이쑤시개와 견출지를 이용해서 양뇌의 각 영역에 명칭을 적어보는 활동을 합니다. (4인1조)

1조 손연주 정은샘 박준희 정효원

2조 박상빈 엄유현 장준영 우리사랑

3조 김유나 김민지 김태린 이의영

4조 박준서 고준혁 정예찬 한성준

5조 고은 김재인 박주은 남혜윤

ㄱ. 양뇌를 한손에 올려 무게를 체감하고, 다른 손으로 양뇌의 촉감을 확인한다.

ㄴ. 견출지에 양뇌의 각 영역의 명칭을 번호와 함께 작성하고, 견출지를 이쑤시개에 붙인다.

ㄷ-1. 위의 이쑤시개를 양뇌 윗부분의 해당 영역에 꽂고, 사진으로 기록한다.

ㄷ-2. 위의 이쑤시개를 양뇌 아랫부분의 해당 영역에 꽂고, 사진으로 기록한다.

ㄹ. 정중대뇌종열을 기준으로 하여 양뇌를 좌반구와 우반구로 가른다.

ㅁ. 위의 이쑤시개를 반으로 가른 양뇌 단면의 해당 영역에 꽂고, 사진으로 기록한다.

ㅂ. 양뇌의 단면에 드러나는 뇌줄기(중뇌, 뇌교, 연수), 송과샘, 간뇌, 소뇌의 회백질과 백질을 관찰한다.

ㅅ. 추가로 대뇌를 가로로 갈라 대뇌에서도 회백질과 백질을 관찰한다.

2. 실험의 이론적 배경

인간의 뇌보다 크기는 작지만, 인간의 뇌와 구조가 비슷한 양뇌를 해부하여 뇌의 구조를 알아보는 실험이다. 인간의 뇌와 양뇌의 차이점으로는 척수의 배열이 있다. 이는 인간은 직립보행을 하는 반면, 양은 4족보행을 하므로 뇌와 척수의 연결이 비교적 수평적이다. 뇌의 대표적인 영역으로는 뇌줄기, 뇌량, 송과샘, 간뇌, 소뇌, 대뇌 등이 있다. 뇌줄기는 중뇌, 뇌교 ,연수로 이루어져 있으며, 연수에서는 신경의 교차가 일어나 좌뇌가 우리 몸의 오른쪽을 담당하며, 우뇌가 우리 몸의 왼쪽을 담당하게 된다. 뇌줄기는 뇌의 가장 깊숙한 곳에 위치함을 알 수 있는데, 이는 뇌줄기가 중요한 생명 유지 기능을 하기 때문이다. 뇌량은 정보의 통합을 담당하나다. 심한 간질 환자의 경우, 뇌량을 자르기도 하며, 뇌량을 자르면 좌뇌와 우뇌가 분리된다. 송과샘은 수면 사이클을 담당하며, 간뇌는 항상성의 중추이다. 소뇌를 관찰하면 나무 같은 구조(생명의 나무라고 부르기도 함)를 확인할 수 있으며 안쪽에 백질, 바깥쪽에 회백질이 있다. 대뇌에서도 회백질과 백질을 관찰할 수 있다. 회백질은 신경세포체와 수상돌기로 구성되며, 백질은 수초로 둘러싸인 축삭 다발로 구성되어 있다.

3. 깊이 있게 조사한 내용

양뇌를 해부를 하면서 소뇌와 대뇌의 단면에서 백질은 안쪽에 위치하며 회백질은 바깥쪽에 위치함을 관찰할 수 있었다. '백질은 왜 안쪽에 위치하고 회백질은 왜 바깥쪽에 위치하는지' 궁금했고, 각각이 '백색과 회색으로 보이는 이유'와 담당하는 '기능'에 대해서도 질문했다. 우선 회백질(Gray matter)은 신경세포가 밀집되어 있어서 대뇌의 안쪽부분에 비해 어두운 색을 띄고 육안으로 관찰할 시 회색으로 보이는 부분이다. 백질(White matter)은 신경줄기 즉 축삭을 싸고 있는 껍질인 수초(Myeline)의 지방성분이 하얗게 보이기 때문에, 즉 지방이 많기 때문에 백색으로 보인다. 두 구조물의 색깔보다 서로 다른 기능에 더 중점을 두어야 한다. 신경은 Nucleus라고 하는 핵, 다른 말로 세포체라고 부르는 구조물에서 신호를 보내서, 축삭(Axon)이라고 하는 전기 신호를 전달하게 되는 가지로 구성된다. 즉 신호를 발생시키고 보내는 것은 세포체(핵)이고, 축삭은 전달하는 전기줄이다. 뇌의 회백질(피질)은 세포체(핵)으로 구성되어 있고, 뇌의 백질(속질)은 전기줄의 역할을 하는 축삭이 주 성분이다. 신경세포체의 신호를 축삭이라는 가지를 통해 뇌의 내부로 보내기 때문에, 회백질이 뇌의 외부, 백질이 뇌의 내부에 위치한다. 반대로 척수에서는 회백질이 안쪽에 위치하고 백질이 회백질 외부에 위치함으로써 뇌로부터 온 신호를 인체에 전달할 수 있다. 추가적인 조사내용으로, 텍사스 대학 의대 신경과 전문의 사티자발 교수 연구팀은 10년 전에 찍은 뇌 MRI 영상으로 훗날 치매가 발생한 사람과 치매가 나타나지 않은 사람을 구분할 수 있는지 연구했다. 연구팀에 따르면 뇌의 회백질 외피 두께가 두꺼울수록 치매와 연관이 없고 얇을수록 치매와 연관이 있다는 사실을 밝혔다. 연구팀은 '앞으로 치매가 발생할 위험이 있는 사람들을 추적할 때 회백질의 두께가 치매 예고지표로 활용될 수 있을 것'이라고 전했다.

4. 느낀점

실험 후 조사활동을 통해 회백질과 백질의 차이는 색깔의 차이보다 각각의 구성요소들과 이들의 기능적 차이가 중요하며, 뇌와 척수에서 회백질과 백질의 위치가 다름을 통해 인체는 필요에 따라 효율적으로 설계되었음을 알 수 있었다.

1)먼저 양뇌를 만져보면서 크기를 어림해보고 촉감을 확인해본다.

2)견출지에 볼펜으로 양뇌 각 부분의 명칭을 적는다.

3)양뇌 겉모습의 사진이 있는 그림을 보면서 대뇌, 소뇌, 척수 등의 위치를 찾는다.

4)각 부분의 명칭이 담긴 견출지를 찾아 이쑤시개의 윗부분에 감아서 붙인다.

5)이쑤시개를 양뇌의 알맞은 위치에 꽂은 후 사진을 찍는다. (양뇌의 윗부분과 아랫부분을 각각 진행하는 것이 좋다.)

6)꽂은 이쑤시개를 모두 빼고 해부 도구를 이용하여 뇌가 좌반구와 우반구로 나눠지도록 가운데를 가른다.

7)양뇌 속모습의 사진이 있는 그림을 보면서 뇌줄기, 중뇌, 후뇌 등의 위치를 찾는다.

8)'4)와 5)'의 과정을 진행한다.

2.실험의 이론적 배경

눈으로 보았을 때 인간의 뇌와 가장 큰 차이는 크기이다. 인간의 뇌는 큰 반면, 양의 뇌는 작은 것을 알 수 있다. 또한, 인간은 직립보행이기 때문에 척수가 꺾여 있는 반면에 양은 사족보행을 하기 때문에 척수가 거의 수평으로 되어있다는 것을 찾을 수 있다. 뇌를 해부해보면 가장 깊숙한 곳에 뇌줄기가 있다는 것을 알 수 있는데, 이 이유는 뇌줄기가 우리 몸의 생명을 유지하는 역할을 담당하고 있기 때문이다. 식물인간 상태와 뇌사는 이 뇌줄기의 손상 여부로 판단할 수 있다. 우리 뇌는 크게 좌뇌와 우뇌로 나누어지는데, 이 두 뇌의 정보교환을 위해 두 뇌를 잇고 있는 부분을 뇌량이라고 말한다. 소뇌를 반으로 잘라보면 백질과 회백질로 인한 무늬가 나타나는데, 이것이 나무처럼 생겨 생명의 나무라고 부르기도 한다. 대뇌도 갈라보면 안쪽의 백질과 바깥쪽의 회백질을 뚜렷하게 관찰할 수 있다. 회백칠은 신경세포체, 수상돌기 등으로 구성되어 있고 백칠은 수초로 둘러싸인 축삭 다발로 이루어져 있어 비교적 하얗게 보인다.

3.깊이 있게 조사한 내용

심한 간질환자의 경우 좌뇌와 우뇌를 잇는 뇌량을 증상을 줄이기 위해 자른다고 하는데, 뇌량을 자르게 되면 좌뇌와 우뇌간의 정보교환이 불가능해진다. 그렇다면 뇌량을 자르는 것이 무슨 영향을 미칠지 궁금하여 조사해보았다. 가자니가라는 한 신경과학자는 뇌량을 절제한 사람들을 대상으로 한 실험을 진행했다. 먼저 이 실험에서 알아두어야 하는 점은 우리 뇌는 몸이 받는 정보들을 교차로 받아 몸의 왼쪽을 우뇌가 담당하고, 오른쪽을 좌뇌가 담당한다는 사실이다. 즉, 왼쪽 눈으로 보이는 시각 정보는 우뇌가 담당하고, 오른쪽 눈으로 보이는 시각정보를 좌뇌가 담당한다는 것이다. 또한, 말을 할 수 있는 언어능력은 좌뇌가, 표정 및 감정을 인식하는 능력은 우뇌가 맡는다. 가자니가는 실험자에게 오른쪽 눈으로만 상자를 짧게 보여주었다. 상자가 보인다고 직접 말로 말한 후, 왼쪽 눈으로만 상자를 짧게 보여주자, 상자가 보이지 않는다고 대답했다. 이것의 이유는 오른쪽 눈으로 본 상자는 좌뇌가 인지하고 말을 했지만, 왼쪽 눈으로 본 상자는 우뇌가 인식은 했지만 말을 하지 못해 없다고 대답했기 때문이다. 또 다른 실험에서, 가자니가는 왼쪽 눈으로 웃어보라는 명령을 내리는 말을 보게 하였다. 실험자는 이를 보고 웃었고, 가자니가는 실험자에게 왜 웃었냐고 물어보았다. 이 때 실험자는 '기계가 재밌어서' 라는 대답을 하게 된다. 전혀 맞지 않는 말을 당연하다는 듯이 말하는 실험자의 모습을 우리는 이해를 할 수 없다. 좌뇌는 웃으라는 명령을 오른쪽 눈으로 보지 못해 인지라는 것이 불가능하기 때문이다. 이에 대해 가자니가는 이것이 우리 뇌가 학습을 하는 방법이라고 설명했다. 좌뇌는 우리가 왜 웃는지를 궁금해하고, 왜 웃었냐는 질문에 삶을 살면서 좌뇌가 학습하고 기억한 경험들을 기반으로 그럴듯한 답변을 만들어낸 것이라고 말했다. 이러한 실험을 통해 좌뇌와 우뇌가 담당하는 역할이 서로 다르다는 것을 처음 알게 되었고, 뇌량을 통해 정보를 주고 받음으로써 우리 몸을 유지시킨다는 사실로 얼마나 중요한 역할을 맡고 있는지 깨닫게 되었다. 또한, 우리 뇌는 서로 상호작용하면서 내가 생각했던 것 보다 더 복잡한 구조로 이루어져있다는 것을 알 수 있었다.

1)장갑을 낀 손으로 양 뇌를 들어올려 촉감, 무게를 확인한다.

2)견출지에 각 부위의 명칭을 작성하고 이쑤시개에 붙인다.

3)뇌를 관찰하며 해당하는 부위에 이쑤시개를 꽂고 사진으로 기록한다.

4)양뇌를 좌반구와 우반구로 나누어 단면을 관찰하며 해당하는 부위에 이쑤시개를 꽂고 사진으로 기록한다.

5)이쑤시개를 제거한 후 단면의 송과 샘, 간뇌, 뇌줄기, 회백질과 백질을 관찰한다.

6)대뇌를 가로로 갈라 내부의 백질과 바깥쪽의 회백질을 관찰한다.

2. 실험의 이론적 배경

양의 뇌는 사람의 뇌보다는 작지만, 구조는 거의 비슷하다. 다만 인간의 뇌와 양의 뇌는 척수의 배열이 다르다. 양과 같은 사족보행 동물은 뇌와 척수가 비교적 수평하게 이어지지만, 인간은 직립보행을 하기 때문에 척수가 아래 쪽을 향한다. 양의 대뇌 겉질을 보면 주름이 깊고 많아보이진 않는데 사람의 뇌는 대뇌 겉질이 훨씬 두껍고, 넓고, 주름이 많다. 이러한 이유로 사람이 다른 생물보다 지능이 높다. 뇌에는 척수, 뇌줄기, 백질, 회백질 등에 부위가 있는데 척수는 척추 안에 위치해 길게 이어지며 뇌와 함께 몸의 모든 활동과 감각을 관리해 중추신경계라 불린다.  뇌줄기는 중뇌, 뇌교, 연수를 포함하는 용어로 연수에서 신경의 교차가 일어나 우뇌는 몸의 왼쪽, 좌뇌는 몸의 오른쪽 부분을 담당하게 된다. 분리되어있는 좌뇌와 우뇌는 뇌량을 통해 그 정보들을 통합한다. 뇌줄기는 뇌의 가장 깊숙한 곳에 존재해 생명 유지의 기능을 한다. 뇌는 주로 안쪽에 백질, 바깥쪽에 회백질을 가지며 백질은 수초로 둘러싸인 축삭 다발로 이루어져 있어 하얗게 보이고 회백질은 신경세포체, 수상돌기 등으로 구성되어 있다.

3. 깊이 있게 조사한 내용

양의 뇌를 해부해 보며 대뇌 겉질 주름의 차이가 지능의 영향이 미친다는 것을 알 수 있었다.

이때 정확히 어떠한 이유에서 지능의 차이가 발생하는지 궁금해졌다.

뇌 주름은 대뇌 피질의 표면적을 증가시켜 뇌 신경세포가 더 많은 신호를 주고받도록 돕고, 복잡한 생각이나 추리가 가능하도록 만들어 준다. 또한 제임스 펭 호주 모나시대 교수 연구팀은 뇌 주름의 모양은 뇌 내 신경세포에서 발생하는 뇌파의 흐름에 영향을 미칠 수 있다는 내용을 담은 연구 결과를 지난 해 국제학술지 네이처에 발표했다. 뇌 기능에 영향을 미칠 수 있는 물리적 구조는 크게 뇌의 주름과 뇌 내 신경세포의 구성 두 가지가 있다. 학계에서는 뇌 속 신경세포들의 연결된 형태인 커넥톰이 뇌 기능에 더 많은 영향을 미칠 것으로 추측했다. 연구팀은 뇌 겉면의 주름이 뇌 내 신경세포의 구성 못지않게 뇌 기능에 영향을 미칠 수 있다는 가설을 세우고 실험을 통해 뇌의 기능을 좌우하는 뇌파의 이동에서 커넥톰과 대뇌 피질 주름이 각각 어떤 영향을 미치는지 확인했다. MRI 장치를 사용해 1만개 이상의 뇌 활동을 촬영한 영상을 수집한 뒤 뇌파가 전달되는 과정에서 뇌의 주름과 커넥톰의 모양이 각각 어떻게 작용하는지 분석했다. 분석 결과 뇌파의 이동은 뇌 주름의 모양에 더 많은 영향을 받는 것으로 나타났다. 뇌파를 생성하는 신경세포는 다른 신경세포에게 신호를 전달하기 위해 전류를 발생시키는데, 이 전류의 흐름은 뇌 주름의 모양에 따라 크게 변화한다는 설명이다. 하지만 이 연구에 대해 일부 연구자들은 대뇌 피질의 아주 제한적인 부분만을 관찰하며 뇌 기능의 변화를 살폈다며 한계점을 지적했다.

4. 느낀 점

양의 뇌를 해부해보며 글로만 배워왔던 뇌의 구조를 직접 관찰해볼 수 있었다. 또한 추가 조사 과정에서 연구팀이 뇌파가 가장 원활하게 이동하는 뇌 주름 모양을 찾기 위해 추가적인 연구를 진행하였지만 사람마다 뇌 주름 모양이 너무 달라 비교 분석이 어려워 실패했다는 것을 알게 되었다. 이렇듯, 뇌의 주름과 뇌 기능의 직접적인 상관관계는 밝혀지지 않았다는 것을 알게 되었고 앞으로 더 많은 연구를 통해 정확한 결과가 나올 때 까지 관심을 가지고 지켜봐야겠다는 것을 느꼈다.

*실험 과정

1. 양뇌를 만져보며 촉감을 확인해 본다.

2. 견출지에 뇌의 영역별 명칭을 적고, 견출지를 이쑤시개에 붙인다.

3. 양뇌의  윗부분에서 올바른 영역을 찾아 이쑤시개를 꽂는다.

4. 양뇌의 아랫부분에도 똑같이 이쑤시개를 꽂는다.

5. 이쑤시개 제거 후, 해부용 매스를 이용하여 양뇌를 좌우반구로 가른다.

6. 반으로 가른 양뇌의 단면에서 뇌의 영역들 (간뇌, 소뇌, 중간뇌 등)을 관찰한다.

7. 소뇌의 구조를 관찰하고, 대뇌를 갈라 백질과 회백질을 관찰한다.

*실험의 이론적 배경

양뇌는 사람의 뇌보다는 훨씬 작지만, 그 구조는 거의 비슷하다. 하지만, 인간의 뇌와 양뇌는 척수의 배열이 다르다. 양과 같은 사족보행을 하는 동물들은 뇌와 척수가 비교적 수평하게 이어진다. 그와 다르게 인간은 직립보행을 하기 떄문에 척수가 뇌 아래로 내려가도록 이어지게 된다. 인간의 뇌와 양뇌의 구조적 차이점도 존재한다. 인간의 뇌는 반구가 나눠져 있는 반면, 양의 뇌는 나눠져 있지 않다. 그렇기 때문에 인간의 뇌에서 좌반구는 오른쪽을, 우반구는 왼쪽을 컨트롤 할 수 있게 된다. 또, 인간의 뇌는 둥글게 생겼지만, 양의 뇌는 길게 늘어진 모양으로 생겼다. 양의 뇌가 인간의 뇌보다 더 뛰어난 부분도 있는데, 이는 양의 뇌가 후각이 더 발달하도록 하는데 기여하였다. 반면 양의 뇌는 생각, 계산, 창작, 상상, 분석 등을 하지 못하는 반면에, 인간의 뇌는 이 모든 것이 가능하다.

*깊이 있게 조사한 내용

뇌를 해부하던 도중 뇌간이라는 부분을 관찰하게 되었다. 이때, 선생님께서 뇌사상태와 식물인간의 차이가 뇌간의 손상 여부에 있다는 사실을 알려주셨다. 이에 흥미가 생겨 뇌사 상태와 식물인간 상태에 관해 조사해 보게 되었다. 뇌사 상태를 판정짖는 뇌간은 뇌와 척수를 연결하며 자율신경계에 의한 호흡, 소화, 심박동, 혈압 등을 조절하는 기능을 한다. 자발 운동에 이어 자발 호흡까지 못하게 된다면, 사망에 이르게 된다. 뇌간이 자율신경계에 의한 호흡을 조절하는 기능을 하기에, 뇌간이 손상되면 사망에 이르게 되는 것이다. 식물인간은 대뇌에만 손상을 입게 되는 상태를 말한다. 의학적으로는 대뇌의 이상으로 인해 의식이나 운동성은 없으나, 호흡과 순환은 유지되는 상태를 지칭한다. 즉, 식물처럼 살아는 있으나 움직이는 것이 불가능한 것이다. 뇌사는 소생 가능성이 없기에 사망의 기준으로 삼는 것이지만, 식물인간의 경우 뇌간에는 손상이 있는 것이 아니며, 대뇌의 일부가 손상된 것이기에 회복하여 깨어나는 사례가 존재하는 것이다. 즉, 식물인간은 회복 가능성이 존재한다는 것이다.

뇌를 해부하던 도중 중간뇌를 보며 평소 관심이 많은 파킨슨병이 떠올랐다. 파킨슨병의 원인은 뇌흑질의 도파민계 신경의 파괴에 있다. 여기서 뇌흑질이 중간뇌에 있는 큰 회백질인데, 이곳에 신경 세포가 많이 모여 있어 골격근의 무의식적 운동을 담당하게 된다. 파킨슨병의 주요 증상인 운동장애가 뇌흑질의 역할과 관련되어 있음을 알게 되었고, 도파민계 신경의 파괴만이 원인은 아니라는 것 또한 알게 되었다.

*느낀점

의학 드라마나 다큐멘터리, 의학 기사에서 식물인간이 깨어났다는 내용을 접한 적이 있는데, 어떻게 가능한 것일지 궁금했었다. 이번에 양뇌를 해부하며 뇌의 구조를 배우고 뇌간을 관찰해보며, 뇌간의 역할까지 알게 되었다. 뇌간이 생명을 유지하는데 필수적이라는 사실을 알게 되었고, 이것이 손상되지 않고, 대뇌에만 손상이 있기에 식물인간이 깨어날 가능성이 있다는 사실도 알 수 있었다.

또한, 과거 파킨슨병의 치료 방안이 무엇일지 생각해 보던 도중, 도파민계 치료제가 해결 방법일 것이라고 생각하였다. 하지만, 도파민계 신경은 나중에는 별로 효과가 없다는 사실을 알게 되었다. 이것을 보안할 방법이 무엇일지 모르겠었는데, 뇌간을 치료하게 되면 파킨슨병도 치료가 가능할 것이라고 생각하게 되었다. 더 나아가 파킨슨 증후군과 알츠하이머병과 같은 퇴행성 뇌질환의 치료 방안에는 무엇이 있으며, 다른 방법은 없을지 조사해 보고 싶다고 생각하였다.

2) 실험과정

준비된 양뇌를 받아서 먼저 외부에서 전체적인 모습을 위쪽, 아래쪽, 옆쪽에서 관찰한다 -> 뇌를 중앙에 놓고 칼로 가운데 부분을 해부한다 -> 해부 후 뇌의 안쪽 면을 관찰하면서 대뇌, 소뇌를 먼저 구분한다 -> 대뇌와 소뇌 사이에 뇌간 부분을 구분한 후 중뇌, 뇌교, 숨뇌를 구분한다 -> 대뇌와 중뇌 사이에 시상, 시상하부, 뇌들보, 솔방울샘을 찾아보고 표시한다

3) 실험의 이론적 배경

1. 뇌

정의: 신경 세포들이 뭉쳐 큰 군집을 이루고 있는 덩어리이며 동물의 중추 신경계를 관장하는 기관이다. 순우리말로는 '골'이라고 한다.

기능: 움직임, 행동 대부분을 관장하고, 신체의 항상성을 유지하며 지식, 정보, 감정, 기억, 추론 등을 담당한다.

2. 뇌의 분류

1) 뇌간 : 중뇌 - 안구운동, 동공반사를 조절, 평형을 유지하는 역할

교뇌(뇌교) - 감각 및 운동 정보를 담당

연수(숨뇌) - 심장, 폐, 혈관 등의 운동을 조절하며 반사 중추역할

2) 소뇌 : 감각 입력과 운동 출력을 담당하는데 평형을 유지하는 역할

3) 대뇌 : 전체 뇌 부피의 85%를 차지함, 지능을 담당

우뇌(우반구), 좌뇌(좌반구). 전두엽, 두정엽, 후두엽, 측두엽으로 나눌수 있다.

전두엽 – 이성, 추상적인 생각, 공격적, 성적인 행동, 후각, 언어, 의식적 움직임의 시작

두정엽 - 특별한 감각의 자극의 인식(전에 본것), 의사소통(언어), 통각, 온각, 압각, 미각

측두엽 - 후각, 언어, 자기보존 표현(노여움), 청각

후두엽 – 시각

4) 느낀점/ 의문점/ 해결방안

비록 동물(양)의 뇌이지만, 내가 관찰한 최초의 장기이다. 처음 받았을 때 양의 뇌를 보면서, 그리고 칼로 뇌를 해부했을 때 잔인하다는 생각이 들었지만, 양한테 고맙고, 미안하고, 그래서 이 시간에 더 열심히 수업해서 무언가 나한테 유익한 시간이 되어야겠다고 다짐했다. 동물의 뇌를 여러 부분으로 나누어서 각 부분의 명칭을 배우면서 그럼 과연 인간의 뇌와 다른 동물(양)의 뇌의 차이점은 무엇일까?라는 궁금점이 들었다. 일단 인간은 다른 동물보다 뇌가 크고 주름이 많다. 그리고 인간은 낡은 뇌(뇌간, 변연계)와 새로운 뇌(신피질, 전전두엽 피질)가 균형 잡힌 방식으로 기능해서 동물보다 지능이 높고 더 나은 문명을 발전시킬 수 있다는 것을 알게 되었다. 뇌의 여러 해부학적 구조물들의 이름을 배워가면서 시상, 시상하부, 솔방울샘, 뇌들보, 같은 단어들은 정의를 찾아보았지만 잘 이해가 되지 않았다. 더 나아가 뇌의 각 부분에 대해서 어떤 기능과 역할을 하는지 찾아보면 좋을 것 같았다.

2. 실험과정

(1) 양뇌를 준비하여 감싸고 있는 비닐을 뜯은 다음, 양뇌가 어떻게 생겼는지 확인해보고, 만져보면서 시각적, 촉각적으로 관찰한다. (뇌의 외관과 각 부위 관찰)

(2) 견출지를 준비하여 뇌의 겉모습, 속모습에 해당하는 각 명칭을 적는다.

(3) 먼저 양뇌 겉모습을 확인하고, 뇌의 각 해당하는 부분에 견출지에 적힌 명칭을 이쑤시개를 이용하여 알맞게 붙여 뇌의 각 부분이 하는 일을 시각적으로 관찰하여 본다. (윗부분 아랫부분 둘다 진행),(사진으로 기록)

(4) 양뇌의 겉모습을 모두 관찰했으면, 해부용 도구를 이용하여 뇌를 중간을 기준(정중대뇌종열)으로 잘라 속모습을 이쑤시개를 이용하여 각 부분에 알맞게 붙여 관찰한다. (사진으로 기록)

(5) 속모습까지 관찰했으면, 대뇌를 잘라 백질과 회백질을 이쑤시개를 이용하여 붙인 뒤, 마지막으로 관찰한다.

3. 실험 이론

(양뇌를 관찰하여 얻어내고자 하는 궁극적인 목적은 사람의 뇌 구조이므로 위 실험에 대한 이론은 사람의 뇌 구조를 중점적으로 기술한다.)

사람의 뇌 구조와 유사한 양의 뇌 구조를 해부하여 각 부분의 명칭과 하는 일을 알아보고자 한다.

뇌는 척수와 더불어 중추신경계를 이루는 머리뼈 내부의 기관으로 신경계의 최고위 중추이다. 주로 신경세포와 신경섬유로 구성되어 있으며, 풍부한 혈관조직들과 경막, 지주막, 연막의 3겹의 뇌막으로 둘러싸여 있다. 뇌는 풍부한 혈관조직을 갖고 있으며, 뇌혈관은 혈액뇌장벽(blood brain barrier)이라고 하는 구조를 갖고 있어 독성물질로부터 뇌를 보호한다. 뇌가 하는 가장 중요한 역할은 운동, 감각, 언어, 기억 및 고위 정신기능을 수행하며, 각성, 항상성의 유지, 신체대사의 조절 등 생존에 필요한 환경을 유지한다.

성인 뇌 무게는 1.4~1.6kg정도이며 뇌를 구성하는 최소단위는 뉴런이라는 신경세포이다. 뇌는 두개골과 뇌척수막에 쌓여있으며 뇌의 아래는 척수와 연결되어 있고 그 안은 뇌척수액이 흐르고 있다. 뇌는 그 형태와 기능에 따라 대뇌, 소뇌, 뇌줄기(뇌간)으로 나뉘며, 뇌줄기를 좀 더 세분화하면 중간뇌, 다리뇌(교뇌), 숨뇌(연수)로 분류할 수 있다. 이 중 중뇌, 연수는 생명 유지에 관여하는 중요한 기능을 하는 뇌관을 구성한다.

사람의 신경계는 뇌와 척수로 이루어진 중추신경계와 중추신경계에서 나와 온몸에 분포하는 말초신경계로 이루어져 있으며, 이들은 서로 작용을 주고받는다. 중추 신경계는 머리뼈에 의해 둘러싸여 있는 뇌와 척추 안쪽에 위치한 척수로 이루어져 있다. 사람의 뇌는 약 천억 개의 뉴런과 수많은 지지세포를 포함한 복잡하게 조직화된 구조를 이루고 있다.

4. 문제점과 해결방안, 과학적 발견, 깊이 있게 조사한 내용

(1) 뇌의 구조를 관찰하는 것을 통해 뇌가 하는 기능에 대해 더 깊이 있게 탐구해보았다. 조사 결과 뇌의 기능은 운동기능, 감각정보 처리 기능, 언어 기능, 학습과 기억 기능, 항상성 유지, 호르몬의 분비로 나누어진다.

운동기능으로서 뇌는 의식적이고 자발적인 운동을 일으킨다. 대뇌의 운동피질에서 자발적 운동에 대한 계획이 수립되면 이 신호는 긴밀하게 연결된 신경세포들을 통해 뇌줄기, 척수를 지나 각각의 근육으로 전달되며, 만약 운동피질에서 근육으로 이르는 신호전달경로에 문제가 생기면 운동기능이 마비되기도 한다. 이 과정에서 소뇌는 대뇌의 기능으로 이루어지는 자발적인 근육운동을 보다 세밀하게 만들고, 여러 근육을 동시에 움직일 때 조화롭게 이루어지도록 돕는다.

감각정보 처리 기능으로서 뇌는 대뇌피질의 감각영역에서 촉각, 통각 등의 체성감각과 시각, 청각, 미각, 후각 등 각각의 감각기관에서 들어온 신호들을 접수하고 처리하여, 인식하고 지각할 수 있도록 한다.

언어 기능으로서 뇌는 주로 대뇌피질(cerebral cortex)의 언어 영역에서 수행하는 기능으로, 운동 기능을 수행하는 전두엽(frantal lobe)의 브로카 영역(Broca’s area)과 이해 등의 기능을 수행하는 측두엽(temporal lobe)의 베르니케 영역(Wernicke’s area)으로 구성된다.

학습과 기억 기능은 대뇌의 해마가 관여하며, 자율신경계 및 호르몬 분비를 통한 대사 조절, 체온과 일주리듬(circadian rhythm)의 유지, 갈증, 굶주림, 피로의 조절 등 기초적인 신체 대사를 유지한다.(항상성 유지)

마지막으로 뇌는 신체 대사 및 생식과 관련된 여러 호르몬을 분비한다.

(2)

(평소 신경에 관해 관심이 많고 이와 관련된 시냅스 전달에 대해 조사해보았다.)

또, 사람의 신경계와 관련되어 시냅스 전달에 관해서도 추가적으로 자료 조사를 해보았는데 시냅스는 뉴런과 뉴런을 연결하는 부위로서 신경으로부터 전도되어 흥분을 다음 뉴런 또는 반응기로 전달하는 역할을 한다. 전달 방식은 화학적 방식 또는 전기적 방식으로 나누어지는데, 신경과 신경사이, 신경과 근육사이, 또는 신경과 선세포(분비세포) 사이에 존재할 수 있다. 즉 다시 말해서, 시냅스 전달이란 화학적인 방법으로(때로는 전기적인 방법으로) 이루어지는 뉴런과 뉴런, 혹은 뉴런과 근육 세포 간의 교신이다. 우리가 양뇌에 관해 실험을 진행한 만큼 시냅스가 뇌에 영향을 미치는 부분도 찾아보았는데, 신경과 신경사이의 시냅스가 가장 많은 곳은 단연 뇌이며, 대뇌에서 나타나는 시냅스는 기억과도 연관된다. 첨부된 그림을 보면 시냅스에는 신경전달 물질을 분비할 수 있는 소포가 있으며, 전기적 신호가 도달하면 시냅스소포에서 아세트콜린을 분비하고 이 물질은 시냅스의 간극으로 펴져나간다. 그후 시냅스 후 뉴런에 존재하는 아세트콜린 수용체에 닿는데, 이 수용체는 나트륨 통로와 짝을 이루고 있다. 수용페에 결합한 아세틸콜린으로 인해 나트륨 통로가 열리면 시냅스의 간극에 있던 나트륨이 뉴런으로 유입되어 탈분극이 발생한다. 앞에서 언급한 것이 시냅스 전달의 원리이다. 이때 방출되는 신경전달물질의 양은 축삭종말 세포기질의 농도에 의존하며, 시냅스틈새로 방출된 신경전달물질은 축삭종말에서 시냅스 이후 뉴런으로 확산되고, 시냅스 이후 뉴런 수용체에 결합하여 반응을 일으키게 되며, 이 신경전달물질은 수용체에 계속해서 결합하지 않고 효소에 의해 분해되는 과정을 통해 신호가 종결되게 된다.

(3) 느낀 점

양뇌 해부를 진행하며 내가 미처 몰랐던 뇌의 부분의 명칭들에 관해 알 수 있었으며 중학교 때 배운 뇌의 구조를 응용하여 뇌에 대한 지적 호기심과 실험 후 탐구 활동을 통해 뇌의 각 부분의 위치와 기능들에 관해 알 수 있어 뇌를 바라보는 새로운 시야가 열렸음을 느꼈다.

1-양뇌를 만져보고 모든 면을 관찰해본다

2-견출지에 뇌의 부분별 명칭을 쓰고 이쑤시개에 붙인다

3-뇌의 윗부분에서 명칭에 맞는 부분을 찾아 이쑤시개를 꽂는다.

4-위와 같이 뇌의 아랫부분에서 명칭에 맞는 부분을 찾아 이쑤시개를 꽂는다

5-뇌의 가운데를 중심으로 반으로 가른다

6-반으로 가른 후 관찰해보고 대뇌를 갈라 백질과 회백질을 관찰한다

2)실험의 이론적 배경

양의 뇌는 사람의 뇌보다는 훨씬 작지만 뇌 구조는 비슷하다.인간과 척수 배열이 다른데 그 이유는 인간은 직립보행을 하지만 양은 사족보행을 해 뇌와 척수가 비교적 수평하게 이어지기 때문이다.양의 대뇌 겉질보다 사람의 대뇌 겉질이 훨씬 두껍고,넓고 주름이 많다.이것은 지능이 높은 것과 연결된다.대뇌 겉질은 부위마다 다른 기능을 하도록 분업화시키고 대뇌는 자뇌와 우뇌로 나뉘고 대뇌 뒷부분에는 소뇌가있고 척수가 연결되어 있다.또한 뇌에는 12쌍의 뇌 신경들이 있고 우뇌와 자뇌는 분리되어 있지만 뇌량을 통해 정보들이 통합된다.뇌줄기는 뇌의 가장 안쪽에 위치해 있는데 그 이유는 생명 유지의 기능을 하기 때문이다.보통 백질은 안쪽에 회밸질은 바깥쪽에 있는데 회백질은 신경세포체,수상돌기 등으로 이루어져있고 백질은 수초로 둘러싸인 축삭 다발로 이루어져 있다.

3)깊게 조사한 내용

대뇌 겉질이 부위마다 다른 기능을 하도록 분업화 시킨다는 것을 알고 대뇌 겉질에 대해 궁금해져 조사해보게 되었다.대뇌 겉질은 대뇌으 가장 표면에 위치하고 있으며 두께는 2~4mm정도이다.대뇌 겉질은 부위에 따라 기능이 다르며 각각 기억,집중,사고,언어,각석 및 의식 등의 중요 기능을 담당한다.대뇌 겉질은 대뇌이ㅢ 깊은 부분과 비교해 갈색을 띠고 있으며 다른 말로는 회백질이라고 부르기도 한다.대뇌 겉질은 계통발생학상 새겉질과 부등겉질로 나뉘어지기도 하는데 사람의 대뇌겉질은 90%가 새겉질이고 10%만이 부등겉질이다.대뇌의 표명에서 돌출된 부분을 이랑이라하고 안으로 들어간 부분을 고랑이라고 한다.대뇌 겉질은 이랑과 고랑의 모양애 따라 이마엽,마루엽,관자엽,뒤통수엽 등으로 나뉘는데 각각의 엽은 다시 기능에 따라 여러 영역으로 나누어진다.대뇌 겉질은 미세구조상 6개의 층(분자층,겉과립층,겉피라미드층,속과립층,속피라미드층,다모양층)으로 구분되는데 각각의 층에 존재하는 신경세포들과 이들의 연결구조는 부위에 따라 차이가 있으면 이러한 신경세포의 존재와 연결을 통해 복잡한 기능을 수행한다.

4)느낀점

이 실험을 통해 직접 뇌를 해부해 보고 부위별로 구분해보면서 뇌를 더 이해할 수 있게 되었고 우리의 뇌가 이러한 복잡한 구조들로 이루어져 있다는 사실을 알 수 있었다.또한 어떻게 정보를 주고받으며 우리 몸의 기능을 조절하는지 알았고 양의 뇌와의 차이를 통해 뇌가 매우 자세한 장기라는 것과 뇌의 작은 부위까지 큰 역할을 할 수 있다는 것을 깨달았다.

• PCR의 원리를 알고 실험을 수행할 수 있다.

• DNA 전기영동의 원리를 알고 실험을 수행할 수 있다.

• 전기영동 결과를 통해 자신의 유전자형을 해석할 수 있다.

1. 실험과정

ㄱ. 구상 상피세포로부터 DNA 추출

1) e-tube 뚜껑에 자기 번호를 쓰고 용해액 100㎕를 옮긴다.

2) 면봉으로 볼 안쪽을 살살 긁어 구강 상피세포를 면봉에 묻힌다.

3) 면봉을 돌려 구강 상피세포를 떨어뜨린 후 1분간 기다린다.

4) 면봉이 든 e-tube에 증류수 100㎕를 옮겨 용해반응을 중지시킨다.

5) 면봉을 e-tube에 꾹 눌러 짜낸 후 버린다.

6) 소량의 DNA만 있어도 실험이 가능하다.

ㄴ. PCR을 이용한 per3 유전자의 증폭

1) PCR tube 뚜껑에 번호를 적고 pcr 프리믹스 10㎕를 옮긴다.

2) PCR tube에 주형 DNA 8㎕ 를 넣은 후 피펫팅해 섞는다.

3) SLP F, SLP R 프라이머를 각각 1㎕씩 넣고 섞는다.

4) 거품이 있을 경우 PCR 튜브를 바닥에 두드려 거품을 제거한다.

5) PCR 기기에 PCR 튜브를 꽂는다.

6) PCR을 진행한다.

ㄷ. 전기영동 젤 만들기

1) 삼각 플라스크에 아가로스 0.3g을 옮긴다.

2) 삼각 플라스크에 TAE 버퍼 20mL를 옮긴 후 흔들어 섞는다.

3) 삼각 플라스크 입구에 랩을 씌운 후 구멍 3~4개를 뚫는다.

4) 전자레인지에 40초+20초를 돌린 후 목장갑을 끼고 꺼낸다.

5) 용액을 잠깐 식힌다.

6) 젤 트레이를 조립한 후 아가로스 용액을 붓는다.

ㄹ. 증폭된 유전자의 전기영동

1) 증폭한 DNA에 로딩버퍼(6X) 4㎕를 넣고 피펫팅한다.

2) Gel tray를 전기영동 장치에 옮기고 TAE 버퍼를 붓는다.

3) 홈(well)에 각 용액을 10㎕씩 옮긴 후 100V 25분간 전기영동

2. 실험의 이론적 배경

ㄱ. 아침형 인간과 저녁형 인간

2003년 영국 서레이대학 연구팀은 'PER(period)3'라는 유전자의 길이가 길면 아침형 인간이고, 짧으면 저녁형 인간이라는 사실을 최초로 밝혀냈다. PER3는 체내 단백질 생산량을 조절하는 식으로 우리 몸에 시간을 알려주는 유전자다. PER3 유전자는 반복된 아미노산들의 서열을 갖는데, 아침형 인간은 5회 반복되고, 저녁형 인간의 경우 3번째 구간이 결실되어 4회 반복된다. 그러나 한 연구에서 스스로 아침형인지 저녁형인지를 조사하고 진행된 유전자형 분석 결과, 일부 상관관계는 나타나지만, 유전자형과 표현형이 완전히 일치하지 않는다는 보고가 있다. 또한 청소년기에는 PER3 유전자의 영향을 크게 받지만 40대가 되면 사회적인 영향이 크게 작용한다.

ㄴ. PCR

'PCR(polymerace chain reaction)'이란 '중합효소 연쇄반응'의 약자로 미량의 DNA 시료에서 특정 염기서열을 수 시간에 20~50만 배 증폭시키는 기술이다.

*PCR의 단계

1) 변성(denaturation): 이중 나선인 DNA를 단일 가닥으로 분리

섭씨 90~96도로 가열하여 이중 나선의 DNA를 단일 가닥으로 분리하는 과정이다. 높은 온도일수록 분리가 잘 되지만 3단계 과정에서 사용되는 DNA 중합효소가 온도가 아주 높은 상태에서는 활성이 낮아지므로 보통 섭씨 94도에서 진행한다. 단, 처음에는 확실한 변성을 위하여 보통 5분간 변성하는 과정을 갖는다.

2) 결합(annealing): 프라이머의 결합

섭씨 55~65도로 온도를 낮추면 프라이머들이 주형 DNA의 특정 염기서열에 상보적으로 결합한다.

3) 신장(elongation)

섭씨 72도로 온도를 높이면 각 프라이머의 말단에 Taq DNA 중합효소가 결합해 새로운 DNA 가닥을 합성한다. 한 번의 사이클을 마치면 특정 DNA의 양은 2배가 된다.

*PCR을 위한 재료

• 주형 DNA(Template DNA)

• Forward/Reverse 프라이머: DNA의 증폭할 부분과 결합하는 올리고 뉴클레오타이드

• dNTP(dATP, dCTP, dGTP, dTTP): DNA 합성에 사용할 뉴클레오타이드

• Taq 중합효소: Thermus aquarcus로부터 분리한 DNA 중합효소

3) DNA 전기영동

DNA의 기본단위는 뉴클레오타이드(nucleotide)이며, 뉴클레오타이드는 염기(base), 당(sugar), 인산(phosphate)으로 구성된다. 이때 인산은 음(-)전하를 띠므로 아래 그림과 같이 DNA는 전체적으로 음(-)전하를 띤다. 전기영동 시 DNA 시료를 아가로스 겔의 홈(well)에 넣은 후 전기장을 걸어주면 DNA는 음(-)전하를 띠므로 (+)극을 향해 이동한다. 따라서 전기영동 장치에서 아가로스 겔의 홈(well)이 반드시 (-)극을 향하도록 위치시켜야 한다. DNA는 분자량, gel 농도, DNA 구조, 전압 등에 따라 전기영동 시 이동속도가 달라진다. DNA 구조가 동일할 경우 분자량이 작을수록 이동속도가 빠르고 분자량이 클수록 이동속도가 느리다.

4) 전기영동(electrophoresis)에 필요한 시약의 종류

ㄱ) DNA 래더(DNA ladder): 길이(염기쌍의 개수)를 알고 있는 DNA 조각들로 구성된 시료로 래더를 기준으로 DNA 시료의 길이를 판별할 수 있다.

ㄴ) 젤 로딩 다이(gel loading dye): 로딩하기 직전에 DNA 시료와 섞는다.

1- 글리세린 성분: DNA는 TAE 버퍼보다 비중이 낮아 젤의 홈(well)에 DNA를 로딩할 경우 DNA가 젤 밖으로 빠져나온다. 젤 로딩 다이의 글리세린 성분은 비중이 높아 DNA 시료가 떠오르는 것을 방지하는 역할을 한다.

2- 트랙킹 염료: 전기영동 시 DNA 밴드의 위치는 눈에 보이지 않는다. 따라서 트랙킹 염료는 겔 상에서 DNA가 내려간 위치를 예측하기 위해 사용된다.

ㄷ) DNA 염색약: DNA 염기 사이에 끼어들어 자외선 영역에서 형광을 나타낸다. 따라서 DNA 밴드는 전기영동 후 젤을 UV 투영기로 옮겨 관찰한다.

5) 마이크로파이펫 사용법

액체를 원하는 양만큼 옮길 때 사용하는 도구로 ㎕ 단위의 액체를 옮길 때 사용한다.

ㄱ) 마이크로파이펫을 이용해 용액을 옮기는 방법

1- Plunger button을 누를 때 2개의 정지 지점이 있는데 이를 각각 1st stop, 2nd stop라고 한다.

2- 용액을 취할 때: Plunger button을 1st stop 지점까지 누른 후 용액에 담그고 처음 위치까지 천천히 올린다.

3- 용액을 옮길 때: 원하는 곳에 마이크로파이펫을 위치시키고 plunger button을 2nd stop까지 눌러 시료를 밀려나오게 한다.

ㄴ) 용량 조절 방법

1- 마이크로파이펫으로 옮길 수 있는 부피: Plunger button 위의 표시 내용을 확인한다. (예) '100 ÷ 1000'은 100~1000㎕을 옮길 수 있다는 의미이다.

2- 부피 읽는 방법: 부피 표시창에는 3개의 숫자가 적혀있는데 첫 자리가 옮길 수 있는 최대부피의 첫 자리와 자릿수가 동일하다. 예를 들어 옮길 수 있는 최대 부피가 1000일 때 첫자리는 천의 자리, 옮길 수 있는 최대 부피가 200인 경우 첫자리는 백의 자리다. 천의 자리와 소수점 아래 자리는 빨간색으로 표기되며, 이외의 자리는 검은색으로 표기된다.

3- 마이크로파이펫 사용 시 주의사항

• 옮길 수 있는 부피 용량 범위 밖으로 숫자 눈금을 돌리지 않는다.

• 용액이 담긴 상태에서 마이크로파이펫을 거꾸로 들지 않는다.

• 사용한 후에는 부피 용량 범위 안에서 최대 용량이 되도록 숫자 눈금을 돌려놓는다.

3. 추가 탐구

동기: 코로나 팬데믹 기간 동안 코로나를 확진하는 방법으로 PCR검사에 대해 들었고, 직접 병원에 가서 검사를 받은 적도 있다. PCR를 하려면 우선 DNA가 필요함을 위의 실험을 통해 확인할 수 있었다. 하지만 뉴스에서 '코로나 바이러스'는 'RNA 바이러스'라는 것을 들었던 기억이 났다. PCR검사를 위해서는 주형 DNA가 필요한데, '어떻게 RNA 바이러스를 PCR 검사할 수 있는지' 궁금했다. 그리고 코로나 진단 검사 중 하나인 신속항원검사의 원리도 탐구하고자 했다.

내용: 코로나바이러스는 DNA가 아닌 RNA(Ribonucleic acid, 리보핵산)을 지니고 있다. 환자의 체취된 검체에서 유전자를 추출한 코로나 바이러스의 유전자는 RNA이다. RNA 자체는 불안정하며 증폭이 어렵기 때문에 DNA로 변환하는 역전사(Reverse Transcription) 과정이 필요하다. 이러한 이유로 코로나 바이러스를 검사하는 PCR검사는 RT-PCR(Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction)이라고 부른다. 주형(표본) RNA를 단일가닥 c DNA로 합성하고, 합성된 DNA는 PCR기계를 사용하여 증폭시킨다.

실시간 PCR(Real-Time PCR 또는 Quantitative PCR)은 특정 DNA 부위를 증폭하는 동안 형광 물질을 이용해 DNA 양 만큼 밝은 형광이 나오게 하고 이를 감지한다. 증폭 초기에는 DNA양이 적어 감지할 수 있을 만한 형광의 밝기가 안되지만, 증폭 과정을 반복해 DNA 양이 아주 많아지면 형광의 밝기가 감지할 수 있는 만큼 충분히 커진다. 형광의 밝기가 감지할 수 있을 만큼 커지면 그 검체는 검사하려고 하는 특정 DNA가 있다고 판정한다. 검체에서 형광의 밝기가 감지할 수 있는 수준만큼 DNA 양이 많아지도록 DNA를 증폭한 횟수가 Ct(cycle threshold)값이다. 검체에 원래 바이러스가 많았으면 적은 횟수의 증폭만으로도 감지할 수 있을 만큼 DNA가 많아지지만, 원래 바이러스가 적으면 더 많은 횟수의 증폭을 해야 감지할 수 있을 만큼 DNA양이 많아진다. 다시 말해 Ct값이 작으면 원래 바이러스 양이 많았다는 것이고 Ct값이 크면 원래 바이러스양이 적었다는 것을 의미한다. 코로나바이러스의 경우 증폭 과정을 35회 반복해도 특정 DNA가 감지되지 않으면 음성으로 판정하는 것으로 알려졌다. 이상적인 상황에서 특정 DNA 조각을 최대 2의 35제곱인 약 340억배로 복사 증폭해도 감지할 수 없다는 것을 의미한다.

신속항원검사는~~

연장선 상의 탐구: PCR과 신속항원검사는 각각의 장단점이 있는데, '감염 전파 위험이 큰 사람을 항원검사로 얼마나 찾을 수 있을까?'라는 질문을 하게 되었다.

한계: PCR검사는 정확도가 높지만 과거의 감염이력이 있는지는 확인이 불가하며, 검사비용이 높고 검사 전문가 인력이 필요해 확진자가 기하급수적으로 증가하는 상황에서는 인력부족을 겪는다.

적용점: 먼저 PCR 검사와 항원 검사의 기본 원리를 비교해 보자. PCR 검사는 바이러스가 지닌 RNA를 DNA로 변환한 다음에, 특정 DNA 부위를 복사해 증폭하는 과정을 거친다. 검체에 바이러스가 조금밖에 없어도 DNA를 증폭해 감지할 수 있는 DNA 양으로 늘릴 수 있다. 적은 양의 바이러스를 지닌 검체도 양성으로 판정할 수 있을 만큼 정확한 검사 방법이다. 반면 항원검사는 증폭하는 과정 없이 바이러스를 직접 감지하는 검사 방식이다. 바이러스 양이 많으면 양성으로 판정할 가능성이 크지만, 바이러스 양이 적으면 음성으로 잘못 판정할 가능성이 큰 검사 방식이다.

항원검사의 민감도를 따질 때 기준이 되는 것은 PCR검사에서 양성이 나온 경우이다. PCR검사는 바이러스 속의 RNA를 DNA로 변환한 후 최대 수백억배까지 복사 증폭해서 감지하기 때문에, 검체 속에 아주 적은 양의 바이러스가 있어도 감지할 수 있을 만큼 정확한 검사이다. 바이러스에 노출된 지 얼마 안됐거나, 감염 후 회복되어 몸에 바이러스가 적을 때도 양성으로 판정할 만큼 매우 정확하다.

2. 실험과정 (나의 유전자확인)

  1) 구강 상피세포로부터 DNA추출

• e-tube뚜껑에 자기 번호를 쓰고 용해액 100uL를 옮긴다 -> 면봉으로 볼 안쪽을 살살 긁어 구강 상피세포를 면봉에 묻힌다 -> 면봉을 돌려 구강 상피세포를 떨어뜨린 후 1분간 기다린다 -> 면봉이 든 e-tube에 증류수 100uL를 옮겨 용해반응을 중지시킨다-> 면봉을 e-tube에 꾹 눌러 짜낸후 버린다 

  2) PCR을 이용한 per3 유전자의 증폭

• PCR tube 뚜껑에 번호를 적고 pcr 프리믹스 10uL를 옮긴다 -> tube에 주형DNA 8uL를 넣은 후 피펫팅해 섞는다 -> SLP F, SLP R 프라이머를 각각 1uL씩 넣고 섞는다 -> 거품이 있을 경우 PCR 튜브를 바닥에 두드려 거품을 제거한다 -> PCR 기기에 PCR 튜브를 꽂는다 -> PCR을 진행한다 

  3) 전기영동 젤 만들기

• 삼각 플라스크에 아가로스 0.3g을 옮긴다 -> 삼각 플라스크에 TAE 버퍼 20mL를 옮긴 후 흔들어 섞는다 -> 삼각 플라스크 입구에 랩을 씌운 후 구멍 3-4개를 뚫는다 -> 전자레인지에 40초 + 20초 돌린후 목장갑을 끼고 꺼낸다 -> 용액을 잠깐 식힌 후, DNA염색약 2uL을 넣고 돌려 잘 섞는다 -> 젤 트레이를 조립한후 아가로스 용액을 붓는다 

  4) 증폭된 유전자의 전기영동

• 증폭한 DNA에 로딩버퍼 4uL를 넣고 피펫팅한다 -> Gel트렝를 전기영동 장치에 옮기고 TAE 버퍼를 붓는다 -> 홈에 각 용액을 10UL씩  옮긴후 100V 25분간 전기영동

3. 실험의 이론적 배경

  1) 유전자 다형성 

   정의 : 개인들 사이에서 서로 다른 유전적 변이를 가지고 있다는 의미이다. (주로 단일 염기 다형성(single Nucleotide Polymorphism, SNP) 형태로 나타남. SNP는 DNA 서열에서 한개의 염기가 다른 염기로 대체되는 변이를 말함.)

   의의 : 이러한 다양성은 우리가 서로 다른 외모, 성격, 건강 상태를 가지는 이유중 하나이다.  즉 유전자 다형성은 개인의 특성을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 

  2) PCR (다중복제 연쇄반응, polymerase chain reaction)

    - DNA의 복제 및 증식을 위한 혁신적인 기술로, DNA 분석, 유전학, 진단, 연구 및 산업 응용 분야에서 핵심적으로 사용한다.  특정 DNA조각을 대량으로 복제하는 과정으로 연구자들이 소량의 DNA로부터 대량의 DNA를 얻을 수 있도록 한다. PCR은 유전자 조작 및 DNA 분석에서 필수적이며, 이 기술을 사용하여 특정 DNA서열을 증식할 수 있다

    -->  실험의 목표: 원하는 DNA서열을 증폭함으로써 해당 DNA정보를 대량으로 얻을 수 있다.

3) DNA Agarose gel 전기영동(agarose gel electrophoresis)

    - DNA 아가로스 겔 전기영동은 DNA 조각을 크기별로 분리하여 시각적으로 나타내는 데 사용한다. DNA 조각의 크기를 결정하고 원하는 DNA조각을 분리할 수 있다. 이는 유전자 분석, PCR 결과 확인, 유전체 분석 등 다양한 분양에서 중요한 역할을 한다. 

   --> 실험의 목표 : PCR를 통해 얻은 DNA 조각의 크기를 정확하게 분리하고, 실험 결과를 시각적으로 확인하여 DNA 조각의 크기 및 품질을 평가할 수 있다. 

  4) DNA(deoxyribonucleic acid)

- 모든 생명체의 유전 정보를 저장하고 전달하는 분자로, 생물체의 기능과 특성 결정에 중요한 역할을 한다. 이중 나선 모양의 구조로 되어 있으며, DNA를 조작하고 분석함으로써 생물학 연구와 응용 분양에서 핵심 재료로 사용한다. 

   프라이머(Primer) - DNA 복제 및 분석에서 필수적인 역할을 하는 짧은 DNA조각이다. Primer는 DNA 복제의 시작점으로 작용하며, DNA 복제효소가 이를 인식하여 새로운 DNA 서열을 합성한다. 

4. 문제점과 해결방안 연구, 과학적 발견, 깊이 있게 조사한 내용

  이번 실험은  외부로 나가서 시행하는 첫 실험이었다. 처음으로 피펫을 다뤄보았는데 처음에는 어색하고 기포도 생기고 손이 덜덜 떨렸지만, 반복하다가 보니까 자연스럽게 익숙해졌다. 마치 과학자가 된 것처럼 가운을 입고 실험다운 실험을 해서 재미있고 두근거리는 시간이었다. 실험을 진행하다가 보니까 이 실험의 원리가 더 궁금해져서 PCR 실험의 원리를 좀 더 자세하게 찾아보고 공부했다.

  - PCR의 단계

   1)변성(denaturation) : 이중 나선인 DNA를 단일 가닥으로 분리

    : 90-96도로 가열하여 이중 나선의 DNA를 단일 가닥으로 분리하는 과정이다. 높은 온도일수록 분리가 잘 되지만 3단계 과정에서 사용되는 DNA 중합효소가 온도가 아주 높은 상태에서는 활성이 낮아지므로 보통 94도에서 진행한다. 단, 처음에는 확실한 변성을 위하여 보통 5분간 변성하는 과정을 갖는다.

   2) 결합(annealing): 프라이머의 결함

    : 55-65도로 온도를낮추면 프라이머들이 주형 DNA의 특정 염기서열에 상보적으로 결합한다.

   3) 신장(elongation)

    : 72도로 온도를높이면 각 프라이머의 말단에 Taq DNA중합효소가 결합해 새로운 DNA가닥을 합성한다. 한 번의 사이클을 마치면 특정 DNA 의 양은 2개가 된다.

  실험 수업을 하기 전에 DNA는 RNA랑 다르게 왜 이중나선구조로 이루어져있을까? 가 궁금했었다. 오늘 수업을통해서 이중 나선 구조로 이루어져 있기 때문에 유전정보를 저장하는데 유리하다는 것을 깨닫게 되었고 RNA는 단일 나선 구조라서 유전물질을 전달하거나 단백질을 합성하는데 유리하다는 것을 이해할 수 있었다. 핵산의 단위체인 뉴클레오타이드가 인산, 당, 염기가 1:1:1로 결합되어 있고, 인산때문에 음전하를 가져서 전기영동에서 양극쪽으로 이동한다는 것을 배웠고, 4개의 염기 아데노(A), 타이민(T), 사이토신(C), 구아닌(G)이 상보적결합을 하여 DNA내에서 아데노와 타이민 갯수가 같아야만 하는 이유도 이해하게 되었다.  

  비록  PCR & 전기영동 실험의 결과가 만족할만큼 명확하게 나오지 않아 속상했지만, 처음 해 본 어려운 실험이 어떤 프로토콜을 통해 단계적으로 하나씩 차례대로 잘 수행할때 실험의 결과가 좋은 결과로 산출된다는것을 발견했다. 이것은 마치 고등학교 때 여러 과목을  공부하는 과정도 비슷하지 않을까 생각한다.  한번에 바로 좋은 결과가 나오는 것은 없을 것 같다. 매일 매일 조금씩 한단계씩 차근차근 열심히 공부할때 좋은 시험 성적이 나올 것이다. 단번에 100점 나오면 너무 좋겠지만, 이번 실험처럼  step by step 정신으로 기초부터 차근차근 공부하면서 다음 단계로 넘어가야겠다. 더나아가 내 장래희망에도 적용할 수 있을 것이다. 비록  내 꿈은 존재하더라도, 그 꿈도 바로 한번에 이뤄지지는 않을 것이다. 느리지만 차근차근 한단계씩 진행하다가 보면 분명 좋은 결과가 산출 될 것이다. 일단 이번 중간고사부터 시작이다.  

a.  양뇌를 들어, 양뇌의 크기와 외형, 구조를 파악한다.

b.  견출지에 각 양뇌의 영역에 맞는 명칙을 작성하고, 이를 이쑤시개에 깃발모양으로 붙인다.

c-1. 양뇌의 윗부분을 명칭(대뇌, 소뇌에 해당하는 전두엽, 두정엽, 측 두엽, 후두엽등)과 역할을 고려하며, 견출지가 붙어있는 이쑤시개를 꽂고, 이를 사진으로 기록한다.

c-2. 양뇌의 아래부분을 명칭(숨뇌, 뇌교, 시색, 시신경교차, 후각신경구등)과 역할을 고려하며, 견출지가 붙어있는 이쑤시개를 꽂고, 이것 역시 사진으로 기록한다.

d.  위 과정을 통해 양뇌의 겉모습을 모두 파악한 후, 양뇌의 속 모습을 관찰하기 위해 양뇌를 정중대뇌종열을 기준으로, 받은 장비를 활용해 반으로 자른다.

e.  양뇌의 측면을 관찰하여 뇌의 여러 영역(전뇌와 대뇌, 중뇌등에 해당되는 상구, 시상, 뇌들보, 시상하부, 백질과 회백질등)을 관찰하고 각 영역의 명칭에 맞는 이쑤시개를 꽂고, 이를 사진으로 기록한다.

2.  실험의 이론적 배경

이 실험의 궁극적인 목적은, 인간의 뇌의 구조를 알아보기 위함이다. 따라서, 이 실험의 가장 기초적인 지식이자 배경은 인간의 뇌 구조와 역할, 그리고 양뇌와 인간의 뇌 사이의 공통점 및 차이점이라고 판단된다.

뇌는 중추신경계를 이루는 신경계의 최고위 중추인 머리뼈 내부의 기관으로, 우리 몸의 생장활동 및 생명활동을 통솔할뿐 아니라, 고등 기능인 이성적인 사고를 가능케한다. 뇌는 다양한 구역으로 나뉘는데, 크게 대뇌, 소뇌, 뇌줄기로 나눌 수 있다. 대뇌는 2개의 반구로 나뉘는데, 이 반구들은 뇌들보로 연결되어 있다. 대뇌는 돌출된 부분인 이랑, 주름져있는 부분인 고랑을 기준으로, 전두엽, 두정엽, 측두엽, 후두엽으로 구성되어있다. 그 중, 전두엽은 대뇌반구의 앞에 위치한 영역으로, 기억력, 사고력, 그리고 성격 형성에 관여하는 감정, 독창성과 판단력을 결정하며 대뇌에서 가장 중요한 역할을 맡는다. 소뇌는 편도와 반구로 구성되어있으며, 소뇌 피질과 잎새 및 틈새가 있다. 소뇌는 대뇌의 뒤쪽 아랫부분에 해당하는 영역으로, 다른 영역이나 척수로부터 감각정보를 처리, 구성, 통합한다. 뇌줄기는 무수한 신경섬유들이 결합되어 있으며, 중간뇌, 다리뇌, 숨뇌로 구분된다. 뇌줄기의 최상부에 위치한 중간뇌는 청각, 시각, 의식상태를 조절하고, 다리뇌는 얼굴 표정에 관여하는 근육과 저작근을 조절할 수 있으며 중간뇌와 숨뇌 사이에 위치한다. 또, 숨뇌는 뇌줄기의 가장 하부에 위치해, 척수와 연결되어 호흡, 순환, 소화등의 운동을 조절하는 자율 신경 중추를 가지고 있다.

인간의 뇌와 양뇌 사이의 공통점 및 차이점은 생각보다 두드러지게 나타난다. 인간의 뇌와 양뇌는 뇌의 구조가 같다는데에서 공통점이 존재하지만, 척수의 배열에서 차이점이 나타난다. 2족보행을 하는 인간과 달리, 양은 4족보행을하므로, 양의 척수는 4족 보행 포유류 동물에서 나타나는 보편적 특징인 수평적 배열을 띄고 있다. 또한, 양뇌는 인간의 뇌보다 작고, 지능을 결정하는 대뇌의 겉질이 인간보다 덜 주름지고, 또 그 주름의 깊이가 덜 깊다.

실험을 통해, 이러한 인간 뇌의 구조와 명칭, 양과 인간뇌의 차이점과 공통점이 이번 실험의 이론적 배경 및 지식임을 알 수 있었다.

3.   문제점과 해결방안/과학적 발견/깊이 조사한 내용/느낀점

2) 실험방법

1. 돌말 시료 채집 과정

: 돌의 표면을 칫솔로 긁기 ->시료를 유리병에 담기 -> 코니컬튜브에 6ml 담기

2. 표본 전처리(세척) 및 표본 제작

: 수동원심분리기로 시료 분리하기(3회 반복실시) -> 시료 세척하기(과산화수소 사용) -> 표본 제작하기

3. 표본 관찰 및 기록

: 광학 현미경에서 표본을 관찰하기 -> 돌말의 생김새 크기 측정

3) 실험 결과

: 돌말류 – 엽록체가 있어 이산화탄소를 이용하여 광합성을 하는 독립 영양 생물이며, 부유 또는 부착형태로 생존하며 물이나 수분이 있는 곳이면 어디든지 자랄 수 있다. 담수, 해수 및 기수에 분포하는 식물성 플랑크톤이다. 부영양화가 심할수록 중심형 돌말류가 보편적이다.

돌말류의 몸은 규산질로 마치 도시락과 도시락 뚜껑과 같은 2장의 세포벽으로 둘러싸여 있다. 이 각편(껍데기)에는 모두 정교한 무늬가 있는데 그 배열 방식에는 2가지가 있다. 세포 뚜껑면의 중앙을 중식축으로 점문열으로 방사상으로 배열하는 중심형과 중앙선을 따라 선문이 배열하여 갖는 우상형으로 대별된다. 종의 동정이나 분류는 세포 내용물 보다는 모양이나 규산질 골격의 형태는 돌말류를 분류 동정하는데 열쇠가 된다

4) 소감

: 중학교때 배운 원생생물 중 돌말류를 직접 관찰 할 수 있다고 생각해서 설레는 시간이었다. 하지만 막상 돌말류를 채집해서 현미경으로 그 모습을 관찰하지 못해 아쉬웠다. 표본 전처리 과정이나 표본 제작에서 문제가 있지 않을까 생각을 해보았다. 실험 과정 적힌 그대로 했는데도 돌말을 직접 관찰하지 못해 답답했고, 대신 이 실험의 의의를 생각해 보았다. 돌말류는 식물성 플랑크톤의 일종으로 과거부터 현재까지 기후변화를 추적하는 대표적인 살아있는 화석으로, 해양 및 하천 등 넓은 지역에서 광합성을 통해 탄소중립의 효율성이 높은 원생생물로 평가된다. 예를 들어 깨끗한 물에서는 돌말류의 크기와 모양이 매우 다양한 여러 가지 종류의 돌말류가 관찰되고 오염된 물에서는 같은 모양의(중심형) 돌말류가 관찰되어 수질 환경 오염 정도를 판단할 수 있는 지표가 되는 것을 알수 있었다. 다음 기회에는 오염된 물과 깨끗한 물에서 돌말류를 채집하여 환경에 따라 돌말류의 종류가 다름을 확인하고 싶다.

2) 실험방법 :

1. 신장의 겉모양을 관찰한다. (색깔, 전체적인 모양, 촉감, 윗면, 아랫면)

2. 콩을 두 쪽으로 나누듯이 돼지 콩팥을 가위로 잘라준다

3. 신장의 겉질, 속질, 콩팥깔때기를 관찰한다.

4. 신장을 가로로 잘라서 관찰한다.(속질, 콩팥깔때기, 겉질)

3) 실험결과 :

신장(콩팥)은 우리 몸에서 쓰고 나온 노폐물을 걸러내어 오줌으로 만들어 바깥으로 배설하는 일을 하는 배설기관입니다. 신장은 크게 겉질(피질), 속질(수질), 콩팥깔때기(신우)로 이루어져 있습니다. 겉질은 콩팥의 바깥부분으로 모세혈관이 실뭉치처럼 뭉쳐서 사구체와 이것을 둘러싸고 있는 보먼주머니가 있는 곳입니다. 속질은 콩팥의 안쪽부분으로 세뇨관이 있습니다. 세뇨관은 보먼주머니와 연결된 가늘고 긴 관으로 모세혈관으로 둘러싸여 있습니다. 사구체에서 걸러진 작은 물질들이 세뇨관을 거치면서 우리몸에 필요한 포도당, 아미노산, 무기염류, 물 등이 다시 모세혈관으로 재흡수되고 여과되지 못한 노폐물들이 다시 분비되는 곳입니다. 사구체, 보먼주머니, 세뇨관이 오줌을 만들어 내는 기본 단위인데 이것들을 합쳐서 네프론이라고 합니다. 콩팥 한 개에는 약 100만개의 네프론이 있습니다. 콩팥깔때기는 네프론에서 만들어진 오줌이 일시 저장되었다가 오줌관(수뇨관)을 통해 방광으로 이동되는 것입니다.

4) 소감 :

신장을 직접 보면서 신장을 왜 콩팥이라고 불리는지 알게 되었다. 모양은 콩 모양이고 색깔은 팥 색깔이어서 콩팥이라고 불리는게 아닐까? 촉감은 미끌거렸고 마치 묵 같았다. 영화 같은데서 보면 돈이 없을 때 콩팥 하나를 팔라고 하는데 이번에 공부하면서 신장은 한 개만 있어도 우리 몸이 살아갈 수 있다는 것을 알게 되었다. 중3 때 우리 몸에 대해서 공부할 때 가장 힘든 부분이 배설기관이었는데 네프론이라는 개념과 겉질, 속질의 개념이 기능적인 분류와 해부학적인 분류의 차이에 따른 구분이라는 것을 알게 되었다. 이 조그마한 기관이 하루에 180L의 물을 여과해서 2L의 소변을 배출한다고 하니 역시 우리 몸은 그냥 대충 만들어진 것이 아니구나 생각했다. 아쉬운 점은 해부학적인 구조를 정리하면서 그 기능과 역할에 대해 완벽하게 예습해가지 않아서 모르니까 그냥 대충보게 된 것 같았다. 다음에 신장에 대해 해부실습기회가 있을때에는 미리 신장에 각 부분에 대해 예습해서 가서 내가 아는 내용과 해부학적 구조를 비교해보면서 공부해 봐야겠다고 생각했다.

a. 돼지 콩팥을 손에 올려 무게를 체감하고, 촉감을 느낀다.

b. 돼지 콩팥을 트레이 위에 올려둔다.

c. 돼지 콩팥의 외형을 파악한다.

d. 돼지 콩팥을 준비된 칼과 가위를 활용해 반으로 가른다.

e. 가른 콩팥을 콩팥 구조도를 활용해 콩팥의 겉질과 속질등 각각의 부위와 역할을 파악한다.

2. 실험의 이론적 배경

콩팥은 신체의 배설기관으로, 등쪽에 두개가 존재한다. 콩팥은 100만개 가량의 네프론으로 이루어져있어 노폐물들을 걸러 소변으로 만들고, 이를 오줌관을 통해 방광으로 이동시켜 배설시킨다. 여기서 네프론은 콩팥의 구조와 기능의 기본 단위로, 사구체, 보우만 주머니, 요세관으로 이루어져있다. 사구체는 겉질의 바깥쪽에 위치하는데, 모세혈관 덩어리이다. 보우만 주머니는 이를 감싸고 있는 주머니로, 사구체에서 걸러진 혈액이 보우만주머니를 지나 요세관에서 재흡수와 분비 작용을 거쳐 소변을 형성한다. 이를 통해, 영양분을 흡수하고 나머지 노폐물들은 배설하면서, 생체 항상성 유지, 배설 기능을 가능케한다.

3. 과학적 발견, 결과

이번 콩팥 해부 실험을 통해, 콩팥의 구조를 파악할 수 있었다. 뿐만아니라, 신장의 기능과 기능의 원리를 알 수 있었으며, 이를 통해 여러 신장 질환이 발새하는 원인 역시 파악할 수 있었다.

1) 표본 채집

(1) 수심이 얕은 하천에서 갈색의 물때가 묻은 돌을 채집한다.

(2) 수조 안에서 칫솔로 채집한 돌의 표면을 긁는다.

(3) 돌 표면에 증류수를 부어 바닥에 고인 돌말 시료를 채취한다.

(4) 채취한 시료를 50ml 유리병으로 옮겨 담고, 채집 장소와 날짜를 유리병에 기록한다.

(5) 유리병에 든 시료를 스포이드(5ml)로 코니컬튜브에 6ml 만큼 옮겨 담는다.

2) 표본 전처리(세척) 및 표본 제작

(1) 6ml 시료가 담긴 15ml 코니컬튜브 2개를 서로 마주보게 수동 원심분리기에 꽂는다. (*원심분리기를 사용할 땐 양쪽 시료의 용량을 맞추어 균형을 맞춘다.)

(2) 수동 원심분리기를 이용하여 시료를 가라앉힌다. (*3회 정도 반복 실시한다.)

(3) 시료와 요액이 분리되면 상부 용액을 버린다.

(4) 표본 세척액(과산화수소:H2O2) 3ml를 넣고, 시료와 반응할 때까지 약 10분간 방치한다. (*표본 세척액을 사용할 때는 반드시 장갑을 착용하며, 반응이 잘 될 수 있도록 뚜껑을 열어둔다. 또한 실험실 환기가 잘 되도록 창문을 열어둔다.)

(5) 반응이 잘 일어나도록 스포이드로 공기를 3회 주입한다.

(6) 반응이 끝나면 증류수 6ml를 넣고, 수동 원심분리기를 이용해 시료를 가라앉혀 준 후 상부 용액을 버린다. (*3회 정도 반복 실시한다.)

(7) 세척이 끝난 시료에 증류수를 더 넣고 섞어 옅은 흰색에 혼합물 시료가 되도록 한다. (*돌말의 농도가 높으면 관찰하기 어려우므로 주의한다.)

(8) 핫플레이트를 70~80도씨로 맞춰 주고 핀셋을 이용하여 커버글라스를 올려준다. (*화상에 주의한다.)

(9) 커버글라스에 시료를 스포이드로 1~2방울 떨어뜨리고 물이 증발 될 때까지 기다린다.

(10) 마운트 미디아를 한 방울 떨어뜨리고 슬라이드글라스를 붙인 후 바로 뒤집는다.

(11) 핫플레이트 위에 두어 마운트미디아가 잘 퍼져 커버글라스와 슬라이드글라스가 밀착되도록 한다.

3) 표본 관찰 및 기록

(1) 살아있는 표본과 영구표본 제작한 슬라이드글라스를 광학현미경의 재물대에 올린 후 초점과 배율을 조작하여 관찰한다.

(2) 관찰되는 돌말류의 생김새와 크기를 측정하고, 스케치하여 기록한다.

(3) 어떤 종류인지 도감을 이용해 동정 해 본다.

2. 실험의 이론적 배경

1) 돌말류(규조류) Diatom

돌말류는 10~200㎛ 크기의 단세포 조류(Algae)로서, 황갈조식물문에 속한다. 엽록체가 있어 이산화탄소를 이용하여 광합성을 하는 독립 영양 생물이며, 부유 또는 부착형태로 생존하며 물이나 수분이 있는 곳이면 어디든지 자랄 수 있다. 담수, 해수 및 기수(바다와 강이 만나는 곳)에 분포하여 지역적 범위가 매우 넓고 계절적 변동도 크다. 전 지구적으로 돌말류는 담수산과 해산을 포함하여 약 100,000여종으로 추정될 정도로 흔한 식물성 플랑크톤이다.

국내 담수산 돌말류 연구는 소하천에서 부착성 돌말류에 대한 분류와 그 오염지표성에 대한 연구가 많이 수행되었다. 국내 하천과 호수의 오염이 심화되고 수질 부영양화가 일반적인 현상이 되면서 미세조류의 분포 등 육수학적 연구가 크게 증가하였다. 부영양화가 심할수록 조류 특히 중심형 돌말류는 보편적이고 국내 호수와 하천에서 차지하는 비중이 매우 높고, 계절적으로는 봄, 가을 및 겨울 등 물이 적은 시기에는 절대적인 우위를 차지한다.

2) 돌말류의 구조와 생물학적 형태

돌말류의 몸은 규산질(SiO2)로 마치 도시락과 도시락 또껑과 같은 2장의 세포벽으로 둘러싸여 있다. 기본적으로 운동력이 없으나 등줄(종구, raphe)과 같은 세포벽의 홈을 통해 점액질을 분비함으로써 기질을 따라 움직이는 운동력이 극히 제한되어 있다.

생식에는 무성생식과 유성생식이 있다. 무성생식은 주로 분열법에 의한다. 유성생식에는 2가지 방법이 있다. 그 중 하나는 중대 포자의 형성이고, 다른 유성생식은 정자와 난자가 합쳐지는 방법이다.

3) 돌말류와 기후위기& 탄소중립

기업이나 개인이 발생시킨 이산화탄소 배출량만큼 이산화탄소 흡수량도 늘려 실질적인 이산화탄소 배출량을 '0(zero)'으로 만든다는 개념이다. 다시 말하면 대기 중으로 배출한 이산화탄소의 양을 상쇄할 정도의 이산화탄소를 다시 흡수하는 대책을 세움으로써 이산화탄소의 양을 상쇄할 정도의 이산화탄소를 다시 흡수하는 대책을 세움으로써 이산화탄소 총량을 중립 상태로 만든다는 뜻이다.

* '블루카본'이란?

조류(Algae)의 광합성을 통해 수ㆍ해양생태계가 흡수하는 탄소

3. 실험 중 어려웠던 점, 느낀점

살아있는 돌말류의 관찰에서 어려움이 있었다. 돌말 시료 채취 혹은 표본 제작에서 문제가 있었던 것으로 생각된다. 하지만 정확한 원인은 짐작이 가지 않는다. 그린카본보다 블루카본이 지구온난화 완화에 더 도움이 될 수 있다는 것을 알게 되었다. 우리나라에는 갯벌이 많으니까 이러한 블루카본 자원을 국제사회에서 인정받기 위해 노력해야 할 것이며, 이를 잘 활용해야한다는 생각이 들었다. 추가로 '블루카본', 특별히 우리나라 갯벌의 지구온난화를 완화하는 긍적적인 효과에 대해 수치적으로 조사해보고 싶다.

1) 돼지 콩팥의 촉감, 무게, 색 등을 확인한다.

2) 콩팥을 반으로 가른다.

3) 자른 콩팥의 단면에서 겉질, 속질, 콩팥깔때기를 관찰한다.

2. 실험의 이론적 배경

배설이란 우리 몸의 물질대사 과정에서 생긴 몸 속 노폐물을 걸러 몸 밖으로 내보내는 것을 의미한다. 배설물은 오줌과 땀이다.콩팥은 우리 몸의 필터 역할을 하는 배설 기관 중 하나이다. 혈관을 따라 콩팥으로 혈액이 들어와서 혈액 속 노폐물이 걸러져서 오줌으로 만들어지고, 오줌관을 통해 나간다. 콩팥은 크게 겉질, 속질, 콩팥깔때기의 3부분으로 이루어진다. 겉질과 속질에서 노폐물이 걸러져서 오줌이 되면 콩팥깔때기로 모여서 오줌관을 통해 방광으로 간다. 오줌을 만드는 필터인 '네프론'은 모세혈관들이 뭉쳐져서 사구체를 형성하고, 그것을 보먼 주머니가 둘러싸고 있다.

3. 추가탐구 및 느낀점

우리 몸의 콩팥이 하루에 180L에서 오직 2L만의 배설물을 걸러낸다는 사실을 듣고, 배설 과정 중 '재흡수'에 주목하여 추가탐구를 이어갔다. 알기닌 바소프레신은 뇌하수체후엽에서 부비하는 펩티드호르몬으로, 알기프레신 또는 항이뇨호르몬(ADH; Antidiuretic hormone)으로도 알려져 있다. 바소프레신의 주기능은 '수분 재흡수 촉진'이다. 신장의 수분 재흡수를 촉진시키고 소변을 농축하여 그 양을 줄인다. 증가된 바소프레신은 신장의 집합관 새포 표면에 아쿠아포린의 발현을 증가시키는데, 이는 아쿠아포린 저장 소낭이 막에 융합하는 것을 촉진함으로써 이루어진다. ADH 분비 수준이 낮을 때는 아쿠아포린이 다시 집합관 세포 내의 소낭에 저장되어 표면에 발현되지 않는다. 아쿠아포린의 발현이 증가되어 집합관의 물 투과성이 증가하면, 집합관이 신장의 피질에서 수질로 진행함에 따라 높아지는 주위의 삼투농도에 의해 물의 재흡수가 촉진되고 결과적으로 오줌의 양이 줄어들어 물을 보존하게 된다. 아쿠아포린의 발현이 적으면 물의 재흡수량이 적어지고 오줌의 양이 늘어난다.

우리 몸은 다양한 방법으로 효율성을 추구하며, 전체가 상호작용을 이룬다는 것을 느꼈다.

1. 수심이 얕은 하천에서 갈색의 물때가 묻은 (표면이 미끌거리는) 돌을 채집한다.

2. 수조 안에서 칫솔로 채집한 돌의 표면을 긁는다.

3. 돌 표면에 증류스를 부어 바닥에 고인 돌말 시료를 채취한다.

4. 채취한 시료 50ml 유리병으로 옮겨 담고, 채집 장소와 날짜를 유리병에 기록한다.

5. 유리병에 든 시료를 스포이드로 코니컬튜브 7ml 만큼 옮겨 담는다.

6. 6ml 시료가 담긴 15ml 코니컬튜브 2개를 서로 마주 보게 수동 원심분리기에 꽂고, 시료를 가라앉힌다.

7. 상부 용액을 버린 후 상부 용액을 버린 후 표본 세척액(과산화수소:H2O2) 3ml를 넣고, 시료와 반응할 때까지 10분간 방치한다.

8. 핫플레이트를 70~80도로 맞춘 후 커버글라스를 올려 접착제를 사용해 표본을 제작한다.

9. 광학현미경으로 관찰 후 돌말류의 모습을 기록한다.

*실험의 이론적 배경

돌말류는 단세포 조류로서 황갈조식물문에 속한다. 엽록체가 있어 이산화탄소를 이용하여 광합성을 하는 독립 영양 생물이다. 돌말류는 전 지구적으로 약 100000여종으로 추정될 정도로 흔한 식물성 플랑크톤이다. 탄소에는 세가지 종류가 있다. 블랙카본, 그리카본, 블루카본이 있다. 블랙카본은 화석 연료를 사용하여 자동차 연료 등으로 배출되는 탄소이다. 그린카본은 나무 열대우림 등 육상 생태계가 흡수하는 탄소이다. 블루카본은 조류의 광합성을 통해 수해양생태계가 흡수하는 탄소이다.

*깊이있게 조사한 내용

나무들이 이산화탄소를 흡수하는 것처럼, 해양 생태계도 탄소를 저장하는 역할을 한다. 블루카본이 존재하는 해양 생태계의 경우를 보자. 유엔과 세계자연보전연맹에 따르면 해양 생태계의 온실가스 흡수 속도가 육지생태계보다 최대 50배나 빠르다고 한다. 이때문에 블루카본이 온실가스 감소에 주목받고 있는 것이다.

1. 돼지 콩팥을 손에 올려 촉감을 느껴본다.

2. 돼지 콩팥을 해부용 트레이 위에 올려두고 외형을 파악한다.

3. 돼지 콩팥을 해부용 칼을 이용해 반으로 가른다.

4. 가른 콩팥을 콩팥 구조도를 활용하여 콩팥의 겉질과 속질등 각각의 부위와 그 역할을 알아본다.

*실험의 이론적 배경

신장은 횡경막의 아래쪽, 배 뒤에 위치하며, 우리 몸의 노폐물을 제거해주고 체내 수분과 염분의 양, 산 염기 균형등을 조절해 주는 역할을 한다. 신장을 잘라보면, 겉부분인 신피질과 속부분인 신수질로 구분이 되는것을 알 수 있다. 더 자세히 살펴보면 혈액이 여과되어서 오줌이 만들어지는 장치인 사구체, 사구체에 연결된 세뇨관, 그리고 기타 모세혈관과 간질성분 등으로 구성되어 있다. 신장 내부에는 약 100만개 이상의 네프론이 존재한다. 네프론은 신장의 구조적, 기능적 단위이며, 혈액 속의 노폐물을 없애는 과정에서 소변을 생성하는 기관이다.

*깊이 있게 조사한 내용

신장 해부를 하면서 신장 이식 수술에 관해 조사해 보았다. 신장은 우리 몸에 2개인데, 그러한 이유로 신장을 기증하여 신장 한개로 사는 경우도 간혹 볼수가 있다. 이러한 경우 과연 아무런 문제가 없을지 조사해보았다. 스웨덴의 스톡홀롬에서 신장공여를 한 430명을 20년 이상동안 관찰하였다. 실제로 신장공여를 한 사람들은 85%가 생존해 있었다고 한다. 단 신장공여후에 20년이 지난뒤에 1/3에서 고혈압이 있었다고 한다. 나이에 따른 신장기능의 감소는 일반인들과 비슷하였다고 한다. 결론적으로는 신장공여를 하더라도 고혈압외에 일반인들과 특별히 다를 것이 없었다. 하지만, 인체에 신장이 2개인데는 이유가 있을 것이며, 그중 한개가 없어지면 기능 저하 등의 문제점은 발생이 가능하므로 무조건 신장 한개로 사는 것이 괜찮은 일이라고는 할 수 없을 것이다.

2. 학습 목표

돌말류의 구조 및 생물학적 특성을 살펴보고, 광학현미경을 통해 관찰한다.

돌말류의 환경 지표로서의 활용 가능성과 기후위기 탄소중립의 가능성을 살펴본다.

3. 실험 준비물

하천에서 채집한 돌, 라텍스 장갑, 수조, 칫솔, 스포이드형 증류수통, 스포이드, 50ml 유리병, 15ml 코니컬튜브, 튜브랙, 수동원심분리기, 표본세척액(과산화수소), 증류수, 핫플레이트, 슬라이드글라스, 커버글라스, 핀셋, 광학현미경, 홀슬라이드글라스, 영구표본, 도감, 관찰기록지

4. 실험과정

1) 표본 채집 과정

(1) 수심이 얕은 하천에서 갈색의 물때가 묻은 돌을 채집한다.

(2) 수조 안에서 칫솔로 채집한 돌의 표면을 긁는다.

(3) 돌 표면에 증류수를 부어 바닥에 고인 돌말 시료를 채취한다.

(4) 채취한 시료를 50ml 유리병으로 옮겨 담고, 채집 장소와 날짜를 유리병에 기록한다.

(5) 유리병에 든 시료를 스포이드(5ml)로 코니컬튜브에 7ml 만큼 옮겨 담는다.

2) 표본 진처리 및 표본 제작

(1) 6ML 시료가 담긴 15ml 코니컬튜브 2개를 서로 마주보게 수동 원심분리기에 꽂는다.

(2) 수동원심분리기를 이용하여 시료를 가라앉힌다.

(3) 시료와 용액이 분리되면 상부 용액을 버린다.

(4) 표본세척액 3ml를 넣고, 시료와 반응할 때까지, 약 10분간 방치한다.

(5) 반응이 잘 일어나도록 스포이드로 공기를 3회 주입한다.

(6) 반응이 끝나면 증류수 6ml를 넣고, 수동 원심분리기를 이용해 시료를 가라앉혀 준후, 상부 용액을 버린다.

(7) 세척이 끝난 시료에 증류수를 더 넣고 섞어 옅은 회색에 혼합물 시료가 되도록 한다.

(8) 핫플레이트를 70~80도로 맞춰주고, 핀셋을 이용하여 커버글라스를 올려준다.

(9) 커버글라스에 시료를 스포이드로 1~2방울 떨어뜨리고 물이 증발 될 때까지 기다린다.

(10) 마운트 미디아를 한 방울 떨어뜨리고 슬라이드 글라스를 붙인 후 바로 뒤집는다.

(11) 핫플레이트 위에 두어 마운트미디아가 잘 퍼져 커버글라스와 슬라이드글라스가 밀착되도록 한다.

3) 표본 관찰 과정

(1) 전원을 키고, 프레파라트를 재물대에 클립으로 고정시키고 프레파라트 이동나사를 이용해 관찰하려는 물체가 재물대 중앙에 오도록 한다.

(2) 대물렌즈 회전판을 돌려 가장 낮은 배율의 대물렌즈가 재물대 중앙에 오도록 설치한다.

(3) 접안렌즈를 들여다보며 조동나사를 서서히 돌려 초점을 맞춘다.

(4) 미동나사를 서서히 앞뒤로 돌려 보면서 상이 가장 뚜렷하게 보이도록 초점을 맞춘다.

(5) 대물렌즈를 5배, 10배, 40배, 1000배로 번경하며 미동나사로 초점을 맞추어 관찰한다.

(6) 관찰이 종료되면 프레파라트를 재물대에서 제거한 후 조동나사로 재물대를 내려 전원을 끈다.

(7) 살아있는 표본과 영구표본 제작한 슬라이드글라스를 재물대에 올린 후 초점과 배율을 조작하여 관찰한다.

(8) 관찰되는 돌말류의 생김새와 크기를 측정하고, 스케치하여 기록한다.

(9) 어떤 종류인지 도감을 이용해 동정해본다.

5. 실험과정에서 주의할 점

원심분리기를 사용할 때에는 양쪽 시료의 용량을 맞추어 균형을 맞춘다.

표본세척액을 사용할 때는 반드시 장갑을 착용하며, 반응이 잘 될 수 있도록 뚜껑을 열어둔다.

또한 실험실 환기가 잘 되도록 창문을 열어둔다.

6. 실험의 이론적 배경

돌말류는 10~200um 크기의 단세포 조류로서, 황갈조식 물문에 속한다. 엽록체가 있어 이산화탄소를 이용하여 광합성을 하는 독립 영양 생물이며, 부유 또는 부착형태로 생존하여 물이나 수분이 있는 곳이면 어디든지 자랄 수 있다. 담수, 해수 및 기수(바다와 강이 만나는 곳)에 분포하여 지역적 범위가 매우 넓고, 계절적 변동도 크다. 전 지구적으로 돌말류는 담수산과 해산을 포함하여 약 100,000여종으로 추정될 정도로 흔한 식물성 플랑크톤이다.

돌말류의 몸은 규산질로 마치 도시락과 도시락 뚜껑과 같은 2장의 세포벽으로 둘러싸여 있다. 이 각편(껍데기)에는 모두 졍교한 무늬가 있는데, 그 배열 방식에는 2가지가 있다. 세포 뚜껑면의 중앙을 중심축으로 점문열으로 방사상으로 배열하는 중심형과 중앙선을 따라 선문이 배열하여 갖는 우상형으로 대별된다. 종의 동정이나 분류는 세포 내용물보다는 모양이나 규산질 골격의 형태는 돌말류를 분류 동정하는 데, 열쇠가 되며, 기본적으로 운동력이 없으나, 등줄(종구)과 같은 세포벽의 홈을 통해 점액질을 분리함으로써 기질을 따라 움직이는 운동력이 극히 제한되어 있다.

7. 문제점 및 해결방안, 깊이 조사한 내용

문제점: 돌말류와 기후위기, 탄소중립

해결방안: 기업이나 개인이 발생시킨 이산화탄소 배출량만큼 이산화탄소 흡수량도 늘려 실질적인 이산화탄소 배출량을 0(zero)으로 만든다는 개념을 말한다. 다시 말하면 대기 중으로 배출한 이산화탄소의 양을 상쇄할 정도의 이산화탄소 총량을 중립 상태로 만든다는 것이며, 탄소중립을 실현하는 방안으로는 첫째, 이산화탄소 배출량에 상응하는 만큼의 숲을 조성하여, 산소를 공급하거나 화석연료로 대체할 수 있는 무공해에너지인 태양열,태양광,풍력 에너지 등 재생에너지 분야에 투자하는 방법, 둘째, 이산화탄소 등을 배출할 수 있는 권리(탄소배출권)를 구매하는 방법이 있다. 탄소배출권이란 이산화탄소 배출량을 돈으로 환산하여 시장에서 거래할 수 있도록 한 것인데, 탄소배출권을 구매하기 위해 지불한 돈은 삼림을 조성하는 등 이산화탄소 흡수량을 늘리는 데에 사용된다.

블랙카본- 화석연료를 사용하여 자동차 연료, 배출되는 탄소

그린카본- 나무, 열대우림 등 육상 생태계가 흡수하는 탄소

블루카본- 조류(Aglae)의 광합성을 통해 수, 해양생태계가 흡수하는 탄소

8. 실험을 진행하면서 느낀 점(어려웠던 점)

돌에서 채취한 돌말류가 제대로 관찰되지 않아 결론을 도출해내는 데 어려움이 있었고, 표본 채취와 작업 과정에서 오류가 있었던 것으로 파악되었다. 돌말류(규조류)는 식물성 플랑크톤의 일종으로 과거부터 현재까지 기후변화를 추적하는 대표적인 살아있는 화석으로, 해양 및 하천 등 넓은 지역에서 광합성을 통해 탄소중립의 효율성이 높은 원생생물임을 알 수 있었고, 돌말류의 가치, 역사 등을 알아보는 과정을 통해 생명을 바라보는 새로운 시야가 열렸음을 느낄 수 있었다. 또한 그린카본 뿐만 아니라 블루카본의 예도 살펴보고, 탄소 중립을 위해 일상에서 실천해볼 방안을 나로 하여금 생각해보게 한 실험이었으며 돌말류의 쓰임새와 역할에 좀 더 탐구해보는 계기가 되었다.

실험과정 :

1. 준비된 양뇌를 들어 촉감을 확인하고 겉모습을 관찰한다.

2. 양뇌의 각 부위의 이름을 견출지에 작성한 다음 이쑤시개에 견출지를 붙인다.

3. 양뇌의 겉모습을 관찰하며 견출지에 작성한 부위 중 관찰 가능한 부위를 찾아 해당 부위의 이름이 쓰여진 견출지의 이쑤시개를 적절히 꽂고 사진으로 모습을 남긴다.

4. 칼로 정중대뇌중열을 기준으로 양뇌를 좌반구와 우반구로 나누어지게 자른다.

5. 반으로 가른 양뇌의 안쪽을 관찰한 후 관찰한 부위에 해당 견출지의 이쑤시개를 꽂아 사진을 촬영한다.

이론적 배경 :

뇌는 모든 척추동물과 대부분의 무척추동물의 중추신경계를 관장하는 기관으로 그 형태와 기능에 따라 크게 대뇌, 소뇌, 뇌간으로 나눌 수 있으며 뇌간은 중간뇌, 교뇌, 연수로 나눌 수 있다.

대뇌는 뇌의 대부분인 약 85%를 차지하며 우반구와 좌반구로 구성되어 있고 정신활동과 자율신경계 조절, 호르몬 조절, 항상성 유지 등의 기능을 수행한다.

소뇌는 대뇌의 아래쪽에 위치하고 뇌 전체의 10%를 차지하며 근육에 운동신호를 보내고 평형감각을 담당하는 등의 역할을 한다. 

뇌줄기라고도 불리는 뇌간은 수많은 신경섬유로 이루어져 있으며 뇌간을 구성하는 중간뇌는 몸의 균향 유지, 안구운동, 홍채조절과 같은 일을 하고 교뇌는 소뇌와 대뇌 사이에 정보 전달을 도우며 연수는 호흡, 순환운동의 조절등에 관여한다.

실험을 통해 관찰한 양뇌는 인간의 뇌와 대체로 유사하지만 인간의 뇌에 비해 크기가 작고 더 가벼우며 그 모양에서도 인간의 뇌와 차이를 보인다.

추가로 조사한 내용 :

뇌가 우리 몸을 구성하는 주요 기관이라는 것을 알고 뇌가 손상되는 경우에 대해 추가조사를 진행하였다.

외상에 의해 뇌가 손상되었을 경우 나타나는 주요 증상은 의식 소실이며 이후 의식이 돌아온다고 해도 두통, 어지럼증, 집중력 저하, 기억 상실, 피로 및 자극 과민성, 구토 등이 나타날 수 있으며 최악의

경우 의식을 회복하지 못할 수 있다.

또한 뇌혈관이 막혀서 영양분과 산소를 포함한 혈액이 뇌에 공급되지 않는 상태를 말하는 뇌경색을 경험하게 될 경우, 혈액과 산소 공급에 민감한 뇌는 산소가 포함된 혈액이 공급되지 않아 조직이 쉽게 손상을 받을 수 있으며 이때 한 번 손상된 뇌세포는 거의 회복되지 않기 때문에 후유증으로 반신마비나 언어장애, 보행장애, 연하장애(삼킴장애) 등이 남을 가능성이 높다.

추가로 뇌졸중은 뇌의 일부분에 혈액을 공급하는 혈관이 막히거나 터짐으로써 그 부분의 뇌가 손상되어 나타나는 신경학적 증상을 말하며 인간을 식물인간 상태로 이끌 수 있을 만큼 위험하고 회복이 된다 하더라도 뇌졸중의 합병증으로 인지 기능 저하가 올 수 있으며 실어증(Aphasia), 실행증(Apraxia), 구음 장애(Dysarthria)와 같은 언어 장애가 생기기도 하고 우울증, 근심, 자신과 자존심의 결함 등의 감정적 문제가 발생하기도 한다.

느낀점 :

실험을 통해 실제 해부를 처음 하게 되어 신기한 점이 많았고 양의 뇌가 인간의 뇌와 유사한 점이 많아 우리 뇌의 대략적인 구조와 기능을 양뇌 해부를 통해 알아볼 수 있다는 점이 신기하게 느껴졌다. 한편 뇌의 각 부위의 정확한 위치나 정보를 사전에 제대로 숙지하지 못해 실험 과정 중 어려움을 겪기도 하였는데 다음번에 이와 유사한 실험을 진행하게 된다면 그때는 미리 실험을 위한 배경지식을 쌓은 후 실험에 참여하고 싶다는 생각을 하게 되었다. 또한 뇌의 세부 부위들의 위치와 기능 등에 대한 새로운 여러 지식을 얻을 수 있게 되어 무척 유익한 실험이었다고 생각한다.

2. 실험 목표

돼지의 콩팥을 직접 분리하는 과정을 통해 콩팥의 구조, 역할 등을 알아보고자 한다.

3. 실험 준비물

돼지 콩팥, 각종 해부 도구

4. 실험 과정

1) 돼지의 콩팥을 다양한 감각을 활용하여 관찰한다.

2) 해부용 도구를 이용하여 콩팥을 반으로 가른 후 콩팥의 구조를 파악한다.

3) 콩팥깔때기, 컽질, 속질, 사구체, 네프론 등의 위치를 파악하여 본다.

5. 실험의 이론적 배경

신장은 노폐물의 배설을 통해 항상성을 유지 시켜준다.척추를 사이에 두고 등 쪽에 두 개가 서로 맞은편에 자리하고 있다.신장은 크게 피질과 수질,그리고 신우로 나눌 수 있는데 바깥을 둘러싸고 있는 부분이 피질이고 그 안쪽이 수질,그리고 가장 안쪽에 신우가 자리 잡고 있다.

신장의 무게는 150g정도이지만 피질과 수질부에 약100만 개 정도의 네프론으로 이루어져 있다.네프론은 모든 척추동물의 신장에서 발견되고 신장은 결합조직에 의해 수많은 네프론이 서로 묶여서 구성된다(돼지:약125만개,사람:약100만개,개:약50만개).포유동물의 신장에서 네프론은2개의 구분된 부위로 바깥쪽에 과립형태인 신피질(renal cortex)과 안쪽에 가로무늬 부위인 신수질(renal medulla)로 나뉜다.

콩팥은 아래쪽 배의 등쪽에 쌍으로 위치하며 노폐물을 배설하고 산염기 및 전해질 대사 등 체내 항상성을 유지하는 기능을 하는 중요한 장기 중 하나이다. 양쪽 콩팥의 총 무게는 전체 체중의 약 0.4%에 지나지 않지만 콩팥의 기능이 심하게 저하되거나 소실되면 생명을 유지하기 어렵다. 생명의 유지에 매우 중요한 생리적 기능을 수행하기 때문에 총 심박출량의 20~25%가 콩팥으로 흘러 들어간다. 콩팥의 기능을 담당하는 단위 구조로서 네프론이 있으며 이는 소변을 생산하는 데 있어 기본 단위가 된다.

콩팥의 길이는 약 10~14cm,폭은 5~6cm,두께는 2.5~3cm정도이며 한쪽 콩팥의 무게는 120~190g이다. 색깔은 적갈색이며 형태는 강낭콩 모양이다. 콩팥에는 단위 조직으로 네프론이 있는데 양쪽 콩팥을 합하여 약 250만 개 정도의 네프론이 존재한다. 네프론은 사구체(토리), 토리세관, 콩팥세관고리, 먼쪽세관 및 집합관으로 구성되어 있다. 집합관이 모이는 지점에 콩팥유두가 형성되며 이는 작은콩팥잔, 큰콩팥잔으로 연결된다.콩팥깔때기는요관과 연결되어 있으며 여러 콩팥잔(신배)이 모여서 형성된다.

콩팥의 기능에는 첫째, 대사 산물 및 노폐물을 걸러서 소변으로 배출하는 배설 기능, 둘째로 체내 수분량과 전해질, 산성도 등을 좁은 범위 안에서 일정하게 유지하는 생체 항상성 유지 기능, 셋째로 혈압 유지, 빈혈 교정 및 칼슘과 인 대사에 중요한 여러 가지 호르몬을 생산하고 활성화시키는 내분비 기능으로 요약할 수 있다.

 특히, 네프론의 구조적 배열을 공부하는 것은 신장의 피질과 수질 부위의 차이와 신장 기능을 이해하는 데 필수적이다. 각 네프론은 세뇨관과 이와 관련된 혈관으로 구성되며 이들은 구조적, 기능적으로 밀접하게 연관되어 있으며, 주된 혈관 부위인 사구체는 모세혈관이 실타래처럼 엉켜 공처럼 생긴 혹 부분으로, 혈액은 사구체의 여과작용으로 혈액 내의 과잉수분과 노폐물을 제거하는 기능을 한다.

6. 실험을 진행하면서 느낀 점

직접 콩팥을 해부해보는 과정을 통해 콩팥의 구조, 각 기관이 하는 역할 등을 알 수 있었으며, 신장의 수분 재흡수를 촉진하는 호르몬에 대해 궁금증이 생겨 좀 더 탐구해보았다. 탐구 결과, 항이뇨 호르몬이라고도 불리는 바소프레신이 신장의 수분 재흡수를 촉진시키고 소변을 농축하여 그 양을 줄이며. 증가된 바소프레신은 신장의 집합관 세포 표면에 아쿠아포린의 발현을 증가시킨다는 사실을 새롭게 알게 되었다. 이를 통해 우리 몸의 각 기관이 저마다의 역할을 가지고 있으며, 상호작용을 통해 균형을 유지한다는 점을 실험을 통해 알아볼 수 있었고, 이를 통해 콩팥뿐만 아니라 다른 인체의 구조에 대한 흥미를 얻을 수 있었다.

1)구상 상피세포로부터 DNA 추출

(1)e-tube 뚜껑에 자기 번호를 쓰고 용해액 100uL를 옮긴다.

(2)면봉으로 볼 안쪽을 살살 긁어 구강 상피세포를 면봉에 묻힌다.

(3)면봉을 e-tube 안에서 돌려 구강 상피세포를 떨어트린 후 1분간 기다린다.

(4)면봉이 든 e-tube에 증류수 100uL를 옮겨 용해반응을 중지시킨다.

(5)면봉을 e-tube에 꾹 눌러 짜낸 후 버린다.

(6)소량의 DNA만 있어도 실험이 가능하다.

2)PCR을 이용한 per3 유전자의 증폭

(1)PCR tube 뚜껑에 번호를 적고 pcr 프리믹스 10uL를 옮긴다.

(2)PCR tube에 주형 DNA 8uL를 넣은 후 피펫팅해 섞는다.

(3)SLP F, SLP R 프라이머를 각각 1uL 씩 넣고 섞는다.

(4)거품이 있을 경우 PCR 튜브를 바닥에 두드려 거품을 제거한다.

(5)PCR 기기에 PCR 튜브를 꽂는다.

(6)PCR을 진행한다.

3)전기영동 젤 만들기

(1)삼각 플라스크에 아가로스 0.3g을 옮긴다.

(2)삼각 플라스크에 TAE 버퍼 20mL를 옮긴 후 흔들어 섞는다.

(3)삼각 플라스크 입구에 랩을 씌운 후 구멍 3~4개를 뚫는다.

(4)전자레인지에 40초+20초를 돌린 후 목장갑을 끼고 꺼낸다.

(5)용액을 잠깐 식힌 후, DNA 염새약 2uL을 넣고 돌려 잘 섞는다.

(6)젤 트레이를 조립한 후 아가로스 용액을 붓는다.

4)증폭된 유전자의 전기영동

(1)증폭한 DNA에 로딩버퍼 4uL를 넣고 피펫팅한다.

(2)Gel tray를 전기영동 장치에 옮기고 TAE 버퍼를 붓는다.

(3)홈(well)에 각 용액을 10uL식 옮긴 후 100V 25분간 전기영동한다.

2.실험의 이론적 배경

1)PER3 유전자

2003년 영국 서레이대학 연구팀은 PER(period)3'라는 유전자의 길이가 길면 아침형 인간이고, 짧으면 저녁형 인간이라는 사실을 최초로 밝혀냈다. PER3는 체내 단백질 생산량을 조절하는 식으로 우리 몸에 시간을 알려주는 유전자다. PER3 유전자는 반복된 아미노산들의 서열을 갖는데, 아침형 인간은 5회 반복되고, 저녁형 인간의 경우 3번째 구간이 결실되어 4회 반복된다. 그러나 한 연구에서 스스로 아침형인지 저녁형인지를 조사하고 진행된 유전자형 분석 결과, 그림 2와 같이 일부 상관관계는 나타나지만, 유전자형과 표현형이 완전히 일치하지는 않는다는 보고가 있다. 또한 청소년기에는 PER3 유전자의 영향을 강하게 받지만 40대가 되면 사회적인 영향이 크게 작용한다.

2)PCR

PCR(polymerase chain reaction)이란 중합효소 연쇄반응의 약자로 미량의 DNA 시료에서 특정 염기서열을 수 시간에 20~50만 배 증폭시키는 기술이다. PCR은 세 단계를 거쳐서 유전자를 증폭시킨다. 첫번째 단계는 변성(denaturation)이다. 이중 나선인 DNA를 단일 가닥으로 분리 90~96°C로 가열하여 이중 나선의 DNA를 단일 가닥으로 분리하는 과정이다. 높은 온도일수록 분리가 잘 되지만 3단계 과정에서 사용되는 DNA 중합효소가 온도가 아주 높은 상태에서는 활성이 낮아지므로 보통 94'C에서 진행한다. 단, 처음에는 확실한 변성을 위하여 보통 5분간 변성하는 과정을 갖는다. 두 번째는 결합(annealing)이다. 55~65 C로 온도를 낮추면 프라이머들이 주형 DNA의 특정 염기서열에 상보적으로 결합한다. 마지막으로 신장(elongation)이다. 72°C로 온도를 높이면 각 프라이머의 말단에 Tag DNA 중합효소가 결합해 새로운 DNA 가닥을 합성한다. 한 번의 사이클을 마치면 특정 DNA의 양은 2배가 된다. PCR을 하기 위해서는 기본적으로 주형 DNA(Template DNA), Forward / Reverse 프라이머(DNA의 증폭 부분과 결합하는 올리고 뉴클레오타이드(oligonucleotide)), DNA 합성에 사용할 뉴클레오타이드인 dNTP(dATP, dCTP, dGTP, dTTP), Taq  중합효소(Thermus aquarcus 로부터 분리한 DNA 중합효소)가 필요하다.

3)DNA 전기영동

DNA의 기본단위는 뉴클레오타이드(nucleotide)이며, 뉴클레오타이드는 염기(base), 당(sugar), 인산(phosphate)으로 구성된다. 이때 인산은 음(-)전하를 띠므로 DNA는 전체적으로 음(-)전하를 띤다. 전기영동 시 DNA 시료를 아가로스 겔의 홈(Well)에 넣은 후 전기장을 걸어주면 DNA는 음(-)전하를 띠므로 (+)극을 향해 이동한다. 따라서 전기영동 장치에서 아가로스 겔의 홈(well)이 반드시 (-)극을 향하도록 위치시켜야 한다. (DNA는 분자량, gel 농도, DNA 구조, 전압 등에 따라 전기영동 시 이동속도가 달라진다. DNA 구조가 동일할 경우 분자량이 작을수록 이동속도가 빠르고 분자량이 클수록 이동속도가 느리다.

4)전기영동(electrophoresis)에 필요한 시약의 종류

전기영동을 할 때에는 DNA 래더와 젤 로딩 다이(gel loading dye), DNA 염색약이 필요하다. DNA 래더(ONA ladder)가 필요하다. DNA 래더는 길이(염기쌍의 개수)를 알고 있는 DNA 조각들로 구성된 시료일 래더를 기준으로 DNA 시료의 길이를 판별할 수 있게 해준다. 젤 로딩 다이는 로딩하기 직전에 DNA 시료와 섞는다. 그런데 DNA는 TAE 버피보다 비중이 낮아 젤의 홈(wel)에 DNA를 로딩할 경우 DNA가 젤 밖으로 빠져나온다. 이것을 막기 위해 젤 로딩 다이의 글리세린 성분이 비중이 높은 점을 이용해 DNA 시료가 떠오르는 것을 방지한다. 또한, 전기영동 시 DNA 밴드의 위치는 눈에 보이지 않기 때문에, 트랙킹 염료를 사용하여 겔 상에 DNA가 내려간 위치를 예측한다. 마지막으로 DNA 염색약은 DNA 염기 사이에 끼어들어 자외선 영역에서 형광을 나타낸다. 따라서 DNA 밴드는 전기영동 후 젤을 UV 투영기로 옮겨 관찰해야 한다.

5)마이크로피펫 사용법

마이크로피펫은 액체를 원하는 양만큼 옮길 때 사용하는 도구로, up 단위의 액체를 옮길 때 사용된다. Plunger button을 누를 때 2개의 정지 지점이 있는데 이를 각각 1st stop, 2nd stop 라고 한다. 용액을 취할 때에는 Plunger button을 1st stop 지점까지 누른 후 용액에 담그고 처음 위치까지 천천히 올린다. 용액을 옮길 때에는 원하는 곳에 마이크로피펫을 위치시키고 plunger button을 2nd stop까지 눌러 시료를 밀려나오게 한다. 마이크로피펫으로 옮길 수 있는 부피는 종류마다 다른데, Plunger button 위의 표시 내용을 확인해야 얼마나 옮길 수 있는지 알 수 있다. 예를들어 '100/1000'은 100~1000µL을 옮길 수 있다는 의미이다. 부피 표시창에는 3개의 숫자가 적혀있는데 첫 자리가 옮길 수 있는 최대부피의 첫 자리와 자릿수가 동일하다. 예를 들어 옮길 수 있는 최대 부피가 1000일 때 첫자리는 천의 자리, 옮길 수 있는 최대 부피가 200인 경우 첫자리는 백의 자리다. 천의 자리와 소수점 아래 자리는 빨간색으로 표기되며, 이외의 자리는 검은색으로 표기된다. 마이크로피펫을 사용할 때에는 옮길 수 있는 부피 용량 범위 밖으로 숫자 눈금을 돌리지 않아야 하고, 용액이 담긴 상태에서 마이크로피펫을 거꾸로 들지 않는다. 사용한 후에는 부피 용량 범위 안에서 최대 용량이 되도록 숫자 눈금을 돌려놓는다.

3.깊이 있게 조사한 내용

코로나바이러스의 확산으로 인해 PCR검사라는 말을 모두가 들어본 적이 있을 것이다. PCR은 DNA시료를 증폭시키는 기술인데, 어떤 점이 코로나바이러스와 연관성이 있는지 궁금했다. 그리고 코로나 진단 검사는 어떤 원리를 가지고 있는지 찾아보았다. 우선 코로나바이러스는 RNA를 가지고 있다. RNA는 DNA처럼 뉴클레오타이드로 구성되어 있지만, DNA는 이중 나선 구조의 형태를 가진 것과 달리 RNA는 단일 가닥 구조를 가졌다. 이러한 코로나바이러스를 진단하기 위해서 우리는 크게 두 가지 방법을 쓰는데, 바로 PCR 검사와 신속항원검사이다. 먼저 PCR검사는 유전자 증폭 과정을 통해 코로나바이러스를 감지하는 방법을 쓴다. 그런데 코로나바이러스의 유전자는 RNA로, RNA자체는 불안정하며 증폭이 어렵기 때문에 DNA로 변환하는 역전사 과정이 필요하다. 주형(표본) RNA를 단일가닥 c DNA로 합성하고, 합성된 DNA는 PCR기계를 사용하여 증폭시킨다. 증폭된 DNA에는 특이 결합하는 형광 표지 물질을 사용하여 특정 파장에서 관찰할 수 있도록 하는데 이 과정에서 반응 온도과 시간이 중요하다. 만약 검체에 코로나 바이러스가 존재할 경우 바이러스의 RNA를 바탕으로 합성된 DNA에 특정 형광 신호의 강도가 증폭되어 나타난다. 측정은 Fluorometer(형광측정기)라는 기계를 통해 실시한다. 하지만 PCR검사는 정확도가 높지만 과거의 감염이력이 있는지는 확인이 불가하며, 검사비용이 높고 검사 전문가 인력이 필요해 현재 확진자가 기하급수적으로 증가하는 상황에서는 인력부족을 겪을 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 등장한 것이 신속항원검사이다. 자가진단 키트로 검사하는 신속 항원 검사는 항원-항체 반응으로 면역 반응의 원리와 크로마토그래피의 원리를 이용한다. 항원-항체 반응이란 백혈구에서 생성된 항체가 항원과 특이적 결합하여 항원을 파괴하거나 대식세포를 통해 항원을 소멸시키는 것을 말한다. 여기에서 항원이란 생명체내에서 이물질로 간주되는 모든 물질을 통칭하며 대부분 병원균이나 바이러스를 의미한다. 우리가 사용하는 자가진단 키트의 항원은 코로나 바이러스로 볼 수 있다. 항원-항체반응 중에서도 자가진단 키트는 Sandwich ELSIA를 이용한다. ELSIA란 검체 내의 특정단백질을 정량하는 방법으로 항체의 양을 정량하거나 항원의 양을 측정할 수 있다. Sandwich ELSIA는 항원-항체 반응에서 동일 결합부위에 대한 2가지 항원, 항체간의 경쟁이 이루어지는 방법이다. 면봉으로 비강에서 검체를 체취한 후 동봉된 용액에 희석하여 키트에 떨어뜨리면 모세관 현상을 통해 반대방향으로 용액이 흘러가게 된다. 이때 용액에 존재하는 항원(코로나 바이러스)은 먼저 표지물질이 부착된 항체와 결합한다. 표지물질이 부착된 항원-항체는 계속해서 반대편으로 흐르고 Test line에 고정된 항체와 항원의 양쪽으로 결합하게 된다. Test line에서 결합하고 남은 잔여 분은 Control line에 고정된 2차 항체와 결합한다. Control line은 코로나 바이러스의 유무와 상관없이 정상적인 키트 작용을 확인하기 위해 사용한다. 이렇게 용액이 끝까지 다 흐르게 되면 Test line과 Control 라인에 나타나는 선을 통해 진단한다. Test line과 Control 라인에 모두 선이 나타나면 코로나 바이러스에 감염된것으로 즉, 양성으로 진단한다. 신속항원검사는 PCR검사에 비해 검사시간 단축과 빠른 결과를 얻을 수 있어 PCR의 단점을 극복해냈다. 하지만 코로나 바이러스 검체를 증폭하지 않고 그대로 사용하여 검사하는 방법은 바이러스가 미량인 경우 정확도가 낮다는 단점이 있다. 이번 실험을 통해 PCR이라는 것에 대해 깊게 알게 되었다. 특히 DNA 내용은 1학기 과학 시간에 배우는 내용과 동일하기 때문에 나중에 수업을 들을 때 도움이 될 수 있는 부분이라고 생각했다. 또한 코로나바이러스에 관한 추가 탐구 덕분에 코로나바이러스 이외의 다른 바이러스들도 탐구해보고 싶다는 생각이 들었다.

-콩팥을 손에 올려 무게와 촉감을 확인한다

-콩팥의 외형을 파악하고 칼과 가위를 이용해 가로로 반으로 가른다

-반으로 가른 콩팥을 보고 겉질과 속질 등을 파악한다

2)실험의 이론적 배경

콩팥은 척추동물의 배설기구이다.콩팥은 양쪽에 두 개 위치해 있고 현관과 오줌관이 이어져 있는데 이 혈관을 따라 혈액이 들어와 한 바퀴 돌고 혈액 속 노폐물이 걸러져 오줌관으로 나온다.콩팥은 하루의 약 180ml의 혈액을 걸러준다.콩팥은 겉질과 속질 그리고 가장 안쪽의 콩팥깔때기로 이루어져있다.겉질과 속질에서 노폐물이 걸러져 오줌이 되면 콩팥깔데기로 모여서 방광으로 간다.겉질과 속질에는 모세혈관들이 모여 사구체를 형성하고 그것을 둘러싼 보먼주머니로 이루어진 네프론이 있다.콩팥 한 개에는 100만 개의 네프론이 있다.

3)깊이 있게 조사한 내용과 느낀 점

콩팥의 추가적인 기능으로는 체내 수분량과 전해질, 산성도 등을 일정하게 유지하는 생체 항상성 유지 기능과 혈압 유지,빈혈 교정 등에 중요한 호르몬을 생산하고 활성화시키는 내분비 기능이다.세포외액이 생리적인 범위를 벗어난 성상으로 바뀌게 되면서 세포막이 기능을 상실하게 되면 콩팥은 다른 기관과 협력하고 여러 호르몬 및 신경의 도움을 받아 세포외액의 성상을 생리적인 범위 내로 유지시키는 역할을 한다. 체내의 항상성을 유지하는 것은 수분대사 조절을 통해 세포외액량을 조절하거나 소듐과 칼륨 흡수 배설을 통해 전해질대사를 조절하기도 하고 산염기의 균형을 유지하는 일들로 이루어진다.또한 콩팥은 여러 가지 호르몬의 작용에 직접적으로 영향을 받으면서도 호르몬이나 그와 관련된 물질을 직접적이나 간접적으로 생성하기도 한다. 콩팥은 프로스타글란딘의 일부를 생성하고 생성된 프로스타글란딘은 콩팥 현관을 확장시켜 혈류량을 증가시킨다. 콩팥으로 유입되는 혈류량이 증가되면 콩팥에서의 소듐과 수분의 배설 및 레닌 분비에 영향을 미친다.

이렇게 조사를 해보니 신장이 여러 역할을 한다는 것을 알게되었고 우리의 몸에 2개의 콩팥이 있지만 하나가 없어도 문제가 없는 것은 아니라는 것을 알게되었다.

1.구상 상피세포로부터 DNA 추출

-e-tube 뚜껑에 자기 번호를 쓰고 용해액 100uL를 옮긴다.

-면봉으로 볼 안쪽을 살살 긁어 구강 상피세포를 면봉에 묻힌다.

-면봉을 e-tube 안에서 돌려 구강 상피세포를 떨어트린 후 1분간 기다린다.

-면봉이 든 e-tube에 증류수 100uL를 옮겨 용해반응을 중지시킨다.

-면봉을 e-tube에 꾹 눌러 짜낸 후 버린다.

-소량의 DNA만 있어도 실험이 가능하다.

2.PCR을 이용한 per3 유전자의 증폭

-PCR tube 뚜껑에 번호를 적고 pcr 프리믹스 10uL를 옮긴다.

-PCR tube에 주형 DNA 8uL를 넣은 후 피펫팅해 섞는다.

-SLP F, SLP R 프라이머를 각각 1uL 씩 넣고 섞는다.

-거품이 있을 경우 PCR 튜브를 바닥에 두드려 거품을 제거한다.

-PCR 기기에 PCR 튜브를 꽂는다.

-PCR을 진행한다.

3.전기영동 젤 만들기

-삼각 플라스크에 아가로스 0.3g을 옮긴다.

-삼각 플라스크에 TAE 버퍼 20mL를 옮긴 후 흔들어 섞는다.

-삼각 플라스크 입구에 랩을 씌운 후 구멍 3~4개를 뚫는다.

-전자레인지에 40초+20초를 돌린 후 목장갑을 끼고 꺼낸다.

-용액을 잠깐 식힌 후, DNA 염새약 2uL을 넣고 돌려 잘 섞는다.

-젤 트레이를 조립한 후 아가로스 용액을 붓는다.

4.증폭된 유전자의 전기영동

-증폭한 DNA에 로딩버퍼 4uL를 넣고 피펫팅한다.

-Gel tray를 전기영동 장치에 옮기고 TAE 버퍼를 붓는다

-홈(well)에 각 용액을 10uL식 옮긴 후 100V 25분간 전기영동한다.

2)실험의 이론적 배경

1.PER(period)3 유전자

2003년 영국 서레이대학 연구팀은 이 유전자의 길이가 길명 아침형 인간이고 짧으면 저녁형 인간이라는 사실을 최초로 밝혀냈다.이 유전자는 체내 단백질 생산량을 조절하는 식으로 우리 몸에 시간을 알려준다.PER3 유전자는 반복된 아미노산들의 서열을 갖는데,아침형 인간은 5회 반복되고, 저녁형 인간의 경우 3번째 구간이 결실되어 4회 반복된다. 그러나 한 연구에서 스스로 아침형인지 저녁형인지를 조사하고 진행된 유전자형 분석 결과, 그림 2와 같이 일부 상관관계는 나타나지만, 유전자형과 표현형이 완전히 일치하지는 않는다는 보고가 있다. 또한 청소년기에는 PER3 유전자의 영향을 강하게 받지만 40대가 되면 사회적인 영향이 크게 작용한다.

2.PCR

PCR(polymerase chain reaction)이란 중합효소 연쇄반응의 약자로 미량의 DNA 시료에서 특정 염기서열을 수 시간에 20~50만 배 증폭시키는 기술이다. 변성(denaturation)단계는 이중 나선인 DNA를 단일 가닥으로 분리하고 90~96°C로 가열하여 이중 나선의 DNA를 단일 가닥으로 분리하는 과정이다. 높은 온도일수록 분리가 잘 되지만 3단계 과정에서 사용되는 DNA 중합효소가 온도가 아주 높은 상태에서는 활성이 낮아지므로 보통94°C에서 진행한다. 단, 처음에는 확실한 변성을 위하여 보통 5분간 변성하는 과정을 갖는다. 그 다음 결합(annealing) 단계에서는 55~65 C로 온도를 낮추면 프라이머들이 주형 DNA의 특정 염기서열에 상보적으로 결합한다. 마지막으로 신장(elongation)단계에서는 72°C로 온도를 높이면 각 프라이머의 말단에 Taq DNA 중합효소가 결합해 새로운 DNA 가닥을 합성한다. 한 번의 사이클을 마치면 특정 DNA의 양은 2배가 된다. PCR을 위한 재료는 주형DNA(Template DNA), DNA의 증폭 부분과 결합하는 올리고 뉴클레오타이드인 Forward / Reverse 프라이머,DNA 합성에 사용할 뉴클레오타이드인 dNTP(dATP, dCTP, dGTP, dTTP), Thermus aquarcus 로부터 분리한 DNA 중합효소인 Taq  중합효소이다.

3.DNA 전기영동

DNA의 기본단위는 뉴클레오타이드(nucleotide)이며, 뉴클레오타이드는 염기(base), 당(sugar), 인산(phosphate)으로 구성된다. 이때 인산은 음(-)전하를 띠므로 DNA는 전체적으로 음(-)전하를 띤다. 전기영동 시 DNA 시료를 아가로스 겔의 홈(Well)에 넣은 후 전기장을 걸어주면 DNA는 음(-)전하를 띠므로 (+)극을 향해 이동한다. 따라서 전기영동 장치에서 아가로스 겔의 홈(well)이 반드시 (-)극을 향하도록 위치시켜야 한다. DNA는 분자량, gel 농도, DNA 구조, 전압 등에 따라 전기영동 시 이동속도가 달라진다. DNA 구조가 동일할 경우 분자량이 작을수록 이동속도가 빠르고 분자량이 클수록 이동속도가 느리다.

4.전기영동(electrophoresis)에 필요한 시약의 종류

DNA 래더는 길이(염기쌍의 개수)를 알고 있는 DNA 조각들로 구성된 시료로 래더를 기준으로 DNA 시료의 길이를 판별할 수 있다.젤 로딩 다이는 로딩하기 직전에 DNA 시료와 섞는다. DNA는 TAE 버피보다 비중이 낮아 젤의 홈(wel)에 DNA를 로딩할 경우 DNA가 젤 밖으로 빠져나온다. 이것을 막기 위해 젤 로딩 다이의 글리세린 성분이 비중이 높은 점을 이용해 DNA 시료가 떠오르는 것을 방지한다. 또한 전기영동 시 DNA 밴드의 위치는 눈에 보이지 않아서 트랙킹 염료는 겔 상에 DNA가 내려간 위치를 예측하기 위해 사용된다.마지막으로 DNA 염색약은 DNA 염기 사이에 끼어들어 자외선 영역에서 형광을 나타낸다.따라서 전기영동 후 젤을 UV 투영기로 옮겨 관찰한다.

5.마이크로피펫 사용법

마이크로피펫은 액체를 원하는 양만큼 옮길 때 사용하는 도구로 uL 단위의 액체를 옮길 때 사용한다.Plunger button을 누를 때 2개의 정지 지점이 있는데 이를 각각 1st stop, 2nd stop 라고 한다. 용액을 취할 때는 Plunger button을 1st stop 지점까지 누른 후 용액에 담그고 처음 위치까지 천천히 올린다. 용액을 옮길 때는 원하는 곳에 마이크로피펫을 위치시키고 plunger button을 2nd stop까지 눌러 시료를 밀려나오게 한다. 마이크로피펫으로 옮길 수 있는 부피는 Plunger button 위의 표시 내용을 확인해야 한다.예를 들어 '100/1000'은 100~1000µL을 옮길 수 있다는 의미이다. 부피를 읽는 방법은 부피 표시창에는 3개의 숫자가 적혀있는데 첫 자리가 옮길 수 있는 최대부피의 첫 자리와 자릿수가 동일하다. 예를 들어 옮길 수 있는 최대 부피가 1000일 때 첫자리는 천의 자리, 옮길 수 있는 최대 부피가 200인 경우 첫자리는 백의 자리다. 천의 자리와 소수점 아래 자리는 빨간색으로 표기되며, 이외의 자리는 검은색으로 표기된다. 마이크로피펫 사용 시 주의사항은 옮길 수 있는 부피 용량 범위 밖으로 숫자 눈금을 돌리지 않고 용액이 담긴 상태에서 마이크로피펫을 거꾸로 들지 않으며 사용한 후에는 부피 용량 범위 안에서 최대 용량이 되도록 숫자 눈금을 돌려놓는 것이다.

3)깊이 있게 조사한 내용

이 실험을 해보면서 DNA 전기영동의 원리 등에 대해 더 자세하게 알아보고 싶었고 이에 대해 조사했다. 단백질과 DNA, RNA 등은 전하를 띠는 성질을 가진다. 전하를 띤다는 성질을 통해 DNA, RNA 또는 단백질을 전기장 사이에서 이동시켜서 크기, 전하 또는 구조가 다른 조각을 분리시키는 것을 전기영동이라고 한다. 즉 DNA전기영동을 통해 단백질 DNA분자의 크기나 순도를 분석할 수 있는 것이다. DNA는 구조상 인산기를 가지고 있어서 전기영동에 사용되는 버퍼 안에서 음전하를 띠고 있고 양전하와 음전하의 전극 사이에 위치했을 때 (+)극으로 움직인다는 기본적인 원리를 가진다.이때 agarose나 polyacrylamide와 같은 겔의 사이를 DNA분자가 통과하는 속도는 분자량이 커질수록 그리고 겔의 농도가 높을수록 늦어지게 된다. 아가로스 겔이란 DNA단편을 200bp에서 50kb까지 분리가 가능하고 사용이 편리하여 현재 주로 사용되고 있는 전기영동법이다. 아가로스 겔은 선형 중합체의 형태를 하고 있는데 TAE buffer 인 완충용액에 아가로스 겔을 녹여서 겔이 굳은 후에 사용한다. 겔이 굳을 때 아가로스는 지지체 형태가 된다. 이러한 겔에 전기장을 걸면 음전하를 띠는 DNA는 양극으로 이동하게 되고 DNA가 이동하는 정도는 여러 요인의 영향을 받게 되는 것이다. 아가로스 겔 전기영동을 할 때에 DNA 이동에 영향을 주는 요인들을 살펴보면 먼저 DNA분자의 크기가 크면 클수록 느리게 이동한다는 성질을 가진다. DNA의 크기는 몇개의 염기쌍이 있는지에 따라 달라진다.그리고 아가로스의 농도가 높을수록 느리게 이동한다는 성질을 지닌다. 겔의 농도가 높을수록 밀도가 높아져 그물 구조가 더욱 촘촘해지고 그로 인해 DNA가 빠젼가는 속도가 느려지기 때문이다.그 다음으로는 DNA구조에 따라 이동속도가 다른데 일반적으로 슈퍼코일 DNA가 가장 빨리 이동하고 그 다음으로 선형 DNA가 이동하고 다음으로 고리열림 DNA의 순서로 이동을 하게 된다. 또한 아가로스 겔 전기영동에 부하되는 전압이 높을수록 이동속도가 빠르다는 특성을 갖는다.전기영동에 필요한 TAE 버퍼는 tris, acetate, EDTA의 세 가지 성분으로 구성되어 있는데 tris는 양이온을 공급하여 (-)전하를 띠고 있는 DNA를 끌어주는 역할을 한다. 그리고 EDTA는 DNase의 활성을 억제하며 전기영동을 하는 도중 DNA분해를 방지하게 되는 역할을 한다. 또한 전기 영동에 필요한 DNA의 (-) 전하를 유지시키는 역할도 한다. TAE buffer와는 다르지만 전기영동에 필요한 TBE buffer 같은 경우 tris, borate, EDTA 세 가지 성분으로 이루어져 있고 TBE buffer가 TAE buffer보다 겔에서의 용해도가 더 좋다. 따라서 TAE버퍼는 DNA분자량이 클 때 주로 사용되고 TBE버퍼는 DNA분자량이 작은 경우에 쓰이게 된다. 이 실험같은 경우는 TBE buffer를 사용한다. 다음으로 이 실험에 사용되는 EtBr은 실험에 사용되는 대표적인 염색 물질으로 얇은 판 모양의 고리화합물이다. 이는 DNA나선 염기 사이에 들어가 결합하게 된다. DNA의 이동속도를 약 10%정도 감소시키는 EtBr은 UV에 노출이 되면 결합한 DNA를 통해 가시광선으로 바꾸어 발광된 밴드를 확인할 수 있게 되는 것이다. 따라서 이러한 원리들을 이용해 DNA전기영동을 할수 있는 것이다.

4)소감

처음으로 과학관에 가서 해본 실험이어서 더 떨렸는데 주제가 우리가 알고는 있는 PCR과 관련되어있는 실험이고 DNA 전기영동 이라는 것에 대해서도 알게되어서 좋았다.여러가지의 실험 과정마다 자세하게 설명해주어서 과학적인 지식도 더 넓힐 수 있었고 단일 염기 다형성과 PCR 에 필요한 것들에 대한 것 등 추가적인 것도 알 수 있어서 많은 것을 얻어갈 수 있었다.코로나 시기에 자주 했던 PCR에 대해서도 자세한 원리와 방법을 알게되면서 평소 궁금해 생각해보았지만 찾아보지 못했던 것들을 알 수 있어 뜻깊었다.또한 평소에는 경험해보지 못하는 실험을 해보고 여러가지를 알게 됨으로써 성장하는 느낌이 들었고 생명과학이라는 것에 대해 더욱 흥미를 느끼게 되었다.앞으로 DNA에 대해서 수업도 들을 것이고 더 다양하게 알 수 있을 것이기 때문에도 도움이 된 것 같았고 DNA와 관련된 다른 실험에 대해서도 알아보고 싶다는 생각이 들었다.

1.표본 채집 과정

-하천에서 표면이 미끌거리는 갈색의 물때가 묻은 돌 채집

-수조 안에서 칫솔로 돌의 표면 긁기

-돌 표면에 증류수를 부어 돌말 시료 채취

-채취한 시료 50ml 유리병으로 옮겨 채집 장소 등 기록

-시료를 스포티드로 코니컬튜브에 7ml 옮겨 담기

2.표본 전처리(세척) 및 표본 제작

-시료가 담긴 코니컬퓨브 원심 불리기 이용하여 시료 가라앉히기

-표본 세척액 3ml 넣고 방치하기

-반응이 잘 일어나도록 공기 3회 주입

-반응이 끝나면 증류수 6ml 넣고 원심분리기로 시료 가라앉혀 상부 용액 버리기 3회 반복

-세척이 끝난 시료에 증류수 넣고 혼합물 시료 만들기

-핫플레이트를 70~80도로 맞춰 커버글라스 올리기

-커버글라스에 시료 1,2방울 떨어뜨리고 마운트 미디아 한 방울 떨어뜨리고 슬라이드 글라스를 붙인 후 바로 뒤집기

3.표본 관찰 및 기록

-살아있는 표본과 슬라이드글라스를 재물대에 올린 후 광학현미경의 초점과 배율을 조작하여 관찰

-관찰되는 돌말류의 생김새와 크기 측정

2)실험의 이론적 배경

돌말류(Bacillariophyceae)는 10~200µm 크기의 단세포 조류(Aglae)로서, 황갈조식 물문(Chrysophyta)에 속한다. 엽록체가 있어 이산화탄소를 이용하여 광합성을 하는 독립 영양 생물이며, 부유 또는 부착형태로 생존하며 물이나 수분이 있는 곳이면 어 디든지 자랄 수 있다. 담수, 해수 및 기수에 분포하여 지역 적 범위가 매우 넓고 계절적 변동도 크다. 전 지구적으로 돌말류는 담수산과 해산을 포함하여 약 100,000여종으로 추정될 정도로 흔한 식물성 플랑크톤이다.지구의 역사에서 돌말류는 중생대 백악기의 지층부터 중심형 돌말류 가 발견되고 있다. 우상형 돌말류 중에서 헛등줄 돌말류(araphid diatom)는 1억4천 만 전 백악기 후반에, 등줄 돌말류 (raphid diatom)는 6천만 전 제3기의 에오세 중 반기에 지구상에 출현하였다. 담수산 돌말류는 이 보다 약간 늦은 6, 7천만 년 전 의 팔레오세 또는 에오세 후반으로 추정되고 있다. 현세의 돌말류와는 달리 초기 돌 말류는 규산질 골격이 약한 것들이며 진화를 거듭하는 과정에서 골격이 두꺼워졌다.국내 담수산 돌말류 연구는 소하천은 하상이 돌로 덮힌 곳이 많아 소하천에서 부 착성 돌말류에 대한분류와 그 오염지표성에 대한 연구가 많이 수행되었다. 국내 하천과 호수의 오염이 심화되고 수질 부영양화가 일반적인 현상이 되면서 미세조류의 분포 등 육수학적 연구가 크게 증가하였다. 특히 금강, 낙동강, 영산강에 하구둑이 조성되어 식물플랑크톤이 급증 하면서 90년대 이후에는 낙동강, 한강, 영산강 등 4 대강과 댐•호수를 중심으로 미세조류 연구가 활발하였다.부영양화가 심할수록 조류 특히Aulacoseira,Cyclotella 및 Stephanodiscus속 등 중심형 돌말류는 보편적이 고 국내 호수와 하천에서 차지하는 비중이 매우 높고, 계절적으로는 봄, 가을 및 겨울 등 물이 적은 시기에는 절대적인 우위를 차지한다. 돌말류의 몸은 규산질(SiO)로 마치 도시락과 도시락 뚜껑과 같은 2장의 세포벽으 로 5러싸여 있다. 세포 무껑면의 중앙을 중심적으로 정부가 있는데 그 배열 방식이 는 2가지가 있다. 세포 뚜껑면의 중앙을 중심죽으로 정문열으로 방사상으로 배열하 는 중심형(Centrales)과 중앙선을 따라 선문이 배열하여 갖는 우상형(Permales)으로 대별된다. 중의 동정이나 본 세포 내용을 보다는 모양이나 규산질 골격의 형태 는가하마유분 분대로 성 하는데 에시기에 된다• 본적으로 운동력이 없으나 등출(종구, raphe)과 같은 세포벽의 홈을 통해 점액질을 분비함으로써 기질을 따라 움직이는 운동력이 극히 제한되어 있다

3)깊이 있게 조사한 내용

돌말류의 세포학적 특징은 대롱편모조류에 속하는 갈조류 등과 색소체 미세구조 및 편모의 특징이 기본적으로 동일하다. 색소채 역시 갈조류처럼 홍조류 색소체를 2차 ‘세포내공생’을 통해 기원하였다. 그러나 독특한 규산질 돌말껍질을 갖는 점, 고등생물처럼 주 생활형이 포자체 (2n)이고 배우자 형성시 감수분열이 일어나는 특징, 독특한 체세포분열로 세포 크기가 줄어들면 유성생식을 통해 증대포자(auxospore)을 형성하여 원래 세포 크기로 복원하는 방법 등에서 차이를 보인다.

돌말껍질은 규산염(silicon dioxide; SiO2)이 세포벽 성분으로 규화되어 형성되며, '윗덮개(epitheca)'가 '아래덮개(hyptheca)'을 덮는 상자 모양을 하여 아래덮개가 작다. 위덮개와 아래덮개의 각각에는 '위뚜껑띠(epiypocingulum)'와 '아래뚜껑띠(hypocingulum)'가 있고, 이들이 겹치는 덮개 둘레면을 '둘레띠(girdle)'라고 한다. 따라서 돌말껍질 위,아래면(뚜껑면; valve)과 둘레띠 면은 상자의 윗면과 측면이 되며, 둘말껍질을 윗면에서 관찰하면 '뚜껑면보기(valve view)', 둘레면에서 관찰하면 '둘레면보기(girdle view)'라고 한다.보통 뚜껑면보기에서 둘말껍질의 대칭성, 그물눈(areolae)의 배열, 등줄(raphe)의 유무 및 모양 등을 확인할 수 있기 때문에 분류에 중요하게 이용한다. 등줄이 발달한 깃돌말류는 등줄 틈으로 점액질분비를 통해 비교적 빠른 속도로 이동하여, 돌말류의 등줄은 새의 날개에 비유하기도 한다.

4)소감

이 실험을 해보면서 돌말류가 무엇인지 알게 되어 좋았고 표본을 만들면서 많은 것을 알게 되었다.또한 광학현미경을 사용하여 관찰을 해보면서 새로운 경험을 할 수 있어 좋았다.실험을 하면서 박테리아에 대해 더 관심을 가지게 되었고 더 알아보고 싶었다.

1. 적외선 : 가시광선보다 파장이 길며, 10-6m에서 10-4m 범위에 속하는 전자기파의 하나. 가시광선이나 자외선에 비해 강한 열작용을 가지고 있어서 열선이라고도 함

2. 열화상카메라 : 적외선을 시각화하여 다양한 온도를 측정할 수 있는 장비.

건물 및 용기의 열 누출 확인, 기계 및 전기 배선의 이상 유무 확인, 신체의 체온 분포 및 변화 측정, 가축의 질병 여부 판단, 야간 감시 장비 등에 이용

실험 방법 및 결과

1. 뜨거운 물과 차가운 물을 섞었을 때 물의 변화를 열화상 카메라로 관찰하기

-- 뜨거운 물이 위로 올라가는 대류현상을 시각적으로 직접 볼 수 있었다.

2. 소금을 뿌린 얼음과 뿌리지 않은 얼음의 온도 차이를 열화상 카메라로 관찰하기

-- 소금을 뿌린 얼음이 온도가 더 낮음을 확인 할 수 있었다.

3. 백열등, LED등, 적외선등, 형광등을 동시에 켜고 어느 것이 더 열을 많이 내는지 열화상 카메라로 관찰하기

-- 적외선등> 백열등> 형광등 > LED등 순으로 열을 많이 내는 것을 관찰할 수 있었다.

소감

: 이번 실험은 먼저 결과를 예상하고 실험한 뒤 예상한 결과와 비교하는 방식이었다. 실험 과정이 간단하고 결과도 명확히 볼 수 있어서 나에게는 잘 맞는 재미있는 실험이었다. 이번 실험은 물리 영역이었는데 오늘 실험을 통해 내가 평소에 물리를 싫어하는 것이 아니라 눈에 보이지 않는 영역을 싫어하는 것을 깨달아서 나에 대해 좀 더 알 수 있는 실험이라서 더 유익했던 것 같다. 난 물리를 싫어하지 않는다. 다만 물리의 눈에 보이지 않는 세계를 이해하지 못하는 것 뿐이었다.

(동기)'PER3 유전자를 PCR과 DNA 전기영동으로 직접 확인한 실험'

-> 나는 저녁형 인간임을 확인함

-> PER3는 PER 유전자군의 일부, PER3는 수면-각성 주기를 담당함

-> PER3 유전자를 PCR한다는 점에서 유전자의 시료량이 극소량임

-> 처음에는 단순하게 PER3 유전자가 적으니까 발현되는 PER3 단백질도 적을 것이라고 예상함

-> 하지만 특정 유전자가 적다고 해서 특정 유전자로 인해 발현되는 단백질량도 적을 것이라고 단정지을 수 없음을 깨달음

-> 하지만 PER3 단백질은 생체 시계 단백질이므로 시간대에 따라 양이 적어질 수 있기 때문에 소량인 경우의 PER3 단백질을 검출하기 위해서 샌드위치 ELISA를 활용해야겠음

-> 직접 ELISA보다는 간접 ELISA가 신호 증폭이 더 크기 때문에 간접 샌드위치 ELISA를 사용해야겠음

-> 간접 샌드위치 ELISA를 할 때 PER# 단백질에 가장 잘 어울리는 캡처 항체, 1차 항체, 2차 항체, 효소, 기질을 각각 과학적 근거와 함께 기술하기

-> (추가)생체 리듬과 관련되었으니까 시간대별로 단백질량이 달라질 것이라고 예측함

=> (가능하다면, 2학년에서)예측한 것을 실제로 2시간 주기로 혈청에서 PER3 단백질 분리

-> 단백질량을 간접 샌드위치 ELISA로 정량적 검출 후 곡선(그래프)으로 나타내기

가.알파폴드

알파폴드(AlphaFold)는 자회사 딥마인드가 개발한 인공지능(AI) 프로그램으로 단백질 구조를 예측하는 프로그램이다. 이 프로그램은 딥러닝 시스템으로 아미노산의 서열과 실제 구조 간의 관계를 학습하여 아미노산의 서열만으로 구조를 예측할 수 있다.

나.알파폴드의 정확성 탐구

먼저 단백질 한 종류를 선택한 후 그 단백질을 실제로 관찰했을 때의 구조를 찾는다. 이번 탐구에서는 헤모글로빈을 사용하였다. 알파폴드를 이용하기 위해서는 단백질의 염기서열이 있어야 하기 때문에 Uniprot이라는 사이트에서 헤모글로빈의 염기서열을 찾은 후 이를 복사하여 알파폴드 프로그램에 넣고 실행시킨다. 조금 기다리면 단백질 구조를 3D 결과로 보여주는데 이 결과는 처음에 찾은 헤모글로빈의 실제 단백질 구조와 어느정도 구조적 유사성이 있음을 확인할 수 있다.

다.합성생물학과 알파폴드의 이용

합성생물학이란 자연 세계에 존재하지 않는 생물 구성요소와 시스템을 설계 및 제작하거나 자연 세계에 존재하는 생물 시스템을 재설계 및 제작하는 것을 말한다. 이 탐구에서는 이 두 가지 중에서 자연 세계에 존재하는 것들을 가지고 새로운 물질을 재설계하였다.

1)목표 설정

나의 목표는 약물전달시스템이라는 것을 활용하는 것이었는데, 약물전달시스템(DDS: Drug Delivery System)이란 기존의 약품의 부작용을 최소화하고 효능 및 효과를 극대화시켜 필요한 양 의 약물을 효율적으로 전달할 수 있도록 설계한 제형이다. 이를 위해 특정 약물이나 치료제를 담을 수 있는 고분자 결합 물질을 설계하는 방법과 약 또는 치료제의 종류 선정, 그리고 고분자 결합 물질을 이룰 수 있는 물질의 선택을 고려하였다.

2)세부 사항 설정

사용할 치료제로는 항암 치료제를 선택하였고, 이 항암 치료제가 정확하게 암세포에 도달할 수 있게 하는 치료 방법을 목표로 잡았다. 고분자 결합 물질을 이루는 물질로는 먼저 페리틴이라는 것을 사용하였는데, 페리틴은 구 모양의 구조 덕분에 철분 뿐만 아니라 다양한 물질을 담을 수 있는 물질이고, 거의 모든 살아있는 유기체로부터 생산할 수 있어 생산의 어려움을 걱정하지 않아도 된다는 점 때문에 선택하게 되었다. 두 번째는 iRGD 펩타이드로, 암세포 및 종양 혈관에 결합하는 특성을 가지고 있어 암세포를 표적으로 한 항암 치료제를 만들 수 있다.

3)새로운 물질 설계 및 3D 모델링

이 두 물질을 결합하기 위해서 각각 염기서열을 알아냈다. 또한 두 단백질이 상호작용할 때 간섭을 최소화하고 각 단백질이 본래의 기능을 할 수 있도록 하기 위해 GSGS라는 서열을 가진 링커를 중간에 삽입하였다. 페리틴의 염기서열을 X, iRGD 펩타이드의 염기서열을 Y라고 하였을 때, 링커를 포함한 이 세 가지의 서열을 순서대로 배치한 X - GSGS -Y 형태의 최종 염기서열이 완성이 된다. 이 최종 염기서열을 알파폴드에 넣어서 실행시키면 내가 설계한 새로운 물질의 구조를 알아낼 수 있다.

4)결과

최종적으로 나온 3D 단백질 구조를 관찰한 결과, 중간 부분은 구 형태로 되어 있고 그 주변에 꼬리 모양의 긴 단백질 구조가 있는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 가운데 부분이 페리틴 역할을 하여 항암 치료제를 담는 역할을 하고, 주변의 꼬리 모양이 iRGD 펩타이드의 역할을 하여 암세포를 표적으로 하는 기능도 갖추었다는 것을 예측할 수 있다.

활동목표:효소에 대한 과산화수소의 반응을 살펴보고 반응 후 발생한 물질의 종류를 탐구

활동과정:

세 관 a, b, c에 카탈레이스 5ml씩 넣음

A에는 생간, b에는 감자를 넣음 (c에는 넣지 않는다 대조군이기 때문)

반응이 끝나면 카탈레이스를 각각 1ml씩 넣음

결과:a와 b에서 거품(산소)이 나옴 (a>b), 반응을 하면서 따뜻해짐

느낀점:효소의 반응을 직접 관찰할 수 있었고, 이를 통해 활성 산소가 우리 몸에 미치는 영향을 탐구해보고 싶다는 생각이 듦.