미생물은 어떻게 볼까? 현미경 배율·해상도와 μm·nm 이해하기

메타설명: 세균과 바이러스는 얼마나 작고 어떤 현미경으로 관찰할까요? μm·nm 단위와 배율·해상도의 차이를 익히고, 실제 현미경 영상의 색·축척 막대와 설명용 모식도를 구별하는 방법을 알아봅니다.

 

휴대전화로 찍은 사진을 손가락으로 계속 확대하면 처음에는 숨어 있던 내용이 보이지만, 어느 순간부터는 흐릿한 부분만 커집니다. 현미경도 배율을 높인다고 끝없이 작은 구조까지 보이는 것은 아닙니다.

앞선 회차에서는 세균은 세포이고 바이러스 입자는 세포가 아니라는 차이를 살펴봤습니다. 그렇다면 그런 구조의 차이는 어떻게 확인할까요? 이번 글에서는 작은 세계의 단위를 익히고, 크게 보이게 하는 기술과 세부를 구별하는 기술이 어떻게 다른지 알아봅니다.

1. μm(마이크로미터)와 nm(나노미터)

미생물을 공부할 때 자주 만나는 마이크로미터(micrometre, μm)는 1m의 백만분의 1이고, 나노미터(nanometre, nm)는 1m의 십억분의 1입니다. 

1mm = 1,000μm / 1μm = 1,000nm

 

여러 동물·식물 세포	대략 10~100μm 규모	10,000~100,000nm
세균 세포	약 1μm 규모의 예	약 1,000nm
인플루엔자 바이러스 입자	약 100nm 규모의 예	약 0.1μm

2. 배율, 얼마나 크게 보이는가

배율(magnification)은 실제 대상에 비해 상이 얼마나 확대되어 보이는지를 나타냅니다. 일반적인 복합 광학현미경에서는 눈 쪽의 접안렌즈와 시료 쪽의 대물렌즈 배율을 곱해 총배율을 계산합니다.

접안렌즈 10배 × 대물렌즈 40배 = 총배율 400배

그러나 400배에서 800배로 커졌다고 해서 구별할 수 있는 세부가 반드시 두 배 많아지는 것은 아닙니다. 이미 얻은 영상을 화면에서 확대하면 물체도 커지지만 흐릿함도 함께 커질 수 있습니다.

 

3. 해상도, 다른 것으로 구별할 수 있는 정도

해상도(resolution)는 가까이 있는 두 지점을 서로 다른 것으로 구별할 수 있는 정도입니다. 현미경에서는 이를 구별 가능한 최소 거리로 나타내기도 합니다. 이 거리 값이 작을수록 더 미세한 구조를 나누어 볼 수 있습니다.

두 작은 점이 하나의 얼룩으로 합쳐져 보인다면, 그 얼룩을 크게 표시하는 것만으로 두 점이 되지는 않습니다. 구별에 필요한 정보가 관찰 과정에서 확보되어야 합니다. 실제 영상에서는 초점, 시료와 배경의 차이, 검출 신호도 중요합니다.

일반적인 가시광선 현미경의 좋은 관찰 조건에서는 가로 방향으로 약 0.2~0.25μm, 즉 200~250nm 정도가 대표적인 분해 거리입니다. 이는 약 550nm 파장의 빛과 높은 개구수의 광학계 등을 전제로 한 값이며, 모든 현미경·시료에 똑같이 적용되는 보장 성능이 아닙니다. 개구수(numerical aperture)는 렌즈가 빛을 모으는 능력과 관련된 지표입니다.[3]

이 기준을 이해하면 세균 전체의 형태는 관찰할 수 있어도 그 내부의 더 작은 구조는 구별하기 어려운 이유가 보입니다. 많은 바이러스 입자의 상세한 형태도 일반 광학현미경으로 분해하기 어렵습니다. ‘그곳에 신호가 있다’고 검출하는 일과 ‘그 대상의 모양을 구별한다’는 일은 나누어 생각해야 합니다.

계산으로 만든 설명용 모식도이며, 실제 시료의 현미경 영상이나 특정 장비의 성능 시험 결과가 아닙니다.

4. 현미경은 무엇을 알고 싶은지에 따라 선택한다

광학현미경(light microscope)은 빛을 이용해 시료의 상을 만듭니다. 여기에는 밝은 배경에서 시료를 보는 방식뿐 아니라, 형광 신호를 이용하거나 투명한 시료의 대비를 높이는 방식도 포함됩니다.

대비(contrast)는 시료와 배경 또는 구조 사이를 구별하게 하는 밝기·색 등의 차이입니다. 투명한 세포는 크기가 충분해도 배경과 비슷해 잘 안 보일 수 있습니다. 염색이나 관찰 방식의 변경은 이 차이를 드러내는 데 도움을 줍니다.

 

관찰 방식	주로 얻으려는 정보	해석할 때의 주의점
명시야 광학현미경	세포의 전체 형태와 배열	투명한 시료는 대비가 낮을 수 있음
위상차 광학현미경	염색하지 않은 세포의 형태·움직임	광학적으로 대비를 높인 영상임
형광현미경	특정 표지와 관련된 신호의 위치	무엇을 표지했는지 알아야 함
투과전자현미경(TEM)	시료를 통과한 전자를 통한 미세 구조	시료 준비 방식과 관찰 범위를 확인
주사전자현미경(SEM)	주로 표면의 세부 형태	입체적으로 보여도 영상 자체와 실제 3차원 측정은 구별

전자현미경은 빛 대신 전자빔을 이용합니다. 더 미세한 구조를 볼 수 있지만, 그렇다고 모든 질문에 더 좋은 답을 주는 것은 아닙니다. 살아 있는 세포의 움직임을 보는 목적과 처리된 시료의 미세 구조를 보는 목적은 다릅니다.

5. 실제 관찰 영상과 모식도는 다르게 읽는다

현미경 영상(micrograph)은 장비가 시료에서 얻은 신호를 영상으로 나타낸 결과입니다. 반면 모식도(schematic diagram)는 설명할 구조와 관계를 골라 단순화한 그림입니다. 모식도는 이해를 돕지만, 그림에 선이 있다고 그 선을 실제 영상에서 그대로 관찰했다는 뜻은 아닙니다.

실제 영상도 대상의 맨눈 색을 그대로 보여 주는 것은 아닙니다. 염색으로 대비를 높이기도 하고, 흑백 영상의 밝기 값에 색을 대응시키는 의사색(pseudocolor)을 사용하기도 합니다. 형광 영상 역시 어떤 신호를 어떤 색으로 표시했는지 확인해야 합니다. 색을 입혔다는 이유만으로 가짜가 되는 것은 아니지만, 그 색을 생물의 본래 색으로 단정해서도 안 됩니다.

이미지를 읽을 때에는 촬영 방법, 시료 처리·표지, 색의 의미, 축척 막대(scale bar)를 확인하면 좋습니다. 축척 막대는 그림 속 선분이 실제로 어느 길이에 해당하는지 알려 줍니다.

예를 들어 ‘1μm’라고 표시된 막대보다 세균 길이가 약 2.5배 길다면, 그 세균은 약 2.5μm로 추정할 수 있습니다. 이는 읽는 법을 보여 주는 설명용 계산입니다. 그림과 막대를 함께 같은 비율로 확대하면 이 관계는 유지되지만, 화면에서의 표시 배율은 달라집니다. 블로그나 논문 그림에서는 ‘몇 배’라는 숫자와 함께 축척 막대를 읽는 이유입니다.