12회 생물경시 고등예선 기출문제

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12회 생물경시 고등예선 기출문제

 

1. 오른쪽 그림과 같은 감자는 우리나라 대관령의 고원지대에서 많이 경작된다. 그러나 다른 저지대의 밭에는 감자를 잘 심지 않는다. 저지대에서는 지상부의 줄기와 잎은 잘 자라지만 땅속의 감자는 크게 잘 자라지 않기 때문이다. 이 까닭이 무엇인지 생각해 보기로 하자.

(1) 녹색식물의 광합성 과정을 간단히 나타내어라.

(2) 광합성에 영향을 주는 환경요인에는 어떤 것이 있는가?

(3) 광합성의 명(광)반응은 그라나의 어디에서 일어나며 그 산물은 무엇인가?

(4) 감자에 있어서 광합성의 암반응 결과 생성되는 최초의 산물은 무엇이며, 최종산 물은 무엇인가?

(5) 세포호흡이란 무엇인지 그 과정을 간단히 나타내어라.
정답 및 해설

빛에너지
H2O + CO2 포도당(또는 녹말) + O2 + H2O
엽록체
(1)
광합성 과정을 간단히 나타내는 것은 반응물(물과 이산화탄소)과 생성물(포도당이나 녹말, 산소, 물), 에너지의 출입(광합성은 빛에너지를 이용하는 흡열 반응이다.) 그리고 광합성이 이루어지는 장소(엽록체)를 표현하는 것이다. 좀 더 구체적으로 표현하자면 광합성 반응의 일반식을 기술하는 것이며 아래와 같다.

빛에너지
12H2O + 6CO2 C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
엽록체

(2) 빛(햇빛), 온도, 이산화탄소의 농도
광합성은 빛에너지를 이용하여 무기물로부터 유기물을 합성하는 과정이다. 광합성은 빛을 이용하여 물을 분해하는 명반응과 이산화탄소를 고정하는 암반응이 있다. 명반응에 영향을 주는 환경요인이 빛의 세기이며, 이산화탄소를 고정하는 암반응에서는 당연히 이산화탄소의 농도에 영향을 받는다. 그런데 암반응에는 효소가 작용하는 단계가 많기 때문에 온도의 영향을 많이 받는다.
(3) 틸라코이드, NADPH2, ATP, O2
광합성의 명반응은 그라나틸라코이드에서 일어난다. 구체적으로는 틸라코이드 막의 광계(photosystem)에서 이루어진다. 틸라코이드에는 그라나 틸라코이드(granum thylakoid)와 스트로마 틸라코이드(stroma thylakoid)가 있다. 명반응 과정은 물의 광분해와 광인산화의 두 과정이 있다.
빛에너지
물의 광분해 : 2H2O + 2NADP 2NADPH2 + O2

빛에너지
광인산화 : ADP + Pi ATP

(4) PGA, 녹말
암반응은 스트로마에서 이루어지며, CO2가 고정되어 포도당이 합성되는 과정이다. 암반응 과정은 캘빈과 그의 동료들이 14CO2를 이용하여 밝혀냈다. CO2는 리블로오스이인산 카르복시화효소(Rubisco)에 의해 리불로오스이인산(RuBP : ribulose-1, 5-bisphophate)와 결합하여 최초로 6탄당의 중간산물이 형성되나 매우 불안정하기 때문에 빠르게 2분자의 3탄당 물질인 인글리세르산(PGA : phosphoglyceric acid)이 된다. 이것이 사실상 최초의 암반응 산물이다. 감자는 저장성 식물로서 수용성의 포도당을 최종적으로 녹말로 전환하여 저장한다.

(5)

화학에너지
포도당 + O2 CO2 + H2O
미토콘드리아

마찬가지로 세포 호흡의 일반식을 기술하면 된다.

화학에너지
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O
미토콘드리아

세포호흡은 산소에 의해 포도당과 같은 유기물이 이산화탄소, 물 등의 무기물로 완전히 분해되어, 생체에 이용 가능한 형태(주로 ATP)로 에너지가 공급되는 현상이다.
(6) 녹색식물에 있어서는 광합성과 호흡이 어떻게 일어나는지 비교하여 설명하여라.

(7) 포도당 1분자가 완전히 분해될 때 호흡전자전달계를 거치기 전단계의 산물을 모두 기술하여라.
가 : 세포질 : ( )
나 : 미토콘드리아 : ( )

(8) 우리나라 대관령 고원지대에서 감자농사가 잘되는 이유를 설명하여라.

정답 및 해설

(6) 녹색식물은 밤낮 구별 없이 항상 호흡을 한다. 그러나 광합성은 햇빛이 있는 낮에만 이루어진다. 그러므로 낮에는 호흡과 광합성이 동시에 일어나고 밤에는 호흡만 일어난다 낮에는 광합성이 활발하여 기공으로부터 CO2의 흡수가 주로 일어나고 밤에는 기공을 닫으므로 가스교환은 큐티클층으로 미미하게 일어난다.

(7) 가 : 세포질(2NADH2, 2ATP, 2피루브산)
나 : 미토콘드리아 (8NADH2, 2ATP, 2FADH2, 6CO2)
포도당이 분해되는 과정은 세포질과 미토콘드리아에서 이루어진다. 세포질에서 이루어지는 해당과정은 포도당이 2분자의 피루브산으로 분해되는 것이며, 피루브산은 미토콘드리아에서 TCA회로와 전자전달계를 거쳐 완전히 분해된다.
해당과정 :

TCA회로 :
(8) 우리나라 대관령의 고원지대의 여름은 낮은 덥고 청명하며 일교차가 심하여 밤에는 온도가 낮다. 그러므로 낮에는 최대의 광합성 조건이고 햇빛이 없는 밤에는 광합성은 일어나지 않고 호흡만이 이루어지는데 기온이 낮아 호흡량이 적어 낮에 합성한 유기양분(녹말)의 소모가 그만큼 적어 저장녹말이 많아지기 때문이다.
광합성을 포함하는 모든 동화 과정에서 생성된 유기 양분의 양을 총생산량이라고 했을 때 호흡을 통해 소모되는 양을 빼준 것이 순생산량이 된다. 감자 농사가 잘 된다는 것은 감자가 굵게 잘 자라는 것을 의미하므로 순생산량이 많을수록 저장량도 많아진다는 것에 유의한다.
2. 다음 그림은 30세된 정상적인 여성의 어느 기관에서 분비되는 호르몬의 혈중농도를 나타낸 것이다.

(가)
A
C
B
FSH

 

(1) 각 호르몬의 이름을 써라.
A :
B :
C :
(2) FSH와 호르몬 A가 분비되는 곳은?

(3) 호르몬 B가 분비되는 곳은?

(4) 호르몬 C가 분비되는 곳은?

(5) 주기의 중간인 (가)시기에 난소에서 일어나는 현상을 무엇이라고 하는가?

(6) 위와 같은 주기적인 변화는 여성의 일생 중 어느 기간동안 일어나는가?

(7) 인공피임약을 매일 복용하는 동안 FSH와 호르몬 A의 농도는 어떻게 되는가? 그 이유는 무엇인가?
(8) 인공피임약을 매일 복용하는 동안 호르몬 B와 C의 농도는 어떻게 되는가? 그 이유는 무엇인가?

 

(1) A : LH 또는 황체형성호르몬
B : 에스트로겐 또는 여포호르몬
C : 프로게스테론 또는 황체호르몬

여성의 생리 주기에 관련된 호르몬은 FSH, LH, 에스트로겐 그리고 프로게스테론의 4가지이다. 가장 먼저 뇌하수체 전엽에서 FSH가 분비되고 여포가 성숙함에 따라 여포에서 에스트로겐이 분비되기 시작한다. 따라서 B는 에스트로겐이 된다. 그리고 배란을 유도하기 위해 뇌하수체 전엽에서 LH가 다량 분비되는데 이것이 A에 해당된다. 배란이 되면서 여포는 황체로 전환되므로 에스트로겐과 LH의 양이 급감하게 된다. 그러나 배란 이후에 갑자기 그 양이 많아진 C는 황체에서 분비되는 프로게스테론이 된다.

(2) 뇌하수체 전엽

(3) 여포 또는 난포

(4) 황체

(5) (여포의 파열과) 배란
(가)는 생식주기의 중간 단계이다. 그래프의 호르몬 분비 변화를 보면 A가 LH(황체형성호르몬)이며, LH는 황체를 형성한다. 즉, 여포에서 성숙한 난자(제1난모세포)를 배출하고 여포가 황체가 되도록 한다. 따라서 (가)시기에는 여포가 파열되어 성숙한 난자를 배출하는 배란이 이루어진다. 난소가 두 개 있는데 배란은 좌우 번갈아 가면서 일어나게 된다.

(6) 초경에서 폐경기까지
초경은 일반적으로 여성의 2차 성징이 나타나는 사춘기와 함께 시작된다. 이때부터 주기적으로 호르몬의 농도 및 자궁내벽의 두께변화가 일어난다. 배출된 난자가 수정이 되고, 자궁에 도달하여 착상하면 임신이 된다. 그러면 배와 모체사이에 혈관이 발달하여 태반이 형성되고, 태반호르몬이 분비되어 황체의 퇴화를 막는다. 따라서 황체호르몬인 프로게스테론은 계속 분비되어 FSH의 분비를 억제함으로써 정상적인 생식주기가 중단된다. 그러나 임신이 되지 않으면 생식주기가 반복되며 폐경기에 이르면 멈추게 된다.
(7) 두 호르몬(FSH와 LH)의 분비가 억제된다. 그 결과 주기현상도 나타나지 않는다. (주기의 중간에 나타나는 호르몬 분비의 증가도 볼 수 없다)
인공피임약은 배란을 억제하여 수정이 일어나지 않도록 하는 것이 목적이다. 처음에는 황체호르몬(LH의 분비 억제)과 에스트로겐(FSH의 분비 억제)을 동시에 사용하는 방법이 쓰였지만, 최근에는 일정기간 에스트로겐을 단독 투여한 후에 양쪽을 동시에 사용하는 방법도 개발되었다.

(8) 에스트로겐과 프로게스테론의 혈중 농도가 항상 높게 나타난다. 그 이유는 인공피임약이 에스트로겐과 프로게스테론의 복합체이므로 이를 매일같이 복용하기 때문이다. 황체에서 분비되는 호르몬은 임신한 후 그 상태를 유지시켜주는 본래 기능을 가지고 있는데 인위적으로 투약하면 임신한 것과 같은 상황을 만들어 FSH와 LH의 분비를 막을 수 있다.
3. 다음의 그림은 1920년대 초 맹골드와 슈페만이 발생도중의 양서류의 일부분을 다른 배의 반대편에 이식한 결과를 나타낸 것이다.

(1) 이것은 발생의 어느 단계인가?
(2) 이식부위(A)는 배의 어느 부분인가? 그 명칭을 적어라.
(3) 이식의 결과를 설명하여라.
(4) A 부위에 의한 영향을 무엇이라고 하는가? 또, 슈페만은 위의 결과를 얻은 후 A 부위를 무엇이라고 불렀는가?
(5) 열처리하여 죽인 A부위 또는 A부위에 수 시간 동안 밀착시킨 한천조각을 포배의 할강 속에 넣었을 때도 위의 이식실험과 같은 결과를 얻었다. 이것의 의미를 설명하여라.

(1) 낭배기
위 부분에 보이는 부분을 난할강으로 볼 수 있으나(포배기), 원구(아래 부분에 함입된 부분)가 보이므로 낭배기라는 것을 알 수 있다.
(2) 원구배순부 또는 원구상순부
함입 부위의 입구를 원구라고 한다. 그 위 부분의 명칭은 원구 상순부이다.

(3) 이식부위에서 새로운 낭배운동이 일어나며 낭배운동 결과 신경관이 먼저 유도된 후 몸 전체를 포함하는 2차배가 형성된다.
낭배 초기의 도롱뇽 배에서 원구 상순부는 발생이 진행됨에 따라 함입되어 척색이나 중배엽성 조직으로 분화한다. 슈페만은 이 원구 상순부를 낭배 초기의 도롱뇽 배에서 잘라내어, 같은 시기에 있는 다른 배의 난할강 속에 이식했더니, 이식편 자신의 본래의 운명대로 척색이나 그 밖의 중배엽성 조직으로 분화했을 뿐 아니라 표피로 될 외배엽에 작용하여 그것을 신경판으로 분화시키고, 나아가 신경관으로 변화시키는 것을 관찰할 수 있었다. 더욱이 이 신경관은 이식편에서 생긴 척색 등과 함께 다른 제 2의 배를 형성하였다.
(4) 유도작용, (제1차) 형성체
원구 상수부와 같이 다른 부분에 작용하여 특정한 기관을 형성시키는 것을 형성체(organizer)라 하고, 이와 같이 다른 부위에 작용하여 그 부위를 특정한 방향으로 분화시키는 것을 유도작용이라고 한다. 아래 그림은 눈의 형성과정과 형성체를 나타낸 것이다.
(5) 유도작용은 반드시 살아있는 형성체에 의하여 일어나는 것이 아니다.
유도작용은 형성체에서 분비되는 물질에 의해서 일어난다.
유도물질은 열에 의해 파괴되지 않는다.
한천은 액체 물질을 흡수하는 성질이 있어서 식물 호르몬인 옥신(Auxin)의 생장에 미치는 효과를 알아보는 실험에서도 이용되었다. 즉, 중요한 것은 형성체 조직이라기 보다는 그곳에서 분비되는 어떤 물질에 의한 것임을 알 수 있다. 그런데 그 물질은 열처리에도 변성되지 않았음으로 미루어 생체 물질이 아닌 단순한 화학 물질임도 파악할 수 있다.
4.



56mV



0
0
b
a
c



1mA/cm2
그림 2
옆의 그림1, 2는 활동전위에 대한 이온 가설을 입증한 실험자료이다. 그림1은 오징어의 거대 신경축색을 자극하였을 때 시간(ms)에 따른 막 전위변화를 나타낸 것이다. 곡선1은 정상 해수(바닷물)에서, 곡선 2~5는 정상 해수의 Na+이온을 같은 양만큼 투과 불가능한 다른 양이온으로 대체한 인공 해수에서 자극을 차례로 반복하였을 때 나타난 막전위 변화이다.
그림2의 (나)는 신경축색의 세포막전압을 (가)와 같이 56mV로 고정하였을 때 축색막에서 이온 흐름에 따른 전류의 변화를 기록한 것이다. 그림(나)의 Y-축의 0 윗부분은 유출전류를, 아랫부분은 유입전류를 나타낸다. 그리고 (다)의 곡선 ⓒ는 (나)의 ⓐ, ⓑ 두 곡선의 차이 값을 나타낸 것이다. (나)에서 ⓐ는 정상 해수에서, ⓑ는 해수의 Na+이온의 농도가 축색 내부와 동일하게 한 상태에서 측정한 것이다. (단, 정상해수의 이온 조성은 NaCl 470mM, KCI 10mM, CaCl2 10mM, MgCl2 25mM이며, 축색막은 2가 양이온은 투과하지 않는다.)

(1) 그림1에서 곡선 2~5의 최고 막전위 값이 감소하는 이유를 전류의 흐름으로 설명하여라.

(2) 그림2에서 ⓐ곡선을 이루는 전류는 어떤 이온의 흐름 때문인가?

(3) 그림2에서 ⓑ곡선을 이루는 전류는 어떤 이온의 흐름 때문인가?

(4) 그림2에서 ⓐ곡선이 아래로 내려왔다가 올라가는 것은 무엇 때문인가?

(5) 그림1에서 곡선 1이 올라가는 과정과 내려오는 과정 각각을 그림 자료와 물음 (1)~(4)에 대한 답을 종합하여 설명하여라.
(1) 인공해수에 Na+가 없어서 유입전류가 발생하지 않기 때문이다.
역치 이상의 자극을 받으면 신경 세포막에서 Na+통로(channel)가 열려 Na+이 세포막 안쪽으로 대량 확산이 되어 탈분극 현상이 일어난다. 그런데 인공해수는 Na+을 같은 양만큼 다른 양이온으로 대체하였고, 또한 투과가 불가능하므로 유입전류가 발생하지 않아 전위차가 적게 나타난다.

(2) Na+, K+ (두 가지 이온)
정상해수의 이온 조성은 NaCl 470mM, KCI 10mM, CaCl2 10mM, MgCl2 25mM이므로 이온 조성이 Na+, K+, Ca2+, Mg2+가 된다. 그런데 축색막은 2가 양이온은 투과하지 않는다고 하였으므로 유입, 유출 전류를 형성하는 것은 Na+, K+가 된다.

(3) K+ (이온)
해수의 Na+ 농도가 축색 내부와 동일하게 한 상태에서 측정한 것이므로 Na+이 확산을 통해 대량으로 유입될 수 없다. 그러므로 유입전류가 나타나지 않고, 유출전류만 나타나게 된다. 따라서 Na+의 내․외부 농도차에 의한 유입 전류가 발생하지 않았으므로 K+만이 관여하고 있다.

(4) 아래로 내려오는 과정은 Na+의 유입에 따른 것이며, 올라가는 것은 K+의 유출 전류가 크기 때문이다.

(5) 자극에 의하여 Na+ 통로가 열려 Na+이 유입되면서 막전압은 상승하고, 이보다 늦게 열린 K+ 통로로 K+의 유출전류가 발생하게되면 막전압이 휴지전압으로 되돌아온다.
막전압은 세포막 안쪽을 기준으로 한다는 것에 유의한다.

5. 유전자를 재조합하여 다른 종의 생물에 넣어주더라도 동일한 유용물질을 생산할 수 있는 이유를 다음 관점에서 설명하여라.

(1) 유전물질
(2) 유전자 발현과정
(3) 유전암호(genetic code)
(4) 단백질

정답 및 해설

(1) 유전물질 : 서로 다른 생물이라도 유전정보는 DNA이며 A, T, G, C염기 서열로 지정되어 있다. 생물체의 유전정보는 DNA 속에 들어있다. DNA를 구성하는 단위는 뉴클레오티드이며, 이는 염기, 당, 인산이 같은 비율로 결합되어 있다. 염기는 A, T, G, C 4가지 종류이며 이들의 배열에 따라 다른 유전 정보가 저장된다.

(2) 유전자 발현과정: DNA→RNA→단백질의 단계를 거친다.
이 과정을 중심설, Central Dogma라고 한다.
[참고] 중심설(Central Dogma)
핵산이나 단백질의 생합성 과정에서 유전정보의 흐름은 일방향적이다. 즉, 핵산상의 염기배열로서 결정되어 있는 유전정보는 핵산으로부터 핵산으로, 또는 핵산으로부터 단백질로 전달되지만 일단 유전정보가 단백질로 전달되면 그 정보가 단백질에서 핵산으로, 또는 단백질로부터 단백질로 전달되지 않는다는 것을 말한다. 이것을 Crick(1958)은 유전정보의 DNA→RNA→단백질이라는 흐름에 관해서 센트럴도그마라고 표현하였다.

(3) 유전암호 : 유전암호는 생물 종간에 차이가 없다. 유전암호 각각은 하나의 아미노산을 암호한다. (염기3개가 하나의 단위로 되어 있다)
유전암호는 단백질의 아미노산 배열에 대한 유전정보를 핵산 상에 그 염기배열로서 기술하기 위한 것이다. ATGC 4개의 염기 중 3개가 한 조가 되어(triplet code) 유전 암호를 형성하는데 그 수는 4 × 4 × 4 = 64개가된다. 이것들이 자연계에 존재하는 20개의 아미노산을 지정한다.

(4) 단백질 : 아미노산이 폴리펩티드를 이루고 있으며, mRNA의 염기서열로 지정된다. 그러므로 다른 종간의 유전자 재조합을 하더라도 합성된 단백질에는 차이가 없으며 재조합 유전자를 사용하여 동일한 유용물질을 다른 생물에서도 생산할 수 있다.
모든 종의 생물체는 전사(transcript), 번역(translation)에 있어서 동일한 효소 team을 가지고 있기 때문에 합성되는 단백질도 같다.
6. 간염바이러스 같은 몇몇 바이러스는 바이러스 유전자 전체를 아래 그림과 같이 사람의 유전자에 삽입시킨다.

제한효소는 모든 DNA에 특정한 염기(예, EcoRⅠ은 GAATTC)가 있으면 DNA를 절단한다. 한 분자생물학자가 바이러스를 가진 환자의 세포에 바이러스의 어느 부분이 절단되어 사람유전자로 삽입되었는지 알아보기 위해 실험을 하였다. 다음 그림은 바이러스와 세포의 DNA를 세 종류의 제한 효소로 자른 후 DNA의 크기별로 나타낸 것이다. 단, 세포의 DNA는 바이러스 DNA가 삽입된 후 제한효소로 자르면 DNA 조각 중 일부라도 바이러스 DNA가 있으면 위 그림처럼 DNA조각을 알 수 있다.

Pst Ⅰ
바이러스 세포
Hind Ⅲ
바이러스 세포
Bgl Ⅱ
바이러스 세포
위쪽 DNA일
수록 크기가
크다
위 실험결과로부터 바이러스의 a, b, c, d, e중 어느 부분이 절단되어 삽입되었는지 답하고 그 이유를 설명하여라.

6. 정답: d
제한효소로 절단된 조각의 크기가 바이러스 DNA와 세포의 DNA에서 같은 크기인 경우에는 그 바이러스 DNA가 절단되어 삽입된 부위가 아니라는 것을 말한다. 즉 Hind Ⅲ의 경우, 바이러스 DNA는 a-e-d조각과 b-c조각으로 나뉘는데 세포로 삽입된 후 Hind Ⅲ로 절단된 조각 중 b-c 조각과 같은 크기가 있다. 이 사실은 적어도 바이러스 DNA의 b-c 조각 내에서는 절단된 부위가 없다는 것을 의미한다. 같은 논리로 BglⅡ의 경우 바이러스 DNA의 b-a-e 조각은 절단된 부위가 없다. 따라서, b-c 부위도 아니고 b-a-e도 아니므로 d 부위에서만 절단된 부위가 있을 수 있다.
DNA 절편을 크기 순서로 나타낸 그림은 전기 영동의 결과이다. 예를 들어서 Hind Ⅲ로 DNA를 처리하였다고 하면 위의 원형 그림에서 2개의 절단 부위가 있으므로 원형 DNA가 2조각으로 나뉘게 된다. 그 중에서 아래쪽에 있는 것은 크기가 작은 b-c 절편이 되고 위의 것은 a-e-d 절편이 되는 것이다. 또한 전기 영동 결과 같은 위치에 놓인 절편들은 그 크기가 같다는 것이다. 따라서 바이러스에 감염된 환자 세포의 DNA속에도 b-c절편이 있다는 것이다. 이것은 바이러스의 DNA가 잘려서 사람의 DNA에 삽입될 때 b-c 부분에서 절단된 것이 아니라는 의미이다.

Pst Ⅰ
바이러스 세포
Hind Ⅲ
바이러스 세포
Bgl Ⅱ
바이러스 세포
위쪽 DNA일
수록 크기가
크다
a-e-d
b-c
b-a-e
c-d

7. 동물세포에 기생하는 바이러스는 숙주인 동물세포의 대사과정의 효소나 물질을 사용하기에 숙주인 동물세포에는 해를 주지 않고 바이러스에 특정적인 대사과정만 막는 물질을 사용하여 바이러스 치료제로 쓰인다. AZT는 잘 알려진 HIV 바이러스(AIDS를 일으키는 바이러스)에 쓰이는 치료제이다. AIDS환자에게 AZT를 투약하면 체내에서 3개의 인산이 붙은 후 복제중인 바이러스의 중합효소에 의하여 바이러스의 DNA에 결합된다 결합 후 AZT는 염기에 있는 3′-OH가 없어서 더 이상의 염기와 결합할 수 없기에 바이러스의 복제가 정지된다.

그런데 AZT로 치료받은 환자로부터 AZT가 작용하지 못하는 돌연변이 바이러스가 생겼다. 즉, HIV 바이러스 복제시 AZT가 있어도 DNA에 새로운 염기가 계속 연결된다는 것이다. 그렇다면 HIV 바이러스가 어떤 과정을 거쳐서 AZT가 작용하지 못하게 돌변변이 되었는지 한가지 이상의 기작을 설명하여라.

정답 및 해설

AZT와 Thymidine은 구조가 매우 비슷한 물질이다. 그러므로 바이러스의 중합효소에 의하여 AZT가 인산화된후 Thymidine 대신에 DNA에 삽입된다. HIV 바이러스의 중합효소에 돌연변이가 생겨 AZT와 Thymidine을 구별할 능력을 갖게 되어서 AZT를 바이러스 DNA에 연결시키지 않는다면 HIV 바이러스는 AZT가 있어도 Thymidine만을 골라서 연결하므로 AZT를 작용하지 못하게 할 수 있다.

현재 미국에서 효과를 거두고 있는 에이즈 치료법으로 항바이러스제인 AZT (azidothymidine)가 있다. AZT는 RNA를 DNA로 전환시키는 역전사효소의 작용을 방해하여 효소로 하여금 티민 뉴클레오티드 대신 AZT를 자라나는 DNA 사슬에 삽입하도록 한다. 그렇게 되면 다음 DNA 뉴클레오티드의 첨가가 방해되기 때문에 역전사는 정지되고 바이러스의 생활사는 중단이 된다. 그러나 불행히도 AZT의 효과는 일시적일 뿐이라고 한다. 돌연변이의 가능성을 제시하는 것을 요구하고 있으므로 정확한 기작보다도 생물학적인 비약이 없는 상황을 설계하면 될 것이다.

8. 다음 그림은 영희가 식물의 굴지성에 대해서 실시한 실험 장치를 나타낸 것이다. 영희는 이 실험으로부터 식물의 성장은 중력 자극에 대한 반응으로 줄기는 위쪽을 향해서 자라고 뿌리는 아래쪽으로 자란다고 결론을 내렸다.

(1) 영희가 이 실험에서 검증하고 있는 가설을 써라.
(2) 이 실험은 영희의 가설을 타당하게 검증하였는가? 그 이유를 설명하여라.
(3) 이 실험 설계를 개선한다면 어떻게 하겠는지 써라.
(4) 중력이 전혀 작용하지 않는 조건에서 식물을 재배한다면 식물의 줄기와 뿌리는 어떤 방향으로 자라겠는지 설명하여라.

정답 및 해설

(1) 식물의 성장은 중력의 영향을 받는다. 식물의 줄기는 중력의 반대 방향으로 자라고, 뿌리는 중력과 같은 방향으로 자란다.
실험은 가설을 검증하기 위한 과정이다. 실험과정을 보고 독립변인(화분의 방향)과 종속변인(식물의 자라는 방향)을 파악하면 된다. 실험 장치 모두 빛이 비치고 있으나 통제된 변인으로 보기는 어렵다. 화분의 방향은 식물의 위치와 관계된 것으로 각 부분에 미치는 중력의 효과를 알아보기 위한 것이다.

(2) 아니오 빛이 식물의 성장에 영향을 미칠 수 있다. 화분의 바닥에 남아있는 물의 양이 식물 성장에 영향을 미칠 수 있다.
중력 자극에 의한 생장 양상만을 알아보기 위해서 적절한 변인 통제가 필수적이다.

(3) 좌우상하 방향 모두에서 빛을 비추어 식물의 성장을 비교한다. 화분에서 수분의 양이 고르게 분포하도록 하는 장치(예를 들어, 수경 재배 장치)를 이용한다.
식물의 굴성에 빛의 방향이 큰 영향을 미치므로 중력에 대한 효과를 알아보기 위해서는 빛의 방향이 통제되어야 한다. 즉, 모든 방향에서 빛이 비치도록 할 필요가 있다.

(4) 중력이 작용하지 않는 조건에서는 줄기나 뿌리가 어느 특정한 방향으로만 자라지는 않을 것이다.
9. 다음은 건강한 사람의 혈당량의 변화를 시간의 경과에 따라 나타낸 것이다.

(1) 다량의 식사를 한 직후 혈당량을 조절하기 위한 물질이 분비되기까지의 과정을 설명하여라.
(2) (가) 시기에 혈당량을 정상으로 유지하기 위해서 몸에서 일어나는 혈당량 조절 작용을 설명하여라.
(3) 운동을 하면 (나)에서처럼 혈당량이 감소한다. 이 자극이 간뇌의 시상하부에 전달되었을 때 혈당량을 정상으로 유지하기 위해서 일어나는 혈당량 조절 작용을 설명하여라.
(4) 운동을 하여 혈당량이 감소하고 이 자극이 간뇌의 뇌하수체 전염에 전달되었을 때 일어나는 혈당량 조절 작용을 설명하여라.

정답 및 해설

(1) 식사로 인해 혈당량이 증가하고 혈당량이 증가된 혈액이 간뇌를 지날 때, 시상하부가 자극을 받게 되고, 이로 인해 부교감 신경이 이자의 랑게르한스섬의 β세포에 자극을 주어 인슐린을 분비한다.

(2) 인슐린은 세포 호흡을 촉진시켜 포도당의 소비를 증가시키는 한편, 간이나 근육에서 포도당을 글리코겐으로 합성시키는 반응을 촉진시켜 혈당을 감소시킨다. 갑상선의 티록신도 세포 호흡을 촉진시켜 혈당을 감소시키는 작용을 한다.

(3) 간뇌의 시상 하부가 자극을 받으면 교감 신경을 통해 부신 수질과 이자의 랑게르한스섬의 α세포를 자극하게 된다. 부신 수질에서는 아드레날린이, 이자의 랑게르한스섬의 α세포에서는 글루카곤이 분비되어 간이나 근육에서 글리코겐을 포도당으로 분해시키므로 혈당량이 증가된다.

(4) 뇌하수체 전엽에서 ACTH(부신 피질 자극 호르몬)가 분비되고, 이 ACTH는 부신 피질에서 당질 코르티코이드를 분비시킨다. 당질 코르티코이드는 단백질과 지방을 포도당으로 전환시켜 혈당을 증가시킨다.

제 12 회 전국 중․고등학생 수학․과학 경시대회
고등학생부문 시도 2차(실험) 문제
1. 책상 위에 놓인 재료와 기구만을 사용하여 봉선화의 관다발을 관찰하여라.

준비물: 봉선화 줄기, 면도날, 샬레, 스포이트, 핀셋, 커버글라스, 슬라이드 글라스, 100-450배용 현미경, 증류수

( )
2. 다음 준비물을 이용하여 물음에 답하여라.

준비물: 성숙한 수컷(♂)과 암컷(♀) 개구리, 현미경(100배, 400배), 슬라이드글라스, 커버글라스, 양서류 링거액, 스포이트, 해부기 세트(가위, 정소파쇄용 예리한 핀셋 1인당 2개, 샬레)

(1) 성숙한 암, 수의 외형적 특징(차이점)을 설명하여라.

(2) 수컷을 택해서 정소를 찾아라.
( )
(3) 정소를 적출해서 정자를 관찰하여라.
3. 준비물을 이용하여 다음 물음에 답하여라.

준비물: 달개비, 동백잎, 양파, 당근, 현미경, 스포이트, 증류수, 면도날, 커버글라스, 슬라이드 글라스, 핀셋

(1) 실험대위의 재료들 중에서 잎의 책상조직을 가장 잘 관찰할 수 있는 재료를 선택하여 라.

(2) 그 재료로 프레파라트를 만들어라.

(3) 프레파라트를 재물대에 올려놓고 책상조직을 가장 잘 볼 수 있도록 배율, 조명상태 등을 조절한 다음 손을 들어라.
4. 사람과 mouse 세포를 융합하면 융합직후 융합세포에는 사람과 mouse의 모든 염색체가 있지만 세포분열이 시작되면서 사람의 염색체만 무작위적으로 없어지게 된다. 즉 각각의 융합세포는 몇 번의 세포분열을 거치면서 서로 다른 사람염색체를 가진 세포주(cell line이라 함)가 된다. (예, 세포주 α는 mouse의 모든 염색체와 사람 염색체 5, 10, 15, 20을 가지고 있고, 세포주 β는 mouse의 모든 염색체와 사람 염색체 4, 8, 12, 16, 20을 가지고 있다)
1985년 Carson이라는 과학자는 혈액응고에 관련된 blood coagulation factor Ⅲ를 만들어내는 사람 유전자 F3을 찾기 위하여 사람과 mouse의 세포를 융합하여 여러 종류의 세포주를 얻었다.
다음의 실험결과로부터 유전자 F3은 몇 번 염색체에 있는지 논리적으로 설명하여라.

<결과>
융합세포주
세포의 Factor Ⅲ 유무
융합세포에 있는 사람염색체
1
없음
8,14,7,X
2
없음
2,4,5,6,7,8,10,11,14,17,19,20,21,X
3
없음
2,3,5,6,8,10,11,13,14,17,18,21,X
4
없음
1,3,7,8,10,12,14,15,17,X
5
없음
1,2,3,4,5,6,7,9,10,11,12,13,16,17,18,19,20,21,22,X
6
없음
3,4,10,11,13,14,16,17,18,20
7
없음
2,3,5,6,10,12,17,18,21,22,X

5. 다음 내용을 읽고, 학생이 잣까마귀의 행동을 연구하는 생물학자라면 어떻게 연구하겠는지 그 방법을 고안해 보아라.

잣까마귀의 행동을 관찰한 결과, 잣까마귀는 가끔 열매를 땅 속에 묻어두고, 후에 그 곳에 다시 와서 숨겨둔 열매를 찾아 먹는다는 것을 발견하였다. 그러면 “잣 까마귀는 열매를 숨겨 놓은 위치를 어떻게 알아낼까?”
잣까마귀의 행동을 더 자세히 관찰한 결과, 잣까마귀가 주로 통나무나 바위 근처에 열매를 묻어 두고 그런 장소를 가장 자주 뒤진다는 것을 알게되었다
탐구 문제: 잣 까마귀는 열매를 숨겨 놓은 위치를 어떻게 알아낼까?

(1) 가설:

(2) 실험을 위한 가설로부터의 예측 :
(3) 실험 설계 :

제 12 회 전국 중․고등학생 수학․과학 경시대회
고등학생부문 시도 2차(실험) 문제풀이
1. 20점
<수행 평가항목>
(1) 샬레에 증류수를 2/3가량 채워 놓는가? 이 행동은 익숙한가?
(2) 면도날로 봉선화의 줄기를 가로로 가능한 얇게 잘라 샬레에 띄우는가? 여러 번 반복하는가? 자르는 행동이 주의 깊고 세심한가?
(3) 샬레에 모은 봉선화줄기의 단면 중에 가장 얇은 것을 골라 슬라이드글라스의 중앙에 놓고 증류수 한 방울을 떨군 다음 커버글라스를 덮을 때 기포가 들어가지 않도록 주의 깊게 덮는가? 덮을 줄 아는가?
(4) 현미경으로 검경하는 과정은 올바른가? 저 배율로부터 고배율로 관찰하는가? 현미경을 관찰한 경험이 있는 것으로 판단되는가?
(5) 스케치를 올바르게 하는가? 물관, 부름켜, 체관은 바르게 관찰되었는가?

* 위 수행평가는 담당교사의 재량으로 가감하여 평가하기 바란다

2. 20점
(1) (실물을 주지 않은 상태에서 답안을 작성하게 한다) (3점)
일반적으로 암컷이 크며 배가 퉁퉁하다.
수컷에는 울음주머니가 있다.
수컷의 앞다리 엄지발가락 기부에 두툼한 생식혹이 있다.

(2) (수컷 개구리를 해부하여 정소를 찾게 한다) -채점자는 그림을 참조할 것 -(2점)
(3) (15점)

① 정소를 떼어내어 링거액 1-2 ml이 든 샬레로 옮긴다.
② 핀셋으로 정소를 파쇄시켜 현탁액을 만든다.
③ 스포이트로 소량의 현탁액을 슬라이드 글라스로 옳기고 커버글라스로 덮는다.
④ 먼저 100배로 관찰한 후 고배율(400x)로 정자의 머리와 꼬리를 구별하고 헤엄 치는 모습을 관찰한다.

3. 20점
채점자 점검 사항
① 손을 든 시간
② 동백(잎이 두터우므로)
③ 프레파라트 제작 상태가 양호한가
절편제작 과정에서 당근 사용여부,
절편의 두께
물 한 방울 첨가 여부
④ 책상조직을 보여주었는가
초점 조절의 적절성
배율 선택의 적절성
시야의 조명 상태
조리개 조절이 적절히 되었는가
잎맥의 잎의 상하를 구분할 줄 아는가

4. 20점
가능한 염색체(cell line 4와 5번에 있는 염색체)는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, X이다. 이중에서 Cell line 1, 2, 3, 6, 7에 있는 염색체를 모두 제거하면 1, 9, 15가 남는다. 이 3개중에서 cell line 4, 5번에 모두 있는 염색체여야만 한다. 그러면 1번 염색체가 답이 된다.
5. 20점
<평가 준거>
① 탐구 문제에 대해 타당한 가설을 설정하였는가? (4점)
=> (예) 잣까마귀는 숨겨 둔 먹이를 찾기 위해 근처에 있는 통나무나 바위 같은 물체를 표지물로 이용한다.
② 실험을 위해 가설로부터 논리적인 예측이 진술되었는가? (4점)
=> (예) 이 가설 (잣까마귀는 숨겨 둔 먹이를 찾기 위해 근처에 있는 통나무나 바위 같은 물체를 표지물로 이용한다)이 참이라면, 먹이를 숨겨 둔 뒤 근처 에 있는 물체(통나무나 바위)를 옮겨 놓으면 그 열매를 찾지 못할 것이다.
③ 실험 설계의 내용이 가설 검증에 타당한가? (3점)
=> (예) 울타리를 친 넓은 야외 공간에 잣까마귀를 가두어 두고, 작은 바위 (또는 통나무) 근처에 열매를 숨기기를 기다린다. 잣까마귀가 열매를 숨기는 위치들을 지도에 표시한다. 그리고 나서 잣까마귀가 열매를 숨긴 장소 근처의 물체 중 절반은 그대로 두고, 나머지 반은 근처에 있는 다른 곳으로 위치를 옮겨 놓는다. 후에 잣까마귀가 열매를 찾은 곳과 찾지 못한 곳을 조사한다. 조사 결과 잣까마귀가 물체를 옮기지 않은 곳에서만 열매를 찾아내면 가설을 수용한다.
④ 변인 통제가 고려되고 있는가? (3점)
=> (예) 잣까마귀가 열매를 숨긴 장소 근처의 물체 중 절반은 그대로 두고, 나머지 반은 근처에 있는 다른 곳으로 위치를 옮겨 놓는다. 그러면 이 두 종류에서 물체의 위치를 제외한 나머지 조건은 같다고 할 수 있다. 실험군은 물체를 다른 곳으로 옮긴 위치들이고, 대조군은 물체의 위치를 변경하지 않고 그대로 둔 위치들이다.
⑤ 독립 변인의 조작 방법이 구체적인가? (3점)
=> (예) 열매를 숨긴 장소들에서 절반은 근처에 있는 물체의 위치를 변경하고 기록한다.
⑥ 종속 변인의 측정 방법이 구체적인가? (3점)
=> (예) 잣까마귀가 물체의 위치를 변경한 곳과 변경하지 않은 곳에서 각각 열매를 찾아내는지를 기록한다.

조상환

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