제 9강 양서류의 발생 관찰

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제 9강 양서류의 발생 관찰

1. 실험목표

1) 양서류 난할의 특징을 이해하고, 양서류가 발생 관찰에 좋은 점을 이해한다.

2) 초기발생의 각 단계에서 일어나는 외형적 변화와 내부구조의 형성과정을 관찰한다.

2. 실험 소개

동물은 알이나 새끼를 낳아 번식하며 새끼들은 자라면서 부모의 모습으로 변한다. 동물이 알이나 새끼 의 모습으로 태어나서 자라는 과정은 동물마다 다르다.

이렇게 동물이 알이나 새끼로 태어나 자라면서 부모의 모습으로 변하고 짝짓기를 하여 다시 알이나 새 끼를 낳아 대를 잇고 죽기까지의 과정을 한살이라고 한다. 개구리와 같이 어린 시절을 물속에서 보내고 자 라면서 생김새와 숨 쉬는 방법, 사는 곳이 변하는 특성을 가지고 있는 양서류에는 도롱뇽, 두꺼비, 맹꽁이 와 같은 동물들이 있다.

양서류는 자웅이체로 체외수정을 하며 발생의 전 과정이 체외에서 진행되므로 개구리나 도롱뇽의 알은 들에서 비교적 쉽게 구할 수 있고, 크기가 매우 커서 관찰이 용이하며, 실험적인 조작을 쉽게 할 수 있어 훌륭한 실험재료이다. 또한 난자가 크고 물리 화학적 손상에도 저항력이 큰 관계로 할구의 분리 및 조직 이식, 핵치환, 미량 주입 등 여러 가지 실험적 조작이 가능하다는 점 등 많은 장점을 지니고 있다. 이와 같은 장점 때문에 양서류는 1880년대 말 독일의 Roux가 개구리의 제1난할 후 1개의 할구를 뜨거운 침으 로 찔러 그 결과를 토대로 발생의 mosaic설을 지지한 것을 필두로 1920년대 Spemann의 제1차형성체 이식에 따른 신경관 유도, 1950년대 Briggs와 King의 핵치환, 1960년대 말 Nieuwkoop의 중배엽 유도의 발견 및 1980년대 중반 이후부터 현재에 이르기까지 유도 작용에 관계된 유전자의 종류와 기능 및 발현양 상 연구 등 발생학의 전 분야에 걸친 연구에 널리 이용되고 있다

우리나라의 개구리는 현재 안타깝게도 멸종의 위기를 맞고 있어 구하기가 쉽지 않으나 대신 황소개구 리는 쉽게 구할 수 있다. 전 세계적으로

Xenopus laevis

라는 아프리카산 발톱 개구리를 실험실에서 많 이 이용하고 있다. 이들은 닭이나 소 간 등을 먹기 때문에 실험실에서 사육이 쉽고, 알을 1년에 3회 이상 낳으므로 다른 양서류에 비해 실험재료로서 좋은 장점을 가지고 있다. 암컷은 수컷보다 크고, 수컷은 앞다 리에 검은 육융(nuptial pads)을 가지고 있다.

Xenopus laevis

는 발생의 분자생물학적 및 생화학적 실험을 접근을 위해 많이 사용하고 있다. 1930년 대에 독일의 스페만은 등쪽에 형성체(organizer)라는 곳이 있어 이 지역을 복면 지역으로 이식하면 완전 한 새로운 축을 형성하는 것을 관찰하였다. 이식된 조직들이 주변을 변화시켜 축 형성에 관여하도록 유도 한 것이다. 이러한 현상을 유도작용(induction)이라고 한다. 양서류에서 큰 관심사 중의 하나는 어떻게 초 기에는 없던 중배엽(mesoderm)이 포배시기에 유도되는가이다. 중배엽의 유도 또한 분자적으로 많은 연구 가 진행되었다.

Xenoups 알의 동물반구(animal hemisphere)는 검은 반면, 식물반구(vegetal hemisphere)는 난황이 있어 밝게 보인다. 개구리는 난할 방식이 전할(holoblastic)이며, 부등할의 특징을 갖는다. Xenopus 수정 란의 첫 분열은 수정된 지 약 100분 후에 일어나며, 경할(vertical or meridional)로 일어나 접합자를 좌 우 반으로 나눈다. 제2분열은 역시 vertical로 일어나나 첫 분열과는 직각으로 일어난다. 제3분열은 위할 (horizontal)로 적도면과 평행하게 일어나며, 약간 동물극쪽에 치우쳐서 일어나 동물반구세포가 식물반구 세포보다 적다. 제3분열이 일어나면 동물반구에 4개의 세포, 식물반구에 4개의 세포가 있게 된다. 계속되 는 난할로 모든 부위에 여러 세포층을 형성하는데 이러한 난할은 13번 분열까지 동시에 대칭적으로 일어 난다. 포배(blastula) 말기는 포배강(blastocoel)과 몇 개의 작은 세포층으로 이루어진 두터운 포배강 덮개 (roof)를 가지고 있다. 포배가 끝나면 배(embryo)는 정자가 들어간 반대쪽에서 원구배순부(dorsal lip)을

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형성하며, 이곳에서 낭배(gastrulation)가 시작된다. 즉, 세포가 이곳에서 안으로 함입해 들어간다. 낭배는 중배엽, 외배엽, 내배엽이 제자리를 찾아가 자리를 잡으며, 궁극적으로 각 배엽에 특징적인 기관들을 형성 하게 된다. 낭배 시기 후에는 기관형성이 이루어지는데 처음으로 신경계가 형성된다(neurulation). 신경 계는 먼저 신경판(neural plate)이 형성되고, 곧이어 신경습(neural fold)이, 그리고 신경관(neural tube) 이 형성된다. 올챙이는 성체와는 달리 꼬리를 가지고 있는데 발생이 진행되면서 꼬리가 매우 빠른 속도로 퇴화되어 없어지는데 이를 변태(metamorphosis)라고 한다. 일종의 programmed cell death에 의해 사 라진다.

이 실험에서는 물에 알을 낳는 동물 중에서 개구리의 초기 발생과정 관찰을 통해 생물이 수정란으로부 터 어린 개체로 발생하는 과정을 알아본다. 양서류 발생의 역동적인 모습을 관찰하여 발생의 외형적인 특 징을 공부하고 또한 슬라이드 표본을 통해 내부 구조가 발생이 진행되면서 어떻게 변하는지 알아본다.

그림 1. 아프리카산 발톱 개구리

Xenopus laevis

의 생활사

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3. 개구리의 초기 발생단계

양서류 난자의 성숙기관은 종에 따라서 차이가 나는데 한국산 참개구리와 산개구리의 경우에는 3년이 소요된다. 난자의 성숙기간 중에는 초기발생에 필요한 영양물질인 난황을 비롯하여 세포의 구성 물질 및 효소 등이 축적되며 그 결과 체적이 크게 늘어난다.

양서류의 초기 발생은 여러 단계로 구분하는 것이 편리하며 개구리의 발생 단계는 Shumway가 1940 년 에 정한 것이 가장 보편적으로 이용되고 있다. 발생의 속도는 종에 따라 다르며, 온도에도 큰 영향을 받는다. 실온에서는 수정 후 2~3시간 내에 첫 난할이 일어나며 제1난할과 제2난할은 동물극에서 식물극 으로 나누어지는 경할이고 제3난할은 적도면의 조금 윗부분에서 수평으로 일어나는 위할이다, 제4난할과 제5난할은 각각 경할과 위할로 일어나 상실배를 형성하고 이 후 난할을 계속하여 포배기에 다다른다. 중 기 포배기부터는 세포 분열의 속도가 차츰 줄어들기 시작하며 동물 반구와 식물 반구에서의 난할 속도도 달라진다. 낭배기에 도달하면 적도면 아래 부분에서 함입이 시작되는 낭배 운동을 일으켜 그 결과 내배엽, 중배엽, 외배엽의 3배엽이 형성된다. 낭배가 신장됨에 따라 배측에 신경관, 신경습을 거쳐 신경관이 형성 되고 그 후 여러 기관의 원기가 형성된다.

그림 2. 개구리의 발생단계 (Shumway stage)

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발생단계 특 징 발생속도(시간)

18℃ 25℃

1 미수정(unfertilized) 0 0

2 회색신월환(gray crescent) 1 0.5

3 2세포(two-cell) 3.5 2.5

4 4세포(four-cell) 4.5 3.5

5 8세포(eight-cell) 5.5 4.5

6 16세포(sixteen-cell) 6.5 5.5

7 32세포(32-cell) 7.5 6.5

8 중기 포배(mid-blastula) 16 11

9 후기 포배(late-blastula) 21 14

10 초기 낭배~원구배순(dorsal lip) 26 17

11 중기 낭배(mid-gastrula) 34 20

12 후기 낭배(late-gastrula) 42 32

13 신경판(neural plate) 50 40

14 신경습(neural fold) 62 48

15 회전(rotation) 67 52

16 신경관(neural tube) 72 56

17 미아기(tail bud) 84 66

18 근육반응(muscular response) 96 76

19 심장박동(heart beat) 118 96

20 아가미 순환(gill circulation) 140 120

21 개구(mouth open) 162 138

22 꼬리지느러미 순환(tail fin circulation) 192 156

23 아가미 뚜껑 주름(opercular fold) 216 180

24 오른쪽 아가미 뚜껑 닫힘(operculum closed on right) 240 210 25 아가미 뚜껑 완성(operculum complate) 284 240

표 1. 개구리(

Rana pipiens

)의 발생 단계별 특징

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<강의용 PPT자료>

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(7)
(8)
(9)
(10)

<학생활동지>

양서류의 발생 관찰

년 월 일 반 이름

1. 실험목표

1) 양서류 난할의 특징을 이해하고, 양서류가 발생 관찰에 좋은 점을 이해한다.

2) 초기발생의 각 단계에서 일어나는 외형적 변화와 내부구조의 형성과정을 관찰한다.

v 실험 준비물 Ÿ 기구: 실체현미경

Ÿ 재료: 채집한 개구리의 배아, 페트리접시, 핀셋

v 실험 방법

살아있는 개구리 배아의 관찰

서로 다른 발생단계에 있는 배아 3개를 골라 관찰하고 결과를 기록한다.

2. 실험 결과

1) 해부현미경으로 준비된 개구리 배아를 관찰하여, 스케치하고 특징을 간략히 적어보자.

(관찰대상, 현미경종류, 배율 등 표시)

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2) 미래의 등면(dorsal)과 복면(ventral)을 수정란-포배기시기의 배아로부터 구별할 수 있는가?

3) 낭배기와 포배기를 구별할 수 있는 특징은 무엇인가?

Ÿ 낭배와 수정란의 크기는 어떠한가?

Ÿ 부피가 증가하였는가?

Ÿ 낭배운동이 시작되는 위치는 어디인가?

4) 부화는 1)Shumway 발생단계의 어느 시기에 일어나는가?

Ÿ 부화시기의 외형상 특징은 무엇인가?

1) Shumway(1940)가 개구리(

Rana pipiens

)의 발생과정을 세포기 별로 25단계로 구분하여 정리한 것

수치

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참조

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