[일반생물학실험]Osmosis and Plasmolysis

실험 목적

1. 세포를 고장액, 등장액, 저장액에 노출시켰을 대 삼투압에 의해서 나타나는 현상을 관찰한다.

2. 삼투압에 따른 세포의 변화를 관찰해보고, 삼투압이 생명에 미치는 영향에 대해 생각해 본다.

실험 이론 및 원리

1. 서론

생명의 기본 단위인 세포(cell)는 그의 생존에 필요한 구조와 분자 구성물을 포함하고 있으며 이 안에서 세포는 원료를 취하고 에너지를 추출하고, 그 자체의 분자를 합성하고, 유기적 형태로 생장하고, 환경으로부터의 자극에 반응하며, 스스로 증식하게 된다. 이러한 정교한 생명 과정이 일어나기 위해서 생명에 필수적인 물질은 지속적으로 흡수하고 대사 노폐물은 방출하는 작용이 필요하다. 이렇게 세포에서 방출되거나 흡수되는 물질은 원형질막(plasma membrane)을 통과해야만 한다. 

원형질막이 흔히 살아 있는 막으로 일컬어지는 것은 이 막을 통한 수송이 매우 선택적이며 세포로의 물질 이동이 섬세한 조절을 받기 때문일 것이다. 물질이 막을 통과할 수 있는 정도를 막의 투과성(permeability)라고 정의 할 때 원형질막은 어떤 물질에 대해서는 더 투과성이 높기 때문에 선택적 투과성(selective permeability)을 갖는다고 한다.

원형질막에 의한 물질의 출입은 많은 요인에 의해 영향을 받지만 가장 중요한 것은 그 물질의 크기, 극성, 그리고 전하이다. 포도당과 설탕과 같은 다소 큰 분자는 스스로 막을 통과하기가 매우 어렵다. 또한 나트륨, 칼륨, 칼슘 이온과 같이 전하를 띤 물질도 어떤 도움(에너지를 사용한다거나 다른 단백질의 도움)을 받지 못하면 막을 통과하기가 어렵다. 

반면, 작고 비극성인 물질(산소, 질소), 그리고 작고 약한 극성을 띠나 전하를 갖지 않은 분자(물, 이산화탄소, 글리세롤, 요소)는 쉽게 막을 통과할 수 있다. 이들은 각각의 농도 기울기에 의거하여 고농도에서 저 농도로 이동하게 된다. 이를 확산(diffusion)이라고 하며 이러한 이동은 균등한 분포가 되어 물질이 역동적인 평형 상태(dynamic equilibrium)에 도달할 때가지 계속된다.

 

2. 삼투현상(osmosis)

물은 생명에 매우 중요하기 때문에 물이 생물체내로 유입되거나 방출되고 한 장소에서 다른 장소로 이동될 때 막을 가로지르며 이동하는 것에 대해 많은 관심이 모아졌다. 물은 쉽게 원형질막을 통과할 수 있고, 따라서 물의 확산은 생물체에서 중요한 역할을 할 것이라고 보아 왔다. 막을 통과하는 물분자의 확산, 다시 말해 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로의 막을 통한 물의 순이동을 삼투현상(osmosis)라고 한다. 

삼투압(osmotic pressure)은 물이 선택적 투과막을 저 농도에서 고농도 용액으로 이동하려는 경향의 특정 값으로 정의할 수 있다. 삼투압은 직접적으로 용액 내의 용질의 종류나 다양성에 관계없이 총 용질의 농도에 의해 결정된다. 즉, 삼투현상의 힘은 물에서 투과성을 가지는 막의 양쪽에 존재하는 용질의 농도 차에 의해 결정되는 것이다.

3. 삼투현상과 세포

세포내의 농도의 물과 용질을 갖는 환경을 등장(isotonic)이라고 한다. 세포가 만약 이러한 환경에서만 살 수 있다면 이들은 삼투에 대한 어떠한 걱정도 필요 없을 것이다. 그러나 세포는 세포질에 있는 물보다 상대적으로 더 많은 물을 가지고 있는 저장액(hypotonic), 물의 농도가 세포에서보다 낮고 용질의 농도가 더 높은 고장액(hypertonic)과 같은 다양한 삼투 조건하에 놓일 수 있기 때문에 이에 대한 다양한 적응을 통해서만 살아나갈 수 있게 되는 것이다.

예를 들어 세포벽이 없는 동물 세포의 경우 과도한 물의 유입에 의해 쉽게 파괴된다. 적혈구의 경우 등장액인 1.0%의 염 용액에 넣으면 한동안 안정된 상태로 남아 있고 그 모양을 유지할 수 있다. 하지만 이 적혈구를 저장액에 넣으면 삼투현상에 의한 물의 과도한 유입으로 결국 세포가 터져버리는 용혈현상(hemolysis)이 일어난다. 

반대로 고장액에서 물은 삼투현상에 의해 세포로부터 급속히 빠져나가고 세포는 원형질분리(plasmolysis)라고 하는 현상에 의해 수축된다. 식물 세포의 경우도 고장액에서 원형질 분리가 일어난다. 그러나 식물 세포는 단단하고 탄력이 있는 세포벽(cell wall)을 가지고 있어 터지지 않고 팽만(turgor) 상태를 유지할 수 있다.

 

그림1. 동물과 식물세포에서의 삼투현상.

(a) 동물세포의 경우 저장액에 담기게 되면 세포 내로 물이 유입되어 세포는 터지게 되며 고장액에서는 원형질 분리 현상이 일어나게 된다. (b) 식물세포는 세포 내에 고농도의 용질을 보유하고 있는 액포(vacuole)와 단단한 세포벽을 지니고 있어 저장액에서 팽만 상태를 유지하고 있다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) lancet, test tube, light microscope, slide glass, cover glass

2) 여과지, 면도칼, spoid

3) NaCl (0, 3, 10 %), dd-H2O, 70% alcohol, 양파

실험 방법

1. Observation of Hemolysis in Red Blood Cell

1) 0, 3, 10 % NaCl 용액과 증류수를 각 slide glass에 한 방울 떨어뜨린다.

2) 손가락 끝을 70% alcohol로 소독한 후 lancet으로 찔러 나온 피를 slide glass의 각 용액에 한 방울씩 떨어뜨려 잘 섞어준 후 cover glass를 덮는다.

3) 광학 현미경을 이용하여 저배율에서 고배율의 순서로 형태를 관찰한다.

4) 어떤 용액에서 세포가 터지며 어떤 용액에서 세포가 수축되는지를 알아보고 등장액은 과연 어느 농도의 용액인지 설명한다.

 

2. Observation of Plasmolysis in Epidermis of Onion

1) 양파의 비늘 줄기의 얇은 껍질을 잘라 증류수 한 방울을 떨어뜨리고 cover glass를 덮은 후 광학현미경하에서 검경한다(저배율에서 고배율로).

2) Cover glass 주위에 여과지로 물기 제거 후 0, 3, 10 % NaCl을 cover glass의 한쪽에 떨구고 반대쪽에 여과지를 대어 잎이 있는 곳으로 용액이 스며들도록 한다.

3) 세포 모양의 변화를 관찰한다.

실험 결과

1. 실험 A, 적혈구 관찰하기

그림 2 0% NaCl 양파표피세포	그림 3 3% NaCl 양파표피세포
그림 4 10% NaCl 양파표피세포

0% NaCl 즉 증류수에 있던 적혈구는 그 형태가 팽만해져 있었다. 그러나 NaCl 농도 3%, 10%으로 갈수록 적혈구의 형태가 쭈그러들고 축소하는 모습을 보이고 있다.

 

2. 실험 B, 양파표피세포 관찰하기

그림 5 0% NaCl 양파표피세포	그림 6 3% NaCl 양파표피세포
그림 7 10% NaCl 양파표피세포

NaCl 농도가 0%인 증류수와 3%인 용액에서는 양파표피세포가 팽윤한 모습을 보이지만, NaCl 농도가 3%인 용액에서는 비교적 축소한 모습을 보인다.

토의 사항

1. 실험 고찰

세포를 적신 용액의 NaCl의 농도에 의해서 세포의 형태가 변하는 것은 ‘삼투 현상’으로 설명할 수 있다. 삼투 현상이란, 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 선택적 투과성 막을 통해 물이 이동하는 것이다. 세포막도 선택적 투과성 막 이므로 용액과 세포질 사이에서 삼투현상이 발생한다. 세포질보다 높은 농도의 용액(고장액)을 만난 경우 물이 외부로 빠져나가며, 마찬가지로 세포질보다 낮은 농도의 용액(저장액)을 만난 경우 물이 내부로 들어온다. 세포의 크기변화를 통해서 물이 들어온 정도를 파악할 수 있는데, 적혈구와 양파표피세포 모두에서 NaCl 농도가 낮을수록 세포가 팽만해진 모습을 볼 수 있다. 또한 적혈구와 달리 세포벽이 존재하는 양파표피세포에서는 10%의 NaCl용액에서 쭈그러드는 것이 아니라 형태를 그대로 유지하되 팽창된 정도가 줄어들었다.

 

2. Further Study

1) 식물은 세포벽과 팽압에 의해 구조를 유지한다. 구조를 유지할 정도의 팽압을 위해서는 어느정도 세포가 팽만한 상태이어야 한다. 토양의 용질 농도는 뿌리보다 높기 때문에 삼투 현상에 의하여 물이 뿌리에서 토양으로 이동한다. 또한 식물에서는 증산작용도 일어나기 때문에 위 아래로 물이 빠져나가는 현상이 계속된다. 그런데 토마토에 물을 주지 않는 것이 지속된다면, 식물은 팽압을 유지하기 힘들 것이며 시들게 될 것이다.

 

2) 비료를 토양에 과다하게 투여하게 되면, 토양의 용질 농도가 급격히 높아진다. 그렇게 되면 토양과 식물의 뿌리 사이에 용질 농도차이가 더 크게 나므로, 물이 빠져나가는 속도가 더 높아질 것이며 빨리 시들게 될 것이다.

 

3) 민물고기의 체액은 담수보다 용질의 농도가 높기 때문에 항상 몸 안으로 수분이 침투한다. 이때 민 물고기의 신장은 혈액에서 수분을 흡수해서 묽은 오줌을 만들어 내며 몸 밖으로 배출한다. 바닷물고기의 체액은 바닷물보다 용질의 농도가 낮기 때문에, 몸에 있는 물이 외부로 계속 빠져나간다. 탈수 현상을 막기 위해서 민물고기는 바닷물을 계속 마신다. 이때 바닷물에는 염류가 과잉으로 들어있기 때문에, 장에서의 역삼투와 아가미의 염분배출세포를 통해 염분은 밖으로 내보내고 진한 소변을 만들어 낸다.

참고 문헌

1. 캠벨 생명과학 9th

2. 생물학, Wallace R. 외, 을유문화사, 1993

3. Understanding Biology, Raven P. H. and G. B. Johnson, WCB, 1995