[일반생물학실험] 세포의 크기와 확산과의 관계

실험 목적

1. 확산을 통한 겉넓이와 체적비에 따른 흡수율의 상관관계를설명할 수 있다.

2. 세포들이 대부분 작은 크기로 이루어져 있는 이유를 실험과 관련하여설명할 수 있다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 300㎖ 비이커에 고형화 시킨 3% 한천(페놀프탈레인 포함)

2) 1% 수산화나트륨 수용액, 핀셋, 비닐장갑, 칼, 자

 

실험 방법

1. 한천 입방체 내부로의 확산

① 3% 한천-페놀프탈레인 고형물을 한변의 길이가 각각 1, 2, 3㎝인 정육면체로 자른다.

② 남은 한천-페놀프탈레인 고형물은 수산화나트륨 수용액에 충분히 잠기도록 담근다. 담근 시간대를 달리하면서 가장 비교하기 쉬운 시간대를 조별로 결정한다.

③ 결정된 시간 동안, 정육면체로 잘라진 입방체를 수산화나트륨 수용액에 충분히 담근다.

④ 주기적으로 각각의 입방체에 수용액이 고르게 흡수될 수 있도록 수산화나트륨 수용액을 저어준다.

⑤ 입방체를 꺼내어 습기를 닦아내고 반으로 잘라 수산화나트륨의 확산 정도를 측정하고, 확산거리, 확산 부피를 계산한다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

협의 주제	결정 사항 및 그렇게 결정한 이유
한천 입방체를 담근 시간	5 분, 11분 - 확산이 한천 중심까지 도달하지 않으면서 식별하기에 충분한 두께가 나오는데 걸리는 시간이라고 생각하였다.

 

2. 겉넓이와 체적의 비에 대한 단위 시간 당 흡수율 비교

1) 5분동안 담갔을 때

측정요소 입방체	겉넓이(㎠)	체적(㎤)	겉넓이/체적	흡수된 정도(㎝)	흡수된 부피	전체 체적에 대한 흡수율
1	6	1	6	0.3	0.936	0.936
2	24	8	3	0.3	5.256	0.657
3	54	27	2	0.3	13.176	0.488

2) 11분동안 담갔을 때

측정요소 입방체	겉넓이(㎠)	체적(㎤)	겉넓이/체적	흡수된 정도(㎝)	흡수된 부피	전체 체적에 대한 흡수율
1	6	1	6	0.4	0.992	0.992
2	24	8	3	0.4	6.272	0.784
3	54	27	2	0.4	16.352	0.606

토의 사항

1. 수산화나트륨 수용액이 한천 입방체 사이로 확산해 들어간 것을 어떻게 확인할 수 있는가? 그 원리에 대해 설명해 보자.

한천에 페놀프탈레인을 녹여서 다시 굳혀 3% 한천-페놀프탈레인을 만들어 놓았다. 이 한천조각에 수산화나트륨이 확산되어 들어가면, 페놀프탈레인과 반응하여 붉은색을 띠게 된다. 한천조각을 수산화나트륨 수용액에 담가 수산화나트륨을 충분히 흡수시킨 뒤, 꺼내서 습기를 닦아내고 확산 면에 수직하게 자른다. 자른 단면에서 한천 조각이 붉게 변한 부분이 수산화나트륨 수용액이 확산되어 들어온 부분이다.

 

2. 한천입방체가 살아있는 세포이고 수산화나트륨 수용액이 생명 유지를 위한 물질이라면 부피에 대한 표면적의 비율이 가장 효율적인 것은 어느 것인가?

부피에 대한 표면적의 비율이 가장 효율적인 것은 겉넓이/체적 값이 6으로 가장 큰 것이다. 표를 보면 겉넓이/체적 값이 클수록 전체 체적에 대한 흡수율이 커진다. 이를 통해 부피가 작은 세포일수록 전체 체적에 대해 물질대사를 더 많이 할 수 있다.

 

3. 입방체 형태의 세포가 세포분열을 해서 정확히 둘로 갈라졌을 때, 한 개의 큰 세포와 두 개의 작은 세포 각각의 부피와 표면적의 변화는?

입방체 형태의 큰 세포가 둘로 갈라지면, 부피는 1/2가 된다. 그 입방체의 한 변의 길이는 (1/2)1/3배가 된다. 그럼 작은 세포의 표면적은 큰 세포 표면적의(1/2)2/3배가 되고, 겉넓이/체적 값은 21/3배가 된다. 세포의 크기가 작아질수록 표면적/체적 값이 커져 세포의 물질교환을 원활하게 할 수 있음을 이론적으로도 알 수 있다.

 

4. 세포의 성장속도는 세포가 성장함에 따라 어떻게 달라질지 예상해 보자.

세포의 크기(길이단위)가 커질수록 세포의 성장속도는 느려진다. 세포가 성장하여 부피가 커지면, 위에서 본 것 과 같이 겉넓이/체적 값이 작아져 전체 체적에 대한 흡수율이 작아지게 된다. 그러면 체적에 대해 물질교환을 잘 하지 못할 것이고, 세포가 성장하는데 필요한 물질들도 얻기 힘들어질 것이다. 또 체적에 대한 물질대사량이 줄어들어 세포의 성장속도가 느려지게 되는 것이다.

 

5. 이 실험을 토대로 하여 세포분열은 왜 일어나는지 설명해 보자.

생명이 성장할 때, 세포는 영양분들을 흡수하여 성장한다. 그런데 세포의 크기가 어느 정도 이상으로 커지게 되면 표면적 대 체적의 비가 작아지게 되어 세포 전체 체적에 대한 물질교환율이 작아진다. 세포의 물질 교환이 잘 일어나지 않으면, 세포 내에서 단백질을 만들고, 내포 외포작용을 하고, 에너지를 만드는 등 물질 대사를 하는데 이러한 작업이 수행되는데 걸리는 시간뿐만 아니라, 소모되는 에너지도 커지게 되어 세포의 물질대사가 비효율적으로 수행된다. 세포는 이를 방지하고, 효율적인 대사를 하기 위해 세포분열을 하여 표면적 대 체적 비를 늘려 물질교환율의 최적화를 도모한다.

 

6. 이 실험모델을 실제 세포에 적용시킬 경우 장점과 단점에 대해 생각해 보자.

실제 세포는 모양이 불규칙적인데 비해 실험에서는 정육면체모양의 한천조각으로 실험하였다. 또, 세포는 단순 확산 말고도 촉진 확산, 능동 수송 등 다른 물질교환방식을 가지고 있고, 이에 대해서는 고려할 수 없었다. 하지만 이 실험모델에서는, 한천-페놀프탈레인 고형물을 수산화나트륨 수용액에 담가 확산정도를 쉽게 뚜렷이 측정할 수 있었고, 전문기기를 사용하지 않고도 저렴하게 실험할 수 있다.

 

7. 결론

한천-페놀프탈레인 고형물을 굳힐 때, 구형으로 굳혀서 구형 세포 와 비슷한 모습으로도 해보고 싶다. 또, 조각을 자를 때, 면도칼에 수산화나트륨이 묻어 자른 단면이 염색되지 않게 조심해야 하고, 확산 면에 수직하게 잘라서 정확한 확산 길이를 측정하도록 노력해야 할 것이다.