1. 실험 목적

- 신경전달물질 등의 화학적 메신저에 의한 신체의 조절현상과 온도 조건, 약물에 의한

2. 실험 이론

심장박동수의 변화를 물벼룩을 대상으로 관찰한다.

1) 물벼룩 : 민물에 사는 아주 작은 갑각류로, 몸길이는 0.2~1.8mm 이다. 머리는 너비가 넓고 반원 모양으로 등쪽에 붙어 있고 갑각은 배쪽에 붙어 있으며, 두 장의 껍질은 대개 반투명하다. 혈액/순환계는 개방 순환계로, 혈관 없이 오로지 심장과 혈액만 있다. 갑각이 투명하기 때문에 현미경으로 잘 관찰하면 심장이 뛰는 모습을 볼 수 있고, 몸집이 작기 때문에 심장이 빨리 뛴다.

2) 자율신경계 : 말초신경계통에 속하는 신경계로 평활근과 심근, 외분비샘과 일부 내분비샘을 통제하여 동물 내부의 환경을 일정하게 유지하는 역할을 한다. 자율신경이란 이름은 대뇌의 직접적인 지배를 받지 않는다는 의미로 붙여진 것이나 실제는 시상하부와 그 밖의 여러 중추신경의 지배를 받아 어느 정도 의식적인 조절이 가능하다. 자율신경계는 교감신경계와 부교감신경계로 분류되며 두 종류의 신경은 서로 길항작용을 한다.

3) 길항작용 : 생물체 내의 현상에서 두 개의 요인이 동시에 작용할 때 서로 그 효과를 상쇄하는 것. 이렇게 함으로써 몸의 항상성을 유지하는 생물체 내의 상쇄작용이다. 길항작용의 예로서는 자율신경계를 이루는 교감신경과 부교감신경이 있다. 교감신경은 절전 뉴런에서 아세틸콜린, 절후뉴런에서 노르에피네프린이 분비되며, 부교감신경은 절전뉴런, 절후뉴런 모두 아세틸콜린을 분비하여 신체를 조절한다.

4) 항상성 : 변수들을 조절하여 내부 환경을 안정적이고 상대적으로 일정하게 유지하려는 계의 특성.

5) 교감신경 : 부교감신경과 함께 자율신경계를 이루는 원심성 말초신경. 부교감신경과 길항작용의 관계에 있어 교감신경이 흥분하면 맥박 증가, 혈압 상승, 소화 억제 등 몸이 위험한 상황에 대처할 수 있는 긴장된 상태가 된다. 척수에 가까운 뉴런을 절전뉴런, 기관에 가까운 뉴런을 절후뉴런이라 하며 절전뉴런은 주로 아세틸콜린을, 절후뉴런은 주로 노르에피네프린을 신경전달물질로 이용한다. 교감신경이 흥분하면 맥박이 증가한다.

6) 부교감신경 : 교감신경과 함께 자율신경계를 이루는 원심성 말초신경계이다. 부교감 신경은 교감신경과는 길항작용의 관계에 있다. 부교감 신경이 흥분하면 맥박 감소, 혈압 감소, 소화 촉진 등 몸이 편안한 상태가 된다. 부교감신경은 절전뉴런과 절후뉴런 모두에서 아세틸콜린을 방출한다. 부교감신경이 흥분하면 맥박이 감소한다.

7) 카페인 : 메틸크산틴 계열의 중추신경계통 각성제로, 자율신경계의 특정 부위를 자극한다. 혈류역학 적인 변화를 일으켜 일시적 혈압상승, 빈맥을 일으킨다.

8) 니코틴 : 니코틴은 니코틴아세틸콜린 수용체에 작용하는데 특히 신경절형 니코틴 수용체와 중추신경형 니코틴 수용체에 작용한다. 니코틴은 부신수질에 작용하여

3. 실험 방법

교감신경계를 활성화하고, 에피네프린의 방출을 유도한다.

실험재료 : 물벼룩, 홀 슬라이드 글라스, 카운터기, 일회용 스포이트, 광학현미경(x40), 0.01% 아세틸콜린, 0.01% 에피네프린, 0.01% 니코틴, 일반 커피(카페인), 디카페인 커피

1) 온도에 따른 변화

① 물벼룩을 스포이드를 이용하여 약간의 액체배지와 함께 홀 슬라이드 글라스에 옮긴다. (3set 를 준비)

② 광학현미경(x40)을 이용해 물벼룩의 심장의 위치를 확인한다.

③ 각각의 물벼룩을 15 초 동안 카운터기를 이용하여 심장박동수를 측정한다. (15 초 측정 후, 이를 1 분으로 환산)

④ 물벼룩이 들어있던 튜브의 액체배지를 슬라이드 글라스 위의 물벼룩에게 한 방울씩 떨어뜨린 후 각각 4℃(또는 얼음물 이용), 실온, 37℃ 조건에 3~5 분간 방치한다.

⑤ 물벼룩의 심장박동수를 다시 측정하여 실험 전 심장 박동수와 비교한다.

2) 호르몬, 화학물질 첨가에 따른 변화

① 각각의 온도조건 실험에 사용한 물벼룩을 실온에서 5 분 이상 방치하여 심장박동수를 회복되도록 한다. (물벼룩 재사용시)

② 새로운 물벼룩 2 마리를 각각의 홀 슬라이드 글라스에 옮겨, 심장박동수를 회복한 3 마리를 포함하여 총 5set 의 물벼룩을 준비한다. (새로운 물벼룩 2 마리는 초기 심장박동수를 측정해야 한다.)

③ 각각의 물벼룩에 0.01% 에피네프린, 아세틸콜린, 니코틴, 커피 2 종류를 한 방울씩

4. 실험 결과

온도조건

5. 실험 고찰

떨어뜨린 후 3 분간 상온에서 방치한다.

④ 물벼룩의 심장박동수를 측정하여 초기 심장박동 수와 비교한다.

조건

처리 전 3 분 처리 후 84 회

4℃ 실온(대조군) 83 회 37℃

70 회 88 회 175 회

83 회 호르몬 에피네프린 112 회 139 회 아세틸콜린 75 회 화학물질 니코틴

45 회 13 회 76 회 81 회

60 회 커피(카페인) 51 회 커피(디카페인) 113 회

비고 16.7% 감소 6.02% 증가 110.84% 증가 24.11% 증가 40% 감소 78.33% 감소 49.02% 증가 28.32% 감소

이번 실험은 신경전달물질 등의 화학적 메신저에 의한 신체의 조절현상과 온도 조건, 약물에 의한 심장박동수의 변화를 알아보기 위해 물벼룩의 심작박동수를 관찰해보는 것이었다. 우리는 온도 조건으로는 4℃의 저온에서, 37℃의 고온에서, 그리고 실온 세 가지 경우를 관찰해보았다. 저온에서 3 분 간 처리한 경우, 물벼룩은 평소에 84 회 뛰던 심장이 70 회로 약 16.7% 감소했으며, 실온에서는 6.02% 증가, 고온에서는 83 회에서 175 회로 약 두 배가 넘게 증가했다. 저온의 환경에 노출되면 체온 손실을 방지하기 위해

열 방출을 자제하려 하는 특성이 있다. 이를 위해 혈관은 수축하고 혈압은 상승하면서 항상성에 의해 심장박동을 억제시킨다. 물벼룩은 구조상 혈관이 없지만 같은 맥락으로 이해하면 된다. 고온의 조건에서는 체온의 항상성 유지를 위해 열 방출을 필요로 하고, 혈관을 확장시키면 혈압이 낮아지게 되면서 심장박동을 촉진하게 된다. 이론과 실험이 부합하는 결과를 얻었다.

다음으로 호르몬의 영향을 알아보기 위해 각각 아세틸콜린과 에피네프린에 노출시켜보았다. 아세틸콜린에 노출시킨 물벼룩의 경우 심장박동수가 75 회에서 45 회로 40% 감소하였고, 에피네프린에 노출시킨 물벼룩은 112 회에서 139 회로 약 24.11% 증가하였다. 아세틸콜린은 부교감신경에서 방출되는 호르몬으로, 아세틸콜린에 노출될 경우 부교감신경이 흥분되었을 때의 자극과 동일한 반응을 보일 것이다. 부교감신경이 흥분하면 심장박동을 억제하는데, 이 물벼룩의 경우 심장박동수가 감소한 것을 알 수 있다. 에피네프린은 교감신경의 절후뉴런에서 방출되는 호르몬으로, 교감신경을 자극시키면 에피네프린이 분비, 심장박동을 촉진한다. 에피네프린에 노출된 물벼룩의 경우 심장박동수가 증가하여 교감신경이 흥분되었을 때의 반응과 동일한 자극을 받았다고 볼 수 있다.

마지막으로 화학물질에 의한 변화를 알아보는 실험에서는 니코틴과 카페인, 디카페인을 사용하였다. 니코틴은 교감신경계를 활성화하고, 에피네프린을 분비하는 작용을 하여 심장박동을 촉진시킨다. 니코틴에 노출된 물벼룩의 경우 심장박동수가 60 회에서 약 13 회로 약 78.33% 감소하였는데, 아마도 수분이 없는 공기중에 장시간 노출되어 있었거나, 다른 영향을 받았을 가능성도 있다. 혹은 니코틴을 제대로 분주하지 못했을 수도 있다. 간혹 니코틴이 아세틸콜린의 분비도 촉진시키는 경우도 있다고 하는데, 이 물벼룩의 경우 아드레날린 수용체에 이상이 있어 아세틸콜린의 분비가 더 활발하여 심장박동이 억제되었을 수도 있다. 카페인에 노출된 물벼룩의 경우 심장박동수가 51 회에서 76 회로 약 1.5 배 증가하였다. 카페인은 혈류역학 적인 변화를 일으켜 혈압을 상승시키고 빈맥을 일으킨다. 세포의 대사활동이 증가하면서 심장박동을 촉진시키는 역할을 한다. 디카페인은 커피의 가공법을 달리하여 커피콩에 함유된 카페인을 대폭 줄여 그 성분이 약 1~2%만 남아있는 것을 말한다. 디카페인 커피에 노출된 물벼룩의 경우 심장박동수가 113 회에서 81 회로 약 28.32% 감소했다. 디카페인은 카페인을 소량 함유하고 있기 때문에 심장박동이 조금 촉진됨이 맞다고 생각하였으나, 오히려 감소했다는 결과를 얻었다. 커피에 함유된 성분 중 클로로겐산이라는 물질은 로스팅 과정에서 분해되는데, 디카페인 커피는 커피콩 가공 과정 중, 볶는 과정을 생략하고 가공하여 얻는 것이다. 클로로겐산은 항산화물질로 알려져 있는데, 항산화물질은 활성산소를 없애주어 혈관에 쌓인 유해산소를 없애고, 심장박동수를 감소시켜 혈압을 낮추는 효과가 있다. 이 때문에 열이 가해지지 않아 클로로겐산이

함유된 디카페인커피에 노출된 물벼룩은 심장박동수가 감소한 결과를 얻은 것이다.

6. 참고 문헌

남석현, 민철기 저, 일반생물학실험, 범문에듀케이션, 2019, p187~191 Eric P. Widmaier 저, Vander’s 인체생리학 14 판, 라이프사이언스, 2017, p211~215 위키백과, 카페인, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%B9%B4%ED%8E%98%EC%9D%B8 위키백과, 교감신경계통, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B5%90%EA%B0%90%EC%8B%A0%EA%B2%BD%EA%B3 %84%ED%86%B5 위키백과, 부교감신경계통, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B6%80%EA%B5%90%EA%B0%90%EC%8B%A0%EA%B2 %BD%EA%B3%84%ED%86%B5 권진호, 임재우, 현동찬, 윤병준, 김찬양, 민병로, 오세부. (2020). 카페인 섭취에 따른 심박수와의 상관관계 분석. 한국정보기술학회 종합학술발표논문집, (), 281-283. Hui-Shi Wu, Xin-Qiang Zheng , Yue-Rong Liang , Jian-Hui Ye , Jian-Liang Lu. "A Review on

연구.한국조리학회지,6(3),343-355,.

Microbial Decaffeination." 한국차학회지, (2015): 207-211 이혜원(2000).카페인이 인체에 미치는 영향 및 섭취량 감소 방안에 관한

Jae Chul Lee(2016).A Study of Compound Changes in Coffee Beans by Different Roasting Condition.한국조리학회지,22(6),114-119,. 김성혜, 김주신(2017).로스팅 조건 변화에 따른 커피 추출액의 화학성분 및 관능 특성.한국조리학회지,23(5),1-11,.