유전법칙 : 독립의 법칙

Ⅰ. 배경이론

멘델은 한 쌍의 유전자에 대한 연구를 통해 분리의 법칙을 밝힌 후 다음 단계로 2쌍의 유전자를 이용하여 이들의 유전 양상을 연구하였다. 멘델은 씨가 둥글고 노란색인 순종 (RRYY)의 완두콩과 씨가 주름지고 초록색인 순종 (rryy)의 완두콩을 교배하여 F1에서 모두 씨가 둥글고 노란색의 완두콩을 얻었다. 이 F1을 자가수분 시키면 F2에서 4가지 종류의 형질 즉, 둥글고 노랑 개체, 둥글고 초록인 개체, 주름지고 노랑인 개체, 주름지고 초록인 개체가 9 : 3 : 3 : 1로 나오는 것을 알게 되었다. 다음은 도표를 통해 교배 과정을 나타낸 것이다.

위의 결과로부터 씨앗의 모양만 고려하면 둥근 것과 주름진 것이 (9/16 + 3/16) : (3/16 + 1/16) = 3 : 1의 비율이 나오며, 씨앗의 색깔만 고려하였을 때에도 노랑과 초록이 (9/16 + 3/16) : (3/16 + 1/16) = 3 : 1의 비로 나오는 것을 알 수 있다. 즉 두 유전자 쌍이 함께 있더라도 각각은 다른 것에 영향을 주지 않고 마치 분리의 법칙에서 나타난 것과 같은 결과를 주므로 이를 독립의 법칙이라고 한다.

본 실험에서는 멘델이 했던 결과를 초파리의 두 쌍의 유전자를 유전 양상을 확인해 봄으로써 독립의 법칙을 이해하고자 한다. 한 쌍의 유전자는 날개 모양 결정 유전자로 두 번째 염색체에 있으며, 다른 한 쌍의 유전자는 눈 색깔 결정 유전자로 세 번째 염색체에 있다.

날개 모양 결정 유전자 : 정상 - 긴 날개 (AA), 돌연변이 - 흔적 날개 (aa)

눈 색깔 결정 유전자 : 정상 - 빨간 눈 (BB), 돌연변이 - 암갈색 눈 (bb)

본 실험을 통해 유전자가 다른 염색체에 있을 때 독립적으로 유전된다는 멘델의 독립의 법칙을 이해하여 보자.

Ⅱ. 실험재료

교배된 초파리 3종류 (부모 세대, F1 세대 및 F2 세대), 가는 붓, 에테르, 해부 현미경, 마취기구, 마취병, 초파리 수거 병.

Ⅲ. 실험과정

① 부모 세대의 초파리를 각각 마취시킨다.

② 부모 세대의 초파리를 이용하여 우성 및 열성의 형질을 익힌다.

우성 - 긴 날개, 빨간 눈; 열성 - 흔적 날개, 암갈색 눈

③ F1의 초파리를 마취시킨다.

④ 부모 세대의 교배로부터 나온 F1 초파리는 어떠한 날개를 하고 있는지 관찰하고, 결과 작성표에 기록한다.

⑤ F2 초파리를 마취시킨다.

⑥ F2 초파리가 기록표에 있는 4종류가 나오는지 확인하고 이들이 각각 몇 마리씩 나타나는지 수를 센다.

⑦ 결과를 결과 작성표에 기록한다.

Ⅳ. 실험결과 및 토의

실험 날짜:

실험 조 및 참여 학생:

부모의 형질 - 암컷:____________________, 수컷:______________________

(1) 부모 초파리는 어떠한 표현 형질을 하고 있는가? 정상의 우성인자를 A, 열성인자를 a로 표시하면 각 부모의 유전인자를 어떻게 표시할 수 있겠는가?

(2) F1 초파리는 모두 같은 형질을 나타내는가?

(3) F1 초파리의 유전자형은 무엇인가? 멘델의 우열의 법칙에 따르는가?

(4) F1끼리 교배를 하였을 때 암수에서 만들어지는 배우자는 무엇인가?

(5) F2 초파리는 어떠한 종류의 표현형을 보이며, 이들의 비는 어떠한가? 암수에 차이가 있는가? 교과서에 있는 것처럼 네모 상자를 그려 교배 과정을 나타내시오.

(6) 본 실험 결과는 멘델의 독립의 법칙에 따르는가?

(7) F1이 이형인지 동형인지를 어떻게 하면 알 수 있겠는가?

Ⅴ. 참고사항

생물나라에서는 한 세트 (부모 세대, F1 초파리, F2 초파리)가 제공된다. 적어도 조당 한 세트가 필요하며, 학생들이 실험하는 중에 죽일 염려가 있으므로 여분으로 더 신청하는 것이 필요하다. 초파리를 여러 번 사용하기 위해서는 마취 시작 후 움직이지 않으면 바로 꺼내어 형질을 살펴보고, 숫자를 센 후 붓을 이용하여 관병을 눕히고 붓으로 살살 초파리를 관병 안으로 쓸어 넣는다. 이 때 관병은 젖어 있으므로 바로 세우지 말고 초파리가 깨어 나올 때까지 옆으로 뉘여놓는다.

이렇게 하면 여러 번 사용할 수 있다. 마취병은 일반 실험 병이나 뚜껑이 있는 병에 솜을 넣고 마취액을 부은 후 사용할 때 뚜껑을 열어 깔때기를 얹고 초파리를 부어 마취시킨다. 깔때기는 밑을 고무찰흙으로 막고 옆을 불에 달군 침으로 구멍을 뚫어 사용한다.

서론에서 기술한 것처럼 본 실험에 이용된 한 유전자는 날개의 모양을 결정하며 돌연변이체는 흔적 날개를 나타내며, 2번째 염색체에 있고, 다른 한 유전자는 눈 색깔을 결정하는 것으로 돌연변이체는 암갈색의 눈을 형성하며, 3번째 염색체에 있는 유전자다.

두 유전자 쌍에 대하여 우성이며, 순계인 것 (AABB)인 것과 열성인 것 (aabb)을 교배하여 나온 F1은 모두 긴 날개이며, 빨간 눈을 갖는다. 이러한 F1끼리 교배를 하면 F2에서는 두 우성 형질인 긴 날개와 빨간 눈 (A_B_)이 9/16, 하나만이 우성인 긴 날개와 암갈색 눈 (A_bb)이 3/16, 흔적 날개와 빨간 눈 (aaB_)이 3/16, 그리고 둘 다 열성인 것 (aabb)이 1/16의 확률로 나온다. 다음은 이를 도식화한 것이다.

아래 표는 F2의 교배 결과를 퍼네트 스퀘어 방식을 이용하여 표시한 것이며, 양쪽 다 우성인경우 진한 글씨체로 표시되어 있으며, 둘 다 열성인 것은 약하게 음영처리 되어 있고, 한쪽만이 우성인 경우는 일반 글씨체로 되어 있다.

위의 실험에서 F1이 동형인지 이형인지를 알기 위해서는 검정 교배를 실시해야 한다. F1이 AaBb로 예상됨으로 열성인 aabb와 교배하면 다음과 같은 결과가 예상된다. AaBb로부터 나오는 배우자는 AB, Ab, aB, ab이며, aabb로 나오는 배우자는 오직 ab 뿐이다.

본 결과도 분리의 법칙에서와 같이 통계처리를 할 수 있다. 물론 통계적인 처리는 완전히 선생님의 결정에 따라 강의에 포함될 사항이지만 고등학교 수준에서는 좀 어려운 것으로 생각된다. 하지만 매우 유용한 통계적인 처리인 만큼 적어보면 다음과 같다.

F2의 결과는 반드시 9 : 3 : 3 : 1의 비로 나오지 않으며, 이것에 가까운 값이 나올 수도 있고 벗어날 수도 있다.

그런 경우 어느 경우까지 9 : 3 : 3 : 1의 비율로 믿어주어야 할지를 결정해야 한다. 즉 통계적으로 적합한지 보여 주어야 한다. χ2-검정은 어떤 실험값을 얻었을 때 그 결과가 가설과 일치하는지를 검정하는 방법으로 이용된다.

다음은 χ2-검정 방법이다.

① 가설을 세운다.

② 가설에 따라 기대값을 구한다.

③ 관찰값에서 기대값을 뺀 후 제곱하여 χ2 값을 구한다.

χ2 = Σ(관찰값 - 기대값)2/기대값

④ 자유도를 결정하고, P=0.05 (5%) 이상의 확률이 나오면 χ2 값은 실험값과 이론값 사이에서 우연히 생긴 편차로 생각한다. 5% 보다 낮은 확률이 나오면 의미 있는 차이가 있다고 생각한다. 자유도란 실험값을 나타내는 항목 수에서 하나를 뺀 값 (N-1)이 된다. 예를 들면 92, 28, 32, 8의 네 개의 실험값이 있고, 이론적으로 9 : 3 : 3 : 1의 비로 나와야 한다고 가정하자. 이 경우 예상되는 기대 값은 총 160개에서 처음 세 개의 값인 90, 30, 30이 결정되면 나머지 하나는 자동적으로 10이 된다. 즉 최후에 계산되는 기대 값은 자동적으로 결정되므로 총 종류에서 하나를 뺀 것(N-1 = 4-1 = 3)이 자유도가 된다.

다음은 χ2 값과 확률과의 관계를 나타낸 표이다.

학생들의 실험 결과가 다음과 같이 나왔다고 가정하면,

① 가설 : 본 실험 결과는 멘델의 독립의 법칙에 따라 9 : 3 : 3 : 1의 비율을 나타낸다.

② 가설에 따라 각 형질에 대한 기대 값은 다음과 같다.

긴 날개, 빨간 눈 : 160 x 9/16 = 90 긴 날개, 암갈색 눈 : 160 x 3/16 = 30

흔적 날개, 빨간 눈 : 160 x 3/16 = 30 흔적 날개, 암갈색 눈 : 160 x 1/16 = 10

따라서 χ2 = (92-90)2/90 + (28-30)2/30 + (32-30)2/30 + (8-10)2/10 = 0.71

③ 두 종류가 있으므로 자유도는 N-1 = 4-1 = 3이 된다. 따라서 자유도 1에서 P=0.05에서의 χ2 = 7.815보다 작아 확률적으로 5% 보다 높게 나타나므로 가설이 옳다. 따라서 독립의 법칙에 따라 유전된다.

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