식물 세포는 누구나 목격한 최초의 세포였다. 1665년 로버트 훅은 현미경 아래에 코르크 조각을 놓고 그것이 작은 구획들로 나뉘어져 있는 것을 발견했으며, 그 단어를 차용했다 세포 수도원의 작은 방들로부터. 동물 조직과 달리 코르크가 판독 가능했던 바로 그 이유는 오늘날 식물 재료가 더 나은 교육용 표본이 되는 이유이기도 하다. 즉, 모든 세포 주변의 단단한 셀룰로스 벽이 세포의 염색 여부와 상관없이 눈에 보이는 경계를 그려내기 때문이다.
엘로디아, 수생 수초인 은 표준적인 선택이다. 그 잎은 두 개의 세포 층 두께에 불과하여, 전체 잎을 절단하지 않고도 평평하게 장착할 수 있으며 빛이 그를 통해 곧바로 통과한다. 각 세포 안에는 수십 개의 엽록체가 들어 있는데, 이들은 엽록소로 밀집되어 있어 염색 없이도 볼 수 있을 만큼 충분히 녹색이며, 반면 단일한 커다란 중심 액포가 대부분의 부피를 차지하고 세포질과 엽록체를 벽에 대고 얇은 층으로 밀어낸다. 세포벽, 엽록체, 액포, 질서 정연한 조직 기하학과 같은 식물 세포의 거의 모든 독특한 특징이 하나의 프레퍼레이션에서 보인다.
핵이 그 예외이다. 핵은 모든 세포에 존재하지만 거의 투명하며 엽록체들 사이에서 쉽게 파묻히기 때문에, 실험실에서 하나의 슬라이드 대신 두 개의 슬라이드를 사용하는 이유가 바로 여기에 있다. 첫 번째는 세포를 있는 그대로 보여주는 단순 물 마운트이다. 두 번째에는 루골 용액(아이오딘화 칼륨에 녹인 아이오딘) 한 방울을 떨어뜨리는데, 이는 단백질과 핵산에 결합하여 핵을 뚜렷한 황갈색으로 염색시킨다. 여러분은 투과 조명기를 켜고, 가장 낮은 배율에서만 거동 조절 나사를 사용하면서 40배율, 100배율, 400배율 순으로 높여가며 각 단계마다 이미지를 저장하고, 두 슬라이드를 직접 비교하게 될 것이다. 동물 세포에 관한 실험 024와 함께 읽어보면, 이 한 쌍의 실험은 두 계(界) 간의 구조적 차이를 단순한 진술이 아니라 눈으로 볼 수 있게 만들어 준다.
교육 목표
실험실 환경 익숙해지기
- 시작하기 전에 현미경과 전원 스위치, 사용 가능한 세 개의 대물렌즈, 조동 및 미동 초점 조절 나사, 재물대, 비커, 핀셋, 슬라이드 글라스, 커버 글라스, 흡수지를 찾아두세요.
복합 광학 현미경의 작동
- 아래에서 투과(명시야) 조명을 설정하고, 두 세포 두께의 잎이 이에 거의 이상적인 표본이 되는 이유를 설명하세요.
- 대물렌즈를 4×, 10×, 40× 순서로 오름차순으로 바꾸고, 10× 접안렌즈를 사용할 때 각각의 총 배율을 계산하세요.
- 가장 낮은 배율에서만 거조동조 나사를 사용하고, 더 높은 배율에서는 미조동조 나사를 사용하십시오. 또한 100배 유침 대물렌즈가 이 실험실에서 제외된 이유를 설명하십시오.
습식 마운트 준비
- 핀셋을 사용하여 찢거나 접히지 않도록 작은 잎을 옮기고, 액체를 충분히 떨어뜨린 후, 공기가 갇히지 않도록 커버글라스를 덮고, 여분의 액체를 닦아내어 커버글라스가 평평하게 놓이도록 하세요.
- 잎이 전체적으로 촉촉하게 유지되어야 하는 이유는 현미경 관찰 시 광학적 선명도와 세포 생존을 유지하기 위해서이며, 마르게 되면 세포가 탈수되어 수축하고 세포벽이 찌그러지며 세포 구조가 붕괴되어 내부 형태를 제대로 관찰할 수 없게 되기 때문입니다.
식물 세포 구조의 식별
- 세포벽, 엽록체, 중앙 액포를 식별하고 염색된 슬라이드에서는 핵을 식별한 다음, 각각의 기능을 설명하세요.
- 조직 내 세포들의 배열은 벽돌 모양의 기하학적 형태를 띠며, 이는 단단한 세포벽의 존재와 관련이 있습니다.
생물학적 염색약 사용
- 물 마운트와 루골 마운트를 직접 비교하면, 염색약이 드러내는 구조와 염색약 없이도 이미 볼 수 있었던 구조가 정확히 구분됩니다.
관찰 및 기록
- 두 슬라이드의 각 배율별로 현미경 이미지를 저장하고, 400배 염색된 시야에 주석을 달며, 추측하는 대신 알려진 시야(field of view)를 바탕으로 세포 크기를 추정하십시오.
프로토콜
준비
- 장치 전면에 있는 스위치를 눌러 현미경을 켜십시오. 조명기를 켜면 전송된 빛이 아래에서 시료를 통과하므로 투명한 표본에 이상적입니다.
- 작은 비커를 찬 수돗물로 완전히 채우십시오.
- 작업대에 깨끗한 슬라이드 두 장을 놓으십시오.
첫 번째 슬라이드 준비
- 핀셋을 사용하여 작은 검정말 잎을 슬라이드 첫 번째 것에 조심스럽게 올려놓으십시오.
- 첫 번째 슬라이드에 물방울을 한 방울 떨어뜨리세요.
- 슬라이드에 커버슬립을 덮으세요.
- 흡수지으로 물기를 조심스럽게 닦아내시오.
두 번째 슬라이드 준비
- 핀셋을 사용하여 작은 수초 잎을 두 번째 슬라이드에 조심스럽게 올려놓습니다.
- 두 번째 슬라이드에 루골 용액 한 방울을 떨어뜨리세요.
- 슬라이드를 커버슬립으로 덮으십시오.
- 흡수지으로 물기를 조심스럽게 닦아내시오.
첫 번째 슬라이드 관찰
- 현미경 경통에 슬라이드를 올려놓으세요.
- 태블릿에서 «현미경» 버튼을 클릭하여 현미경 이미지를 봅니다.
- «현미경« 섹션의 왼쪽 하단에 있는 «이미지 저장« 버튼을 클릭하면 관찰된 현미경 시야의 이미지를 저장할 수 있습니다.
현미경 조정
- 현미경 대물렌즈를 터치하여 배율을 조절합니다. 40배 배율(빨간색 대물렌즈 – Plan 4/0.10 라벨)로 관찰을 시작하십시오.
- 현미경 좌우에 있는 거동 조절 나사를 사용하여 초점을 맞추십시오. 이 배율에서는 거동 조절 나사만 사용하십시오.
- 배율을 40배에서 100배(노란색 대물렌즈 – Plan 10/0.25 각인)로, 이어서 400배(파란색 대물렌즈 – Plan 40/0.65 각인)로 서서히 높이고, 그때마다 미세조정 나사로만 초점을 다시 맞추십시오. 이 배율들에서는 거친조정 나사를 사용하면 대물렌즈가 슬라이드에 부딪힐 수 있습니다.
참고: 1000배 배율(유백색 대물렌즈 – Plan 100/1.25로 표시됨)을 사용하려면 대물렌즈와 커버슬립 사이에 오일을 사용해야 합니다. 따라서 이 실험실에서는 이 대물렌즈를 사용하지 않습니다.
두 번째 슬라이드 관찰
- 첫 번째 슬라이드를 Elodea 잎과 Lugol 시약이 담긴 두 번째 슬라이드로 교체하십시오.
- 루골 용액으로 노란색으로 표시될 세포 핵을 식별하기 위해 400배 확대(파란색 대물렌즈 – Plan 40/0.65 라벨)로 관찰하십시오.
- 관찰 기록: 중요한 관찰 결과를 기록하십시오.
현미경 끄기
- 장치 전면의 스위치를 눌러 현미경을 끄십시오.
예상 결과
예상되는 현미경 시야의 기준 이미지 세트를 다음에서 확인할 수 있습니다. 이 문서 (PDF).
| 목표 | 총 배율 | 염색하지 않은 슬라이드 (물) | 루골 염색 슬라이드 |
|---|---|---|---|
| 플랜 4 / 0.10 (빨간색) | 40× | 밝은 들판을 배경으로 한 잎의 윤곽은 균일하게 녹색이다. 개별 세포들은 아직 구별되지 않는다. | 요오드 때문에 동일한 윤곽선이 이제 올리브색과 황갈색 쪽으로 치우쳐 있습니다. |
| 플랜 10 / 0.25 (노란색) | 100× | 세포 구조가 나타납니다. 규칙적인 벽돌 모양의 격자 속에 가장자리가 맞닿은 직사각형 세포들이 줄지어 있으며, 각 세포는 세포벽으로 테두리가 둘러싸여 있고 밝은 녹색 과립들로 채워져 있습니다. | 동일한 격자 모양으로, 벽은 선명하고 어두운 선으로 도드라져 있고 각 셀의 내부는 어둡게 채워져 있습니다. |
| 요금제 40 / 0.65 (파란색) | 400× | 개별 엽록체들은 세포벽에 밀착된 뚜렷한 녹색 원판 형태로 구별되며, 색소가 없는 투명한 공간인 중앙 액포가 세포의 중앙을 차지하고 있다. 핵은 확실하게 식별되지 않는다. | 세포벽, 엽록체, 그리고 세포 가장자리에 둥근 황갈색 체로 관찰되는 핵. 이것이 기록하고 주석을 달아야 할 시야이다. |
세포의 생김새와 그 이유
거의 모든 관찰 결과를 설명하는 단 하나의 사실은 바로 세포벽이다. 두께 0.1~1 µm의 셀룰로스 층이 각 세포를 둘러싸고 있으며, 변형에 저항할 만큼 충분히 단단하고 이웃 세포들과 시멘트처럼 붙어 있다. 따라서 세포들은 둥글게 변하거나, 서로 미끄러져 지나치거나, 겹칠 수 없다. 세포들은 고정된 직사각형 모양을 유지하며 정연한 열을 지어 잎을 바둑판처럼 채우고 있다. 엘로디아 잎 세포는 길이가 대략 50~100 µm, 너비가 20~30 µm이므로 400배율에서는 시야에 고작 몇 개밖에 차지하지 않습니다. 이는 개별 세포뿐만 아니라 그 배열 방식까지 연구 대상이 될 만큼 충분히 큰 크기입니다.
세포벽은 또한 액포에 대한 설명도 해줍니다. 세포벽이 압력을 견딜 수 있기 때문에, 세포 내부의 내용물이 수백 킬로파스칼의 팽압을 형성하여 세포벽을 바깥쪽으로 밀어낼 때까지 세포는 삼투 작용을 통해 자유롭게 물을 흡수할 수 있습니다. 물은 하나의 커다란 중앙 액포에 저장되는데, 성숙한 세포에서 이 액포는 부피의 80~90%를 차지하며, 세포질과 엽록체, 핵을 얇은 주변층으로 밀어 넣습니다. 이 때문에 엽록체는 속이 꽉 찬 원반 모양이 아니라 테두리처럼 보이며, 각 세포의 중심부는 비어 있는 것처럼 보인다. 같은 물에 넣은 동물 세포는 밀어낼 세포벽이 없기 때문에 부풀어 올라 터져 버릴 것이다. 이는 삼투 현상에 관한 실험실 004와 직접적으로 연결되는 내용이다.
엽록체는 이미 색소를 가지고 있기 때문에 염색을 하지 않아도 볼 수 있습니다. 엽록소는 적색광과 청색광을 강하게 흡수하고 녹색광을 투과시키므로, 지름이 약 5 µm인 렌즈 모양의 소기관인 각 엽록체는 광선에서 충분한 빛을 제거하여 뚜렷한 녹색체로 인식되도록 합니다. 전형적인 엘로디아 세포는 수십 개를 담고 있습니다. 그것들은 또한 세포질과 함께 천천히 떠다니며 이동하는데, 이것은 광학 현미경으로 관찰할 수 있는 몇 안 되는 살아있는 생명 현상 중 하나입니다.
배율, 해상도 및 시야
전체 배율은 대물렌즈와 접안렌즈의 곱이다: 표준 10× 접안렌즈의 경우, M = M대상 × M눈 결과적으로 4 × 10 = 40배, 10 × 10 = 100배, 그리고 40 × 10 = 400배가 됩니다. 실제로 분리해서 볼 수 있는 한계는 대물렌즈의 배율 뒤에 표시된 개구수(numerical aperture)에 의해 결정됩니다. 아베의 기준 d = λ / (2 × NA)에 따르면, 파장이 550 nm인 녹색광의 경우 빨간색 대물렌즈는 d = 550 nm ÷ (2 × 0.10) = 2.8 µm, 노란색은 1.1 µm, 파란색은 550 nm ÷ (2 × 0.65) = 0.42 µm가 됩니다. 따라서 5 µm 크기의 엽록체는 세 대물렌즈 모두로 해상할 수 있으며, 이는 녹색 과립들이 100배에서부터 관찰된다는 사실과 일치합니다. 계산에서 제외된 100배 유침 렌즈(NA 1.25)는 0.22 µm까지 도달할 수 있지만, 이는 고각 광선을 갭 너머로 전달하기 위한 이머전 오일이 있어야만 가능합니다.
시야는 대물렌즈 배율에 비례하여 좁아집니다. 시야수가 18mm인 접안렌즈의 경우 가시 직경은 적색 대물렌즈에서 18 ÷ 4 = 4.5mm, 황색 대물렌즈에서 1.8mm, 청색 대물렌즈에서 18 ÷ 40 = 0.45mm(또는 450µm)가 됩니다. 이는 눈금자 없이도 세포의 크기를 측정할 수 있는 방법을 제공합니다. 450µm 너비의 400배 시야에 세포 약 6개가 끝과 끝이 닿도록 늘어서 있다면 각 세포의 길이는 약 75µm로, 예상 범위 안에 있게 됩니다. 심도는 이보다 더 빨리 감소하여, 40배에서의 수십 마이크로미터에서 400배에서는 1마이크로미터 미만이 됩니다. 이것이 바로 조동 나사가 저배율로 제한되는 이유입니다. 400배율에서는 대물렌즈가 커버글라스 위 겨우 몇 밀리미터(밀리미터의 분율) 거리에 위치하므로 조동 나사를 움직이면 유리와 유리가 부딪히게 되기 때문입니다.
학년별 과제 요약
9~10학년
- 집중 — 현미경을 안전하게 조작하고 관련 어휘와 함께 식물 세포의 부위 식별하기: 대물렌즈, 접안렌즈, 재물대, 거친조절나사와 미세조절나사, 습식 프레임(습식 마운트), 커버글라스(덮개유리), 염색약, 세포벽, 엽록체, 액포, 핵.
- 활동 — 슬라이드 두 개를 모두 준비하고, 각각 40배, 100배, 400배로 관찰한 뒤 여섯 개의 이미지를 저장합니다. 400배율의 염색된 시야를 그리고 세포벽, 엽록체, 중심 액포, 그리고 핵의 명칭을 표시하시오. 안내 질문에 답하시오: 엽록체는 무슨 색이며, 염색약 없이도 볼 수 있는 이유는 무엇인가? 루골 용액이 드러낸 단 하나의 구조는 무엇인가? 세포들이 무작위로 쌓여 있지 않고 정돈된 열을 이루어 배열되어 있는 이유는 무엇인가?
11학년
- 집중 — 관찰을 정량화하고 각 구조를 그 기능에 연결하는 것.
- 활동 — 10배 안렌즈를 사용하여 각 대물렌즈의 총 배율을 계산하고, 시야(18 mm ÷ 대물렌즈 배율)를 이용하여 세포의 길이와 너비, 엽록체의 지름을 추정하며, 이를 공인된 값인 50–100 µm, 20–30 µm, 5 µm와 비교하고; 세포벽이 직사각형 모양과 타일 같은 배열을 모두 설명하는 방식을 설명하며; 엽록체가 왜 비어 보이는 중심 주위에 테두리를 형성하는지 설명하고 이를 담당하는 구조물의 이름을 대고; 실험 024의 구강 세포와 나란히 비교하는 표를 만들어, 어느 한쪽에만 있고 다른 쪽에는 없는 모든 구조를 나열합니다.
12학년 / 대학교 수준
- 집중 — 악기를 묶어주는 광학, 팽압의 물리화학, 그리고 염색약의 선택성.
- 활동 — 제외된 100×/1.25 대물렌즈를 포함한 네 가지 대물렌즈 모두에 대해 아베 한계 d = λ / (2 × NA)를 계산하고, 이머전 오일이 개구수에 미치는 영향과 오일 없이는 대물렌즈를 사용할 수 없는 이유를 설명하며; 해상력과 대비를 구별하고 이 구분을 사용하여 엽록체는 염색이 필요 없는 반면 핵은 염색이 필요한 이유를 설명하고; 중앙 액포를 수분 포텐셜 및 팽압과 연관시키며, 물 대신 고농도의 소금물에 잎을 마운트한 후 관찰될 현상을 예측하고 그 결과를 명명하며; 루골 용액의 화학적 성질(삼요오드화물 형성, 단백질 및 핵산에 대한 친화성, 전분과의 별도의 청흑색 반응)을 설명하고, 밝은 빛에 둔 잎과 48시간 동안 어둠 속에 둔 잎 사이의 염색된 시야가 어떻게 다를지 예측하며; 진정한 세포벽과 갇힌 기포의 테두리를 구별할 수 있는 대조군을 설계하시오.
실험실 필수품
악기
- 투과 조명기와 플랜 대물렌즈 4/0.10, 플랜 10/0.25, 플랜 40/0.65, 그리고 10× 접안렌즈를 갖춘 복합 광학 현미경 — 총 배율 40×, 100×, 400× (플랜 100/1.25 오일 대물렌즈는 사용되지 않음)
- 현미경 슬라이드 2개
- 커버글라스 2개
- 핀셋 (잎과 커버글라스 다루기용)
- 스포이트
- 물로 채워진 비커 (50 mL)
- 흡수지
제품
- 물풀엘로디아현탁액 속의 잎들 — 슬라이드당 하나의 작은 잎
- 물 (1방울, 첫 번째 슬라이드)
- 루골 용액 2% (1방울, 두 번째 슬라이드)