본문내용
1. 서론
1.1. 실험의 배경과 목적
삼투 현상은 일상생활에서 쉽게 관찰할 수 있는 현상으로, 식물의 뿌리에서 물을 흡수하는 현상, 세뇨관에서 모세 혈관으로 물이 재흡수되는 현상, 배추를 소금물에 담가 두면 배추의 숨이 죽는 현상 등이 대표적인 예이다. 이번 실험은 주변에서 쉽게 관찰할 수 있는 삼투 현상을 감자 세포를 통해 관찰하고 삼투압을 측정하는 실험이다. 삼투압을 측정하는 방법에는 질량 변화를 통해 측정하는 것과 식물 조직과 용액 사이의 농도 변화를 이용하는 것이 있으며, 이번 실험에서는 두 가지 방법을 모두 활용하여 감자 세포의 삼투압을 측정하고자 한다. 이를 통해 식물 세포에서의 삼투 현상과 그에 따른 수분 포텐셜의 변화를 이해하고자 한다. []
1.2. 삼투 현상의 이해
삼투현상이란 반투과성 막을 경계로 농도가 다른 두 용액이 있을 때 물의 농도 기울기에 따라 저농도에서 고농도로 물 분자가 이동하는 현상이다. 이는 고농도에서 저농도로 물질이 이동하는 확산과 달리 삼투 또한 농도 차를 없애기 위한 물의 확산이라고 할 수 있다. 이때 삼투 작용은 에너지를 소비하지 않는다. 물에 한 종류의 용질이 녹아 있든지 여러 종류의 용질이 녹아 있든지 관계없이 삼투 작용의 방향은 전체 용질의 농도에 의해 결정되며 용질의 특성과는 무관하다.
삼투 현상의 대표적인 예로는 식물의 뿌리에서 물을 흡수하는 현상, 세뇨관에서 모세 혈관으로 물이 재흡수 되는 현상, 배추를 소금물에 담가 두면 배추의 숨이 죽는 현상 등이 있다. 반투과성 막은 세포막, 셀로판 막, 달걀 속 껍질 등과 같이 물과 같은 용매는 투과시키지만 용질은 특성에 따라 투과시키지 않는 막으로 미세한 구멍이 뚫려있다. 용액 속 입자 중에서 막의 구멍보다 크기가 작은 물질만 반투과성 막을 투과할 수 있다.
동물세포(적혈구)에서의 삼투현상을 보면, 저장액에 넣었을 경우 수용액의 삼투압이 세포질보다 낮아져 삼투에 의해 물이 적혈구 안으로 들어가 부풀어 오르는데, 이때 동물 세포는 세포벽이 없기 때문에 물이 계속 들어오면 세포막이 지탱할 수 없게 되어 결국 세포막이 터지는 용혈 현상이 일어난다. 등장액에 넣었을 경우 수용액의 삼투압이 세포질과 같아져 물의 이동이 균형을 이루기 때문에 아무런 변화가 일어나지 않는다. 고장액에 넣었을 경우 수용액의 삼투압이 세포질보다 높아져 삼투에 의해 적혈구 속의 물이 바깥쪽으로 빠져 나와 세포가 쭈그러든다.
식물세포에서의 삼투현상은 동물세포와 유사한데, 저장액에 넣었을 경우 동물세포와 마찬가지로 삼투압이 높은 세포 안으로 물이 들어와 세포가 팽창하지만 식물 세포는 세포벽이 있기 때문에 터지지는 않는다. 이때 세포가 팽창하면서 세포막이 세포벽을 미는 힘을 팽압이라고 하고 세포가 최대로 팽창한 상태를 팽윤 상태라고 한다. 등장액에 넣었을 경우 형태 변화가 없고 세포 내부로 들어가는 물의 양과 나가는 물의 양이 동일한 상태를 한계 원형질 분리라고 하며 팽압이 0이 된다. 고장액에 넣었을 경우 물이 세포 밖으로 빠져나가 세포가 수축하여 세포막이 세포벽으로부터 떨어지게 되는데, 이런 상태를 원형질 분리 상태라고 한다. 원형질 분리가 일어난 세포를 저장액에 넣으면 원래의 상태로 되돌아오는데 이것을 원형질 복귀라고 한다.
1.3. 삼투압과 수분 포텐셜의 관계
수분 포텐셜은 물의 자유에너지 상태를 나타내는 것으로, 식물 세포 사이에서의 물의 이동을 결정하는 요인이다. 수분 포텐셜은 압력(P), 중력(G), 그리고 삼투 포텐셜(π)로 이루어져 있으며, 이를 식으로 나타내면 Ψ = P + G + π이다. 즉, 수분 포텐셜은 삼투 포텐셜에 비례한다. 따라서 삼투 포텐셜을 알면 수분 포텐셜을 추정할 수 있다. 물은 수분 포텐셜이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하며, 이는 삼투 포텐셜이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 것과 동일하다. 예를 들어 살아있는 세포들은 순수한 물과 비교하면 음의 수분 포텐셜을 가지고 있다. 이때 흐름에 방해가 없다면 물 분자들은 순수한 물 쪽에서 음의 수분 포텐셜을 가진 부분으로 이동하게 된다. 순수한 물의 수분 포텐셜은 0이다. 이처럼 수분 포텐셜은 식물 세포 사이에서의 물의 이동을 결정하는 중요한 요인이라고 할 수 있다.
2. 이론적 배경
2.1. 삼투 현상의 정의와 특징
삼투 현상이란 반투과성 막을 경계로 농도가 다른 두 용액이 있을 때 물의 농도 기울기에 따라 저농도에서 고농도로 물 분자가 이동하는 현상이다. 이는 고농도에서 저농도로 물질이 이동하는 확산과 달리 삼투 역시 농도 차를 없애기 위한 물의 확산이라고 할 수 있으며, 에너지를 소비하지 않는다. 물에 한 종류의 용질이 녹아 있든지 여러 종류의 용질이 녹아 있든지 관계없이 삼투 작용의 방향은 전체 용질의 농도에 의해 결정되며 용질의 특성과는 무관하다. 반투과성 막이란 세포막, 셀로판 막, 달걀 속 껍질 등과 같이 물과 같은 용매는 투과시키지만 용질은 특성에 따라 투과시키지 않는 막으로 미세한 구멍이 뚫려있다. 용액 속 입자 중에서 막의 구멍보다 크기가 작은 물질만 반투과성 막을 투과할 수 있다.
2.2. 동물 세포와 식물 세포에서의 삼투 현상
동물 세포와 식물 세포에서는 삼투 현상이 서로 다르게 나타난다. 저장액에 동물 세포인 적혈구를 넣으면 수용액의 삼투압이 세포질보다 낮아져 삼투에 의해 물이 적혈구 안으로 들어가 세포가 부풀어 오른다. 그러나 동물 세포는 세포벽이 없기 때문에 물이 계속 들어오면 세포막이 지탱할 수 없게 되어 결국 세포막이 터지는 용혈 현상이 일어난다. 등장액에 넣으면 수용액의 삼투압이 세포질과 같아져 물의 이동이 균형을 이루기 때문에 아무런 변화가 일어나지 않는다. 고장액에 넣으면 수용액의 삼투압이 세포질보다 높아져 삼투에 의해 적혈구 속의 물이 ...
