 연구에 매달려왔다. 오늘날에는 암의 치료법을 찾는 연구, 지구 온난 화와 기후 변화에 대한 조기 경보 시스템, 알츠하이머병과 헌팅턴무도병 같 은 신경변성 질환 연구, 알코올 및 마약 중독, 수면 장애와 제트기 피로의 유전학 연구 등에도 초파리가 이용되고 있다. 즉, 초파리는 유전학에서 배( 胚 )의 발생, 학습에서 짝짓기 그리고 개체의 죽음에서 새로운 종의 탄생에 이르기까지 초파리는 생물계를 바라보는 창의 역할을 해주었다.(마틴 브룩스, 2002). 이번 수업에서는 이렇게 발생학에서부터 유전학뿐만 아니라 여러 생물학 - 1 -
분야에서 생물계를 바라보는 창의 역할을 할 수 있었던 초파리를 탐구 대상 으로 선정하였다. 초파리의 외부 형태 관찰부터 염색체 구성에 이르기까지 초파리의 전반적 인 특징에 대하여 탐구해보고, 이러한 특징들을 바탕으로 초파리가 특히 유 전 연구에 유리하게 이용될 수 있었던 이유에 대하여 생각해보고자 한다. 또한 돌연변이 초파리들을 관찰하여 돌연변이 종류에 따라 분류하고 이름을 붙이는 활동을 하며, 이러한 돌연변이 초파리를 통해 얻을 수 있는 특정 유 전자에 대한 정보를 추론하고자 한다. 나아가, 초파리를 이용한 유전 연구 실험을 창의적으로 고안해 보도록 한다. 이러한 활동을 통하여 초파리의 특징과 초파리를 이용한 유전 연구에 대하 여 이해함은 물론, 과거부터 현대 생명과학자들의 사고 과정을 함께 따라가 보면서 궁극적으로는 생명과학 연구에 대한 깊은 흥미와 호기심을 가지고 미래 생명 과학자로서의 꿈을 키워나갈 수 있을 것이다. - 2 -
수업 모형의 이론적 배경 이 수업에서는 학생들이 스스로 초파리의 특징을 탐색하여 초파리의 암수 를 구별하고 돌연변이 초파리의 분류 및 이름을 붙이는 활동을 한다. 그리 하여 수집한 정보를 바탕으로 초파리 눈 색 유전자의 위치를 추론하고, 최 종적으로는 초파리를 이용한 유전 실험을 고안한다. 전체적인 수업의 진행 방향이 학생 스스로 탐구하여 정보를 수집하고 결론 을 도출하며, 결과적으로 창의적인 산출물을 고안하므로 창의적 문제해결 (Creative Problem Solving, CPS) 모형을 적용하고자 한다. 창의적 문제 해결이라 하면 개인이나 집단이 어떤 문제를 해결하기 위하여 창의적으로 사고하려는 노력들을 통칭할 것이다. 그리고 그를 위하여 실제 로 적지 않은 수의 이론들이 제안되어 있다. 그러나 여기에서 소개하여 다 루려는 CPS(Creative Problem Solving, 단어의 첫 철자는 반드시 대문자로 표기한다)는 40 여년의 발전과정을 거쳐 Isaksen & Treffinger(Isaksen & Treffinger, 1985: Isaksen, Dorval & Treffinger, 1994) 등 이 제 시 하 고 있 는 고유하고 특별한 문제 해결 접근법이다. 현재의 CPS는 몇 가지의 상이한 수준에서 기술할 수 있는 구조를 가지고 있다(Isaksen & Treffinger, 1987). 가장 일반적인 수준에서 보면 CPS는 세 가지의 활동요소(components)로 이루어져 있다. 여기서 요소 라 함은 문제 해결을 창의적으로 하려고 할 때 사람들이 관여하는 활동의 범주 또는 일반적 영역이라 말할 수 있다. 세 가지 요소는 문제의 이해, 아이디어 생 성 및 행위를 위한 계획 등이다. 요소 보다 더 구체적인 수준에 단 계 (stage)가 있다. 문제의 이해 속에 관심영역 발견, 자료 발견 과 문제 발견 단계들이 포함된다. 아이디어의 생성 에는 아이디어 발견 단계가 있 다. 그리고 행위를 위한 계획 에는 해결 발견 과 수용 발견 의 두 가지 단 계들이 있다. CPS의 3개 활동요소와 그 속에 포함되어 있는 6개 단계들은 다음과 같다. 1. 문제의 이해 요소 이 활동 요소는 문제 해결 노력이 분명한 초점을 가지도록 하기 위한 것이 다. 문제를 바르게 보고 바르게 진술 하면 이미 거기에 해결이 담겨 있을 수도 있다. (1) 관심영역 발견(mess-finding) 이 단계는 우리가 작업하려고 하는 도전, 기회 또는 관심사에는 어떤 것들 이 있는가? 란 질문을 다룬다. 여기서 관심 영역, 즉 메스(mess) 란 말은 퍼지(fuzzy)하고, 광범위하고, 일반적이며, 그리고 제대로 정의가 잘 안된 장면들을 말한다. 이 단계의 기본 목적은 좀 더 포괄적인 목표 또는 출발지 점을 확인하고 선택하는데 있다. (2) 자료 발견 - 3 -
이 단계에서는 관심 영역 들을 음미해 보는데 중요한 여러 가지 정보를 수 집하여 문제를 바르게 진술하는데 도움되게 한다. 자료를 수집한 다음은 문 제를 더 잘 이해하는 데 중요한 것 같이 보이는 것을 선택한다. (3) 문제 발견 이 단계에서는 작업 가능하고, 자극적이고, 그리고 구체적인 것으로 문제를 진술한다. 잘 정의된 문제 진술은 문제 해결의 통로를 제시해 주기 때문에 생산적인 여러 가지 아이디어들을 유도해 내는데 크게 도움된다. 2. 아이디어 생성 요소 이 요소에는 아이디어 발견 이라는 한 개의 단계만이 포함되어 있다. 문 제 해결에 도움될 수 있는 많은 아이디어, 다양한(융통성 있는) 갖가지 아 이디어, 독특하고 독창적인 아이디어들을 생성해 낸다. 그런 다음 이들 가운 데서 특히 그럴듯하고 유망해 보이는 한 개 또는 몇 개의 아이디어를 선택 한다. 3. 행위를 위한 계획 요소 이 요소의 목적은 재미있고 유망해 보이는 아이디어들을 유용하고, 수용 가능하고, 그리고 실현 가능한 행위로 번역하는 데 있다. (1) 해결 발견 한 개 또는 몇 개의 유망한 아이디어를 가지고 그것들을 분석하고, 개발하 고, 그리고 다듬는다. 어떨 때는 몇 가지 아이디어들을 가지고 분류하고, 좁 히고, 그리고 다듬는다. 어떨 때는 몇 가지 아이디어들을 가지고 분류하고, 좁히고, 그리고 선택하는데 강조점이 있다. 또 다른 경우에는 준거를 생성하 여 그것을 아이디어에 적용하는데 강조점이 있을 수도 있다. 어떻든 이 단 계에서는 유망한 아이디어들을 체계적으로 음미하고 발전시키는 기회를 가 진다. (2) 수용 발견 이 단계에서는 최종적으로 선택한 아이디어(해결, 발명)를 현실에다 실현 시키기 위한 행위계획을 만들고자 한다. 선택한 아이디어를 다른 사람의 눈 으로 들여다보고, 도와줄 수 있는 사람과 저항할 사람들을 체크해 보며, 이 들을 토대로 실천을 위한 구체적인 행위계획을 수립한다. CPS를 성공적으로 사용할 수 있으려면 발산적 사고와 수렴적 사로를 균형 있게 사용할 수 있어야 한다. 창의적 사고와 비판적 사고는 상호보완적으로 중요하듯이 CPS에서는 발산적 사고와 수렴적 사고가 서로 보충적으로 같이 사용된다. 발산적 사고는 아이디어를 생산해 내는데 사용된다. 이러한 사고 를 통하여 문제 또는 관심사에 대하여 지각하며, 여러 가지 다양한 가능성 들을 생각한다. 수렴적 사고, 즉 비판적 사고를 통하여 각 아이디어들의 가 능성을 사정하고, 대안들을 비교 대비하며, 추론하고 연역하며, 그리고 효과 적인 판단이나 결정을 내리기 위하여 대안들을 선택하거나 더욱 다듬는다. 문제를 해결해는 데 와일드한 아이디어들을 많이 생성해 내는 것만으로는 - 4 -
불충분하다. 마찬가지로 몇 개의 가능성만을 가지고 분석과 평가를 되풀이 하는 것 또한 불충분하다. 보다 생산적인 문제 해결을 할 수 있으려면 발산 적 사고와 수렴적 사고를 균형있게 사용할 수 있어야 한다(김영채, 1999). - 5 -
수업 진행시 유의점 수업의 전반적인 과정에서 학생들 간의 상호작용을 통한 강조함에 따라 근 접발달대(zone of proximal development; ZPD) 안에서 유의미한 학습이 진 행될 수 있도록 한다. 무엇보다 이러한 과정에서 교사의 적절한 비계 (scaffolding) 제시가 중요하다. 초파리 관찰 수업을 통해 학습할 수 있는 생명 과학적 요소가 매우 많기 때문에 자칫하면 수업에서의 방향성을 상실 할 수 있기 때문이다. 최종적으로 학생들에게 요구하는 과제와 관련하여 학 습의 방향을 뚜렷하게 설정한 후, 탐구의 목표와 방향성을 상실하지 않도록 계속하여 적절한 비계를 최적의 시기에 제공하여야 한다. 여기서 적절한 비 계라 함은 학생들의 사고를 확장시키는 작용을 하되, 의도한 목표를 향해 사고의 흐름이 진행되도록 유도하는 역할을 한다. 모둠 구성원 사이의 토론뿐만 아니라 전체 토론 활동을 통하여 최적의 아 이디어를 선택하도록 한다. 발산적 사고가 강조되는 다양한 아이디어를 창출하는 활동에서는 가능한 대로 많은 수의 아이디어들을 생성해 낼 수 있도록 자유로운 분위기를 조성 하고 격려한다. 수렵적 사고가 강조되는 활동에서는 장단점(PMI) 기법을 사용할 수 있도 록 안내한다. 어떤 아이디어를 좋아한다거나, 또는 좋아하지 않는다고만 말하는 대신, 학 생들에게 PMI를 사용하도록 하는데, PMI는 어떤 계획을 세우거나 결정을 내릴 때 장단점에 대하여 분명하게 생각해 볼 수 있는 도구이다. PMI를 사용할 때는 먼저 의도적으로 아이디어의 좋은 점(Plus)을, 다음으 로는 나쁜 점(Minus)을, 그리고 그 다음으로는 좋지도 나쁘지도 아니하지만 흥미롭다고 생각되는 점(Interesting)을 나열하도록 한다(김영채, 1999).이 를 통하여 합리적인 판단을 할 수 있도록 돕는다. 초파리 관찰 평가의 준거를 제시함으로써, 과학적으로 관찰하는 태도를 배 양하도록 한다. 관찰의 방법 과정 기술 결과 등을 중심으로 평가하는 데, 관찰 기능 평가의 주안점은 오감을 사용했는지, 추리하거나 지식을 이용 하지 않고 객관적으로 관찰했는지, 자세하고 정확하게 관찰하여 진술했는지, 비슷한 점과 차이점을 구분하여 진술했는지, 중요한 점을 관찰했는지 등에 둔다(조희형외, 2008). 과학사를 활용한 수업의 장점을 최대한 이끌어 낼 수 있도록 진행한다. 과학사는 과학자가 연구하는 분야 및 수준과 일반인이 생각하는 영역 및 수준을 연결해주며, 과학 지식이 절대적 진리가 아니라 부단히 변해 왔음을 잘 보여준다. 유전과 같은 추상적인 과학 개념과 복잡한 이론일수록 과학사 적 접근법이 효과적이다(Matthews, 1991). 탐구를 정리하고 실제 과학사를 살펴보는 학습 과정을 통하여 학생들은 과 - 6 -
거 과학자의 생각을 추적해보고 과학자적인 탐구 태도를 기를 수 있다. 마지막으로, 학습의 대상인 영재학급 학생들은 바로 전 차시의 학습을 통 하여 염색체, DNA, 유전자의 관계 및 DNA의 구조에 대하여 이미 숙지하고 있다. 그리고 염기 서열에 따라 유전 정보가 저장된다는 것 또한 학습한 상 태이다. 이러한 학습 대상에 대한 전제가 있어야 할 것이다. - 7 -
교육과정 연계 생식과 발생(중학교 3학년) 생물의 구성(생명 과학Ⅰ) 유전(생명 과학Ⅰ) 생명공학(생명 과학Ⅱ) 생명의 진화(고등학교 과학) 세포와 세포 분열(생명 과학Ⅰ) 유전자와 형질 발현(생명 과학Ⅱ) 개념 모형도 유전 멘델의 유전 법칙 사람의 유전 분리의 법칙 독립의 법칙 연관 사람의 유전현상 돌연변이 단일 인자 다인자 염색체 유전자 유전 유전 돌연변이 돌연변이 염색체, DNA, 유전자의 관계 염색체 DNA 유전자 형질발현 과정 사람의 염색체 상동 염색체, 핵상 상염색체, 성염색체 지놈 DNA의 구조 2중 나선구조 유전암호 전사 번역 - 8 -
주요 초점 질문 초파리의 외부 형태 관찰부터 염색체 구성에 이르기까지 초파리의 전반 적인 특징에 대하여 알아보자. 돌연변이 초파리들을 관찰하여 돌연변이 종류에 따라 분류하고 이름을 붙여보자. 앞에서 살펴본 이러한 특징들을 바탕으로 초파리가 특히 유전 연구에 유 리하게 이용될 수 있었던 이유에 대하여 생각해보자. 흰색 눈 초파리의 암컷과 수컷 비율이 다른 이유를 수집한 초파리에 대 한 정보들을 통해 추론해보자. 안테나 대신에 한 쌍의 다리를 가진 호메오 돌연변이 초파리는 어떤 유 전자에 문제가 생긴 것인지 추론해보자. 초파리를 이용하여 연구하고 싶은 나만의 유전 실험을 고안해보자. - 9 -
교수 학습 계획 본시 주제 학습 목표 초파리를 어떻게 유전 연구에 이용할까? 생활사, 염색체의 수와 종류를 포함한 초파리의 전반적인 특징에 대하여 말 할 수 있다. 유전학의 실험 재료로 많이 사용되고 있는 초파리 성체 구조를 관찰하고, 암수를 구별할 수 있다. 야생형 초파리와 구별되는 다양한 돌연변이 형질을 찾아낼 수 있다. 초파리가 특히 유전 연구에 유리하게 이용될 수 있었던 이유에 대하여 말할 수 있다. 흰색 눈 초파리의 암컷과 수컷 비율이 다른 이유를 수집한 초파리에 대한 정보들을 통해 추론할 수 있다. 안테나 대신에 한 쌍의 다리를 가진 호메오 돌연변이 초파리는 어떤 유전자 에 문제가 생긴 것인지 추론할 수 있다. 초파리를 이용하여 연구하고 싶은 나만의 유전 실험을 고안할 수 있다. CPS 흐름 전개 창의 적 사고 교수 학습 활동 시 간 자료 및 유의 점 동기유발 영화 X맨 일부분 제시 돌연변이란 무엇인지 질문 - 선수학습개념을 이용한 발표 문 제 의 이 해 관 심 영 역 발 견 발 산 적 사고 수 렵 적 사고 선수학습 확인 염색체, DNA, 유전자의 관계 DNA 염기 서열에 따라 유전정보 저장 돌연변이 먹다 남은 과일에 꼬여있는 초파리 사진 제시 평소 초파리에 대한 생각 발표 유전학에서 돌연변이 연구에 유용하게 쓰이는 초파리 소 개 p p t (그림, 동 영 상 포 15 함) 활 동 지 참 고 자료 초파리가 유용하게 이용되는 이유에 대한 생각 발표 탐구 주제 제시 초파리를 어떻게 유전 연구에 이용할 수 있을까? 학습 목표 제시 - 10 -
CPS 흐름 전개 창의 적 사고 교수 학습 활동 시 간 자료 및 유의 점 초파리의 특징 조사 스마트 폰이나 노트북을 이용하여 검색 - 생활사, 염색체의 수와 종류를 포함하여 조사할 수 있도 록 안내 모둠별 다양한 조사 내용 발표 문 제 의 이 해 자 료 발 견 발 산 적 사 고 수 렴 적 사 고 초파리 관찰 정상 초파리 외형 관찰 - 암컷과 수컷을 구분하는 기준 발견 - 모둠별 관찰 결과 발표 돌연변이 초파리 관찰 - 돌연변이 초파리와 정상 초파리와의 차이점 발견, 형태에 따라 분류하고 이름 붙이기 흰 눈 초파리의 암수 비율 확인 - 모둠별 결과 발표 다리를 머리에 가진 돌연변이 초파리는 다리가 있는 자리 에 본래 어떤 기관이 있어야 하는지 질문 - 모둠별 발표 80 ppt 활 동 지 참 고 자료 탐구 문제를 구체화하여 표현하기 관심영역 발견 단계에서 제시했던 의문을 상기 문 제 발 견 수 렴 적 사고 1 초파리가 특히 유전 연구에 유리하게 이용될 수 있는 이 유는? 자료 발견 단계에서 제시했던 의문을 상기 2 흰색 눈 초파리의 암컷과 수컷 비율이 다른 이유는? 3 안테나 대신에 한 쌍의 다리를 가진 호메오 돌연변이 초 5 ppt 활 동 지 참 고 자료 파리는 어떤 유전자에 문제가 생긴 것일까? 아 이 디 어 생 성 아 이 디 어 발 견 발 산 적 사고 앞서 제시한 세 가지 문제에 대한 추론 자유로운 분위기 속 모둠별 토의 - 수집한 초파리에 대한 자료 중 각 문제에 적합한 정보를 선택하여 활용하도록 안내 - 흰색 눈 초파리의 암컷과 수컷 비율이 다른 이유룰 추론 시 눈 색 유전자의 위치와 성염색체를 관련지어 사고할 수 있도록 유도 ppt 활 동 20 지 참 고 자료 - 11 -
CPS 흐름 전개 창의 적 사고 교수 학습 활동 시 간 자료 및 유의 점 최적의 아이디어 선택 및 발표 행 위 해 결 발 견 수 렵 적 사고 PMI 기법 활용 안내 앞서 제시한 세 가지 문제에 대한 해답 발표 - 초파리 눈 유전자는 성염색체에 존재할 것이다. - 호메오 돌연변이는 발생과정 조절유전자에 돌연변이가 일 어난 것이다. 20 ppt 활 동 지 참 고 자료 를 위 한 계 획 수 용 발 견 발 산 적 사고 초파리를 이용한 유전 연구 고안 나만의 유전연구 고안 - 초파리 교배 실험도 설계할 수 있음을 안내 모건의 실험 소개 호메오 돌연변이 유전자 연구 소개 ppt 활 동 20 지 참 고 자료 - 12 -
학습 활동 1단계 학습활동: 문제의 이해 (1) 관심영역 발견(mess-finding) 활동1-1 영화 X맨에서.. 영화 X맨에서 다루고 있는 돌연변이란 무엇인가? 지난 시간에 학습한 내용을 떠올려 발표해보 자. 돌연변이는 생명과학의 어느 분야에서 다룰까? 지난 시간에 학습한 염색체, DNA, 유전자의 관계와 DNA의 구조를 다시 복습해보아요~ 염색체, DNA, 유전자의 관계 DNA의 구조 DNA에서 유전 정보의 저장은 어떻게 이루어지는가? DNA의 뉴클레오타이드를 구성하는 요소 중 무엇이 유전 정보의 저장에 관여하는지 발표해보자. 돌연변이 - 13 -
초파리 사진을 보고... 평소 초파리를 떠올려 보았을 때 가장 먼저 드는 생각을 발표해보자. 활동2 유전학에서 돌연변이 연구에 유용하게 쓰이는 초파리 유전학의 재료로 자주 이용되는 모델생물(model organism)에는 대표적으로 초파리가 있다. 유전학 연구의 초기인 19세기에서 20세기로 넘어오면서 그 어느 누구도 미생물이 나 포유류 세포를 이용하여 유전학 연구를 할 수 있는 기술을 발달시키지 못했다. 그 당 시에 유전학 재료로 각광을 받았던 것은 발생학자들이 이용했던 초파리(Drosophila melanogaster)였다. 사실, 1970년대에 초파리는 발생생물학의 총아로 재탄생하고 리모델링되었다. 생물학자들은 수백 년 동안 수정란이 어떻게 완전한 생물체로 발달하는지에 대해 궁금해 했다. 그런데 갑자기 초파리가 그 답을 가지고 나타났다. 그리고 초파리의 몸에 대한 청 사진은 일반적인 몸 형성에 대해 유용한 안내자 역할을 했다. 사람의 태아 발달에 대한 연구조차도 초파리에게서 배운 것이 많다. 1970년대 이래 수많은 생물학자들이 초파리가 지닌 장점과 매력에 이끌려 초파리 연구 에 매달려왔다. 성공이 꼬리를 물었고, 오늘날에는 초파리의 영향력에서 자유로운 생물학 분야가 거의 없다시피 하게 되었다. 암의 치료법을 찾는 연구, 지구 온난화와 기후 변화 에 대한 조기 경보 시스템, 알츠하이머병과 헌팅턴무도병 같은 신경변성 질환 연구, 알코 올 및 마약 중독, 수면 장애와 제트기 피로의 유전학 연구 등에도 초파리가 이용되고 있 다. 사실, 초파리는 생물학의 가장 근본적인 일부 질문에 그 답을 제공하고 있다. 몇 가지 예를 들면, 유전자는 어떻게 한 세대와 그 다음 세대를 연결하는가, 난자(하나의 세포)가 어떻게 수십억 개의 세포로 이루어진 개체로 성장해 가는가, 우리는 정보를 어떻게 학습 하고 기억하는가, 왜 수컷과 암컷은 늘 교미를 놓고 실랑이를 벌이는가, 왜 우리는 늙어 가며, 그것을 막을 수 있는 방법은 없는가, 새로운 종은 어떻게 진화하는가 등이다. 즉, 초파리는 유전학에서 배( 胚 )의 발생, 학습에서 짝짓기 그리고 개체의 죽음에서 새로 운 종의 탄생에 이르기까지 초파리는 생물계를 바라보는 창의 역할을 해주었다.(마틴 브 룩스, 2002). 초파리가 유용하게 이용되는 이유에 대한 생각을 발표해보자. - 14 -
탐구 주제 제시 초파리를 어떻게 유전 연구에 이용할 수 있을까? 활동3 오늘의 학습 목표 생활사, 염색체의 수와 종류를 포함한 초파리의 전반적인 특징에 대하여 말할 수 있 다. 유전학의 실험 재료로 많이 사용되고 있는 초파리 성체 구조를 관찰하고, 암수를 구별 할 수 있다. 야생형 초파리와 구별되는 다양한 돌연변이 형질을 찾아낼 수 있다. 초파리가 특히 유전 연구에 유리하게 이용될 수 있었던 이유에 대하여 말할 수 있다. 흰색 눈 초파리의 암컷과 수컷 비율이 다른 이유를 수집한 초파리에 대한 정보들을 통해 추론할 수 있다. 안테나 대신에 한 쌍의 다리를 가진 호메오 돌연변이 초파리는 어떤 유전자에 문제가 생긴 것인지 추론할 수 있다. 초파리를 이용하여 연구하고 싶은 나만의 유전 실험을 고안할 수 있다. (2) 자료 발견 스마트폰이나 노트북을 이용하여 초파리의 여러 가지 특징을 조사하여 발표해보자. 활동4 초파리의 생활사 초파리의 염색체 구성 기타 - 15 -
초파리의 관찰 활동5 실험 목표 유전학의 실험 재료로 많이 사용되고 있는 초파리 성체 구조를 관찰하고, 암수를 구별할 수 있 다. 야생형 초파리와 구별되는 다양한 돌연변이 형질을 찾아낼 수 있다. 실험 기구 및 재료 기구 실체 현미경, 마취기구세트(붓, 마취병, 마취 깔대기, 흰 종이), 초파리 사육병, 스폰지 마개, 항온기 재료 야생형 초파리, 돌연변이 초파리 방법 및 절차 - 16 -
결과 및 고찰 1. 성체의 암수 구분에 사용되는 형태상의 차이점을 기술하라. 2. 성체의 외부 구조를 그려라. 3. 야생형과 돌연변이형의 형태적 차이점을 기술하라. 활동6 가. 야생형 초파리의 관찰 야생형 초파리의 암수 구조를 각각 스케치하고 각 기관의 명칭을 찾아 쓰시오. [수컷] [암컷] 초파리의 암수는 형태적으로 어떤 차이가 있는가? 그 밖에 자신의 모둠이 관찰한 다양한 특징들을 정리하여 발표해보자. 나. 돌연변이 초파리의 관찰 돌연변이형 초파리의 특징적인 형질을 야생형 초파리의 형질과 비교해서 찾아보고,[표]에 기록해 보자. 각 돌연변이체들의 이름을 붙여보고, 실제 명칭을 조사하여[표]에 기록해 보자. [표]돌연변이 초파리의 관찰 돌연변이체 종류 관찰 내용 이름 붙이기 실제 명칭 mutant 1 mutant 2-17 -
다. 흰 눈 초파리에서 암컷과 수컷의 수를 각각 세어보자. 암수 중 어느 것이 더 많은가? 활동7 전체 흰 눈 초파리의 수 암컷의 수 수컷의 수 라. 다리를 머리에 가진 돌연변이 초파리는 다리가 있는 자리에 본래 어떤 기관이 있어야 하는 지 확인해보자. (3) 문제 발견 앞으로 탐구해야 할 과제를 구체화하여 표현해보자. 활동8 활동2에서 제기했던 의문을 생각해보자. 1 초파리가 특히 유전 연구에 유리하게 이용될 수 있는 이유는? 초파리의 관찰 실험에서 제기했던 의문을 생각해보자. 2 흰색 눈 초파리의 암컷과 수컷 비율이 다른 이유는? 3 안테나 대신에 한 쌍의 다리를 가진 호메오 돌연변이 초파리는 어떤 유전자에 문제가 생긴 것일까? - 18 -
2단계 학습활동: 아이디어 생성 아이디어 발견 앞서 제시한 세 가지 문제에 대하여 자유롭게 아이디어를 내고 토의해보자. 수집한 초파리에 대한 자료 중 각 문제에 적합한 정보만을 선택하여 활용할 것! 활동9 초파리가 특히 유전 연구에 유리하게 이용될 수 있는 이유는? 흰색 눈 초파리의 암컷과 수컷 비율이 다른 이유는? 안테나 대신에 한 쌍의 다리를 가진 호메오 돌연변이 초파리는 어떤 유전자에 문제가 생긴 것일까? 3단계 학습활동: 행위를 위한 계획 (1) 해결 발견 최적의 아이디어를 선택하고 발표해보자. 참고)아이디어를 선택할 때~! 먼저 의도적으로 아이디어의 좋은 점(Plus) 나열하기 다음으로 나쁜 점(Minus) 나열하기 마지막으로 좋지도 나쁘지도 않지만, 흥미롭다고 생각되는 점(Interesting) 나열하기 이를 통하여 합리적인 판단을 하도록 하자. 활동10-19 -
(2) 수용 발견 초파리를 이용한 나만의 유전 연구를 고안해보자. 활동11 모건은 어떤 실험을 하였나 살펴볼까요? 1910년 초의 어느 겨울날, 모건은 여느 때처럼 초파리들을 살펴보고 있었다. 그가 기르 는 초파리 집단은 엄청난 수로 불어나 있었지만, 그날 모건은 특별히 이상한 것을 발견하 리라고는 전혀 기대하지 않았다. 그런데 그날 모건은 유리병 중 하나에서 뭔가 색다른 것 을 발견했다. 좀 더 자세히 관찰하려고 그는 그 병 속에 든 초파리들을 에테르로 마취시 킨 다음, 책상 위에다 쏟아놓았다. 잠들어 있는 초파리들을 헤치면서 그는 색다르게 보이 는 한 마리를 골라냈다. 그리고 호주머니에서 확대경을 꺼내 그 작은 초파리를 유심히 관찰하기 시작했다. 그놈 은 수컷이었다. 배 끝부분의 멜라닌 색소 반점이 그것을 알려주었다. 그러나 그의 주의를 끈 것은 머리였다. 두꺼운 렌즈를 통해 초점 없는 하얀 두 눈이 모건을 응시하고 있었다. 모건은 빨간색 눈을 가진 초파리만 보아왔다. 하얀 눈을 가진 이 초파리는 새로운 돌연변 이가 틀림없었으며, 눈 색깔 말고 다른 것은 여느 초파리와 조금도 다름이 없었다. 모건은 하얀 눈을 가진 이 수컷을 빨간 눈을 가진 정상 초파리와 교미시켜보기로 결정 했다. 다행히도 두 마리는 교미에 성공했다. 다음날 모건은 교미를 한 암컷이 효모가 풍 부한 배양기에 알을 낳는 것을 보았다. 오랜 인고 끝에 어른이 된 초파리가 나오기 시작 했다.그 초파리의 눈 색깔은 빨간색이었다. 하나씩 뒤를 이어 번데기 속에서 초파리가 모 두 빠져나왔다. 모든 초파리가 빨간 눈을 가지고 있었다. 하얀 눈의 형질은 사라져버린 것이다. 모건은 빨간 눈을 가진 이 새로운 세대의 초파리들을 대상으로 실험을 한 단계 더 진행 해보았다. 그것은 근친상간이었지만, 초파리들은 전혀 개의치 않는 것 같았다. 다음 세대의 어른 초파리들이 나타나기까지 또 한참 동안 인내심을 가지고 기다려야 했 다. 그러나 처음 몇 마리가 번데기를 뚫고 세상에 모습을 나타냈을 때, 한 가지 사실은 명백했다. 이번에는 초파리들의 눈 색깔이 다 똑같지 않았다. 빨간 눈을 가진 것도 있었 고, 하얀 눈을 가진 것도 있었다. 모건은 수천 마리의 초파리를 조심스럽게 분류하면서 눈의 색깔에 따라 수를 세었다. 빨간 눈을 가진 초파리는 모두 3470마리였고, 하얀 눈을 가진 것은 782마리였다. 모건은 이 세대의 초파리들에게서 또 다른 특징적인 패턴을 발견했다. 암컷과 수컷의 수 는 비슷했지만, 하얀 눈을 가진 비율은 성에 따라 큰 차이가 났다. 빨간 눈을 가진 암컷 은 모두 2459마리인 반면, 빨간 눈을 가진 수컷은 1011마리였고, 하얀 눈을 가진 수컷은 782마리였다. 하얀 눈을 가진 암컷은 한 마리도 없었다. 어떤 종류의 교배에서는 암컷도 하얀 눈이 나타날 수 있다. 그러나 하얀 눈의 형질은 항 상 암컷보다는 수컷에서 훨씬 더 많이 나타났다. (마틴 브룩스, 2002) - 20 -
호메오 돌연변이 유전자 연구는 어떻게 진행되었나 살펴볼까요? 1990년 초반에 강력한 유전학적인 방법으로 파리 성체와 유생의 모양을 만드는 것에 관 여하는 유전자들이 밝혀졌다. 기본적인 전략은 파리를 임의로 돌연변이를 유발시킨 후에 정상적인 체형이 파괴된 돌연변이를 찾아내는 것이다. 이 돌연변이의 일부는 특이한 몸의 구조가 없거나 다른 위치에 붙은 배아나 성체들로 꽤 흥미로운 구조를 가지고 있 다.(Scott F. Gilbert, 2007) 초파리의 유전자 지도에서 이 돌연변이 유전자의 위치를 확인하여, 발생이상을 특정 유 전자와 연관 지을 수 있다. 이 연구는 유전자가 발생 과정을 지시한다는 확고한 증거를 최초로 제공하였다. 호메오 유전자(homeotic gene)라 불리는 유전자는 후기 배아, 유충 및 성체의 패턴형성을 조절한다. 개체의 조직과 기관이 모두 특징적인 위치에 놓이게 되 는 공간 배열의 형성 과정을 패턴형성(pattern formation)이라고 한다. (CAMPBELL외, 2008) 이 일은 많은 실험실에서 행해졌으며, 돌연변이 표현형과 관련된 유전자를 클로닝하여 기능과 발현 양상을 규명하였다. 이 같은 노력의 결과로 다른 생물학과 구별되는 초파리 의 체형 발생을 알게 되었다. 이 공로로 1995년 루이스(Edward Lewis), 뉘슬라인-폴하 르트(Christiane Nϋsslein-Volhard) 그리고 비사우스(Eric Wieschaus)는 노벨상을 수상 하였다(Scott F. Gilbert, 2007). - 21 -
평 가 평가 영역 및 준거 1) 과 정 중 심 평 가 과정 중심의 평가 방법으로는 검목표(checklist)를 사용하였다. 검목표는 가장 간단한 태도 검사 도구로, 행동 특성 현상 등 측정하려는 속성을 모두 열거하고 해당되는 속성을 표시하는 방법이다.(조희형 외, 2008) 관찰하기 _ 암수를 구별하고 돌연변이종을 식별한다. _ 하나 이상의 감각(기관)을 이용한다. _ 적절한 모든 감각을 이용한다. _ 특성들을 정확히 묘사한다. _ 정성적인 관찰을 한다. _ 정량적인 관찰을 한다. 분류하기 _ 암수를 분류할 수 있는 주요한 특성들을 식별한다. _ 돌연변이종으로 볼 수 있는 특성들을 식별한다. _ 암컷과 수컷의 두 그룹으로 분류한다. _ 정상과 돌연변이종의 두 그룹으로 분류한다. _ 자신의 분류 기준을 세운다. 의사 소통하기 _ 대상들을 정확히 묘사한다. _ 알려지지 않은 대상을 다른 사람들이 인식할 수 있도록 묘사한다. _ 말과 글로 타인들에게 정확히 정보를 전달한다. _ 생각을 말로 표현한다. 추론하기 _ 대상들과 관련된 사실들 사이의 관계에 대해 말한다. _ 추론하기 위한 모든 적절한 정보를 사용한다. _ 존재하지 않는 정보를 사용하지 않는다. _ 추론에 대한 논리적으로 타당한 근거를 제시한다. _ 상황에 적절한 추론 과정을 적용한다. _ 여러 가지 실험 자료들을 해석한다. - 22 -
자료 해석하기 _ 필요한 자료를 선택한다. _ 유용한 자료를 모은다. _ 자료 표를 만든다. _ 타당한 자료의 해석을 한다. 기록하기 _ 정보를 간단한 언어나 문장으로 요약한다. _ 간단한 정보를 여러 가지 형태로 기록한다. _ 자료를 정돈하고 그림이나 표로 나타낸다. 절차 능력 _ 현미경을 올바른 절차에 따라 사용한다. 2) 결 과 중 심 평 가 결과 중심 평가는 작성한 활동지를 바탕으로 이루어진다. 관찰의 다양성: 여러 가지 각 기관의 위치, 수, 모양, 색깔 관찰한 것 중에서 이에 해당하는 것이 5개 이상이면 10점, 4개는 8점, 3 개는 6점 탐구 결과 진술의 과학성 진술에 대한 각각의 내용이 과학적이면 1점, 비과학적이면 0점을 준다. 탐구 결과 진술의 사실성 과학적 사실이면 1점, 추리이면 0점을 준다. 탐구의 섬세도 진술된 내용에서 관찰에 해당되는 것 중에서 주의력 있게 관찰한 것은 1 개당 1.0점, 보통이면 1개당 0.5점, 미흡하면 1개당 0점을 준다. 창의적 활동 평가 아이디어를 많이(many), 다양하게(varied), 독특하게(original), 그리고 정 교한 것을 (깊게, elaborative) 생산(생성)해 낼 수 있을수록 창의적이다. 그 래서 사고의 유창성, 융통성, 독창성 및 정교성은 창의적 사고의 핵심적인 요소들이다(김영채, 1999). 창의적 산출물을 평가하는 데 있어서 Besmer & Treffinger(1981)가 The Journal of Creative Behavior에 보고하고 있는 학생 발명 평정지 (Student Invention Rating Scale)을 적용하였다. 이 평정지는 창의적 작품이 가지는 준거를 14개 항목으로 제시한 다음 각기를 5점 척도로(1=낮다, 3=평균적, 5=높다) 평가하게 하고 있다. 창의적 작품의 준거로 사용한 14개에는 다음 - 23 -
과 같은 것들이 포함되어 있다. 즉 독창성, 발전 가능성(germinal), 변형 가능성(transformational), 적합성(adequate), 적절성, 논리성, 유용성, 가치 성, 매력, 복합성, 우아함, 표현력(expressive), 유기적 조직성(organic) 및 기능적 솜씨(well-crafted) 등이 포함되어 있다. 그리고 작품을 전체적으로 5단계에 따라 평정하게 하고, 나아가 가장 좋은 점, 약점, 및 가장 흥미 로운 잠재적 가능성 등을 간단하게 코멘트하게 되어 있다. 물론 총점이 계 산되지만 작품의 강점과 약점을 함께 사용하면 유용한 피드백이 될 수 있을 것이다(김영채, 1999). 여기서는 14개의 준거 중에서 초파리를 이용한 유전 연구 고안에 적합한 준거만을 선별하여 총합평정 척도(리커트 척도, Likert scale)로 제작하였 다. 창 의 적 연 구 평 가 준 거 준거 점수 5 4 3 2 1 1. 독창성 2. 발전가능성 3. 변형 가능성 4. 적합성 5. 적절성 6. 논리성 7. 유용성 8. 가치성 9. 매력 10. 복합성 11. 우아함 12. 표현력 13. 유기적 조직성 합 계 - 24 -
교육 내용 초파리가 특히 유전 연구에 유리하게 이용될 수 있는 이유 초파리는 약 2주의 짧은 생활사를 가지고 있으며, 번식이 쉽고 알을 많이 낳으며 어떠한 조건에서든 잘 적응한다. 또한 유충의 거대 염색체로 인하여 유전자의 분석이 용이하며, 번식기술의 습득과 돌연변이의 확인이 매우 쉽 다. 즉, 유전학적으로 조절될 수 있는 많은 표현형을 가지고 있다. 예를 들 면 초파리에서 눈의 색깔, 털의 수나 형태, 날개의 모양 또는 시맥의 형태 등을 조절하는 유전자에 대한 돌연변이 형태를 쉽게 볼 수 있다(Robert H. Tamarin, 2005). 20세기 초반에 이루어진 모건(Thomas Hunt Morgan) 실 험실의 노력 덕분에 오늘날 우리는 다른 어떤 동물보다도 초파리의 유전적 특징에 대해 많이 알게 되었다. 하지만 초파리는 발생학의 연구재료로 매우 까다로운 동물이다. 슐츠(Jack Schultz)를 비롯하여 여러 사람들이 초파리의 유전학과 발생을 연관시키려 노력하였지만 초파리 배아는 너무 복잡하고 어려웠다. 20세기 중반 이후 유 전자와 RNA를 확인할 수 있는 분자생물학적인 기술이 발달한 이루에 비 로소 초파리의 유전학과 발생학의 지식이 합쳐지게 되었다. 분자적인 관점 에서 두 분야의 통합은 오늘날의 발생유전학을 확립시켰으며 진화적인 발생 생물학의 토대가 되고 있다(Scott F. Gilbert, 2007). 흰색 눈 초파리의 암컷과 수컷 비율이 다른 이유 수컷 초파리는 어미에게 물려받은 X염색체와 아비에게 물려받은 Y염색체 를 갖고 있다. 암컷 초파리는 X염색체를 두 개 갖고 있다(각각 아비와 어미 에게 물려받은). 눈 색깔을 결정하는 유전자는 X염색체상에 있다. 즉, 수컷 은 눈 색깔에 대한 유전적 지시를 단 하나만 물려받는 반면, 암컷 초파리는 두 가지 지시를 물려받을 것이다. 하얀 눈의 유전지시는 빨간 눈의 지시에 비해 열성이기 때문에, 하얀 눈의 형질이 나타나려면 암컷 초파리는 하얀 눈의 지시를 두 개 받아야 한다(하 나는 아비로부터, 또 하나는 어미로부터). 그러나 수컷 초파리는 어미로부터 하나의 하얀 눈 지시만 받으면 하얀 눈의 형질이 나타난다. 수컷이 한 가지 지시를 물려받을 확률은 암컷이 두 가지 지시를 물려 받을 확률보다 높다. 이것은 마치 동전을 두 번 던지는 것과 비슷하다. 앞면(하얀 눈 지시)이 최소한 한 번 나올 확률은 앞면이 연달아 두 번 나올 확률보다 훨씬 높다. 다시 말해서 암컷보다는 수컷 초파리에서 하얀 눈이 훨씬 많이 나타나게 된다. 유전자가 X염색체에 실려 전달된다면, 열성형질은 X염색체를 하나만 가진 성에서 더 많이 나타날 것이다. 이 논리는 초파리, 새, 나비, 심지어 인간에 - 25 -
게도 성립한다. 예를 들어 19세기에 빅토리아 여왕의 후손 중 많은 사람들이 혈우병이라는 유전병을 앓았는데, 이 병이 나타나는 사람은 대부분 남자였다. 모건은 사람 에게 나타나는 적록 색맹의 유전도 이와 똑같은 유전 패턴을 따른다는 사실 을 깨달았다. 적록 색맹은 여자보다는 남자에게 훨씬 많이 나타난다.(마틴 브룩스, 2002) 호메오 유전자 돌연변이 꿈 많은 미국의 생물학자인 루이스(Edward B. Lewis)는 1940년대에 초파 리의 배아 발생 과정을 연구하는 데 유전적 접근방법을 최초로 선보였다. 루이스는 모의 다른 곳에 여분의 다리와 날개가 생기는 발생학적 결함을 지 닌 괴상한 돌연변이 초파리를 연구하였다. 그는 초파리의 유전자 지도에서 이 돌연변이 유전자의 위치를 확인하여, 발생 이상을 특정 유전자와 연관 지었다. 이 연구는 유전자가 발생 과정을 지시한다는 확고한 증거를 최초로 제공하였다. 루이스가 발견한 호메오 유 전자(homeotic gene)라 불리는 유전자는 후기 배아, 유충 및 성체의 패턴형 성을 조절한다. 개체의 조직과 기관이 모두 특징적인 위치에 놓이게 되는 공간 배열의 형성 과정을 패턴형성(pattern formation)이라고 한다 (CAM PBELL외, 2008). 세포 형태의 발생 운명을 조절하는 이 호메오 유전자의 돌연변이는 한 세 포 형태가 다른 세포 형성의 발생경로를 따르게 한다(Robert H. Tamarin, 2005). 이러한 돌연변이 개체들을 호메오 돌연변이체(homeotic mutant)라 고 하는 데, 이들은 한 세포 유형이 다른 세포 유형으로 가는 발생의 경로 를 가게 된다. 호메오 유전자들은 이전의 체절형성유전자의 발현 양상에 따 라 체절이 어떻게 발생할지를 결정하기 때문이다. 이들 유전자에 돌연변이 가 일어나면, 그 체절의 발생이 보통 앞쪽에 인접한 체절로의 발생으로 전 환된다. 호메오 유전자는 한 세포 분열로부터 그다음 세포 분열로 기억되는 체절의 발생 운명을 결정하기 때문에 메모리 유전자(memory gene)라고도 불린다. 그들은 또한 많은 다른 유전자의 활성을 조절하기 때문에 마스터 스 위 치(m aster switch)라 고 도 불 린 다(Robert H. Tamarin, 2005). 다시말해, 호메오 유전자의 돌연변이는 동물에서 다른 위치에 구조물들이 생기게 한다. 대표적으로 이번 수업에서 살펴본, 머리에 한 쌍의 안테나 대 신에 한 쌍의 다리를 가진 호메오 돌연변이 초파리가 있다(CAMPBELL외, 2008). 초기 배아 발생 중의 패턴형성에 대한 이해는 30년이 지난 후에 독일의 두 과학자인 뉘슬라인-폴하르트(Christiane Nϋsslein-Volhard)와 비샤우스 (Eric Wieschaus)가 초파리의 체절 형성에 관여하는 모든 유전자를 규명함 으로써 가능해졌다. 뉘슬라인-폴하르트와 비샤우스는 초파리 배우자에 영향을 주는 돌연변이 화학물질을 초파리에 처리하여 체절 형성 유전자를 찾기 시작하였다. 이러 - 26 -
한 연구방법을 통해 배아 발생 중 패턴형성에 필수적인 약 1,200개의 유전 자를 동정하였다. 이들 중 약 120개는 정상적인 체절 형성에 필수적인 것이 었다. 뉘슬라인-폴하르트와 비샤우스의 결과와 루이스의 초기 업적을 합쳐 초파리 발생에 대한 일목요연한 영상이 나오게 되었다. 이 세 명의 과학자 들은 그들의 업적을 인정받아 1995년에 노벨상을 수상하였다(CAMPBELL 외, 2008). 노랑초파리(Drosophila melanogaster)에서 알려진 2개의 중요한 호메오 유 전자 복합체는 루이스(E.Lewis)와 호그네스(D.Hogness)에 의해 폭넓게 연 구된 바이토락스 복합체(bithorax complex, BX-C)와 게링(W.Gehring)과 카우프만(T. Kaufman)에 의해 연구된 안테나 복합체(Antennapedia complex, ANT-C)이다(이 두 지역을 합쳐서 Hom-c 지역이라고 부른다). ANT-C 복합체에 위치한 유전자들은 머리와 가슴 앞부분 등 초파리 앞부 분 발생을 조절하고, BX-C 복합체에 위치한 유전자들은 가슴 뒷부분과 복 부 등 초파리 뒷부분의 발생을 조절한다. 이들 복합체에 있는 유전자들의 돌연변이는 초파리의 모든 부분에서의 발생 운명을 변화시킬 수 있다. (Robert H. Tamarin, 2005). - 27 -
참고자료 조희형, 최경희. (2008). 과학교육의 이론과 실제. 교육과학사. 김영채. (1999). 창의적 문제해결 : 창의력의 이론, 개발과 수업. 교육과학 사. 심규철, 여성희, 김용진, 황의욱, 안필헌, 이일규. (2012). 생명과학Ⅱ 교사 용 지도서. 비상교육. 심규철, 여성희, 김용진, 황의욱, 안필헌, 이일규. (2012). 생명과학Ⅰ 교사 용 지도서. 비상교육. 권재술, 김범기, 우종옥, 정완호, 정진우, 최병순. (2007). 과학교육론. 교육 과학사. 문태주, 최승규, 김승수, 김미경. (2010). 생명과학 실험. 서울특별시교육청. 조너던 와이너 저. (2007). 초파리의 기억(조경희 역). 이끌리오. 마틴 브룩스 저. (2002). 20세기 유전학의 역사를 바꾼 초파리(이충호 역). 이마고. 전현진. (2006). 창의적 문제해결 모형을 이용한 식물호르몬 수업 프로그램 의 개발 및 적용. 한국교원대핚교 교육대학원 석사학위 논문, 정현철, 서혜애, 황동주, 박영신, 유효숙, 장윤혜, 강필원, 권덕기. (2007). 비슷한 잎사귀들! 내 너희들을 정량적으로 구분해주마!. 한국교육개발원. 정현철, 서혜애, 황동주, 박영신, 유효숙, 장윤혜, 김수기, 권덕기. (2007). 우리가 먹은 음식은 얼마나 빨리 소화되어 흡수될까?. 한국교육개발원. - 28 -