[일반생물학실험]닭의 발생 1부

실험 목적

닭의 배 발생에 관련한 슬라이드를 보고 실제 부화 과정에 있는 수정란에서 배를 분리하여 관찰한다. 이를 통해 닭의 발생 과정을 이해한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 개요

생물은 매우 다양한 종류의 세포로 구성된 조직체이다. 이들 세포가 유기적으로 연결되고, 제 기능을 수행할 때 생물은 하나의 온전한 개체로서 생존할 수 있다. 다세포 생물의 경우, 하나의 수정란(zygote)으로부터 완전히 기능하는 개체(adult)가 되기까지 점진적으로 많은 변화를 거치는데 이러한 과정을 발생(development)라고 한다.

 

일반적으로 동물의 발생과정은 수정(fertilization)으로부터 시작된다. 정자가 난자의 세포막과 결합하며 생기는 여러 가지 신호들은 수정란에 많은 변화를 가져온다. 발생과정의 초기에는 수정란에서 난할(cleavage)라고 불리는 세포분열이 신속히 진행된다. 난할과정은 간기가 매우 짧기 때문에 세포의 크기와 세포질/핵의 비율이 줄어든다는 특징이 있다. 매 분열마다 세포들은 더 작아져 마침내 작은 세포들로 이루어진 공 모양의 구조를 형성한다. 이 단계를 상실배(morula)라고 부른다. 이 상태에서 세포분열이 더 진행되면, 배(embryo)의 내부에 액체로 채워진 포배강(blastocoel)을 형성하는데, 이 단계의 배를 포배(blastula)라 부른다.

 

극피․연체․환형․포유동물은 등황란이며 동물반구와 식물반구의 할구 크기가 거의 같은 전등할(total equal cleavage)을 한다. 양서류의 경우는 중황란으로 전할(total cleavage)를 하는데, 난황의 양이 많은 식물반구 쪽의 할구가 동물반구 쪽의 것보다 훨씬 큰 전부등할(total equal cleavage)을 한다. 어류, 파충류, 조류는 단황란으로 동물극에 국한된 세포질에서만 난할이 일어나 원반형을 이루므로 반할(discoidal cleavage)이라 하고 절지동물의 경우 심황란으로 중심부에 난황이 차 있고 세포주변에서만 난할이 일어나므로 표할(superficial cleavage)이라고 한다.

 

포배기는 발생 초기 단계의 끝을 의미한다. 포배기까지는 배가 단순한 형태였으나, 낭배 (gastrula) 형성 시기로 들어가면서 세포들은 극적인 재배열을 하게 된다. 이것은 이제까지 단일층으로 되어 있던 배가 여러 층의 구조를 만들기 시작하는 변화다. 일반적으로 낭배형성은 낭배 표면의 함입으로 시작된다. 이렇게 함입된 공간을 원장(archenteron)이라고 부르며, 그 입구를 원구(blastophore)라고 한다. 함입의 결과로 3배엽이 형성되는데, 맨 바깥층을 외배엽, 원장의 벽은 내배엽이며, 그 사이에 중배엽이 형성된다.

 

낭배기동안 3배엽의 구조가 형성되고, 그 이후에 기관형성(organogenesis)이 이루어진다. 각 배엽들의 운명이 이 때 나타나는데, 외배엽은 척수를 포함하는 신경구조를 이루고, 중배엽은 골격, 근육, 혈관, 생식소를 이루며, 내배엽은 소화, 호흡, 배설계 등의 내벽으로 분화하게 된다. 기관형성 과정에서 가장 중요한 두 가지 사건은 머리와 꼬리 끝이 나타나는 동물에서 앞-뒤를 결정짓는 축이 분명해 지는 것과 뇌와 척수의 대략적인 형태가 형성되는 것이다. 이 두 가지는 신경관형성(neurulation)을 통해 일어나는데, 낭배 형성 바로 후에 시작되며 이때를 신경배(neurula) 시기라고 한다.

 

신경관형성은 신경판(neural plate)이라는 편평한 외배엽 구조가 형성되면서 시작된다. 이구조는 원구 배순으로부터 머리 부위로 팽창한다. 점차 신경판의 두 가장자리가 두꺼워져서 신경습(neural folds)을 형성하고, 이 주름 사이에 신경구(neural groove)가 생긴다. 뒤이어 신경습이 융기하고 이 신경구가 봉합되어 신경관(neural tube)을 형성한다. 봉합되는 과정에서 신경릉세포(neural crest cells)라 알려진 일련의 세포들이 신경관과 그 위를 덮고 있는 외배엽 사이에서 고립된다. 마지막으로 신경관은 배순 반대쪽 끝에서 팽창되어 머리 부분을 형성한다. 막대기 모양의 척삭(notochord)은 신경판 바로 아래에서 형성된다. 척삭은 모든 척삭 동물에 존재하며 신경판과 신경관의 형성에 큰 영향을 준다.

 

신경관 형성 후반기에 배는 많은 내부 변화를 겪게 된다. 밑에 있는 원장은 길이를 늘임으로서 더욱 관 모양이 되고 항문과 입 구멍을 형성한다. 척삭의 양쪽에서는 중배엽이 체절(somite)이라 불리는 쌍으로 된 구조를 이루는데, 체절은 몸통의 근육과 증축골격의 전신이 된다.

 

2. 닭의 발생 과정

닭의 배 발생시 나타나는 많은 과정들은 다른 양막류에 속하는 척추동물, 특히 포유류의 경우와 많은 유사성을 보인다. 그러나 포유류의 배는 실험과 연구에 필요한 충분한 수를 확보하기 어려운 반면 닭의 배는 재료를 구하기가 비교적 용이하며, 또 원하는 발생 단계를 비교적 쉽게 얻을 수 있기 때문에 배 발생의 초기 과정을 관찰하기에 적합하다.

Fig. 1

닭의 배 발생은 체내 수정에 의해 발생이 개시되며 수정은 수란관에서 이루어지고 수정 방식은 열개의 정자가 한 개의 난자 속으로 들어가는 다수정 방식에 의하지만 최종적으로 하나의 정자만이 선택되고 나머지는 난자 안에서 소멸된다. 수정된 난자는 닭의 체내에서 난할이 개시되며 산란시에는 수 천 개의 할구로 이루어진 포배기에 도달한 상태로 있게 된다. 우리가 보통 보게 되는 수정란은 이 시기의 것을 말하며 발생에 필요한 적절한 온도 및 숩도에 이르기 전에는 발생이 더 이상 진전되지 않는다.

 

일반적으로 조류의 알은 난황의 양이 극도로 많은 강단황란에 속한다. 난황이 없는 동물극의 세포질은 작은 원반의 형태로 난황 위에 떠 있으며 이것을 배반이라고 한다. 배반은 난할이 시작되면 배반엽이라고 불리며, 배와 배외막은 대부분 배반에서 기원한다. 배반은 흰자에 둘러싸여 있는 난황위에 놓여있다.

 

배반엽의 중앙은 배 아랫부분의 공간에 의해 난황과 분리되어 있으나 배의 주변 부위는 붙어있는 상태이다. 또한 배반엽의 가장자리는 난황을 포함하고 있는 세포들로 구성되어 있는 반면 중심부에 있는 세포들은 난황을 포함하고 있지 않다. 따라서 배반엽의 중심부는 가장자리보다 좀 더 투명하게 보여 이 부위를 투명대(명역), 가장자리를 불투명대(암역)라고 한다. 닭의 발생이 일어나는 배반엽(blastoderm) 명역(area pellucida)부분에 있는 대부분의 세포들은 배반엽상층(epiblast)을 형성하며, 명역부분의 일부세포들과 배반엽의 뒤쪽 경계부분의 세포들이 이동하여 배반엽하층(hypoblast)를 형성하게 된다. 이 두 층 사이에서 할강(blastocoel)이 형성된다.

 

Fig. 2 닭의 발생 과정

조류와 파충류 그리고 포유류의 낭배기에서 중요한 특징은 원조(primitive streak)를 형성하는 것이다. 이 원조는 배의 뒤쪽에서 앞쪽으로 확장되는데, 이때 배반엽상층세포들은 원구(primitive groove)를 따라 할강 내로 침강하게 된다.

 

Fig. 3 원조(primitive streak) 주위에서 일어나는 세포층 변화

원조의 맨 앞쪽에는 헨젠 결절(Hensen's node)이라고 불리우는 두터운 층의 세포들이 있다. 헨젠결절을 통해 침강되는 세포들은 전장(foregut), 두부중배엽(head mesoderm), 척삭(notochord)을 형성하고 원조를 통해 침강되는 세포들은 내배엽과 중배엽조직을 형성하게 된다. 낭배기의 후반부에는 원조가 뒤로 후퇴하면서 헨젠결절도 뒷부분으로 후퇴시킨다. 원조가 후퇴한 배의 앞쪽에서는 기관형성(organogenesis)이 이루어진다.

 

3. 인공 부화

부화기를 이용하여 인공적으로 병아리를 까는 방법으로 실험을 진행한다. 알을 부화시키는 데 필요한 조건은 건강한 알, 온도, 습도, 운동이다. 부화시 알의 위치는 둔단(알의 완만한 부분)이 위로 오도록 하고 온도는 37℃ ~ 38℃로 맞추고, 실내온도는 18℃ ~ 25℃가 되어야 한다. 습도는 70% 정도가 필요한데, 따라서 부화기 바닥에 물이 떨어지지 않도록 보충해 주어야 한다. 이때 알에 물이 닿지 않도록 주의한다. 물이 떨어지면 공기가 건조해 알 속 병아리가 죽거나 기형이 될 수 있다. 반대로 습도가 너무 높아도 병아리가 약해진다.

 

알의 운동은 '전란'이라고 하는데, 자동으로 운동시켜 주지 않는 부화기는 수동으로 회전운동시켜 주어야 한다. 1일 최소 4번(약 6시간 마다)이상 알을 굴려 줄수록 튼튼한 병아리가 태어난다. 입란 후 18일까지 전란시켜 주어야 하고 19일째부터는 중단한다. 부화 중 알의 발육상태를 조사하기 위하여 입란 후 4~5일에 1차 검란, 12~14일에 2차 검란, 18일에 3차 검란을 실시한다.

 

일반적으로 검란이란 부화 중에 있는 종란의 내용을 투시검사하여 무정란과 발육중지란을 제거하는 일을 말한다.

① 제1차 검란 : 발육란(發育卵)은 내용물 전체가 불그스름하게 보이고, 기실(氣室)과의 경계가 뚜렷하며, 배자(胚子)는 혈관이 사방으로 뻗어 거미줄 모양으로 떠 있는데, 무정란은 멀겋고 알을 움직이면 난황(卵黃)이 그림자처럼 움직인다. 발육중지란은 알의 내용이 핏기가 없어 창백해 보이고 핏덩어리가 떠 있다.

② 제2차 검란 : 발육란은 거미줄처럼 보이는 부분이 커지고 굵은 혈관이 난각막(卵殼膜)까지 뻗어 있고 가끔 움직인다. 무정란과 발육중지란은 제1차 검란 때와 같다.

③ 제3차 검란 : 발육란은 내용물 전체가 까맣고, 기실 안쪽이 간간이 움직인다. 무정란은 제1차 검란 때와 같고, 발육중지란은 검은 부분이 훨씬 커져 있으나, 발육란보다는 약간 투명하다.

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