[식물생리학실험]수분퍼텐셜(Water Potential) 1부

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

삼투현상이란 물이 확산되는 과정의 하나로 반투막(선택적 투과막)으로 막혀 있는 두 공간 사이에서 생기는 것이다. 여기서 반투막은 물과 같은 작은 분자들은 반투막 사이의 공간을 통해 이동할 수 있지만 반투막의 공간 보다 큰 용질들은 이동을 하지 못하게 하는 역할을 한다. 모든 세포들은 이 반투막과 같은 기능을 갖고 있어 선택적인 물질의 이동을 조절할 수 있는 것이다. 그리고 이런 삼투현상이 일어날 때, 반투막은 압력을 받게 되는데, 반투막의 단위 면적당 받는 압력을 바로 삼투압(π)라고 하는 것이다.

삼투현상 시 발생하는 삼투압의 크기는 용액에서의 용질의 농도와 상관성을 갖지만 독립된 용액은 삼투압이 존재하지 않는다. 이 경우는 삼투압을 측정하기 위한 실험적 상황에서만 압력으로 표현되는 값을 갖는다. 이 때 나타나는 값(potential)이 바로 삼투포텐셜(ψπ)이 되는 것이다. 삼투포텐셜은 삼투압에 대하여 음의 값을 갖는 것으로 정해져 있다. 이것은 삼투포텐셜이 삼투압과 절대값은 같지만 반대되는 힘을 갖기 때문이다.

이런 삼투포텐셜은 결국 물의 화학포텐셜을 의미하는 water potential1)(ψω)과 관계가 되는데, water potential이란 삼투압포텐셜(ψπ)2)과 압력포텐셜(ψp)3), 중력포텐셜(ψg)4)의 합이 되는 것이다. 여기서 중력포텐셜은 그 값이 매우 작아서 water potential을 구할 시 계산에서 제외된다. 결국 water potential을 구하는 식은 ψω = ψπ + ψp과 같다. 이렇듯 water potential은 압력포텐셜과 삼투포텐셜에 의해 결정돼 양의값이나 음의값을 모두 갖을 수 있지만 대기압에서의 순수한 물의 water potential을 0으로 정했으므로 모든 식물의 water potential 값은 언제나 음의 값이다. water potential은 식을 보면 알 수 있듯이 삼투포텐셜이나 압력포텐셜의 변화에 water potential 값이 영향을 받는다.

만약 제한된 공간 안에 어떤 용액에 용질이 용해되면 그 용액의 삼투포텐셜은 순수한 물에 비해 낮아진다. 그러므로 그 용액과 순수한 물이 반투막을 경계로 위치해 있다면 순수한 물이 반투막을 넘어 반대편 용액으로 확산 되어가게 된다. 그러면 순수한 물이 넘어와 부피가 더 커진 용액은 그 용액이 담긴 공간에 수압이 형성되어 양수값을 갖는 수압(압력포텐셜)이 음수값을 갖는 삼투포텐셜과 완전히 상쇄되면 그 용액으로 넘어오는 순수한 물은 확산을 멈추고 그 용액의 water potential은 0이 된다. 이 때, 삼투포텐셜은 용액 내의 용질 농도에 의해 좌우되므로 평형 상태에서는 용액의 삼투포텐셜이 처음 보다 높아진 상태가 된다.

이런 현상과 관련해 식물 내 세포와 조직에서의 물의 이동을 분석할 수 있다. 식물 세포에서 원형질 분리가 시작되는 시점은 원형질체가 cell wall에 아무런 압력을 주지 않고도 분리가 일어나는 때로 팽압(ψp)은 0이고, 세포의 수분포텐셜(ψω)은 세포의 삼투포텐셜(ψπ)과 같은 상태인 것이다. 세포가 hypotonic한 물과 같은 것에 잠기면 물의 확산은 water potential이 낮은 세포 쪽으로 일어나게 될 것이고 이를 통해 액포 안의 내용물들이 희석되어 팽압이 형성되는 것이다.

세포의 삼투포텐셜이 세포 내의 팽압과 같아질 때, water potential은 0이 되고 수분의 이동도 멈추는 것이다. 반면 세포가 hypertonic한 용액에 잠기게 되면 세포의 water potential 기울기에 의해 물이 세포 밖으로 빠져나가게 되고 원형질체는 세포벽으로부터 떨어져 나가게 된다(원형질 분리). 수분의 유실은 결국 액포의 내용물들의 농도를 증가시켜 삼투포텐셜을 낮추게 되고 팽압은 0상태가 되어 water potential은 세포의 삼투포텐셜에 의해 결정되게 된다.

본 실험에서 사용되는 constant volume method의 경우, 평형상태에서의 △ψ=0 이기 때문에 어느 곳에서도 같은 값을 갖게 되고 식물체를 밀폐된 계에 넣고 평형상태가 될 때까지 기다리면 ψ 값이 모두 동일해지는 원리를 이용한 것으로, 대상이 되는 조직 일부를 농도를 아는 어떤 용액들에 넣어 평행에 이르게 할 때까지 기다린 후, 조직의 부피 변화를 통해 water potential을 판단하게 된다. 이 것 외에도 chardakov method와 증기압 방법 등이 있다. 그 중 chardakov moethod는 농도를 이용한 방법으로 삼투에 의해 물이 식물 조직으로 들어가거나 혹은 용액으로 나올 때에 용액의 매우 좁은 영역에서 농축되고 희석되어 과정에서 밀도변화기 일어나고 이 변화를 특이적인 방법을 통해 알아내는 실험법이다.

주.

1) water potential:반투과성 막을 사이에 두고 한쪽에는 물, 다른 쪽에는 삼투압을 갖는 용액이 있을 때, 물이 용액 쪽으로 이동하는 것을 말한다. 식물체에서는 수분을 이동시키는 원동력이다.

2) 농도(삼투) 포텐셜: 물은 항상 농도가 낮은 쪽에서 농도가 높은 쪽으로 이동한다. 식물에 물을 주면 땅속에 스며든 물이 뿌리로 이동하는 것이다. 또, 배추를 소금에 절이면 배추의 수분이 밖으로 빠져나온다.

3) 압력 포텐셜: 팽압을 나타낸다. 팽압은 세포 내부의 삼투압과 외부의 삼투압의 차이이다.

4) 중력 포텐셜: 중력포텐셜은 위치에너지를 말한다. 중력 포텐셜의 예는 뿌리에서 흡수된 물이 물관을 통해 나무 꼭대기까지 이동하는 것이다. 수분이 식물 전체에 골고루 전달되기 위해선 뿌리보단 줄기가 줄기보단 잎이 중력 포텐셜이 크다.

2. 실험 요약

본 실험에서는 감자 조직에서 water potential을 구하기 위해 constant volume method와 chardakov method를 이용해 값을 구해보고 비교해보았다. 먼저 감자조직의 부피를 이용한 constant volume method는 5번 cork borer로 만든 cylinder 형태의 감자조각을 2cm로 썰어 30개 준비해 이것을 3개씩 각각 0.05m, 0.10m, 0.15m, 0.50m, 0.25m, 0.30m, 0.35m, 0.40m, 0.45m, 0.50m sucrose용액에 넣어 약 2시간 정도 삼투평형을 이루게 하고 삼투평형이 일어나기 전과 후의 감자조각의 무게를 측정하였다. 그리고 처음 무게에서 변화한 정도(%)를 구해서 sucrose 용액의 농도와의 관계 함수를 구해 이 함수의 절편값인 0.31mol/L H2O를 알아냈고 이것을 삼투포텐셜 공식에 넣어 감자 조직의 삼투포텐셜이 -0.768Mpa라는 것을 구했다.

또한 chardakov method를 이용해서도 삼투포텐셜을 구했는데, 첫 번째 실험과 마찬가지로 감자 조각 30개와 0.05m, 0.10m, 0.15m, 0.50m, 0.25m, 0.30m, 0.35m, 0.40m, 0.45m, 0.50m sucrose용액을 각각 준비해 이번에는 두개의 실험관에 각각 담는다. 하나의 실험관에는 감자조각들을 3개씩 넣고 나머지 실험관에는 Janus green B라는 dye를 넣는다. 30분 정도 지난 뒤, 감자조각들을 실험관에서 빼내고 Janus green B가 섞인 용액을 각각 dye가 섞인 용액과 같은 sucrose 농도를 가진 용액에 pipet으로 중간 지점에 조심스럽게 넣어준다.

그 후, 방출된 용액의 이동경향을 잘 관찰하여 어느 농도에서 용액이 멈췄는지를 확인한다. 용액이 멈춘 농도는 0.25m과 0.30m였고 이것의 삼투포텐셜 값은 -0.619Mpa와 -0.743Mpa였다. 따라서 두 경우를 비교해본 결과 constant volume method가 값이 상대적으로 큰 것(농도)을 알 수 있었으나 constant volume method의 경우 최종 무게에서 물기를 제거하는 과정에서 필연적으로 오차가 생길 수 밖에 없으므로 Fig 2.와 같이 무게측정에서 임의적으로 더해졌을 거라고 예상되는 무게(0.05g)를 각각 빼준 경우 그래프가 왼쪽으로 이동해 X절편값이 0.285m로 chardakov method의 측정값과 비슷해지는 것을 확인할 수 있었다.

실험 방법

실험은 두 가지 방식 통해 수분 포텐셜을 측정하게 되는데, 첫 번째 방식은 constant volume method를 이용한 측정방식이고 두 번째 방식은 러시아의 chardakov가 개발한 chardakov method라는 방식을 통해 측정하게 된다.

1. Constant volume method

1) 먼저 1m sucrose 용액을 0.05m, 0.10m, 0.15m, 0.20m, 0.25m, 0.30m, 0.35m, 0.40m, 0.45m, 0.50m로 희석 시켜 하나의 용액 당 40㎖가 되게 만든다(원래는 m이지만 M으로 구함. 용질농도 적을 경우 상관없음).

1) 그리고 cork borer를 감자에 밀어넣어 감자 속으로 이뤄진 cylinder를 만들어 면도날로 2cm의 크기로 정확하게 자른다.

2) 그 후, 수부증발을 막기 위해 핀셋으로 얼른 잘려진 감자조각을 집어 밀페 된 용기 속에 집어넣는다. 그렇게 약 30개의 감자조각을 만들어 용기 속에 넣어둔다.

3) 준비된 감자조각들을 3개씩 꺼내어 무게를 정밀하게 측정하고 기록한 뒤, 바로 0.05m sucrose 용액에 넣는다. 이런 식으로 총 10개의 sucrose 용액에 감자조각을 3개씩 집어넣고 2시간 정도 동안 감자 내부와 용액이 삼투평형을 이루도록 기다린다.

4) 2시간이 지나면 감자조각을 용액으로 끄집어내어 여과지에서 표면의 용액을 적당히 제거한 후 무게를 바로 측정한다.

5) 그리고 10개의 sucrose 용액에 들어있던 감자조각의 무게의 변화를 계산하는데, 감자조각의 무게변화 %는 감자조각들(3개)의 최종무게에서 처음에 쟀던 무게를 뺀 뒤, 처음무게로 다시 나눠 100을 곱해주면 된다.

6) 그 후, 각 농도의 sucrose 용액의 ψπ (삼투포텐셜)을 구한다. 삼투포텐셜 관련 식은 Ψπ = -miRT로 여기서 m은 용액의 molality이고 i는 이온상수, R은 기체상수, T는 절대온도이다.

 

2. Chardakov method

1) 첫 번째 실험과 같이 0.05m, 0.10m, 0.15m, 0.20m, 0.25m, 0.30m, 0.35m, 0.40m, 0.45m, 0.50m sucrose용액을 40㎖ 씩 희석시켜 만든 뒤, 각 용액 별로 20㎖씩 다른 시험관에 나눠 담는다.

2) 그리고 마찬가지로 cork borer를 이용해서 감자조각을 2cm크기로 잘라 30개의 감자조각을 얻는다.

3) 그 조각들은 모두 수분이 날아가지 않게 밀폐된 용기에 담아 뒀다가 준비된 각 농도별 20㎖시험관 10개에 감자조각 3개씩을 넣는다.

4) 그 후, 감자가 담기지 않은 20㎖ 농도별 시험관에는 Janus green B라는 분말 상태의 dye를 아주 조금(pipet 끝 부분에 미량으로 묻혀) 넣어 용액이 푸른색을 띄도록 잘 섞어준다.

5) 감자조각을 넣고 30분이 지났으면 각 시험관들에서 감자조각들을 제거하고 각 시험관들을 순서대로 일렬로 배치해 수면이 잠잠해질 때 까지 기다린다.

6) 그 후, Janus green B를 넣은 용액을 각 시험관에 pipet을 통해 미량만 넣어주게 되는데, 여기서 각 용액 별로 같은 농도가 되는 시험관 끼리 넣어줘야 한다. dye가 섞인 용액을 감자조각이 들어있던 같은 농도 였던 시험관에 넣어줄 때, pipet을 최대한 조심스럽게 시험관의 가운데 부분까지 집어넣어 dye용액을 살짝 분주해주고 아주 천천히(dye 용액이 인위적으로 딸려오지 않게) 용액 밖으로 pipet을 빼준다.

7) 그 후, 넣어준 dye 용액의 움직임을 관찰하는데, dye 용액 방울이 정지했을 지점을 추정하여 감자조직의 농도를 판단하게 된다. 즉, dye 용액 방울이 시험관 중간에서 정지해있는 sucrose용액 농도를 Ψπ = -miRT에 대입하여 감자 조직의 ψ를 판단하는 것이다.

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