☼ 차시에 공통으로 사용될 음표 유전 암호
01. 닭발, 어떻게 움직일까?
안 그래도 다리가 굵은데 하체운동을 해서 종아리 근육이 더 생기면 어떻게 해요?” 라고 묻는 사람들 이 많습니다. 하지만 걱정 마세요! 근육이 그렇게 쉽 게 생긴다면 누구나 역도 국가대표 선수가 될 수 있 을 겁니다. 그럼에도 헬스클럽에서 웨이트트레이닝 을 하는 여성분들이 종아리가 굵어졌다고 호소하는 이유는 무엇일까요?
그 이유를 알아보기 전에 먼저 닭발의 움직임을 통 해 운동에 원리에 대해 알아봅시다.
닭발 움직여보기
실험 닭발을 움직여 보자.
☼ 실험목표
1. 닭발의 움직임을 관찰할 수 있다.
2. 닭발을 움직이는 근육에 대해 호기심을 갖는다.
☼ 실험 시 유의사항
1. 칼을 사용하여 닭발의 피부를 벗길 때 손을 다치지 않도록 주의한다.
2. 면장갑을 끼고 칼을 다룬다.
☼ 지도 시 주의사항
1. 닭발을 만질 때 비닐장갑을 끼고 만질 수 있도록 한다.
2. 냄새가 심할 경우 마스크를 쓰도록 한다.
3. 사용한 닭발은 음식물 쓰레기통에 버리거나 땅에 묻도록 한다.
☼ 실험 준비물
칼, 닭발, 롱로오즈, 수술용 장갑, 해부접시, 면장갑, 메스
☼ 실험방법
1. 닭발의 끝 부분 피부를 칼로 잘 라 벗겨 낸다. 속에 있는 흰색의 스프링 같은 힘줄이 보일 수 있도 록 한다.
2. 메스로 뼈에 붙은 힘줄과 근처 에 있는 근육을 떼어 놓는다.
3. 손으로 힘줄을 잡아당기며 다리 와 발가락의 움직임을 관찰한다.
교사 지도 Tip
▪ 힘줄이 손으로 잘 당겨지지 않을 때는 롱로오즈를 사용한다.
☼ 실험 결과 및 토론
1. 살아 있는 동물에서 힘줄을 잡아당기는 것은 무엇일까?
(예시 답안) 근육
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2. 살아 있는 동물에서 실제로 힘줄을 잡아당기는 것의 생김새를 간단하게 그려 보자.
예 측 힘줄은 어떻게 당겨지는 것일까?
살아 있는 동물에서 실제로 힘줄은 어떻게 당겨지는 것인지 글과 그림으로 간단하게 나타 내보자.
☼ 실험 원리
힘줄(건 tendon)
힘줄(건 腱)은 근육을 뼈에 부착(연결)시키는 구조물(부착물)로써 강한 장력에 견디도록 인 대와 매우 비슷한 구조로 되어있으며 이런 연결섬유는 근육의 양쪽에서 발견된다. 유연성 을 지닌 조직이며 굵기, 길이, 형태는 근육의 종류에 따라 다르다.
건이 뼈나 연골에 부착되는 곳에서는 건섬유의 일부는 골막에 부착하고, 일부는 골막을 뚫고 골질 또는 연골질 속에 들어가 있다. 건 자체는 매우 단단하여 끊어지는 일은 없으 나, 너무 강하게 당기면 건과 뼈 사이가 벗겨지는 수가 있으며, 이러한 건의 박리현상은 아킬레스건에서 자주 일어난다.
인대(ligament)
인대는 뼈와 뼈를 연결하여 관절의 안전성을 유지하는 구조물로써, 교원섬유와 탄성섬유 가 주성분인 기질과 섬유모세포라고 불리는 세포들로 이루어진다. 연부조직으로서 단단한 뼈를 지지하는 인대는 여러 가지 힘에 견딜 수 있어야 하기 때문에 섬유조직들이 평행으 로 배열하여 매우 밀집된 구조를 지닌다.
힘줄(건)과 인대의 차이는 무엇인가?
힘줄과 인대는 몇 가지 공통적인 면이 있다. 이들은 신장력이 크지 않는 강인한 연결조직 이라는 공통점을 갖고 있다. 물론 인대는 대체로 힘줄보다는 많이 늘어난다. 하지만 이들 의 기능은 서로 다르다.
힘줄은 근육에 붙은 강인한 끈이다. 힘줄은 근육의 인력(引力)을 뼈로 전달해 뼈와 몸이 움직이도록 해준다. 이에 반해 인대는 끈 모양을 하기도 하고 더러는 넓고 평평하며 반창 고 같은 형태를 하고 있으며 관절주위를 감싸주기도 한다.
그렇게 함으로써 관절을 압박으로부터 보호해 탈구를 막아주며 삐거나 파열되지 않게 해준다. 힘줄과 인대의 상해는 심한 통증과 기능장애를 초래할 수 있다.
인대는 신체 어디에서나 발견할 수 있다. 특히 손목과 발목, 무릎, 어깨 그리고 팔꿈치관 절 주위에 인대가 붙어 있다. 그 생김새가 반창고처럼 납작하거나 신발 끈처럼 긴 인대는 목뼈와 척주를 단단히 고정시켜 주는 역할도 담당한다.
관절이 삐는 것을 염좌상이라 하는데 단순히 관절이 삔다면 상관이야 없지만 인대가 늘어 나거나 인대가 끊어진다면 수술로 완치하여야 합니다.
골격근
골격근은 뼈에 붙어 몸의 움직임으로 조절하는 근육으로 다른 근육보다 훨씬 빠른 속도로 강력한 수축을 할 수 있으나 쉽게 피로해지는 특징이 있다. 골격근의 양 끝은 서로 다른 뼈에 붙어 있어 골격근이 수축하면 뼈대가 움직인다. 뼈대에는 2개의 골격근이 쌍으로 붙 어 서로 반대로 작용한다. 예를 들어 팔을 움직이는 골격근은 아래 그림과 같이 한 쪽이 수축하면 다른 쪽 근육은 이완하여 팔을 들어 올리거나, 내리게 한다.
골격근은 평행하게 배열된 여러 개의 근육 섬유 다발로 구성되어 있고, 각각의 근육 섬유 는 더 가느다란 근육 원섬유로 이루어져 있다. 하나의 근육 원섬유를 전자현미경으로 관 찰하며 아래 그림과 같이 근육 원섬유 마디라고 하는 구조가 여러 개 반복되는 것을 볼 수 있다.
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-근육 원섬유 마디는 근수축의 기본 단위이며, -근육 원섬유 마디와 마디를 구분하는 경계선 을 Z선이라고 하다. 근육 원섬유 마디는 굵은 마이오신이 가는 액틴 필라멘트 사이에 일부 분씩 겹쳐 배열되어 있는 구조를 하고 있다. 근육 원섬유 마디에서 마이오신이 있는 부분은 어둡게 보이고, Z선 주위의 액틴 필라멘트만 있는 부분은 밝게 보인다. 골격근은 이러한 구 조 때문에 어두운 A대(암대)와 밝은 I대(명대)가 반복되는 가로무늬가 나타난다. 그래서 골격 근을 가로무늬근이라고도 한다.
근수축의 원리
관찰해보기 근 수축이 할 때 근육 원섬유 마디의 변화 는 왜 생기는 것일까
▪ 아래 그림은 근 수축할 때 생기는 근육 원섬유 마디의 변화를 전자현미경으로 관찰한 것이다.
☼ 관찰 결과 및 정리
1. A대, H대, I대는 어떤 특징을 나타내는가?
(예시 답안) A대는 어둡고, I대는 밝다. H대는 짧고 어둡다.
2. 근육 원섬유가 수축하면 A대, H대, I대의 길이는 각각 어떻게 변하는가?
(예시 답안) A대는 변하지 않고, I대는 짧아지며 H대는 사라진다.
3. 근육 원섬유가 수축할 때 근육 원섬유 마디가 짧아지는 이유를 설명해 보자.
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-☼ 원리
근수축의 활주설
근육 원섬유 마디가 수축할 때 액틴 필라멘트가 마이오신 사이로 미끄러져 들어가 근육 원섬유 마디가 수축하며, 이 때 ATP 에너지가 사용된다. 따라서 근수축이 일어날 때 근육 원섬유 마디는 짧아지지만, A대의 길이는 변하지 않고 I대와 H대가 짧아진다. (출처: 심규 철외 5명. 2011. 고등학교 생명과학 Ⅰ. 비상교육)
설계해보기 근수축 활주설 모형
▪ 근수추 활주설을 쉽게 설명할 수 있는 모형을 설계하여 보자.
(예시 답안)
참고 자료 인공 근육
자신보다 10만배 무거운 짐도 번쩍 드는 인공근육 개발
한양대 전기생체공학부 김선정 교수팀은 미국 호주 등의 국제 나노연구팀과 함께자신의 무게보다 10만 배나 무거운 짐을 들 수 있는 강하면서도 유연한 실 모양의 인공근육을 개발했다.
인공근육은 전기를 흘려주면 운동을 하는 물질이나 장치를 뜻한다. 지금까지 개발된 인 공근육은 늘어나거나 줄어들 수 있어 굽히거나 펴는 동작은 할 수 있었지만 비틀거나 회 전운동은 하지 못했다.
연구팀은 지름이 0.015mm에 불과한 원통형 탄소나노튜브 안에 파라핀을 넣어 실 모양의 새로운 하이브리드 소재를 만들었다. 이 소재에 열을 가하면 파라핀이 팽창하면서 소재 전체의 부피가 늘고 길이는 짧아진다. 이런 현상을 이용해 소재를 나선형으로 꼬아놓으 면 비트는 동작은 물론이고 회전운동도 가능하다.
이 소재로 만든 근육은 매우 유연해 실처럼 꼬거나 매듭을 지을 수 있고 바느질도 가능 하다. 강도 역시 뛰어나다. 이 근육은 수축할 때 0.025초의 속도로 빠르게 줄어들 뿐만 아니라 실제 근육이 수축할 때 내는 힘보다 훨씬 더 강한 힘을 낼 수 있다.
연구진은 이 인공근육이 구조가 간단하면서 성능이 뛰어나기 때문에 로봇이나 섬세한 수 술을 위한 장비, 초소형 모터나 밸브 등 다양한 곳에 활용할 수 있다고 설명했다.
김 교수는 “이 인공근육은 연구실에서 액체 속에서나 작동하는 것이 아니라 일반 대기 중에서도 작동이 가능해 곧바로 실용화가 가능하다”며 “모터나 로봇 산업, 의생명 분 야에 파급 효과가 클 것으로 기대된다”고 말했다.
이 연구 결과는 세계적 과학 학술지 ‘사이언스’ 11월호(11월 16일)에 게재됐다.
(출처: 동아일보 A27면4단| 기사입력 2012-11-16 03:14 이재웅 동아사이언스 기자 ilju2@donga.com)
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-◉ 평 가
학생들은 닭발을 움직여봄으로써 근육의 운동 원리에 대해 호기심을 갖고 근육의 구조와 운 동 원리에 대해 탐구해본다.
평가
영역 평가기준
평가척도
매우 잘함
잘 함
보 통
미 흡
미완 성
미제 출
5 4 3 2 1 0
통합적 사고
근육의 구조와 운동 원리를 연결지어 예측 할 수 있는가?
창의적 설계
근육의 운동 원리를 쉽게 설명할 수 있는 모형을 설계할 수 있는가?
감성적 터치
능동적인 자세로 탐구를 해결해가려는 의지 를 가지고 있는가?
서로의 경험을 나누고, 의견을 모으는 등 협력적인 태도를 갖는가?
다른 학생의 발표를 경청하는가?
교사 의견
및 채점 평가
합산
2차시
흰 근육과 빨간 근육은 무엇이 다를까?
교사용 교재
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-◉ 수업 지도안
단 원 고등학교 생명과학Ⅰ(3) 항상성과 건강 - 항상성과 몸의 조절
연계 단원
수업차시 2차시 지도대상 고등학교 1~3학년
활동유형 토의발표
교과 학습 목표
1. 근육의 종류를 말할 수 있다.
2. 지근과 속근의 특성을 이해할 수 있다.
교과 연계 성
중학교 1~3 과학
(14) 자극과 반응 - 항상성 유지
체내․외 환경 변화에 대한 신경과 호르몬의 조절 작용으로 항상성이 유지됨을 이해한다.
고등학교 생명과학Ⅱ
(1) 세포와 물질대사 - 세포와 에너지
세포의 물질대사가 효소를 이용한 화학반응에 의해 이루어지며, 이에 필요한 에너지 공급이 생체막을 통한 에너지 전환과 관련됨을 이해한다.
학습 단계 교수 ․ 학습 활동 시간
(분)
학습 자료 및 유의점
도입
생선의 흰 살 부분과 빨간 살 부분을 보여 주면 왜 차 이가 나는지 생각해보기
같은 생선인데 왜 부위에 따라 색깔이 다른 지 그 이유를 생각해보고 발표할 수 있도록 한다.
5 ∙ PPT
본활동
근육의 색