1. 개요
가. 연구목적 1) 연구 동기
요즘 에코그린사업으로 착생식물을 많이 사용하는데 착생식물의 대표 적인 예인 담쟁이덩굴처럼 벽에 붙어서 자라는 식물은 무엇이 있을까하는 의문이 들어서 조사를 해보았는데 대구에 ‘남평문씨 본리세거지’라는 곳에 ‘능소화 길’이라는 곳이 사람들의 발길을 끈다는 기사를 접하게 되었다. 조금 생소한 능소화라는 식물은 벽면에 착생하여 자라는 식물로써 착생식물의 대표적인 예인 담쟁이와는 다르게 부착근의 모양이 손가락 모양으로 분화된다. 이에 우리는 색다르게 생긴 능소화 부착근의 모습이 그에 따른 환경적인 영향이 있었을 거라 추측하고 능소화 부착근의 물리적 특성에 대해 연구하게 되었다.
2) 연구 목적
가) 다른 식물과는 다르게 줄기에서 부정근이 발생하는 능소화 부착 근에 대해 연구한다.
나) 능소화 부착근의 생물학적 부착 특성을 기반으로 하여 능소화의 물리적 부착특성을 연구한다.
다) 에코그린사업의 도시미관 가꾸기 사업에 적용하여 능소화를 경제 적으로 활용 가능성이 높은 식물로 만들고자 한다.
나. 연구범위
1) 연구 분야 및 범위
가) 생물 : 능소화 식물에 대한 생물분야를 기본으로 하여 부착근 생성에 영향을 주는 환경 요인이 있는지에 대해 알아본다.
나) 물리 : 능소화 부착근의 형태적 특징을 파악하여 부착면에 대한 부착현상을 물리적인 힘의 원리로 해석한다.
다) 환경 : 에코그린사업과 능소화를 연결시켜 녹색 환경으로 도시 미관을 가꾸고자 한다.
2. 연구 수행 내용
가. 이론적 배경 및 선행 연구 1) 이론적 배경
가) 착생 식물
식물에는 자신들만의 독특한 기능과 구조로 다양한 환경에 적응하 고 생장할 수 있는 방법들이 있다. 착생식물은 다른 식물의 표면이나 노출된 바위 면에 붙어서 자라기 위한 기근이라는 뿌리를 가지고 있 다. 이 기근은 뿌리가 땅속에 있지 않고 공기 중에 삐어져 나와 기능 을 수행한다. 착생식물은 주로 덩굴성 식물로서 바위 혹은 주변 건물 외벽에 흡착하여 잘 자란다. 공기 중에 노출되어 있는 기근은 다른 곳에 식물체를 붙이거나 빗물을 흡수하기 위한 역할을 한다.
나) 기근
기근 중에는 흡착근, 흡수근, 지주근, 보호근, 호흡근 등이 있다. 그 중 흡착근은 덩굴식물에 나는 기근으로 공기 중으로 뻗어 다른 식물 이나 물체에 달라붙는다. 대표적인 예인 담쟁이덩굴의 경우 어린 줄 기는 성장하면서 덩굴손 끝에 둥근 흡반을 내어서 몸을 지탱한다. 이 러한 흡착근은 생존력을 높이기 위해서 변형 조직을 형성한 것이다.
능소화의 흡착근을 부착근이라하고, 줄기의 마디에서 부착근이 발달 하여 나무줄기나 돌담에 착생한 후 지지대를 형성하며 자란다.
다) 부착(adhesion)과 부착근(adhesive disk)
부착은 이종의 두 물질이 접촉했을 때 서로 달라붙는 현상을 말하며 흡착 과 동의어 관계이다. 식물이 어떤 물체에 달라붙는 현상을 부착이라고 한다. 다른 생물 또는 물체에 부착하는 식물로는 담쟁이덩굴과 같이 흡착근 을 가진 덩굴식물과 새삼과 같은 기생성 덩굴식물이 있다. 부착근은 일부 식물에게서 형성되며 특수화된 기능을 하는 부정근의 한 종류이다. 담쟁이 덩굴 같이 줄기에서 형성되어 다른 물체에 흡착하는 부착근은 나무줄기나 건물 벽면에 흡착하여 식물체를 지지하는 역할을 한다. 이들은 착생과 함께 광합성 및 수분유지 등의 중요한 기능도 발달 과정 중 일부 단계에서
수행하는 것으로 알려져 있다.
라) 능소화
능소화는 중국종(Campsis grandiflora), 미국종(Campsis radicans Seem), 잡종(Hybrids) 3종류가 있다. 본 연구에서는 중국종을 연구하였다. 능소화 는 금등화 라고도 불리는데 가지에 부착근이 있어 벽에 붙어서 올라가고 길이가 10m에 달한다. 잎은 마주나고 홀수 1회 깃꼴겹잎이다. 꽃은 6월 말~8월말 경에 피며 꽃의 지름은 6~8㎝이고 화관은 종모양이다. 열매는 삭과 이고 네모지며 2개로 갈라지고 10월에 익는다. 중부지방 이남의 절에 서 심어왔으며 관상용으로 심는다.
마) 에코그린사업
에코그린사업이란 친환경을 의미하면서 지속가능한 발전을 위한 환경 정책의 하나로 보시면 될 것 같습니다. 모든 기술에 친환경 기술이 결부될 수 있다면 그 만큼 다양한 분야로 사용될 수 있습니다. 에코그린사업에는 도시 미관 가꾸기 사업, 탄소 성적 표시제도, 그린 스쿨 사업 등이 있다.
현재는 녹색성장 국가사업 추진을 통해 성장 인프라를 마련하는 단계로 미래에는 녹색 선진국 달성을 기대된다. 그렇기에 녹색한국이란 목표를 위해서 에코그린사업의 녹색기술 및 산업에 대한 발전은 지속적으로 이루 어져야한다.
2) 선행연구
이정우, 정민수(금오고등학교)는‘서식지가 다른 식물 뿌리의 내부 구조의 기능에 대한 비교(1999, 45회 전국전람회)’에서 능소화 부착 근은 가지의 마디에 잔털이 난 곳 바로 밑에 생성된 것으로 보고하였 다. 광학 현미경으로 뿌리 내부 구조를 관찰한 결과 능소화의 내부는 뿌리털, 표피, 피층, 체관부, 물관부, 후색 목부로 구성되어 있으며 부 착근 세포들이 연결되어 있었다. 또한 능소화는 부착면이 매끄러운 아크릴에서만 부착이 되지 않았고 시멘트에 가장 잘 부착되었다.
Tina Steinbrecher, Oliver Kraft, Thomas Speck는‘Ontogenetic variations in morphology and attachment strength of permanent attachment pads of species of Parthenocissus(2009, 6th Plant
Biomechanics Conference)’에서 담쟁이덩굴로 흡착가능한 면들을 실 험하였다. 구조분화를 끝낸 성장을 마친 담쟁이덩굴은 구리판을 제외 한 모든 면에 부착이 가능 하였지만 구조분화를 시작하지 않은 어린 흡반은 알루미늄, 세라믹 타일과 같은 가공물질에서는 부착을 하지 못했다.
노승우는 ‘벽면녹화 기술 개발과 덩굴식물의 생장에 관한 탐구 (2003, 서울시립대 학위논문)’에서 능소화에 대한 결과를 정리해 보 면 주요 등반용 식물의 벽면 등반 실험 결과 능소화가 가장 많이 자 랐다. 피복률 면에서는 능소화가 30%로 가장 높았다. 능소화 부착력 은 요철이 있는 시멘트 벽면이 가장 높았고 요철이 없는 일반 시멘트 벽면은 대체로 낮았다.
김한주, 이성주, 조경현은 ‘덩굴식물인 담쟁이덩굴, 마삭줄, 송악의 흡 착 메커니즘 및 활용 방안(2012, 58회 전국전람회)’에서 담쟁이덩굴의 흡착근은 잎이 발생하는 모습과 유사하며 흡착근이 시간이 지남에 따라 건조해지고 직경이 작아진다고 한다. 또한 담쟁이덩굴의 흡착력은 벽돌 표면에서 가장 컸다.
임지은, 김인선은 ‘착생식물 기근의 형태 및 세포학적 특성(2012, 계명대 학교 학위논문)’에서 American Ivy의 기근이 흡착대상 표면에 부착할 때 일어나는 기근의 형태와 세포학적 특성과 분화현상을 밝혀보려 하였다.
이 논문에서 기근을 SEM으로 관찰한 결과 기근은 줄기의 발달과 동시에 마디에서 여러 개가 발달하였다. 착생하기 시작한 기근들은 색변화를 일으 키며 수분 공급이 감소하고 착생을 기점으로 대부분 액포 내에 축적되었던 EDS가 줄게 된다고 한다. 그리고 세포벽이 변형되며 구성 세포들이 찌그러 져 세포 사멸의 과정을 거치게 되었다.
양윤주, 김희나(광주여자중학교)는 ‘능소화와 담쟁이덩굴 부착근에 대한 탐구(41회 전국 과학전람회)’에서 부착근의 기본 구조와 부착 근이 나오는 위치, 생장과정, 부착방법, 크기, 수분 흡수 기능 여부를 알아보았다. 능소화 부착근은 40-50가량으로 주위 잔털이 많고 내부
관다발의 발달이 미약하였다. 능소화의 부착근은 마디의 끝과 잔털이 난 곳의 밑에서 생성되었다. 능소화의 부착근은 접촉이 되지 않으면 생성되지 못하였고 또한, 시멘트 벽돌에서만 부착력이 강한 것을 확 인하였다.
3) 선행연구와 차이점
선행연구에서는 능소화 부착근이 가장 잘 부착되는 부착면을 연구 하였고 능소화 부착근이 시간이 지남에 따라 분화하는 것을 시기별로 나누어 가장 부착력이 강한 시기를 연구하였다. 선행연구들은 모두 능소화 부착근을 연구하는 데에만 그쳤다. 이에 우리는 능소화 부착 근을 연구하는 데에만 그치지 않고 능소화를 담쟁이덩굴과 같이 에코 그린사업의 벽면녹화사업에 적용시켜 경제성이 높은 식물로 활용하고 자 한다. 능소화 부착근이 잘 생성되는 환경을 조사하여 벽면녹화사 업에서의 부착실패를 줄이고, 부착력을 측정하여 가장 강하게 부착되 는 부착면을 확인하고 벽면녹화사업과 연결 지어 능소화의 활용성과 경제성을 입증할 것이다.
나. 연구주제의 선정
1) 연구 주제의 탐색 및 선정 과정
가) 에코그린사업의 도시 미관 가꾸기에 흥미를 가지다.
녹색 도시를 만들기 위하여 능소화를 건물 외벽에 심었으나 능소화가 잘 붙지 못하고 시들어서 죽는 사례가 있다는 점을 인터넷 검색을 통해 알게 되었다. 이에 우리는 능소화의 부착근이 모든 벽에 잘 붙지 못한다는 점을 토대로 능소화 부착근이 잘 부착하기 위한 물리적 특성을 연구하고자 하였다. 요즘 에코그린사업이 각광을 받고 있는데 에코그린사업 중 벽면녹 화사업에 가장 많이 쓰이는 식물체는 담쟁이 덩굴이다. 왜 벽면녹화사업에 담쟁이덩굴을 많이 쓰는 반면 능소화는 잘 쓰이지 않는지 궁금해서 더 탐구해 보게 되었다.
나) 능소화라는 식물체를 접하다.
2012년 여성과학인 창출을 목적으로 하는 대회에 참여하면서 대학교와
연계하여 능소화에 대해 알게 되었다. 능소화 부착근의 구조 분화를 연구하 게 되었는데 이 대회가 끝난 후에도 능소화라는 식물체에 대해 의문점이 남아 고등학생 수준에서 할 수 있는 연구를 진행해보자는 팀원들의 의견이 나왔다.
다) 팀원 역할 분담
학생 성명 학년 역할 세부 활동 내용
1 강원빈 2 기획자
기록정리
실험 계획 진행, 일정 관리 보고서 편집, 연구 실험실 관리
3 이연주 2 물품 신청 자료 수집
실험 진행, 자료 분석과 정리 필요 물품 신청
4 조유진 2 사진 촬영 실험 진행, 사진촬영 및 결과 분석 필요 인력 협조 요청
다. 연구 방법
능소화의 부착근이 어떤 환경에서 잘 형성 되는가에 대해 연구 할 필요성
을 느껴 여러 곳의 능소화를 관찰해 능소화 부착근이 잘 형성되는 환경을 알아보려고 한다. 능소화 부착근이 수분흡수 능력이 있는가에 대해 연구 필요성을 느껴 실험을 진행하여 능소화 부착근의 수분흡수 능력과 시간에 따른 능소화 줄기의 염색정도를 비교한다. 부착면에 따른 능소화 부착근의 부착력을 측정하기 위해 용수철 저울을 이용해 콘크리트, 노끈, 나무에 부착하고 있는 능소화 부착근의 부착력을 실험하여 부착력이 큰 부착면을 에코그린과 연결시키려 한다. 채집한 능소화 부착근을 해부실체현미경과 SEM을 이용하여 부착근의 외부형태를 관찰하고 부착면과 부착근의 부착 형태를 관찰하여 능소화 부착근의 형태적 특징이 부착력에 어떤 영향을 미치는지를 알아본다.라. 연구 활동 및 과정 1) 가설 설정
• 가설 1. 능소화 부착근 생성에 영향을 미치는 요소가 있을 것이다.
여러 곳의 능소화를 관찰해 보니 어떤 능소화에는 부착근이 잘 형성되어 있고 부착면에 부착도 잘 되어있는 반면, 어떤 능소화에는 부착근도 형성 되어있지 않았다. 그래서 우리는 능소화의 부착근이 어떤 환경에서 잘 형성 되는가에 대해 연구 할 필요성을 느끼게 되었다.
• 가설 2. 능소화 부착근에는 수분 흡수 능력이 있을 것이다.
능소화를 연구하기 시작하며 많은 선행 연구들을 찾아보았었다. 그런데 능소화 부착근의 수분 흡수 능력에 대해서는 논문마다 말들이 달랐다.
능소화 부착근이 정말 수분을 흡수하는지 알아보고 싶었다.
• 가설 3. 능소화가 부착된 부착면의 종류에 따라 부착력이 다를 것이다.
능소화가 부착되어 있는 면들을 보면 나무, 시멘트 등 그 종류가 다양하다. 여러 종류의 면에 부착되어 있는 능소화는 각각의 면마다 부착력이 다를 것이라고 생각이 되었다. 그러하여 부착면의 종류에 따라 부착력이 얼마나 차이가 있는가를 알아 보려한다.
• 가설 4. 능소화 부착근의 형태적 특징이 부착력에 영향을 끼칠 것이다.
능소화의 부착근은 담쟁이덩굴의 둥근 흡반 구조와는 다르게 길쭉한 손가락 모양으로 분화된다. 더욱이 부착근 주변에는 잔털이 많이 나있다.
이러한 능소화 부착근의 형태적 구조가 능소화의 부착력에 어떤 영향을 끼치는가에 대하여 알아보고자 하였다.
2) 실험 설계 및 과정 • 가설 1
부착근 생성에 조도 방향, 광도, 습도, 접촉자극 등과 같은 환경요인이 유의미한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 다음과 같은 워크시트를 만들 어 능소화 자료를 모은다. 조사한 자료를 정리하여 능소화 부착근의 생성과 주변 환경의 연관성을 찾아본다. 가지 수가 많아 수를 헤아릴 수 없으면 대략 적인 가지 수로 최대 가지 수로 임의 배정한다는 제한점이 있다.
표1. 능소화 자료 수집 워크시트
1. 능소화 자료 2. 부착근 환경 자료
가. 년생 가. 조광방향(사방위)
나. 크기 나. 음지/양지
다. 줄기의 총 개수 다. 습도 라. 성장형태 : 나무/덩굴성 라. 조도 3. 접촉자극과 부착근
가. 부착근이 있다. 접촉자극이 있다. 부착이 되었다.
나. 부착근이 있다. 접촉자극이 있다. 부착이 되지 않았다.
표2. 가설1에 대한 실험과정
[가설 1. 능소화 부착근 생성에 영향을 미치는 요소가 있을 것이다.]
부착근이 왜 형성 되는가, 어떤 환경에서 잘 형성 되는가에 대해 연구해 보아야 할 필요성을 느낌
↓
각 식물체의 광도, 습도, 조도 방향을 조사
↓
각 식물체의 측정 결과를 표로 정리
↓
여러 가지 요인들과
능소화 부착근과의 연관성을 조사
• 가설 2
능소화는 줄기에서 뿌리가 자라 만든 부정근의 한 종류인 부착근이 있다.
이러한 부착근의 수분 흡수 능력을 알아보기 위하여 능소화 부착근을 빨간 색의 식용 색소를 탄 물에 담궈 놓는다. 일정 시간 간격(12시간, 24시간, 36시간, 48시간. 12시간 간격으로)으로 부착근 주변 줄기를 채취한다. 마이 크로톱으로 줄기를 얇게 자른 후 프레파라트로 제작해 능소화 줄기에 염색 이 되었는가를 현미경으로 확인한다. 시간 간격을 두면서 능소화 줄기를 잘라 프레파라트로 제작해 능소화 물관의 염색 정도로 수분 흡수 능력을 확인한다.
표3. 가설2에 대한 실험과정
[가설 2. 능소화 부착근에는 수분 흡수 능력이 있을 것이다]
능소화 부착근의 수분 흡수 능력에 대해 논문마다 말이 달라 혼란, 궁금증이 들어 실험을 계획하고 진행
↓
빨간색의 식용 색소를 탄 물에 능소화 부착근을 담그어 두는 실험 진행 (시간 간격 24시간 → 8일)
↓
능소화의 줄기를 잘라 프레파라트로 제작, 능소화 물관의 염색 진행 정도를 현미경으로 확인
• 가설 3.
능소화 부착근이 부착하고 있는 면을 조사하고 부착면의 차이에 따른 부착력 을 측정한다. 콘크리트, 노끈, 나무에 부착하고 있는 능소화의 부착면에 대한 부착력을 측정하였다. 전문가의 자문을 참고하여 용수철저울로 능소화 부착근 을 당기되 갑자기 떨어지면 정확한 측정값을 알기 어려우므로 측정하는 전 과정을 동영상으로 찍었다. 실험이 끝난 후에는 동영상을 분석하여 부착근이 떨어지는 시점의 용수철저울 눈금을 확인하였다. 실험 결과를 분석하여 능소화 의 부착력이 가장 큰 부착면의 종류를 에코 그린과 연결시키고자 한다.
표4. 가설3에 대한 실험과정
[가설 3. 능소화가 부착된 부착면의 종류에 따라 부착력이 다를 것이다]
콘크리트, 돌, 나무에 부착하고 있는 능소화 발견
↓
용수철 저울로 부착력 측정, 카메라로 동영상 촬영
↓
동영상을 분석, 결과 도출
• 가설 4.
능소화를 채집하여 학교 내에 있는 해부실체현미경으로 능소화 부착근의 외부 형태 구조를 관찰해본다. SEM을 이용해 능소화 부착근의 표면 형태를 더욱 자세 히 관찰한다. 부착면이 붙어 있는 능소화를 채취하여 부착면과 함께 관찰해보고
부착형태를 분석하였다. 부착근의 형태를 자세히 관찰함으로써 능소화 부착근의 형태적 특징이 부착력에 어떠한 영향을 끼치는 가에 대해 알아본다.
표5. 가설4에 대한 실험과정
[가설 4. 능소화 부착근의 형태적 특징이 부착력에 영향을 끼칠 것이다.]
실체 현미경으로 보기에는 배율의 한계가 있어 SEM촬영 계획
↓
영남대학교에 전처리와 SEM기계 대여 예약
↓
SEM 사진 촬영
↓ 결과 도출
3)시행착오 극복
가) 능소화 부착근의 부재와 소실
식물에 대한 관리 기술이 부족하여 연구 대상 관리가 가장 어려웠다.
기르던 화분에서 식물이 말라죽어 재료 소실이 있었고, 화단에 심은 개체 또한 번식이 잘 된다는 이유로 학교 관리인이 줄기를 다 잘라버려 관찰 과 연구 재료 획득을 위해 인근 지역의 능소화를 찾아다녀야 했다. 우리 팀은 주말마다 학교 인근의 여러 곳을 돌아다니며 실험재료인 능소화 부착 근을 찾아 다녔다. 인터넷도 보고 여러 가지 기사나 평소에 차를 타고 다니면서 능소화 식물체가 보이는 곳마다 메모를 해두었다가 주말에 필드 를 나가 능소화 부착근의 생성 유무를 확인하는 등 실험 재료인 능소화 부착근을 찾아다니는 데에 많은 시간과 노력을 들였다.
나) 능소화 관련 전문지식인, 전문서적, 논문 부족
능소화를 연구 하는 데에 있어 전문지식을 얻기가 상당히 힘들었다. 능소 화라는 특정 식물을 다루는 전문 서적이 없고 있더라도 도감과 같은 책에서 한 페이지 정도 소개되는 수준이었다. 국립 산림 과학원의 식물연구사에게 문의를 하여 능소화에 대한 어느 정도의 특징을 알아낼 수 있었지만 능소화 전문가가 아니어서 대략적인 식물에 대한 설명만을 들을 수 있었다. 선행 대학 논문은 특정 실험과정 중심으로 서술되어 있고, 학생들의 논문은 같은 가설에서 저마다의 결과가 달라 직접 실험을 수행해서 확인하는 방법밖에
없었다. 그래서 가설2 처럼 결과 확인을 위해 동일 실험을 수행해 보았다.
다) SEM촬영
능소화 부착근을 학교에 있는 해부실체현미경으로 관찰 한 후 더욱 자세 한 표면을 관찰하기 위해 전자현미경 사진이 필요했다. 인근대학교의 공동 기기센터에 연락을 해보니 SEM기계는 대여를 해주지만 식물에서 수분을 제거하는 전처리과정은 직접 해서 진공상태에 바로 넣을 수 있도록 재료를 준비해오라고 하였다. 그래서 전처리의 어려움 때문에 SEM촬영은 계속 미뤄졌고 뒤늦게 또 다른 대학교에서 식물의 전처리와 촬영까지 해준다는 답변을 보고 촬영 날짜를 잡았다. 정규수업시간 후 멀리 떨어진 대학교의 공동기기센터에 가서 밤늦게까지 남아 SEM을 촬영할 수 있었다.
4) 월별 주요 활동
시기 일정 주요 활동
4월 4.8 ~ 4.12 주제 선정 및 연구 계획서 작성, 연구 계획서 제출 능소화와 담쟁이덩굴 구입 및 심기
5월 5.2 ~ 5.16 선행연구 조사 (관련 도서 및 기사 검색)
능소화 관리, 능소화 외형 관찰과 탐구 일지 작성 시작 6월 6.10 ~ 6.21 SEM 촬영을 할 수 있는 연구실 탐색
광학현미경을 이용한 관찰 및 사진촬영
7월 7.8 ~ 7.18 실험 계획 구체화하기, 시료 채취 가능 지역 선정 8월 8.5 ~ 8.14 계획안의 가설 4종류 실험 수행
전공서적을 이용한 이론적 배경 학습
9월 9.2 ~ 9.13 1차 계획안 결과 분석 후 실험 할 가설 수정 전문가 자문으로 실험 계획 수정
10월 10/16~10/31 2차 가설 실험 수행, 연구 결과 종합 분석
중간보고서 점검 사항 보완, 결과 보고서 초안 짜기
11월 11/4~11/25 SEM 촬영 및 사진 분석, 결과 보고서 작성 12월 12/11~12/20 탐구 일지 총 정리, 포트폴리오 제작
2014.1월 1/6~ 활동 평가 및 반성
※ 선행연구
컴퓨터와 책을 통해 능소화에 대한 선행연구를 조사하고, 개인별 수집 자료를 정리해서 파일에 모은다. 연구 주제를 선정한 후 실험이 가능한지 토의해 본다.
인터넷 자료 검색 개인 별 자료 정리 선행연구 조사 후 연구
주제 재조정
학교 근처 화원의 화훼 농가 방문
※ 연구 재료 양목 (심어서 기르기)
실험을 위한 재료로 능소화 포트를 운동장 가장자리와 화분에 나눠 심었다. 연구에 큰 개체가 필요하여 10년생 능소화 5개체를 화단 중 앙에 심고 지지를 위해 대나무 울타리를 설치하였다.
학교 담벼락에 능소화 식목 화분에 능소화 식목 능소화 5개체 화단에 식목
능소화에 대나무 지지대 설치
※ 학교 주변의 식물체 관찰 가능 지역 선정
더 많은 실험재료를 관찰하고 연구하기 위해 학교 주변의 능소화를 찾아 연구 대상으로 하였다.
빌딩안의 파고라 신천교 근처(좌) 학교 앞 까페 고려자동차 학원 안
5) 연구비 사용내역
세목 지출내역 금액
연구장비·재료비
․능소화 구입 4만원×5개=200,000원
․주사전자현미경 사용료 = 444,000원
․디지털온습도계, 광도계, 마이크로톰= 519,000원
1,163,000
연구 활동비 ․전문가 자문수당 10만원×10회=1,000,000원
․참고도서 구입비 82,000원 1,082,000
연구과제추진비
․지도교사 워크숍 참석 111,000원
․시내, 국내 출장비 340,000원
․사무용품, 비품구입비 97,300원
․회의비 689,328원
․간식비 309,550원
1,547,178
연구수당 ․책임지도교사 수당 20원×6개월=1,200,000원
․공동지도교사 수당 10만원×6개월=600,000원 1,800,000
합 계 5,592,178
6) 전문가 자문 내역과 시설활용 실적 가) 신라조경원
능소화의 특징에 대한 전문가의 의견을 듣고자 달서구 근청의 12개 화훼 농가와 전화를 하여 방문해도 좋다는 이야기를 듣고 찾아가게 되었다.
학교 인근 지역인 화원의 화훼농가 ‘신라조경농원’을 찾아가 능소화의 특징과 기르는 방법에 대해 설명을 들었다.
나) 국립산림과학원
대구 신천대로변에 벽면 녹화용으로 능소화가 식재되어 있어서 ‘대구시 설관리공단’에 전화로 문의를 하였고, 신천관리소, 대구수목원, 국립산림 과학원으로 자문이 이어지게 되었다. ‘국립산림과학원’에 식물관련 연구 사분들이 계셔서 화훼농가 보다 더 상세한 능소화의 특징을 들을 수 있었다.
다) 영남대 중앙기기센터
식물 샘플의 SEM촬영을 위해 영남대학교 중앙기기센타에 가서 촬영을 하였다. 수분이 건조된 능소화 부착근에 피막을 씌우고 전자현미경상으로 표면의 미세 구조에 대한 영상을 얻을 수 있었다.
라) 외분 전문가 자문
자문위원으로부터 계획서에 제시된 가설의 실험 가능성에 대해 조언을 듣고 실험 가능한 가설로 수정하였다. 많은 가설보다는 적당한 수의 가설로 실험을 수행할 것을 권유받았다.
신라조경원 국립산림과학원(1차) 사이트 문의
국립산림과학원(2차) 이메일 문의
외부 전문가 자문 외부 전문가 자문 영남대 중앙기기센터
3. 연구 결과 및 시사점 가. 연구 결과
• 가설 1. 능소화 부착근 생성에 영향을 미치는 요소가 있을 것이다.
능소화 부착근 생성에 영향을 미치는 환경요인이 있다면 어떤 요소가 영향 을 미치는지 알아보고자 한다. 조도 방향, 광도, 습도, 접촉자극 등과 같은 자료를 수집하여 능소화 부착근의 생성과 주변 환경의 연관성을 알아본다.
〔결과〕
표6.
조광방향
가지 수 동 서 남 북
수 12 13 6 12
표7.
음지/양지
가지 수 음지 음․양지 양지
수 21 3 19
표8. (a~b : a≦ x〈b)
습도(%)
가지 수 41~43 43~45 45~47 47~49 49~51 51~53 53~55
수 5 1 14 2 5 13 3
표9-1. (a~b : a≦ x〈b)
조도(lux)
가지 수 100 100~
600 600~
1200 1200~
2000 2000~
4000 4000
수 2 21 8 5 4 3
표9-2.
조도(lux)
가지수 1000미만 1000이상
수 28 15
표10. 조사한 총 가지의 수는 208개
부착근
부착여부 부착근 있는 가지
접촉 자극 있다 부착근 있는 가지 접촉 자극 있다
부착 3
미 부착 71
〔결론〕
5지점 47개체수의 능소화를 연구하였다. 조광방향에 따른 개체의 수를 나타낸 <표6>를 보면 동서남북 사방위 중 동, 서, 북쪽 각각 12,13,12 개 체로 능소화 부착근이 잘 형성된다는 것을 알 수 있다. 그리고 <표7>에 따르면 음지와 양지가 21, 19개체로 둘 다 비슷하게 능소화 부착근이 잘 형성되는 것을 알 수 있다. <표8>과 <표9-1>에서는 부착근이 잘 형성되 는 습도와 조도가 눈에 띄게 나타난다. 습도가 45≦ x〈47(%)인 지점과 51≦ x〈53(%) (어떠한 지점의 습도를 x라 둔다.)인 지점, 조도가 100≦ x
〈600(lux)인 지점에서 부착근이 잘 생성된다. <표9-2>에서는 조도가 1000 이상인 곳보다 1000미만인 곳이 훨씬 더 능소화 부착근이 잘 형성된다는 것을 알 수 있다. 그래서 능소화 부착근이 잘 자라는 환경은 습도가 45~47%, 51~53%, 조도가 100~600lux의 지점에서 잘 자란다는 것을 알 수 있다. 결론은 능소화 부착근의 생성에 영향을 미치는 요인은 조광방향, 습도, 조도의 세기이며 능소화가 있는 위치의 음/양지 정도는 능소화 부 착근 생성에 영향을 미치지 않았다. R 2(결정계수)이 습도보다 광도에서 좀 더 높게 나타난 것으로 보아 습도 보다는 광도가 부착근 생성에 좀 더 영향을 미치는 것으로 추정해 볼 수 있다. <표10>에서 나온 결과는 다 음과 같다. 전체 가지 수 중에 부착근이 형성된 가지는 35%이다. 부착근이 있 는 가지 중에서 접촉 자극에 의해 부착된 가지는 약 4%이고, 부착근이 있는 가지 중에서 접촉 자극이 있었으나 부착 되지 않은 가지는 약 96%이다. 접촉 자극이 부착근의 부착에 큰 영향을 미치지 못한다는 것을 알 수 있다.
• 가설 2. 능소화 부착근에는 수분 흡수 능력이 있을 것이다.
능소화는 줄기의 마디에서 나오는 부정근인 부착근을 가진다. 부착근의 수분 흡수 능력을 알아보기 위하여 능소화 부착근을 색소를 탄 물에 담궈 놓은 후 일정 시간 간격(12시간, 24시간, 36시간, 48시간. 12시간 간격으로) 으로 부정근 주변 줄기를 채취하여 능소화 물관의 염색 정도로 수분 흡수 능력을 확인한다.
〔결과〕
능소화 물관염색 실험 장치 모습 프레파라트 제작 후 현미경으로 물관 관찰
※능소화 물관 염색 결과
→
24시간 후 (100×) → 8일 후 (100×)
〔결론〕
능소화 부착근을 붉은색 식용 색소를 탄물에 담그어 둔 결과 <표10>과 같이 24시간이 지났을 때에는 능소화의 줄기가 염색되지 않았지만, 8일이 지난 후 줄기를 잘라 보니 염색이 되었다. 이에 능소화 부착근은 수분 흡수 능력이 있으나 그 수분을 흡수하는 속도는 좀 더딘 것 같다는 생각이 들었다.
• 가설 3. 능소화가 부착된 부착면의 종류에 따라 부착력이 다를 것이다.
능소화 부착근이 부착하고 있는 부착면의 차이에 따른 부착력을 측정한다. 콘크리 트, 노끈, 나무에 부착하고 있는 능소화의 부착면에 대한 부착력을 측정하였다. 용수철 저울로 능소화 부착근을 당겨 측정하고 전 과정을 동영상으로 찍는다. 실험이 끝난 후에는 동영상을 분석하여 부착근이 떨어지는 시점의 용수철저울 눈금을 확인한다.
〔결과〕
담쟁이 부착력 실험 시간
표11. 능소화 부착근의 부착력
힘
벽면종류 5N미만 5~10N 10~15N 15~20N 20N초과
시멘트벽 1
시멘트벽(신천) 1 2 1 2 3
나무 위 1 1 4
노끈 위 1
0 1 2 3 4 5
5N미만 5~10N 10N~15N 15N~20N 20N초과 개
수
부착력
능소화 부착력
시멘트벽 나무 위 노끈 위
〔결론〕
다수 개의 능소화 부착근의 부착력은 20N의 이상으로 측정이 되었다. 시멘트 벽에 부착한 능소화의 부착근의 부착력은 대체로 균일한 분포를 보이나 나무위 에 부착한 부착근의 부착력은 5개 중 4개체가 20N을 초과한 것으로 결과가 나 왔다. 이를 미루어 보아 실험한 시료의 수가 부족하긴 하지만 대체로 시멘트보 다 나무에 부착한 능소화의 부착근이 더 강하게 부착한다는 사실을 알 수 있다.
• 가설 4. 능소화 부착근의 형태적 특징이 부착력에 영향을 끼칠 것이다.
〔결과]
능소화 부착근
해부실체현미경 관찰(10×)
능소화 부착근
해부실체현미경 관찰(10×)
채취 재료 피막 처리 (전) 피막 처리 (후)
능소화 부착근 SEM 관찰 능소화 부착근 SEM 관찰
〔결론〕
능소화 부착근의 표면을 SEM으로 관찰한 결과 능소화 부착근은 스펀지 처럼 다공성으로 수세미 같은 겉질을 보이며 흡사 그물이나 어망같이 보이 기도 했다. 특히 부착근은 매끈한 것처럼 보이나 줄기와 부착근 사이가 수세미 같이 거친 겉질을 보였다. 부착근의 하단 부분에는 실 같은 섬유조 직을 많이 형성하여 찐득찐득한 것이 뭉쳐서 떡처럼 보이기도 했다. 또 눈이 띄는 부분은 능소화 줄기에 많이 형성되어 있는 가시들이다. 이 가시 들은 크기가 매우 작으며 촘촘한 간격으로 형성되어 있어 흡사 상어 이빨을 보는 듯했다. 부착근 시료 끝부분의 조직이 시료의 수분이 너무 많이 소실 됨에 따라 떨어져 나감으로 인해 안쪽에 있던 물관도 관찰 할 수 있었다.
능소화 부착근의 형태적 특징을 관찰하기 위하여 능소화 부착근을 실체 현미경으로 관찰하였다. 그 결과 능소화 부착근 주변에 투명하고 미세한 털들이 많이 있다는 것을 관찰하게 되었다. 이 잔털들이 능소화 부착근의 부착력에 영향을 끼칠 것이라 생각이 되어 잔털들의 미세 구조를 보기위해 SEM촬영을 하게 되었다. SEM촬영을 한 결과 능소화 부착근 주변에는 수세 미처럼 꼬인 잔털들이 많이 존재한다는 것을 알았다. 능소화는 이 잔털로 부착면과의 표면적을 넓혀서 마찰계수를 증가시킨다. 이 증가된 마찰계수 는 능소화 부착근과 부착면 사이의 마찰력을 증가시켜 더 강한 부착을 할 수 있게 한다.
나. 시사점
1) 연구활동을 통해 얻은 학습 효과
능소화 연구를 하면서 식물과 세포에 대한 기초 지식이 쌓여서 생물시간 에 식물이나 세포에 대한 부분이 나오면 이해가 잘 된다. 그리고 막연히 지나쳤던 식물에 대해 관심을 가지게 되었고 식물을 관찰할 때 바라보는 시야도 더 넓어 졌다. 가설을 세우는 단계에서 실험을 해 보기 전에 결과를 예측하는 과정이 필요하다는 것을 알았다. 일반적인 실험수업에서 누가 시키는 대로 따라하느라 우리가 스스로 자료를 찾거나 고민을 해본적이 없었는데 STEAM R&E연구를 하면서 학생들끼리 의견을 주고받고 논리적 으로 그것을 증명해 나가는 등의 활동을 수행하면서 과학적으로 연구하는 방법과 자세도 배웠다. 나중에 각자 원하는 대학에 가서 식물은 아니더라도 다른 연구를 수행한다면 이 대회의 경험을 토대로 잘 수행할 수 있을 것 같다는 생각도 들고 자신감도 생겼다.
2) 개선점
연구를 진행하면서 여러 실험이 필요했으며 배경지식과 많은 자료들이 필요했다. 하지만 처음 연구를 시작할 때 실험에 대한 막막함이 있었다.
실험 설정에 많은 고민을 했다. 또한 고등학교 과학실에는 없는 실험 도구, 재료들이 필요로 하여서 주변 대학교에 가서 실험을 하고 SEM촬영을 하기 도 했다. 연구 초반에 서로 잘 모이지 못해서 어려움을 겪기도 했다. 그리고 기본지식이 부족하여서 전문 서적을 읽는데 많은 시간이 걸렸고 실험을 수월하게 하지 못했다. 능소화에 대한 선행연구들이 많지 않아서 자료수집 에 많은 시간을 소비했다.
4. 홍보 및 사후 활용 가. 홍보
1) 학교 논문집 개재
주기적으로 발간되는 학교 논문집에 게재를 하여 과학실에 배치함으로 써 과학실을 찾는 학생들이 손쉽게 연구 논문을 볼 수 있고 이후에 연구 논문을 진행하는 학생들이 예시로 참고할 수 있을 것이다.
2) 벽보 부착
연구 논문에 대한 포스터를 복도에 전시함으로써 학생들이 복도를 지나 다닐 때 능소화 연구 내용을 쉽게 접할 수 있게 한다. 그리고 과학 분야의 연구가 어렵지 않고 스스로 한번 도전해 볼 수 있는 동기를 제공 할 수 있을 것이다.
5. 참고문헌
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12. 대한 건축학회 지구환경보전위원회 역. 지구 환경 건축(년도).
13. 오덕성 외 4명(년도). 기후변화대응 탄소중립 도시계획
