제 46회 전국과학전람회

양파 표피세포의 삼투 stress

저항성에 대한 연구

출품분야 학생부 출품부문 식물

시 ․도 학교 직위 성명

강원도

횡성군민족사관고등학교 2학년 김기현

지도교사 민족사관고등학교 교사 나종욱

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I. 탐구동기

1. 식탁을 바라보다 ‘저렇게 짠 양념 속에서도 배추는 언제까지 살아 있을까? 소금

물에서 식물은 과연 언제까지 살 수 있을까?’라는 것이 궁금해져서 이것을 실험

해보기로 결심했다. 이러한 발상은 ‘식물은 삼투 stress (원형질 분리와 복귀의

반복)에 대하여 어느 정도 (횟수, 시간 등)까지 견딜 수 있는가?’에 대한 호기심

으로 이어졌다.

2. 기존의 알려진 삼투압에 관한 실험에는 양파세포나 입안 상피세포를 이용한 원

형질 분리 및 복귀, 적혈구의 용혈현상 (hemolysis), 부푼 달걀/ 식초로 만든 왕

달걀 및 달걀 분수 실험 등이 있다. 이와 같이 너무 정형화된 기존의 삼투압 실

험에 대하여 기존의 같은 소재 (양파 표피세포)를 가지고도 흥미를 유발하면서

도 새로운 주제를 개발하여 실험해 볼 수 있지 않을까 하는 생각이 들었다.

3. 동물의 생사는 명확하게 금방 시각적으로 구분이 가능하지만, 식물의 생사는 판

정하기 곤란한 경우가 많아서 본 실험에서 기존의 판정 기준을 적용하여 보고

발전방향을 찾아보고자 하였다.

동물에서 Na+과 Cl-의 작용에 대한 문헌 조사결과는 다음과 같았다.

나트륨은 세포외액의 산 염기 평형유지 및 완충작용의 주요인자이다. 세포외액

에는 NaCl, NaHCO3, Na2HPO4로 존재하며 이 중에서 뒤의 2가지는 세포외액의

pH를 조절한다. NaCl이나 NaHCO3는 세포외액의 삼투압을 유지하고 체액의 비

정상적인 상실을 방지한다. 나트륨은 신경의 자극전달에 관여하여 섬모운동, 심

장박동, 근수축, 해파리의 율동운동, 색소포의 신축 등에 관여한다. 나트륨 총량

의 1/3은 골격 중에 존재하고 그 외의 대부분은 세포외액 중에 존재한다. 나트륨

함유량은 전혈액 160㎎/㎗, 혈장 330㎎/㎗, 세포 85㎎%, 근육조직 60～160㎎%,

신경조직 321㎎%이다. 나트륨의 필요량은 NaCl로서 5～15g/일이다. 요 중 나트

륨 배설량은 60㎎/㎏/일, 염소배설량은 100㎎/㎏/일이다. 땀에는 7%의 NaCl이 함

유되어 있다. 저나트륨혈증으로 되면 수분의 과잉, 간경변, 울혈성 심부전 등의

부종상태로 된다. 이 상태에서는 혈중 나트륨 농도는 저하하지만 전신의 나트륨

양은 오히려 과잉으로 된다. 위액 대량 상실 후의 염분상실에 따르는 신장질환에

서는 수분상실에 의한 체중 감소가 일어난다. 고나트륨혈증은 나트륨염의 과잉

투여, 부신피질기능항진에 의한 쿠싱병(Cushing's disease), 요붕증에 따른 고삼

투압성 탈수 등으로 일어난다. 이 때 나타나는 증상은 고혈압, 구토, 하리, 말초

순환 부전, 호흡억제, 뇌다발성소출혈, 심장질환, 세뇨관 상피 기저막에서의 수축,

위, 소장점막의 미만성 발진 등이다. 과잉으로 섭취된 나트륨의 유해작용은 칼륨

에 의해 감소된다.

염소는 세포외액 중 가장 다량으로 존재하는 음이온으로 나트륨과 함께 NaCl로

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서 체액의 삼투압을 유지하며 수분의 평형도 유지한다. 염소의 함유량은 전혈액

250㎎/㎗, 혈장 365㎎/㎗, 세포 190㎎%, 수액 440㎎/㎗, 근내조직 40㎎%, 신경조

직 171㎎%로 뇌척수액 중의 염소이온농도는 어떤 체액에서보다도 높다. 녹색식

물에서 염소는 필수미량원소로서 광합성에서 산소생산에 관여한다. Cl-는 Na+나

K+와 함께 쉽게 장에서 흡수되며 필요량은 성인에서 NaCl로 5～15g/일이다. 천

연 유기염화물은 거의 존재하지 않는다.

4. 본 실험과 같은 작업을 통하여 식물의 원형질 분리와 복귀에 대한 자료가 쌓이

면, 김치를 만드는 과정에서 가장 중요한 단계중의 하나인 배추를 절이는 일과

식품의 저장에 이용되는 염장법에 도움이 될 것이다.

II. 탐구과정

1. 가설

식물세포를 고장액에 넣으면 세포속에서 수분이 빠지면서 원형질 분리가 일어나

고, 이를 다시 저장액에 넣으면 세포가 수분을 흡수하면서 원형질 복귀가 일어난

다. 하지만 이런 현상이 언제까지나 계속되지는 않을 것이고 어느 정도에 이르게

되면 더 이상의 원형질 분리 복귀는 일어나지 않을 것이다. 이것은 생물의 특징

중 하나인 삼투압을 유지하지 못하는 것이므로, 일반적으로 세포가 죽었다고 판

정한다. 여기서 이러한 현상이 용액의 농도에 의한 것이라고 추정하고, 양파 표

피세포를 이용하여 “식물세포에서 원형질 분리 복귀가 반복될 때 세포는 고장

액과 저장액의 농도차가 클수록 빨리 죽는다.” 라는 가설 하에 소금 용액 농도

와 죽음에 이르는 시간과의 관계 및 광학현미경적 특성을 알아보고자 하였다.

2. 용어의 정의

어떤 용액과 비교하여 삼투압이 높은 것을 고장액, 낮은 것을 저장액, 같은 것을

등장액이라고 한다. 식물세포를 고장액에 담그면 액포 속의 물이 세포 밖으로 빠

져 나와서 원형질은 용적이 줄고 세포막이 세포벽으로부터 떨어지는데, 이를 원

형질의 분리 (plasmolysis)라 한다. 원형질의 분리는 살아 있는 세포에서만 일어

나며, 이를 다시 저장액에 담그면 세포는 물을 흡수하여 원상으로 회복되는데,

이를 원형질의 복귀 (deplasmolysis)라 한다.

3. 실험 재료

양파, 칼, 비커, 증류수, 스포이트, 샬레, 커버글라스, 슬라이드 글라스, Video

tape Recorder, 위상차 형광 현미경 (Nikon사, E-600; B-2A filter), CCD-camera

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(삼성정밀, CCS-5D), 2, 3, 4, 5,, 10, 15, 20, 25% NaCl수용액, FDA (fluorescein

diacetate; Sigma사), mannitol, KH2PO4, KNO3, MgSO4ㆍ7H2O, KI, CuSO4ㆍ

5H2O, CaCl2ㆍ2H2O, CaCl2.

4. 실험 과정

1) 원형질 분리 및 복귀

(1) 양파 안껍질을 벗겨서 가로 세로 3mm 정도로 자른 다음 슬라이드 글라스

위에 올려놓는다.

(2) 프레파라트 위의 커버글라스를 살짝 들고 그 사이로 실험의 종류나 목적에

따라 여러 농도의 소금 용액을 한 방울 떨어뜨린다 (원형질 분리).

(3) 현미경위에 프레파라트를 올려놓고 우선 저배율에서 관찰하고 차츰 고배율

로 변경하여 관찰한다.

(4) 관찰이 끝나면 프레파라트 위의 커버글라스를 살짝 들고 그 사이로 증류수

를 2-3 방울 떨어뜨린다 (원형질 복귀).

(5) 현미경위에 프레파라트를 올려놓고 우선 저배율에서 관찰하고 차츰 고배율

로 변경하여 관찰한다.

2) 원형질 면적의 감소율 결정

(1) 원형질 분리 전의 세포 면적을 TV 표면에서 투명한 종이를 이용하여 덧 그

린 다음 가위로 오린다.

(2) 원형질 분리 후의 원형질 면적을 TV 표면에서 투명한 종이를 이용하여 덧

그린 다음 가위로 오린다.

(3) 오려 낸 종이의 무게를 재고 원형질 분리전후의 면적을 백분율로 표시한다.

3) 형광물질을 이용한 세포의 활성도 검사

(1) 아세톤에 FDA를 1~5mg/L의 농도로 용해하여 0℃, 암흑 속에서 보관하여

두고 모액으로 사용한다.

* CPW 13M 의 조성 : CPW stock A 5 ml + CPW stock B 5ml + mannitol

65g --> total 500 ml (pH 5.8)

* CPW stock A (x100) : KH2PO4 2.72g + KNO3 10.1g + MgSO4ㆍ7H2O 24.6g

+ KI 16 mg + CuSO4ㆍ5H2O 3.19mg --> total 1L

* CPW stock B (x100) : CaCl2ㆍ2H2O 148g + CaCl2 112g -->total 1L

(2) 10ml의 CPW 13M 배지에 한 방울의 모액을 가하여 2X FDA용액을 만든다.

(3) 슬라이드 위에 시료와 동량의 2X FDA용액을 가하여 혼합한다.

(4) 5분 후에 형광현미경이나 보통의 현미경에 UV 등을 광원으로 사용하여 관

찰한다.

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(5) 판정 및 원리 : 비극성인 FDA가 세포가 살아 있는 생체내에 흡수되면 효소

(esterase)에 의해 분해되어 극성인 fluorescein을 만들게되고, 녹색의 형광을

띠게 된다. 그러나, 죽은 세포에서는 fluorescein이 유실되어 형광을 볼 수 없

다.

III. 결과 및 고찰

1. 식물세포의 생사는 현미경에서 어떤 기준으로 판정할 수

있는가?

식물이 말랐으면 겉으로 보고도 죽었다고 판정할 수 있을 것이다. 그러나, 그러

한 현상은 식물이 전체적으로 죽었을 때에만 나타나는 것이고, 특정한 부위나 세

포의 일부가 죽었을 경우에는 알 수 없다. 따라서 본 실험에서는 식물의 세포수

준에서 죽음을 판정할 수 있는 방법을 논의하고자 한다.

1) 일반적으로 식물세포의 생사를 판정하는 기준은 삼투 stress에 대한 대응이 없

을 때이다.

2) 식물조직배양에서 사용되는 방법인 특정한 형광물질인 FDA를 투여하였을 때

이에 대한 효소의 작용능이 없어 져서 형광이 없을 때와

3) 조직배양이 되지 않을 때를

식물의 세포가 죽었다고 판정할 수 있을 것이다. 본 실험에서는 복잡하고 긴

시간이 소요되는 세 번째 방법을 제외하고, 첫 번째와 두 번째 방법을 병행하

여 식물의 생사에 대한 판정기준으로 삼았다.

그림 1은 정상세포, 원형질 분리 또는 복귀된 세포 및 원형질이 분리된 후에 복귀

하지 못한 세포의 광학 및 형광 현미경사진을 보여주고 있다. 원형질이 분리된 세

포는 세포의 모서리 부분에 각이 있고, 원형질이 복귀중인 세포는 원형의 세포질이

보인다. 원형질 분리가 안된 세포 그림의 오른쪽 부분에서 세포질의 일부가 용출되

어 형광이 관찰되지 않는 것을 제외하고는, 모든 세포에서 형광물질인 FDA에 대하

여 현저한 형광을 보여 주고 있어 그것들이 살아 있음을 나타내고 있다.

A

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B

C

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D

그림 1. 양파 표피세포의 광학 (좌측, x100) 및 형광 (우측, x200) 현미경사진.

A 정상세포, B 원형질 분리된 세포,

C 원형질 복귀중인 세포, D 원형질 복귀가 안된 세포

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2. 양파 표피세포는 몇 번의 삼투 stress까지 견딜 수 있는가?

1) 동일한 농도의 경우

(1) 5% 이하의 저 농도에서는 소금농도에 관계없이, step이 진행될수록 분리되

는 시간과 복귀되는 시간이 점차 짧아지는 경향을 보였다 (표1, 그림 2, 3).

또한, 낮은 소금농도에서 세 번째 step 이후에는 대부분의 세포가 분리, 복

귀되지 않았기 때문에 세포가 심각한 타격을 입고 죽은 것으로 판정하였다.

그림 2, 3은 표 1을 그림으로 나타낸 것이다.

Salt

Concentration

1st 2nd 3rd 4th

P D P D P D P D

3%

Time(sec) 522 486 375 196 75 82 0 0

rate(%) 100 100 68.9 95.2 55.2 0 0 0

5%

Time(sec) 243 611 93 180 0 0 0 0

rate(%) 100 100 91.1 34.7 0 0 0 0

표 1. 저농도에서 양파 표피세포의 원형질 분리 및 복귀

* P, plasmolysis; D, deplasmolysis

그림 2. 3%소금 용액에서 양파 표피세포의 원형질

분리 및 복귀

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그림 3. 5%소금 용액에서 양파 표피세포의 원형질

분리 및 복귀

(2) 10%이상의 고농도 중에서, 10~20%까지는 2step까지 대부분의 세포가 원형

질이 분리된 후에 정상적으로 복귀하였으나, 25%이상에서는 첫 번째 step까

지만 원형질 분리 및 복귀하였다 (표 2, 그림 4, 5, 6, 7). 그림 4, 5, 6, 7은

표 2를 그림으로 나타낸 것이다.

Salt

Concentration

1st 2nd 3rd 4th 5th

P D P D P D P D P D

10%Time(sec) 170 393 156 273 9 69 0 0 0 0

rate(%) 97.4 95.6 93.3 92.1 32.7 40.8 0 0 0 0

15%Time(sec) 177 265 43 256 19 126 22 0 0 0

rate(%) 94.4 97.4 96.7 77.3 48.5 33.8 0 0 0 0

20%Time(sec) 94 336 56 244 0 0 0 0 0 0

rate(%) 97.4 100 82.3 56.4 0 0 0 0 0 0

25%Time(sec) 74 374 34 57 0 0 0 0 0 0

rate(%) 100 90.6 17.7 13.3 0 0 0 0 0 0

표 2. 고농도에서 양파 표피세포의 원형질 분리 및 복귀

* P, plasmolysis; D, deplasmolysis

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그림 4. 10%소금 용액에서 양파 표피세포의 원형질

분리 및 복귀

그림 5. 15%소금 용액에서 양파 표피세포의 원형질

분리 및 복귀

그림 6. 20%소금 용액에서 양파 표피세포의 원형질

분리 및 복귀

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그림 7. 25%소금 용액에서 양파 표피세포의 원형질

분리 및 복귀

(3) 원형질이 분리되는 시간은 소금의 농도에 관계없이 짧고, 원형질이 복귀되는

시간은 2~4배정도 길어지는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 양파세포가 잃어

버렸던 물을 보충하면서 내부의 구조를 정리 정돈하는데 시간이 걸리는 것

으로 추정하였다. 저농도와 고농도에서 원형질이 분리되는 동안 저분자 생리

활성물질의 급격한 손실, 효소능력의 상실, 세포골격의 파괴 등의 요인으로

세포가 죽어 가는 것이 아닌가라고 추정할 수 있는데, 이는 원형질을 분리하

였다 흘러나온 물을 닦아내고 원형질을 복귀시켜보거나, 형광물질을 이용하

면 확인할 수 있을 것이다.

2) 저농도에서 고농도로 높혀 줄 때

(1) 2%에서 5%로 변화시켜 줄 경우에는 분리, 복귀되는 시간이 점점 짧아지고 있으

며, 세 번째 step에서도 대부분의 세포가 복귀하였다 (표3, 그림 8). 그림 8은 표

3을 그림으로 나타낸 것이다.

그림 8. 2%에서 5%로 소금용액의 농도를 높일 때의 양파

표피세포의 원형질 분리 및 복귀

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Salt

Concentration

1st 2nd 3rd 4th

P D P D P D P D

2%Time(sec) 54 62

rate(%) 23.5 38.3

3%Time(sec) 107 125

rate(%) 27.9 61.6

4%Time(sec) 179 223

rate(%) 31.1 76.7

5%Time(sec) 217 276

rate(%) 54.9 26.1

표 3. 저농도에서 고농도로 높일 때의 원형질 분리 및 복귀

* P, plasmolysis; D, deplasmolysis

3) 고농도에서 저농도로 낮춰 줄 때

(1) 5%에서 2%로 변화시켜줄 경우에는 분리, 복귀되는 시간이 서로 비슷하나 점점

짧아지다가 세 번째 step 이후에 복귀율이 현저하게 낮아졌다 (표4, 그림 9). 그림

9는 표 4를 그림으로 나타낸 것이다.

Salt

Concentration

1st 2nd 3rd 4th

P D P D P D P D

2%Time(sec) 45 0

rate(%) 3.3 0

3%Time(sec) 94 119

rate(%) 34.1 37.6

4%Time(sec) 183 225

rate(%) 50.1 73.0

5%Time(sec) 234 301

rate(%) 84.2 96.7

표 4. 고농도에서 저농도로 낮출 때의 원형질 분리 및 복귀

* P, plasmolysis; D, deplasmolysis

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그림 9. 5%에서 2%로 소금용액의 농도를 낮출 때의 양파

표피세포의 원형질 분리 및 복귀

(2) 낮은 소금 농도에서 실험을 시작할 경우에는 양파 세포가 농도에 대하여 시

간적 여유를 가지고 대항할 수 있으나, 높은 농도에서 시작할 경우에는 세포

가 자신의 생리대사물질을 처음에 대부분 잃게 되어 삼투압에 맞설 능력이

없어지는 것으로 추정하였다.

3. 20% 소금 농도에서 양파 표피세포는 얼마나 (몇 초 동안)

견딜 수 있는가?

20%의 소금 농도에서 일정 시간만큼 연속하여 원형질을 분리하여 주었을 때 모

든 세포가 원형질 분리되어 100%의 분리율을 보이고 있고, 15분까지는 모든 세

포가 원형질 복귀하는 것을 보여 주고 있다. 그러나, 소금용액에 20분 이상 오래

처리하면 원형질 분리율이 현저하게 떨어지고 있음을 알 수 있다 (표 5). 이러한

사실은 고농도의 소금용액을 장시간 양파의 표피세포에 처리하면 수분뿐만 아니

라 세포내의 분자량이 적은 물질까지도 잃어버려 죽음에 이르고 있음을 추정할

수 있게 해준다. 이러한 현상은 또한 형광물질인 FDA를 이용한 실험에서도 확

인할 수 있었다 (그림 1).

Treating Time(sec) 300 600 900 1400 1800

Plasmolysis rate(%) 100 100 100 100 100

Deplasmolysis

rate(%)100 100 100 69 8

표 5. 20% 소금농도에서 장시간 연속 처리시 원형질 복귀율의 변화

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4. 원형질 분리된 양파 표피세포는 몇 %까지 자신의 원래 면

적이 줄어들까?

양파의 표피세포가 5%와 10%의 소금용액에서 원형질이 분리되는 동안 세포 면

적이 감소되는 비율을 측정한 결과 부정확한 방법을 사용하여 평면적으로 측정

하긴 하였지만 5분 안에 자신의 원래 면적의 절반이상이 줄어드는 결과를 볼 수

있었다 (표 6). 5%와 10%의 결과가 서로 상관관계가 없는 이유는 입체적으로

존재하는 세포를 평면적으로만 측정한 결과 때문이라고 추정하였다.

Salt

Concentration(%)5 10

Treating Time(sec) 60 120 180 240 300 60 120 180 240 300

Reducing rate(%) 18.5 40.5 59.0 71.5 75.5 41.0 46.0 50.0 51.5 56.5

표 6. 양파 표피세포의 원형질이 분리되는 동안 세포면적 감소율

5. 양파 표피세포의 원형질 분리 실험에서 특이한 현상은 없었

는가?

1) 세포의 원형질이 복귀할 때, 세포질의 나눠진 중간 부분이나 끝 쪽에서 종종

미세한 실같은 것을 발견했다 (그림 11). 이것들을 분리된 세포질에 수분이 흡

수되는 통로의 역할을 하거나, 완전히 복귀한 후에 세포질의 모양을 유지시키

는 역할을 하는 것으로 추정하였다.

2) 또 다른 현상은 원형질이 복귀될 때 가끔 세포질이 터지기도 한다는 것이다.

마치 적혈구가 용혈되는 것처럼, 원형질도 서서히 커질 때 한쪽에서 순간적으

로 용출되었다 (그림 12). 이런 현상이 관찰된 세포는 다음 분리 복귀 시에 반

응하지 않았다. 이러한 현상은 처음 삼투 stress를 받은 세포에서는 소금 용액

에서 오랫동안 처리하면 관찰할 수 있었고, 여러 번 삼투 stress를 받은 세포

일수록 빈번하게 관찰할 수 있었다. 이런 현상은 식물 세포가 삼투 stress를

받게되면 원형질 복귀가 되긴 하지만 원형질막은 심각한 타격을 입어 동물세

포처럼 수분을 흡수하는 동안에 쉽게 터지는 것으로 추정하였다

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1

2

- 15 -

3

그림 11. 원형질 복귀 중인 양파 표피세포의 광학 (좌측, x100)

및

형광 (우측, x200) 현미경 사진.

1 접근중인 원형질, 2 접촉중인 원형질,

3 막의 융합이 진행중인 원형질

1

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2

3

4

그림 12. 원형질 복귀 중 원형질이 용출되는 양파 표피세포의 광학 (좌측, x100)

및

형광 (우측, x200) 현미경 사진.

1, 2 접근중인 원형질 3, 4 우측 부분의 막이 용출된 원형질

IV. 결론

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1. 5% 이하에서는 소금농도에 관계없이, step이 진행될수록 분리되는 시간과 복귀

되는 시간이 점차 짧아지는 경향을 보였고, 세 번째 step 이후에는 대부분의 세

포가 분리, 복귀가 되지 않았다.

2. 10~20%까지는 두 번째 step까지 대부분의 세포가 원형질이 분리된 후에 정상적

으로 복귀하였으나, 25%이상에서는 첫 번째 step까지만 형질 분리 및 복귀하였

다.

3. 소금의 농도에 관계없이 분리되는 시간은 짧고, 복귀되는 시간은 2~4배정도 길

었다.

4. 2%에서 5%로 농도를 변화시킨 경우에는 분리, 복귀되는 시간이 점점 짧아지고

있으며, 세 번째 step에서도 대부분의 세포가 복귀하였다.

5. 5%에서 2%로 농도를 변화시킨 경우에는 분리, 복귀되는 시간이 서로 비슷하나

점점 짧아지다가 두 번째 step까지만 대부분의 세포가 복귀하였다.

6. 이상의 결과들을 종합하여 판단하여 볼 때, 20~25%사이의 어느 특정한 농도 이

하에서는 두 번째 step까지 대부분의 세포가 분리 복귀되지만, 그 이상의 농도에

서는 첫 번째 step에서만 원형질이 분리된 후에 복귀하였다. 그 특정한 농도 이

상에서 양파세포는 한번의 소금물 처리로 세포의 기능을 잃을 수 있다는 것을

확인하였다.

V. 참고문헌

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2. 정노팔 外, 1996, 분자세포생물학, 탐구당.

3. 최기철 外, 1997, 일반생물학 5판, 향문사.

4. 권영명 外, 1997, 식물생리학, 아카데미서적.

5. 장남기 外, 1988, 생물실험지도백과, 교육과학사.

6. 웹사이트-(http://home.dongguk.ac.kr/~plantpia/labtissue.htm).

7. 웹사이트-(http://my.netian.com/~yomo/과학교사/재미실험/식초로만든왕달걀.htm).

8. 웹사이트-(http://phys.knue.ac.kr/~physics/pds/lab/fluid/f-10.htm).

9. 웹사이트-(http://www.cein.or.kr/~pig5910/삼투압.htm).

10. 웹사이트-(http://www.nettime.co.kr/science/biology/insertion/insertion.html).

11. 웹사이트-(http://www.ghil.com/healthinfo/food/food2_6.html).

- 18 -

12. 웹사이트-(http://nengjung.kit.ac.kr/~ckisu/bc_16/bc16-5.html).

13. 웹사이트-(http://www.hanwhainteriorplaza.co.kr/wow/wow_7.html).

14. 웹사이트-(http://pct.chungbuk.ac.kr/조직배양학/제12장.html).

15. 웹사이트-(http://aginfo.snu.ac.kr/embryo/journal/97123/97123-11.htm).

16. 웹사이트-(http://home.donga.ac.kr/~kbp/polnews/33.htm).