제브라피시를 활용한 동물의 생식과 발생 및 순환 관련 탐구 모듈 개발 가능성 탐색

분야
자연과학 > 과학교육
저자
조정훈 ( Jeong Hoon Cho ) , 김선영 ( Sun Young Kim )
발행기관
한국생물교육학회
간행물정보
생물교육(구 생물교육학회지) 2013년, 제41권 제3호, 392~404페이지(총13페이지)
파일형식
11801091.pdf [무료 PDF 뷰어 다운로드]
  • ※ 본 자료는 참고용 논문으로 수정 및 텍스트 복사가 되지 않습니다.
  • 구매가격
    5,300원
    적립금
    159원 (구매자료 3% 적립)
    이메일 발송  스크랩 하기
    자료 다운로드  네이버 로그인
    국문초록
    1. 2009 개정 교육과정에 근거한 교과서 분석 결과 2009 개정 중등학교 과학과 교육 과정에서는 생식과 발생이 중학교 과정에서 다루어지고 있으며, 생물의 생식방법인 무성 생식과 유성 생식, 체세포 분열과 생식세포 분열, 그리고 수정란이 발생 과정을 거쳐 개체가 되는 과정을 학습하도록 명시하고 있다(교육과학기술부, 2011). 생식과 발생 단원에 제시되어 있는 탐구 활동을 출판사별로 분석해 본 결과(Table 2), 세포의 분열에 관한 실험으로는 양파 뿌리 끝 체세포 분열 관찰, 백합의 생식세포 분열관찰이 제시되어 있었다. 또한 생물의 생식에 관한 탐구 활동으로는 효모의 출아 관찰하기, 호밀의 생식세포 분열 관찰하기 등이 있으나, 수정과 발생에 관련된 탐구활동의 제시되어 있지 않아 중등학교 현장에서 활용할 수 있는 수정과 발생에 관한 실험 모듈의 개발이 필요함을 알 수 있다. 또한 순환 단원에서도 현 교육과정에서는 혈액의 관찰, 팔의 혈관 관찰 및 금붕어의 꼬리지느러미 관찰이 제시되어 혈액의 구성과 혈관의 구조 등에 대한 관찰이 가능하도록 되어 있으나, 심장의 구조와 혈액의 흐름에 대한 실험은 거의 없다. 2. 제브라피시의 특징 제브라피시의 학명은Danio rerio이며, 얼룩말 무늬를 가진 담수어로 인도의 겐지스강 유역과 연못이 주 서식지로 네팔, 방글라데시, 파키스탄, 미얀마 등지에서도 서식하는 것으로 알려져 있다. 제브라피시는 잡식성 어류로 식물성 플랑크톤, 동물성 플랑크톤, 곤충 등을 잡아먹으며, 실험실이나 가정에서는 플레이크 형태의 물고기사료나 아르테미 아새우(brine shrimp)등을 먹여 기른다(Zebrafish K-12: http://www.neuro.uoregon.edu/k12/FAQs.html). 관상어로 애용되던 제브라피시는 1970년대에 생쥐보다 단순하고 유전학적 조작이 쉬운 척추동물모델을 찾던 오레곤 대학(University of Oregon)의 연구원 George Streisinger 에의해처음실험동물로이용되었다. 동대학의동료인Kimmel 은제브라피시의 실험동물로의 이용에 매우 큰 인상을 받았으며, 제브라피시 배아를 신경 발생연구에 적용하게 된다. 이후 1990년대에는 보다 많은 과학자들이 발생생물의 연구 모델로 제브라피시를 이용하게 되었고, 현재 600개 이상의 실험실에서 제브라피시를 다양한 연구에 모델동물로 활용하고 있다(Zebrafish Educational Websites: http://www. fishforscience.com/model-organisms). 제브라피시가 모델동물로써 각광받는 이유는 첫째, 제브라피시는 시중에서 쉽게 저렴한 가격으로 구입할 수 있는 관상어로 일반적인 열대어를 기르는 환경에서 쉽게 기를 수 있으며, 성체의 크기가 약 3~4cm로 생쥐나 토끼와 같은 타 척추동물보다 작아, 좁은 공간에 많은 수를 기를 수 있다는 점이다. 또한 배아가 투명하여 내부 기관의 발생과 구조를 쉽게 관찰할 수 있으며, 발생이 매우 빨라 28.5도씨에서 수정란은 약 24시간 뒤면 물고기의 형태로 발생하며, 석 달 후에는 다음 세대를 낳는다(kimmel et al., 1995). 일주일에 한 번 알을 낳으며, 한번에 암컷 한 마리 당 200개 이상의 알을 낳는다. 특히, 제브라피시는 지느러미 달린 사람이라는 별명이 붙을 만큼 사람과 유사한 척추동물로 인간을 대신하여 신약 개발 및 독성테스트, 줄기세포, 질병 연구 등에 이용되고 있다. 또한 수많은 돌연변이체들이 확보되었으며, 이들을 이용하여 다양한 유전학적 연구가 가능하다. 마지막으로 연구자들 간의 교류가 활발하여 필요한 정보와 연구재료 등을 손쉽게 구할 수 있다. 제브라피시를 기르는 방법, 알을 얻는 방법, 발생 관련 정보 등을 제브라피시 데이터베이스(The Zebrafish Model Organism Database: http://zfin.org/)와 제브라피시 책(The Zebrafish Book: http://zfin.org/zf_info/zfbook/zfbk.html)을 통해 얻을 수 있다. 3. 제브라피시를 활용할 수 있는 탐구활동 2009 개정 교육 과정에서는 생식과 발생 단원 영역의 목표로 ``생식세포가 만나 형성된 수정란이 발생 과정을 거쳐 개체가 되는 과정을 사람의 발생 과정을 통해 이해함으로써 생명이 연속되는 현상이 신비하고 소중하다는 것을 알게 한다``라고 명시되어 있다. 또한 2009 개정 교육 과정의 순환 단원 영역의 목표로 ``혈액 순환과 관련지어 심장과 혈과의 구조와 기능을 안다``라고 제시되어 있다. 본 연구에서는 사람과 유사한 척추동물인 제브라피시를 활용하여 수정부터 발생까지의 과정 및 순환계의 생성과 원리에 대해 탐구할 수 있는 모듈의 개발 가능성을 아래와 같이 제시하고자 한다. 첫째, 제브라피시는 암컷과 수컷의 뚜렷한 차이를 나타내어 여성과 남성처럼 외형적으로 구분이 용이하여 암수(성) 구별 탐구활동이 가능하다. 둘째, 체외수정을 통해 정자와 난자가 만나 수정이 이루어지며 이는 체내 수정을 하는 동물에서 관찰이 어려운 수정과정을 관찰할 수 있어 유성생식을 이해하는 유용한 탐구활동이 될 수 있다. 셋째, 제브라피시의 배아는 하루 만에 사람의 배아와 유사한 발생단계 즉, 난할, 포배기, 낭배기, 기관 형성기를 거쳐 물고기의 형태를 이룬다. 사람의 배아에서 수 주일에서 몇 달 동안 일어나는 발생과정이 수 시간에서 수 일안에 이루어지므로 매우 유용한 배 발생 모델이 될 수 있다. 넷째, 발생 하루 만에 관찰되는 제브라피시의 심장은 사람의 심장과 매우 유사하지만, 사람의 2심방2심실보다 단순한 1심방1심실 구조로 되어 있어 관찰이 더욱 용이하여 심장의 구조를 이해하기 좋은 모델이 될 수 있다. 넷째, 제브라피시의 혈액은 사람과 매우 유사하며, 광학현미경 하에서 쉽게 적혈구를 비롯한 혈구의 움직임을 관찰할 수 있어 사람의 순환계를 이해하는데 매우 유용한 모델이 될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구진이 제시한 다섯 가지 탐구실험 중 1~2일이 소요되는 배 발생과정 관찰활동을 제외하고, 모두 수 시간 정도가 소요된다. 만약 이들 실험을 모두 연속적으로 수행한다면 총 3~4일 정도가 소요된다. 제브라피시는 28.5도씨에서 배양했을 때 약 90일 후에 교배와 산란이 가능하기 때문에 부화 후 세 달 정도를 더 기른다면 생활사에 대한 개념을 이해하는 데도 도움이 될 것으로 기대된다(Fig. 2). 1) 생식과 발생 (1) 성(암수) 구별 활동 제브라피시 성체의 크기는 약 3~4 cm이다. 수컷은 배가 평평한 어뢰모양이며, 파랑 줄무늬 사이에 금색줄무늬를 가지고 있다. 암컷은 수컷보다 크기가 더 크며, 배가 불룩하고, 파랑 줄무늬사이에 금색줄무늬 대신 은색줄무늬를 가지고 있다(Fig. 3). 성구별 탐구활동을 위해 먼저 3~5리터의 수조를 세 개 준비하고, 염소중화제를 처리 하거나 이틀 정도 받아놓은 수돗물을 3분의 2 가량 채우고, 하나의 수조에 암수를 각각 5~10마리 섞어 놓은 후 학생들에게 암수를 각각 암컷과 수컷이 표지된 수조에 뜰채를 이용하여 옮기도록 한다. 암수가 섞여 있는 수조에서 암컷과 수컷의 특징을 관찰하고, 직접 암수를 분리하는 활동을 통해 학생들의 흥미를 유발하고, 관찰 능력을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 암수 구별 탐구 활동의 재현실험 결과, 암컷과 수컷의 구별에서 가장 중요한 요소는 배의 형태 즉, 배가 불룩한지 아닌 지였으며, 파랑 줄무늬사이의 색이 금색인지 은색인지를 구분하는 것은 쉽지 않았다. 또 다른 특징으로 수컷의 움직임이 암컷보다 빠름을 확인하였다. (2) 교배 및 체외수정 탐구 활동 암수 구별 활동을 통해 분리한 암수를 이용하여 교배 실험을 수행한다. 제브리피시는 이른 아침 암수가 교미행동을 통해 수정을 한다. 학생들은 교미행동과 체외수정을 관찰할 수 있다. 제브라피시의 효과적인 교배를 위해서는 평소 밤낮의 주기를 10시간의 암흑과 14시간의 빛 주기를 시중에서 쉽게 구할 수 있는 전원 타이머를 이용하여 제공하면 좋다. 예를 들어 아침 9시부터 저녁 11시까지 조명을 켜주고, 11시부터 다음날 아침 9시까지 조명이 꺼지도록 타이머를 조작한다. 산란기는 시중 관상어 매장에서 판매하는 열대어 부화통을 이용하면 된다. 여러 모델의 난태생어용 열대어 부화통이 판매되고 있으며, 이들 중 격리막이 있는 것을 이용한다(Fig. 4A). 교배 전날 해지기 전 혹은 교배 시간으로부터 약 10시간 전에 암수를 2대 1의 비율로 총 3마리에서 6마리 정도를 격리막을 이용하여 격리시킨 후 소등한다. 다음날 아침 9시경에 점등하고 격리막을 제거하면 암컷과 수컷이 몸을 비비며 교미행위를 하는 것을 관찰할 수 있다. 이때 암컷으로부터 알이, 그리고 수컷으로부터 정액이 나오며, 산란된 알들은 알분리체를 통과하여 바닥에 가라앉는다(Fig. 4B). 성체가 알을 먹기 때문에 격리막을 이용하여 분리시켜야 한다. 암컷 한 마리당 약 100~200개의 알을 낳았으며, 산란의 적정온도는 28~30도씨였다. 이렇게 얻어진 알들은 거의 같은 시간에 수정이 되어 시간대별 배아의 발생 단계를 관찰하는 탐구활동에 바로 이용될 수 있다. (3) 배 발생 과정 관찰 활동 제브라피시의 배발생은 매우 빨라, 28.5도씨에서 24시간이면 수정란으로부터 물고기 형태를 갖춘다(Kimmel et al., 1995). 배 발생 과정 관찰을 위해서는 체외수정 관찰 활동을 통해 얻어진 알들을 스포이드를 이용하여 페트리디시에 옮긴 후 배양기에서 배양한다. 적정온도는 28.5도 이다. 1시간 간격으로 3~5회 정도 이물질이나 수정에 실패하여 죽은 알을 스포이드를 이용하여 제거해준다. 수정에 실패한 알은 수 시간 내에 죽게 되며, 세포 형태가 아닌 탁하며 불규칙적인 형태를 보여 쉽게 구분된다. 배 발생 과정의 관찰방법은 두 가지이다. 첫 번째 방법은 페트리디시를 해부현미경하에서 바로 관찰하는 방법으로 배아에 손상을 주지 않고 시간대별 관찰을 할 수 있으며, 배율은 일반적으로 최대 50배 정도이다. 또 다른 방법은 프레파라트를 제작하는 방법으로 광학현미경하에서 최대 1,000배까지 고배율의 관찰이 가능하다는 장점을 가지고 있다(Fig. 5). 프레파라트 제작 방법은 에 설명하였다. 제브라피시는 아침에 한 차례만 알을 낳을 뿐만 아니라, 일주일에 한 번 정도 알을 낳기 때문에 일선 학교 현장에서 지도교사가 다양한 발생단계를 한 번에 보여주는 것이 현실적으로 쉽지 않다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구진은 배양온도를 달리하여 한 번에 다양한 발생단계를 얻어내는 방법을 시도하였다. 일반적으로 제브라피시의 발생은 온도가 낮아짐에 따라 느려진다고 알려져 있다(Kimmel et al., 1995). 본 연구진은 발생의 적정온도인 28.5도씨를 기준으로 약 24시간 동안 진행되는 상실기, 포배기, 낭배기, 기관 형성기의 발생과정을 임의로 10단계로 나누었다(Fig. 6). 제브라피시의 배아를 34도, 31도, 28도, 25도, 21도씨에서 배양하고, 이들 각각의 배 발생 속도를 측정하였으며, 10단계까지 발생하는 데 소요되는 시간은 34도씨 17시간, 31도씨 21시간, 28씨 25시간, 25도씨 30시간, 22도씨 48시간 정도였다(Table 3). 이러한 결과는 현장 교사들이 수업시간을 고려하여 각각의 발생단계를 학생들에게 탐구할 수 있도록 수업준비를 진행하는데 매우 중요한 자료가 될 것으로 기대된다. 본 연구진은 배 발생 과정 관찰 활동이 오전 11시에 있다고 가정하고, 최대한 다양한 발생단계를 확보하기 위해 제브라피시를 두 개의 그룹으로 나누어 교배를 진행하였다. 첫 번째 그룹은 전날 오전 8시부터 9시까지, 두 번째 그룹은 당일 오전 8시부터 9시까지 교배를 진행하였다. 이렇게 8시에서 9시 사이에 확보된 알들은 22, 25, 28도씨에서 각각 배양하였다. 수업시간인 오전 11시에 이들의 발생단계를 확인한 결과, 전날 낳은 알들은 22, 25, 28도씨에서 각각 8, 9, 10단계였고, 당일 낳은 알들은 각각 1, 1과 2사이, 2단계임을 확인하였다(Fig. 6과 Table 3을 참조). 우리는 수업 전날과 당일 오전에 교배를 통해 배아를 얻고, 이들을 다양한 온도에서 배양하면 최소한 5가지의 발생단계를 관찰할 수 있다. 또한 20도씨에 일정시간 보관하면 발생속도를 거의 정지 상태로 늦출 수 있음을 확인하였다. 그러나 정상적 발생은 불가능하여 20도씨에서 하루 이상 배양했을 경우 모두 발생과정에서 죽었다. 따라서 발생 단계의 조절을 위해 수 시간 배양하는 정도로 이용하면 유용한 방법이 될 것이다. 정확한 지연 속도나 지연가능 시간은 추가실험을 통해 규명하고자 한다. 2) 심장과 순환 순환계의 관찰 활동에서 가장 적합한 발생단계는 10단계 이후였다. 심장과 혈액의 순환을 관찰하기 위해 해부현미경과 광학현미경을 사용한 결과, 고배율의 관찰이 가능한 광학현미경에서 보다 선명한 심장의 구조와 혈액 순환의 관찰이 가능하였다. 광학현미경을 이용하기 위해서는 먼저 프레파라트를 만들어야 한다. 프레파라트 제작에 있어서 문제점은 배아가 상당히 커서(지름이 약 1mm) 슬라이드글라스 위에 배아를 놓고, 그 위에 커버글라스를 놓으면 배아가 눌려서 터져버린다는 점이다. 또, 다른 문제점은 배아가 마르지 않도록 해야 한다는 점이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 슬라이드 글라스를 부러뜨려 작은 크기로 만든 다음 이를 슬라이드 글라스 양쪽에 올려놓고, 그 사이공간에 배아를 5~10개 정도 올린 후 커버글라스를 덮고 사이 공간에 물을 채우는 방법을 사용하였다. 그러나 장시간의 관찰은 수분증발의 문제점을 야기하였다. 본 연구진은 전기영동 등의 실험에 사용되는 한천을 전자레인지를 이용하여 물(수조물)에 약 1%로 녹인 후 25~30도씨 정도로 식힌 후 슬라이드글라스와 커버글라스 사이 공간에 주입하여 굳히는 방법을 통해 효과적으로 해결하였다(Fig. 7A). 이 방법은 배 발생 과정 관찰 활동에서도 이용되었다. (1) 심장의 구조 관찰 활동 제브라피시 배아는 28.5도씨에서 배양했을 때 24시간 이후부터 적혈구와 심장의 박동이 관찰된다(Kimmel et al., 1995). 본 연구진의 관찰 결과, 34도씨에서는 약 22시간, 31도씨에서는 약 22시간, 28도씨에서는 약 22시간, 25도씨에서는 약 22시간, 21도씨에서는 약 22시간 이후에 심장의 형태와 박동이 선명하게 관찰되었다. 제브라피시의 배아는 투명하여 심장의 발생과 구조를 관찰하기에 용이하였다. 제브라피시의 심장은 사람의 심장처럼 심방과 심실이 순차적 수축을 통해 정맥을 통해 들어온 혈액을 심방과 심실을 거쳐 동맥으로 박출한다. 사람의 심장이 2심방2심실 구조인데 반해, 제브라피시의 심장은 1심방1심실 구조를 가지고 있다. 이처럼 단순한 제브라피시의 심장구조는 학생들에게 심장의 구조를 포함한 혈액 순환 시스템의 원리에 대한 이해를 도울 것으로 기대된다. 발생 10단계(28.5도씨에서 배양했을 때 24시간 째)의 제브리피시 심장은 분당 약 100회~120회 박동하였다(Fig. 7Aⓐ 점선으로 심실과 심방의 테두리를 표시함). 심장의 관찰이 가장 용이한 시기는 28.5도씨 기준으로 수정 후 24~48시간까지의 단계였다. 이러한 탐구 활동은 학생들로 하여금 살아있는 생물에서 심장의 발생과 더불어 심장의 구조를 직접 관찰할 수 있도록 함으로써 생명의 신비와 함께 순환계에 대한 개념적 이해에 도움이 될 것으로 기대된다. (2) 혈액의 순환 관찰 활동 배 발생 10단계 이후(28.5도씨에서 배양할 경우 24시간 이후)부터 적혈구를 포함한 혈액의 흐름이 관찰되었다. 특히 부화 단계의 배아에서(28.5도씨에서 배양할 경우 48~72시간)에는 더욱 붉고 선명한 혈액의 순환이 관찰되었다. 순환계 발생의 초기에 해당하는 발생 10단계 배아의 관찰실험에서 심실로부터 박출된 혈액이 동맥을 따라 꼬리 쪽으로 이동하였고, 말단부를 돌아 정맥을 거쳐 다시 심장으로 돌아오는 순환계의 전 과정을 볼 수 있었다(Fig. 7Aⓑ 점선 화살표는 혈액의 흐름을 표시함). 이후 발생이 진행될수록 배아의 혈액은 더욱 붉은색을 띠었으며, 모세혈관도 생성되었다. 36시간 이후 배아에서는 모세혈관이 관찰되기 시작했으며, 48시간 이후에는 더욱 명확해졌다. 현 교육과정에서 금붕어의 꼬리지느러미를 통한 혈액의 순환을 관찰하는 실험이 있으나, 이는 모세혈관의 관찰에 그치는 실험이다. 반면, 제브라피시 배아를 활용한 혈액의 순환 관찰은 순환계의 발생과 더불어 심장의 심실로부터 박출된 혈액이 동맥, 모세혈관, 정맥을 거쳐 다시 심장의 심방으로 돌아오는 일련의 폐쇄순환계의 흐름을 직접 관찰할 수 있다. 이는 학생들이 순환계를 이해하는데 있어 매우 효과적인 모델이 될 것으로 기대된다. 4. 제브라피시를 활용한 탐구활동과 2009 개정 교육과정과의 연계성 및 학교 현장에서의 활용 가능성 본 연구에서 개발한 탐구모듈의 활용 가능성을 2009개정 교육과정과 연계하여 개발한 탐구모듈과 관련 있는 단원과 학습 내용 요소 및 관련 학습 용어를 나타냈다(Table 4). 2009 개정 교육과정에서 생식과 발생 단원의 탐구활동은 무성생식(효모의 출아 관찰), 세포분열(양파 뿌리 끝 관찰 및 백합의 꽃밥 관찰)에 한정되어 있으며, 동물의 생식과 발생과 관련한 실험이 거의 없다. 본 연구에서 개발한 탐구활동은 실제 생물을 활용한 암수구별 활동, 교배 실험 및 배아발생 실험을 통해 유성 생식, 체외수정, 그리고 배아 발생과정을 직접 관찰하고 실험할 수 있다는 장점이 있다. 또한 발생과정에서 심장의 생성 및 심장의 구조를 관찰하고, 혈액 순환까지 관찰함으로써 생명의 신비와 함께 순환계의 특징과 구조를 관찰할 수 있다.
    영문초록
    This study explored the possibility of developing inquiry activities using Zebrafish for the unit of reproduction and development for enhancing students` scientific thinking. Zebrafish (Danio rerio) is the ideal experimental animal due to its easy availability and low maintenance, productiveness, embryo transparency, rapid development, and vast information accessibility. The developed inquiry modules provide students with opportunities of observation and experimentation related to animals` reproduction and development as well as circulation system. The advantageous qualities allow students to identify the sex of zebrafish and observe mating and external fertilization. Moreover, the unique transparent nature of embryo enables students to observe embryo development, cardiac development and blood circulation without special treatments. Further research is needed for developing worksheets using these activities and examining its effectiveness on students` scientific thinking as well as understanding on scientific knowledge related to reproduction and development. Our inquiry modules could be extensively used in secondary level classes for developing students` scientific thinking as well as scientific interest.
    사업자등록번호 220-87-87785 대표.신현웅 주소.서울시 서초구 방배로10길 18, 402호 대표전화.070-8809-9397
    개인정보책임자.박정아 통신판매업신고번호 제2017-서울서초-1765호 이메일 help@reportshop.co.kr
    copyright (c) 2009 happynlife. steel All reserved.