[일반생물학실험]세포 관찰

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

생물의 세계에는 두 종류의 세포, 즉 원핵세포(prokaryotic cells)와 진핵세포(eukaryotic cells)가 있다. 원핵세포는 원시적이며 진핵세포와 비교하면 상대적으로 단순하고 매우 작다. 박테리아나 고대박테리아의 세포가 원핵세포이다. 진핵세포는 원핵세포보다 조금 더 발전되었으며 더 복잡하고 훨씬 크기가 크며 원생생물과 균류, 식물, 동물을 구성하는 세포이다. 진핵세포는 세포 내부에 핵과 특정한 기능을 위해 특수화된 막으로 둘러싸인 매우 작은 구획인 세포소기관을 가지고 있다는 것이 가장 뚜렷한 특징이다. 원핵세포는 핵(nucleus)과 막으로 둘러싸인 세포소기관(organelles)이 없다.

진핵세포의 대표적인 두 갈래는 동물세포와 식물세포이다. 동물세포와 식물세포에는 공통적으로 핵, 원형질막, 리소좀, 리보솜, 소포체, 골지체, 세포골격 요소들(미세섬유, 중간섬유, 미세소관), 미토콘드리아가 포함되어 있다. 엽록체, 세포벽, 중심액포는 식물세포에만 있고 동물세포에는 없는 세포소기관이다. 엽록체에서는 빛과 이산화탄소, 물을 이용하여 에너지를 저장하는 기관이다. 세포벽은 셀룰로오스로 구성되어 원형질막을 둘러싸는 두꺼운 벽이다. 중심액포는 색소를 포함한 여러 분자를 함유하고 있으며 세포의 내부 압력을 유지하여 식물의 지지를 돕는다. 반면 동물세포에만 있고 식물세포에는 없는 중심소체는 미세소관계의 조직화를 돕는 구조이다.

세포 소기관을 잘 관찰하기 위해서는 염색액이 필요하다. 염색액은 산성과 염기성으로 나뉘는데, 산성 염색액은 물에 녹아 음전하를 띤 부분이 양전하를 띤 세포 소기관과 결합하여 색을 나타낸다. 염기성 염색액은 물에 녹아 양전하를 띤 부분이 음전하를 띤 세포 소기관과 결합하여 색을 나타낸다. 메틸렌블루와 아세트산카민은 모두 염기성 염색액이며, 주로 RNA, DNA와 같은 음전하를 띤 분자에 결합하여 색을 나타낸다. 따라서 DNA가 존재하는 핵과 RNA가 많이 위치한 조면소포체 등을 관찰할 수 있다.

동물세포

식물세포

현미경(microscope)은 작은 물체를 크게 보여주는 정밀한 도구이며 세포나 조직, 작은 생물을 연구하는 데 필수적인 도구이다. 현미경은 렌즈부, 조절이 가능한 광원, 그리고 렌즈와 관찰할 물체 사이의 거리를 조절할 수 있는 기계부로 구성되어 있다. 경주는 재물대와 렌즈부, 조절장치를 지지하는 기둥이다. 재물대는 관찰할 슬라이드를 올려놓는 납작한 판이고, 재물대집게로 슬라이드를 고정하고 재물대조절장치로 슬라이드를 정확하게 움직일 수 있다. 

조리개는 집광기에 내장되어 있으며 렌즈로 들어가는 빛의 양을 조절한다. 접안렌즈는 경통의 위쪽 끝부분에 있고 눈과 바로 닿는 렌즈이다. 대물렌즈는 슬라이드 바로 위에 있는 렌즈이다. 접안렌즈는 대개 10배의 배율을 가지며, 대물렌즈의 배율은 4, 10, 40배의 세 종류가 있다. 전체배율은 접안렌즈와 대물렌즈의 배율을 곱한 값이다.

본 실험에서는 광학 현미경을 이용하여 표본슬라이드를 관찰하면서 현미경 사용법을 익히고, 양파표피세포와 구강상피세포의 프레파라트를 직접 만들고 이를 현미경으로 관찰한다. 관찰을 통해 세포를 구성하는 세포 소기관들의 형태와 위치 등을 파악하고, 세포들을 비교하여 공통점과 차이점을 알아낸다.

 

2. 3 domain system

현대 종들은 도메인(domain)이라고 불리는 세 개의 큰 그룹으로 나누어진다. 각 도메인은 세포구조의 유사성을 기준으로 나누어지며, 도메인은 더 작은 그룹인 생물계(kingdom)로 나누어진다. 도메인은 각각 세균도메인, 고세균도메인, 진핵생물도메인으로 분류되며, 진핵생물은 원생생물계, 동물계, 식물계, 균계로 다시 나누어지며, 거의 대부분의 생물이 포함되어 있다. 세균은 펩티도글리칸을 함유하는 세포벽을 갖는 원핵생물로, 대부분 양분을 직접 생산하는 것을 비롯한 다양한 생활 양식을 가진다. 고세균은 펩티도글리칸이 없으며, 유전체 구성과 조절에서 진핵생물과 유사한 원핵생물이다. 고세균의 많은 종은 극한 환경에서 살아간다.

50년 전, 대부분의 생물학자는 생물을 두 종류로 구분하였는데, 이동할 수 없고 자신의 양분을 직접 만드는 식물과 이동할 수 있고 다른 생물에서 양분을 얻는 동물로 나누었다. 그러나 많은 생물이 이 확연한 구분에 들어맞지 않음이 밝혀지면서 과학자들은 생물을 세포형과 에너지 획득방법에 따라 구분하는 5 생물계 체제를 사용하게 되었다. 5 생물계는 단세포 생물 그룹, 원생생물계, 식물계, 동물계, 균계로 구성된다. 최근에 들어서는 많은 생물학자들이 생물 사이의 진화적 관계를 따르는 것이 생물을 분류하는 가장 적절한 방법이라고 주장한다. 

진화설에 의하면 모든 현대 생물은 단일 공통조상의 자손인데, 초기 조상으로부터 다양한 현대 생물종으로의 분기 과정 결과는 현대 “계통수”를 이룬다. 현대에 와서는 생물의 DNA를 이용하여 생물을 분류하는데, 이를 통해 3개의 생물계(균계, 식물계, 동물계)는 비교적 최근에 분지된 생물임이 밝혀졌다. 단세포 생물 그룹은 과거에 한계로 구분되어 있었으나 현재는 상당히 다르고 독특한 두 개의 그룹, 고세균계와 세균계로 구분된다. 이런 생물학적 관계를 보다 잘 반영하기 위해 일부 과학자는 생물을 세균, 고세균 및 진핵생물의 3개 도메인으로 분류한다. 이 도메인들은 생물의 가장 오래된 분기를 나타낸다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 광학현미경, 표본슬라이드, 면봉, 슬라이드글라스, 커버글라스, 아세트산카민 용액

2) 메틸렌블루 용액, 스포이트, 여과지, 핀셋, 양파,

실험 방법

실험 1. 표본슬라이드 관찰

1) 광학현미경의 재물대에 표본슬라이드를 올려놓고 현미경의 광원을 켰다.

2) 초점을 맞추기 위해 일단 가장 낮은 배율의 대물렌즈로 맞춘 후 조동 나사를 움직여 재물대를 최대한 위쪽으로 올렸다.

3) 그리고 조동 나사로 먼저 대략적인 상의 위치를 찾은 후, 미동 나사를 천천히 움직이면서 초점이 맞는 곳을 찾았다.

4) 상이 나타나지 않을 때는 프레파라트의 상하좌우 위치를 바꾸어서 관찰했다.

5) 원하는 상을 얻으면 더 높은 배율의 대물렌즈로 바꾸어 관찰했다.

6) 광원을 촬영하기 적절한 밝기로 조정한 후 얻은 상들을 촬영하고 분석했다.

 

실험 2. 구강상피세포 관찰

1) 면봉으로 입 안을 긁어서 상피세포를 떼어낸 후 슬라이드글라스 위에 골고루 묻혔다.

2) 증류수를 그 위에 1방울 떨어뜨린 후 커버글라스로 덮었다.

3) 메틸렌블루 용액을 커버글라스 바로 옆에 한 방울 떨어뜨리고 커버글라스 아래로 스며들게 했다.

4) 밖으로 나온 용액은 여과지로 제거하고, 커버글라스 아래에 남아있는 기포는 깨끗한 면봉으로 살짝 눌러주어 빠져나가게 했다.

5) 그리고 실험1과 같은 방법으로 광학현미경을 이용하여 관찰하고 촬영했다.

 

실험 3. 양파표피세포 관찰

1) 준비된 양파 조각을 가로, 세로 각각 0.5㎝ 정도가 되게 자른 후 핀셋을 이용하여 안쪽의 표피를 뜯어냈다.

2) 슬라이드글라스 위에 물을 한 방울 떨어뜨리고 표피를 펴서 올려놓았다.

3) 커버글라스를 덮고 한쪽에서 아세트산카민 용액을 한 방울 떨어뜨리고 커버글라스 아래로 스며들게 했다.

4) 여과지로 새어나온 용액을 제거하고, 기포를 눌러서 제거한 후 실험1과 같은 방법으로 광학현미경을 이용하여 관찰하고 촬영했다.

실험 결과

1. 결과 분석 

Zeiss-20 현미경을 이용하여 아래의 생물들을 관찰하였다.

1) 실험 1. 표본슬라이드 관찰

냉이배아세포 400x

냉이배아세포 100x

양파표피세포 40x

 

2) 실험 2. 구강상피세포 관찰

40x

400x

푸르게 염색된 것이 세포이다. 세포들을 둘러싼 선은 기포인 것으로 보인다.

3) 실험 3. 양파표피세포 관찰(컴퓨터로 촬영)

40x

100x

 

4) 각 세포의 특징

구강상피세포 Oral smear w.m.	세포들이 불규칙한 모양을 가진다. 세포들이 일정하게 배열되어 있지 않다. 핵과 세포막, 세포질을 관찰할 수 있었다.
양파표피세포	세포들이 규칙적인 모양을 가지고 모두 붙어 있다. 세포들은 모두 납작하고 긴 모양을 하고 있다. 세포 안에 수많은 검은 점들이 보인다. 핵과 세포막, 세포질, 세포벽을 관찰할 수 있었다.
냉이배아세포 Shepherd’s Purse Mature Embryo Capsella I.s.	세포들이 규칙적인 모양을 가질 뿐만 아니라 세포 내부도 모두 유사한 구조를 가진다. 성숙한 구강상피세포나 양파표피세포는 세포질이 대부분을 차지하는 반면에 냉이배아세포는 떡잎 등으로 채워져 있다. 여러 겹의 막이 세포를 둘러싸고 있다.

토의 사항

1. 실험 고찰

실험 1의 냉이배아세포의 경우 다른 성숙한 세포들과는 다르게 훨씬 더 복잡한 구조가 눈에 띄며 성숙한 세포들과는 구조가 다르다. 배아세포는 앞으로 개체 전체를 만들어 내야 하기 때문에 훨씬 더 많은 양분과, 특정 조직계의 기초가 되는 구조들이 존재해야 하기 때문이라고 생각한다.

실험 3의 컴퓨터로 촬영한 양파표피세포에서는 세포 안에 있는 수많은 검은 점들을 볼 수 있었다. 관찰할 수 있는 것으로 보아, 이 점들도 아세트산카민으로 염색되어 있다고 추측된다. 아세트산카민은 염기성 염색액이므로 음전하를 띤 DNA, RNA가 주로 염색된다. DNA는 주로 핵 내부에 있으므로, 검은 점들은 RNA가 염색되었다고 할 수 있다.

RNA가 주로 분포하고 있는 곳은 단백질이 합성되는 리보솜이므로 검은 점들은 리보솜을 나타낸다고 예상된다. 그리고 핵 근처에 분포하는 검은 점들은 조면 소포체에 붙어 있는 부착리보솜이고, 핵과 멀리 떨어져 있는 점들은 세포질을 떠다니는 자유리보솜일 것이다. 이외에도, 미토콘드리아나 엽록체도 자체 DNA를 가지고 있으므로 검은 점들은 미토콘드리아나 엽록체에 있는 것일 수도 있다.

스마트폰으로 촬영한 사진 중 일부는 초점이나 밝기 등이 잘 맞지 않아 세포의 구조를 명확하게 볼 수가 없었다. 그러므로 현미경에 부착시키는 카메라를 사용하거나 모든 프레파라트를 컴퓨터에 연결된 현미경으로 촬영하면 더 명확한 세포 사진을 얻을 수 있고, 세포 소기관을 잘 구별할 수 있을 것이다. 또한, 프레파라트를 만들 때, 기포가 생기지 않도록, 그리고 세포가 여러 겹으로 겹치지 않도록 만들면 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다.

양파세포의 모양이 구강 상피세포보다 더 규칙적으로 배열되어 있는 이유

양파 세포와 같은 식물세포는 동물세포가 갖고 있지 않은 단단한 세포벽을 갖고 있다. 이 세포벽은 식물세포를 규칙적으로 배열되게 하고 식물의 구조를 지지해 준다.

참고 문헌

1. Stanley E. Gunstream, 기초 생물학 실험서, 11/ed., 2008, 바이오사이언스, pp.25-34.

2. Colleen Belk & Virginia B. Maier, 생활속의 생명과학, 3/ed., 2011, 바이오사이언스, pp.314-321