027 – 발아

발아는 건조하고 휴면 상태인 씨앗이 살아있는 식물이 되는 시점이다. 흡수에 의해 흡수된 물은 씨앗의 신진대사를 다시 활성화하고, 효소는 자엽에 저장된 전자와 단백질을 분해하며, 유근이 나와 어린 식물을 고정하고, 유아가 표면을 향해 위로 솟아오른다. 그 과정 중 어느 것도 빛을 필요로 하지 않는다. 씨앗은 내부에 비축된 영양분을 바탕으로 어둠 속에서도 완벽하게 발아한다. 빛을 필요로 하는 것은 다음 단계이다. 엽록소는 어둠 속에서 합성될 수 없기 때문에, 빛 없이 공기 중에 도달한 어린 식물은 창백한 상태를 유지하고, 줄기를 보호용 갈고리 모양으로 구부린 채 잎을 결코 펼치지 않으며, 비축된 영양분이 바닥날 때까지 그것으로 살아간다. 빛이 주어지면 갈고리가 펴지고, 자엽과 첫 잎들이 확장되며 초록색으로 변하고, 식물은 영양분 소비에서 광합성을 통한 자체 설탕 생성으로 전환한다. 종자 회사, 재배자 및 온실 운영자는 어린 식물이 그 전환을 이루는 데 정확히 얼마만큼의 빛이 필요한지, 그리고 얼마나 빨리 필요한지를 아는 것에 의존한다. 이 실험실에서 여러분은 세 개의 콩 씨앗을 물에 불리고, 번호가 매겨진 세 개의 동일한 화분에 심은 다음, 각 화분을 서로 다른 빛 환경에 둘 것이다. 화분 1은 닫힌 신발 상자 안에, 화분 2는 일반적인 실내 조명이 있는 싱크대 옆 카운터 위에, 화분 3은 켜진 램프 바로 아래에 둔다. 세 화분 모두 동일한 흙과 동일한 물주기를 제공받는다. 그런 다음 여러분은 시계를 한 번에 24시간씩 앞당기고 10일치에 해당하는 양만큼 매일 식물에 물을 주며, 세 화분 모두 매일 촬영하여 빛이 그것들을 갈라놓는 유일한 변수가 되도록 할 것이다.

교육 목표

실험실 환경 익숙해지기

• 화분, 50 mL 비커, 세척 병, 램프, 신발 상자, 시계를 찾아서 식별하고, 실험에서 각각이 하는 역할을 설명하시오.
• 태블릿에서 그림 표를 찾아 실험의 각 날짜별로 각 화분의 사진이 한 장씩 들어 있다는 것을 이해하세요.

통제 비교 설계

• 빛을 독립 변인으로 식별하고, 동일한 종자 종류, 동일한 토양, 동일한 화분, 동일한 일정에 따른 동일한 양의 물, 그리고 동일한 온도를 의도적으로 일정하게 유지하는 통제 변인으로 명시합니다.
• 세 개의 냄비가 다른 모든 측면에서 동일하게 다루어져야만 그들 사이의 어떤 차이점이라도 의미를 가질 수 있는 이유는, 그렇게 해야만 변수를 통제하여 오직 관심 있는 요소 하나의 영향만을 정확하게 격리하고 관찰할 수 있기 때문입니다.

종자 준비 및 파종

• 수돗물이 절반 정도 채워진 50 mL 비커 세 개에 각각 콩을 한 알씩 담그고, 종피를 연하게 만드는 것이 왜 발아를 촉진하는지 설명하시오.
• 물에 불린 씨앗을 번호가 매겨진 화분에 심고, 열흘 동안 어떤 씨앗이 어느 화분에 있는지 계속 기록하세요.

시간의 일상적인 유지 및 통제

• 세 개의 화분 모두 매일 세척병으로 물을 주되, 각각에 동일한 양을 주십시오.
• 시계를 24시간 앞으로 맞추고 주기를 반복하여 10일간의 순서가 완전하고 끊김 없이 이어지도록 하세요.

관찰 및 기록 유지

• 각 화분마다 매일 싹이 텄는지, 대략적인 높이, 색상, 그리고 떡잎(갈고리)이 펴졌고 잎이 전개되었는지를 기록하세요.
• 기억에만 의존하는 대신 매일 찍은 사진을 활용해 각 단계가 발생한 날짜를 정확히 파악하세요.

결과 해석

• 세 개의 화분 모두에서 일어나는 발아를, 그렇지 않은 이후의 생장 및 녹화 현상과 구분하십시오.
• 각 유묘의 외양을 그것이 이용 가능한 빛과 연관시키고, 조건당 한 개의 식물만 사용하는 실험이 증명할 수 있는 것과 증명할 수 없는 것을 밝히시오.

프로토콜

준비와 관찰

1. 각 50ml 비커에 콩 씨앗 한 개씩 넣으시오.
2. recipiente de 50 mL com água da torneira até a metade para amolecer as sementes de feijão.
3. 화분 1번부터 3번까지 강낭콩 씨앗을 심으세요(씨앗을 얻으려면 비커 아랫부분에 손바닥을 위로 향하게 해서 열린 손을 놓으세요).
4. 워시 보틀을 이용해 1번부터 3번까지의 강낭콩에 물을 주세요.
5. 콩 식물 1을 신발 상자에 넣으십시오. 콩 식물 2는 싱크대 옆 카운터에 두십시오. 콩 식물 3은 조명이 켜진 램프 아래에 두십시오.
6. 램프를 켜세요.
7. 콩 식물이 발아하기까지는 물 주기와 햇빛 조건에 따라 며칠 기다려야 합니다.
8. 시계의 빨간 버튼을 클릭하여 시간을 24시간 진행시키세요.
9. 세 개의 식물 각각에 세척 병으로 물을 주세요.
10. 24시간 동안 시간을 진행시키고 세 가지 식물에 물을 주는 단계를 (8단계와 9단계) 반복하고, 10일간에 해당하는 기간이 지날 때까지 강낭콩 식물의 진화를 관찰하십시오.
11. 며칠 동안 빛 노출에 따른 콩 식물 발아의 진화를 관찰하세요.
12. 결과는 태블릿의 테이블에서 찾을 수 있습니다.

예상 결과

결과를 다음 링크에서 확인할 수 있습니다 (PDF)

세 씨앗 모두 발아합니다. 그것들을 갈라놓는 것은 싹이 공기 중에 도달한 후에 일어나는 모든 일입니다. 아래 표는 시뮬레이션의 일일 사진에 기록된 대로 10일간의 과정이 끝날 때 각 화분의 상태를 보여줍니다.

냄비	위치	빛이 수신되었습니다	10일차 상태
1	닫힌 신발 상자 안에는	상자를 열어 물을 주는 순간들을 제외하고는 아무것도 없습니다.	발아됨. 싹은 초록색이 전혀 없는 크림색에서 연한 노란색이고, 하배축은 여전히 갈고리 모양으로 굽어 있으며, 잎은 전혀 전개되지 않았음
2	싱크대 옆 카운터 위에	일반적인 실내 조명, 간접 조명	발아하여 녹색을 띠었습니다. 줄기는 곧게 서 있고, 훅(갈고리 모양)이 펴졌으며 좁은 녹색 잎들이 흙에서 완전히 들려 있고, 다 쓴 자엽(떡잎)이 표면에 보입니다.
3	램프 바로 아래, 램프가 켜짐	근거리에서 지속적으로 노출되는 강한 인공조명	발아하고 푸르게 자랐으며 셋 중 가장 발달한 상태: 가장 크고 넓은 잎 면적을 지닌 더 두껍고 곧은 줄기

매일 찍는 사진들을 통해 발아 과정 자체의 날짜도 기록할 수 있습니다. 콩은 상자엽 발아 식물이므로 단계들이 정해진 순서대로 나타나며, 그중 두 개의 화분에서만 잎이 자라게 되더라도 세 화분 모두에서 동일한 순서가 나타납니다.

단계	무엇이 보이는가	안에서 무슨 일이 일어나고 있는지
흡수	물에 불린 종자는 육안으로 보아도 부풀어 있으며 껍질이 주름지거나 갈라져 있습니다.	물이 씨앗으로 스며들어 조직이 수분을 되찾고 대사가 다시 시작되며, 효소가 저장된 전분을 분해하여 당으로 만들기 시작합니다.
유근의 출현	아직 흙 위에 올라온 게 없어요	주뿌리가 먼저 아래로 자라나 새싹이 지상으로 나오기 전에 싹을 고정하고 물을 흡수합니다.
배축 훅	창백하고 구부러진 줄기 하나가 수면을 뚫고 올라오며, 끝부분은 아래를 향하고 있다	줄기는 갈고리 모양으로 신장하여 생장점과 자엽이 토양을 밀고 나가는 대신 토양을 통과해 끌려 올라오도록 합니다.
자엽상생	두 개의 두껍고 옅은 색의떡잎이 흙 위로 들어 올려진다.	비축분은 이제 공중에 운반되어 있으며, 유아기는 여전히 전적으로 그것들에 의존하여 살아가고 있습니다.
탈황화	화분 2와 3에서만: 갈고리가 펴지고 지상부의 모든 것이 녹색으로 변합니다.	빛은 엽록소 생합성의 마지막 단계를 촉발하고 어린 식물의 생장 프로그램을 암소 생장 프로그램에서 광소 생장 프로그램으로 전환합니다.
첫 본잎	화분 2와 3에서만: 떡잎 위로 잎이 자라며, 떡잎은 시들어 죽습니다.	광합성이 비축 양분을 대신하며, 식물은 자급자족하게 되고, 가장 밝은 화분에서 가장 빠르게 그렇게 됩니다.

빛은 발아에 필요하지 않지만 생존에는 필요한 이유. 발아에는 물, 산소, 적절한 온도가 필요하며, 그에 필요한 에너지는 태양이 아니라 씨앗에서 나옵니다. 콩의 자엽은 전분, 단백질, 지질의 저장고이며, 아밀라아제는 그 전분을 당으로 가수분해하여 자라나는 배아(embryo)가 호흡하는 데 사용합니다. 이것이 바로 화분 1이 다른 두 화분과 같은 일정으로 완전한 암흑 속에서도 발아하는 이유입니다. 하지만 저장 양분은 유한합니다. 어린 식물은 광합성을 할 수 있게 되어야만 비로소 자급자족할 수 있게 되며, 6 CO₂ + 6 H₂O + 빛 에너지 → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂, 그리고 그것은 녹색 조직을 필요로 합니다. 엽록소 생성의 마지막 단계인 프로토클로로필라이드의 클로로필라이드로의 전환 자체가 현화식물에서는 빛에 의해 구동되므로, 어둠 속의 어린싹은 물리적으로 그 색소를 만들 수 없습니다. 따라서 화분 1은 10일째에 굶주려 죽어가는 것이 아닙니다 — 아직 양분 비축량이 남아 있습니다 — 하지만 독립영양생물이 될 방법이 없으며, 상자 안에 그대로 두면떡잎이 소진되어 죽게 될 것입니다.

두 개의 성장 프로그램, 하나의 묘목. 어둠 속의 씨앗은 단순히 성장을 멈춘 것이 아니라, 암형태발생(skotomorphogenesis)이라는 다르고 완벽하게 합리적인 프로그램을 따릅니다. 자연에서 어둠은 묘목이 여전히 땅속에 있다는 것을 의미하며 유일하게 유용한 행동은 표면에 도달하는 것이므로, 잎의 확장보다 줄기의 신장이 선호되고, 엽록소가 만들어지지 않으며, 끝부분은 갈고리 모양 안에서 보호됩니다. 그것이 받는 최초의 빛은 광수용체(적색 및 원적색광을 위한 파이토크롬, 청색광을 위한 크립토크롬)에 의해 감지되며, 식물을 광형태발생(photomorphogenesis)으로전환시킵니다. 즉, 갈고리가 열리고, 줄기 신장이 느려지며, 자엽과 잎이 확장되고, 엽록소가 축적됩니다. 화분 1은 어둠 속의 프로그램을 보여주고, 화분 2와 3은 빛의 프로그램을 보여주며, 화분 2와 3 사이의 차이는 빛의 프로그램이 빛의 양에 여전히 반응함을 보여줍니다.

램프가 카운터보다 우수한 이유. 세 위치는 생각보다 훨씬 큰 차이를 보인다. 카운터의 간접 실내 조명은 일반적으로 100~500룩스 정도이고, 가까운 거리의 스탠드는 수천 룩스를 제공하며, 완전한 야외 일광은 약 10,000룩스에서 100,000룩스 이상에 이른다. 콩잎은 광합성과 호흡이 정확히 균형을 이루는 보상점에 도달한다 — m당 수십 µmol의 광자에 의해² 초당, 그리고 그보다 훨씬 위에서만 포화된다. 따라서 화분 2는 생존하고 녹색으로 변할 수 있는 임계값보다는 위에 있지만, 가능한 한 빠르게 자랄 수 있는 수준보다는 훨씬 아래에 있는 반면, 화분 3은 그 수준에 더 가깝고, 이것이 바로 같은 10일 동안 더 큰 잎 면적을 축적하는 이유이다. 세 화분의 순위는 그들이 받는 빛의 순위이다.

학년별 과제 요약

9~10학년

• 집중 발아와 성장의 차이점 및 통제된 비교의 어휘.
• 활동 세 개의 화분을 놓고 동일한 일정으로 물을 줍니다. 표 1과 같은 표에 매일 각 화분의 색상, 높이, 잎의 상태를 기록합니다. 변경된 하나의 변인을 식별하고 일정하게 유지된 세 가지를 나열합니다. 어떤 화분이 가장 잘 자랐고 어떤 화분이 가장 못 자랐는지 밝히고, 상자 안에 있는 화분이 창백한 이유를 한 문장으로 설명합니다.

11학년

• 집중 세 가지 처리에 대한 정량적 비교 및 색상의 화학적 원리.
• 활동 매일 촬영한 사진에서 높이를 읽어내고 세 화분의 높이를 일일(day)에 따라 하나의 축 세트에 그래프로 그리시오; 어둠 속에서는 엽록소가 만들어질 수 없는 이유를 설명하고 빛이 차단을 해제하는 색소 단계를 말하시오; 갈고리 모양과 그것이 펴지는 현상을 설명하시오; 상자 안의 어린 식물이 어떻게든 살아남는 이유를 설명하고, 만약 그것이 10일째에 등 아래로 옮겨지면 어떻게 될지 예측하시오; 세 위치를 조도순으로 순위를 매기고 그 순위를 관찰된 생장과 관련시키시오.

12학년 / 대학교 수준

• 집중 실험 설계, 그리고 처리당 하나의 유묘가 무엇을 규명할 수 있고 무엇을 규명할 수 없는지.
• 활동 이 프로토콜에서 통제되지 않은 모든 변수를 나열하고, 이 시연을 실제 측정으로 전환하기 위해 필요한 재현성, 화분 배치의 무작위 배정 및 맹검 채점 방법을 명시하십시오. 반응 변수로 높이가 아닌 건조 중량과 잎 면적을 채택해야 하는 이유를 논증하고, 각각을 측정하는 방법을 설명하십시오; 황화 현상을 결함이 아닌 적응 전략으로 설명하고, 피토크롬과 크립토크롬의 역할을 구분하십시오; 광량의 효과를 광질과 분리하여 분석할 수 있는 후속 실험을 설계하십시오(예: 동일한 광자 플럭스에서 청색광 전용 처리군과 적색광 전용 처리군을 설정). 또한 매일 상자를 열어 화분 1에 물을 주는 행위가 암처리의 효과를 약화시키는 이유를 설명하고, 이를 방지하기 위한 방법을 제시하십시오.

실험실 필수품

악기

• 화분 (3개, 1부터 3까지 번호 매겨짐)
• 비커 (50 mL, 종자당 1개)
• 세척병
• 신발 상자
• 램프
• 시계 (시간을 24시간 앞으로 진행)

제품

• 콩 씨앗 (3개)
• 흙
• 수돗물