[일반생물학실험]세포의 삼투현상 관찰

실험 목적

식물세포막의 선택적으로 물질을 투과시키는 반투과성 성질로 인한 원형질의 분리와 복귀를 관찰하고 삼투현상을 이해한다.

실험 이론 및 원리

1. 삼투 현상

1) 삼투 현상의 원리

반투과성막은 용액 속에 들어있는 용질은 입자가 커서 통과시키지 못하고 용매분자만 통과시키는 막이다. 이 막을 경계로 한쪽에는 순수한 용매를, 다른 한쪽에는 용액을 두면 용매들이 양방향으로 서로 이동하게 된다. 그러나 처음에는 순수한 용매 쪽에 있는 용매가 용액 쪽으로 더 빠르게 이동하여 용액 쪽의 높이가 더 증가한다. 왜냐하면 자연계에서는 농도 차이가 줄어드는 방향으로 용매들이 움직이려고 하기 때문이다.

따라서 시간이 지나서 관에 있는 용액의 높이가 어느 정도 증가한 후에는 그 결과로 생기는 압력 때문에 용액 쪽으로 이동하는 속도가 점차 느려지게 되어 결국에는 양방향으로 용매가 이동하는 속도가 같아지게 된다. 이 점에서 용액의 높이는 더 이상 변하지 않게 되는 것이다. 이때 차이가 난 수압이 삼투압이며, 용매가 반투과성막을 통해 이동하는 현상이 삼투현상이다. 이것을 달리 표현하자면, 삼투현상은 순수한 용매를 포함한 저농도 용액에서 고농도 용액 쪽으로 반투과성막을 경계로 용매(물)가 이동하는 현상이며 삼투압은 이때 용매가 이동하려는 힘이라고도 할 수 있다.

 

2) 실시 예

대부분의 생물체를 이루고 있는 막들은 거의 모두가 반투과성막으로 되어 있다. 식물이 뿌리에서 물을 흡수할 때 뿌리세포와 흙 속의 물을 비교하면 흙 속의 물은 저농도이고 뿌리세포 속은 상대적으로 고농도이다. 이 때 농도평형을 이루기 위해 흙 속에 있는 저농도의 수분이 고농도의 뿌리세포 속으로 세포막을 통해 스며들게 된다.

배추김치를 만들 때도 소금물을 만든 후, 배추를 그 물에 담그면 소금의 입장에서 보면 배추는 저농도이고 소금물은 고농도이다. 이 때 농도평형을 이루기 위해 배추세포의 물이 배추의 세포막 밖으로 빠져 나와서 배추의 숨이 죽게 되는 것이다. 그리고 고농도용액에 들어있는 물을 저농도 용액 쪽으로 빼내기 위해 삼투압 이상의 압력을 가해주는 것을 역삼투압이라고 하는데 이것은 오염된 물에서 순도가 높은 물을 뽑아낼 때, 혹은 바닷물을 담수로 만들 때 사용하는 방법이다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

현미경, 양파, 면도날, Slide‧cover glass, 10% NaCl, 0.9% NaCl, 증류수

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 양파 안쪽에 표피(혹은 혈액)를 벗겨 내서 slide glass에 놓고 cover glass를 덮는다.

2) 현미경으로 저배율에서 고배율로 관찰한다.

3) 10% NaCl(고장액)을 넣은 뒤, 약 5~10분 후 관찰한다.

4) 0.9% NaCl(등장액)을 넣어서 cover glass 안이 등장액으로 차도록 한 후, 약 5~10분 후에 관찰한다.

5) 증류수(저장액)를 넣어서 cover glass 안이 차도록 한 후, 약 5~10분 후 관찰한다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

1) 식물세포

보통 식물세포 고배율 관찰	고장액 투여
저장액 투여

 

2) 동물세포

보통 동물세포 고배율 관찰	고장액 투여
저장액 투여

동물세포 : 반투과성 막의 세포막이 세포를 감싸고 있음

식물세포 : 전투과성 막의 세포벽이 세포를 감싸고 있음

세포벽은 세포를 보호하고 형태를 유지하게 지지하는 역할을 함

용액	저장액	등장액	고장액
동물세포	터진다(용혈현상)	변화없음	쭈그라듦
식물세포	팽팽해진다(팽윤)	변화없음	쭈그라듦(원형질분리)

식물세포를 고장액에 넣었을 때는 세포벽은 탄탄히 유지되고 있고 안쪽만 쭈그러들어서 서로 분리된다.

 

토의 사항

1. 실험 고찰

식물세포와 동물세포 각각의 삼투현상을 관찰했다. 세포의 삼투현상 실험은 세포와 용액 간의 삼투압 차이로 인한 용매의 이동현상을 관찰하는 것이다. 막 중에 용매는 통과시키지만 용해된 용질은 걸러 낼 수 있는 막을 반투과성막이라 한다. 삼투현상은 이 반투과성 막을 사이에 둔 두 용액의 농도 차로 인한 막에 작용하는 압력을 뜻한다. 삼투압은 물질의 농도가 높고 온도가 높을수록 삼투압이 커진다. 삼투압을 구하는 공식이 존재한다.

P=CRT(P=삼투압, C=용액 몰의 농도, R=기체 상수, T=절대 온도)로 구할 수 있다. 삼투압을 이용한 삼투현상의 이론을 알아보았고, 그 다음으로 삼투현상을 관찰하기 위해 사용한 고장액과 저장액 그리고 등장액에 대해 조사하였다. 우선 고장액은 쉽게 말해 어떤 용액과 비교하였을 때, 삼투압이 높은 용액을 뜻하고, 저장액은 삼투압이 낮은 용액을 뜻한다. 그리고 마지막으로 등장액은 삼투압이 동등한 용액을 가리킨다. 이 삼투현상이 식물세포와 동물세포에서 일어날 때 차이가 있다. 그래서 각각의 특정과 현상 그리고 그의 이유에 대해 조사하였다. 동물세포를 먼저 보면 동물세포에는 세포막이 존재한다.

세포막은 반투과성막이다. 따라서 삼투현상이 일어날 수 있다. 동물세포에 동물세포의 농도보다 농도가 낮은 용액(저장액)을 넣으면 농도를 맞춰주기 위해서 용매가 동물세포 안으로 들어가게 되고 동물세포는 부풀어 오르게 된다. 농도차가 심하게 나는 상태였다면 농도가 같아질 때까지 계속 용매가 동물세포 안으로 들어가게 되고 동물세포의 세포막이 내부의 압력을 견디다 못해 터지게 되는 것이다. 이 현상을 용혈현상이라고 한다.

동물세포에 동물세포의 농도와 농도가 같은 용액(등장액)을 넣으면 세포막을 통한 용매의 이동이 발생하기는 하지만 동물세포 내에서도 밖으로 나가는 물질이 존재하므로 겉으로 볼 때에는 아무런 변화가 일어나지 않는다. 동물세포에 동물세포의 농도보다 농도가 높은 용액(고장액)을 넣으면 농도를 맞춰주기 위해서 세포 내의 물질(용매)이 밖으로 빠져나가게 된다. 따라서 세포가 쭈그러들게 되는 것이다.

식물세포의 경우는 좀 다르다. 식물세포에는 세포벽이 존재하는데, 이 세포벽은 세포가 형태를 유지하게끔 지지하는 역할을 한다. 세포벽은 전투과성막으로 뭐든지 통과가 가능한 막이기 때문에 용질도 용매도 전부 통과가 가능하다. 식물세포에 저장액을 투여했을 경우에는 농도를 맞추기 위해서 용액의 용매가 세포 내로 들어오게 되는데 세포벽이 단단하게 세포를 감싸고 있으므로 동물세포처럼 터지는 것이 아니라 팽팽해진다. 

이때 최대로 팽팽해졌을 때를 팽윤이라고 한다. 식물세포에 등장액을 넣었을 경우는 동물세포와 동일하다. 하지만 식물세포를 고장액에 넣었을 경우에는 농도를 맞추기 위해서 세포 내의 용매가 세포 밖으로 빠져나가게 되는데, 세포벽과 식물세포의 내부는 약간이나마 붙어있어서 세포벽과 분리되는데 완전히 분리되지는 않고, 거의 분리되어서 원형으로 쭈그러들게 된다. 이때를 원형질 분리라고 하는 것이다.

 

 

참고 문헌

1. 생명과학 길라잡이