◆서울대 2008학년도 모의논술고사 문항

자연계열 문항

【문항 1】

✾다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

어떤 생명체의 유전정보의 총체를 유전체(genome)라고 부른다. 인간의 유전체는 23개의 염색체로 이루어져 있으며 그 안의 유전정보는 DNA의 염기서열(base sequence)로 기록된다. 인간의 염색체는 한 개의 선형 DNA로 구성되어있는 반면 박테리아의 염색체는 한 개의 원형 DNA로 구성되어있다.

유전체 DNA의 염기서열을 알아내는 것은 생명 현상의 이해를 위해서 매우 중요한 일이다. 유전체 DNA의 염기 서열을 알아내기 위하여 인간 유전체사업(Human Genome Project)에서 사용한 방법은 다음과 같다.

먼저 동일한 염색체 DNA 여러 개를 각각 적절한 길이로 무작위로 잘라낸 다음, 염기서열분석기(DNA Sequencer)를 이용하여 잘라낸 DNA 조각의 양 끝의 염기 서열을 읽어낸다. 이렇게 읽어낸 DNA 조각들의 염기서열을 비교하여 서로 염기서열이 일치하는 부분을 찾고, 이를 바탕으로 DNA 조각들을 배열하여 유전체의 염기서열을 재구성한다. 예를 들어, 잘려진 DNA 조각 [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}]에 대하여, [eqn: S _{i}] 와 [eqn: S _{j}]의  염기서열 끝부분이 서로 일치한다면 행렬의 (i, j) 성분을 1, 일치하지 않는다면 0으로 표시하여 만들어진 행렬이 다음과 같다고 하자.

[eqn: LEFT ( matrix{1`&1`&0`#1`&1`&1`#0`&1`&1} RIGHT )]

위의 내용으로부터, [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}]이 다음과 같이 배열되어 있음을 알 수 있다.

이 배열은    의 형태로도 표현 할 수 있다.

[eqn: S _{1}]

[eqn: S _{2}]

[eqn: S _{3}]

논제 1. 인간의 같은 염색체에서 얻어진 DNA 조각을 [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}], [eqn: S _{4}]이라고 하자.  [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}], [eqn: S _{4}]의 염기서열 일치 여부에 관한 정보로부터 다음 행렬이 만들어질 수 없음을 설명하시오.

[eqn: LEFT ( matrix{1`&1`&0&1`#1`&1`&1`&0`#0`&1`&1`&1`#1`&0`&1`&1`} RIGHT )]

논제 2. [eqn: n times n] 행렬 중 0과 1만을 성분으로 갖고 [eqn: 1 le i le n], [eqn: 1 le j le n]인 [eqn: i], [eqn: j]에 대하여 [eqn: (i,i)] 성분이 1이며 [eqn: (i,j)] 성분과 [eqn: (j,i)]성분이 같은 행렬을 ‘거울행렬’이라고 하자. 논제 1에서와 같이 4× 4 거울행렬 중에는 인간의 같은 염색체에서 얻어진 DNA 조각의 염기서열의 일치 여부에 관한 정보로부터 만들어 질 수 없는 행렬이 존재한다. 하지만 3× 3 거울행렬 중에는 그러한 행렬이 존재할 수 없음을 설명하시오.

논제 3. 인간의 같은 염색체에서 얻어진 [eqn: n]개의 DNA 조각을 [eqn: S _{1} ,~S _{2} ,~…,S _{n}] [eqn: (n GEQ 4)]이라고 하자. [eqn: S _{1} ,~S _{2} ,~…,S _{n}]의 염기서열의 일치 여부에 관한 정보로부터 만들어 질 수 없는 거울행렬을 하나 택하여 그것을 [eqn: (i,j)] 성분을 사용하여 표현하시오. (예를 들어, [eqn: LEFT ( matrix{ 1& 1# 1&1 } RIGHT )]은 [eqn: 1 le i le2], [eqn: 1 le j le 2]인 [eqn: i], [eqn: j]에 대하여 [eqn: (i,j)] 성분이 1인 행렬로 표현할 수 있다.) 또한, 그 행렬이 염기서열의 일치 여부에 관한 정보로부터 만들어 질 수 없는 이유를 설명하시오.

논제 4. 인간의 같은 염색체에서 얻어진 DNA 조각을 [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}], [eqn: S _{4}], [eqn: S _{5}], [eqn: S _{6}], [eqn: S _{7}]이라고 하자. 논제 3에서 찾은 행렬([eqn: n=7])과 다르면서 [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}], [eqn: S _{4}], [eqn: S _{5}], [eqn: S _{6}], [eqn: S _{7}]의 염기서열 일치 여부에 관한 정보로부터 만들어질 수 없는 거울행렬이 존재할 수 있는지에 대하여 논술하시오.(단, 논제 3에서 찾은 행렬의 i번째 행과 j번째 행, i번째 열과 j번째 열을 바꾸어 얻어지는 행렬은 같은 행렬로 간주한다.)

【문항 2】

✾ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

(가)

1. 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 입자들이 서로 충돌하여야 한다. 이때 반응 물질의 농도가 진해지면 입자들의 충돌 횟수는 어떻게 될까?

사람들이 황단 보도를 건너는 모습을 한가한 이른 아침과 복잡한 출근 시간으로 나누어 비교해 보자. 사람이 거의 없는 이른 아침보다는 여러 사람이 한꺼번에 횡단보도를 건널 때 더 자주 부딪치게 된다. 이와 마찬가지로 화학반응도 단위 부피 속의 입자 수가 증가하면 입자들의 충돌횟수가 많아진다. 입자의 충돌횟수가 증가할수록 반응을 일으킬 수 있는 입자 수가 많아져서 반응속도가 빨라진다.

화학 반응이 얼마나 빠르게 일어나는가의 정도를 반응 속도라고 한다. 반응 속도는 단위 시간동안 반응 물질이나 생성물질의 변화량으로 나타낼 수 있다.

[eqn: 반응``속도= {반응물질의``감소량} over {반응``시간} LEFT ( 또는`` {생성``물질의`증가량} over {반응`시간} RIGHT )]

2. 대부분의 화학 반응은 온도가 높아지면 반응 속도가 빨라지는데, 이것은 온도가 높아지면 분자의 운동이 활발해지며, 반응이 일어나기에 충분한 만큼의 운동 에너지를 가진 분자들이 많아지기 때문이다. 온도를 낮추어 생선이 상하는 반응을 느리게 하는 것이나 물이 끓는 온도를 높여서 음식이 빨리 되게 하는 것은 온도를 낮추거나 높여서 반응 속도를 조절하는 예이다.

3. 화학 반응에서 자신은 반응 전후에 아무 변화를 일으키지 않으면서, 반응 속도를 변화시키는 물질을 촉매라고 한다. 이 때 반응 속도를 빠르게 하는 물질을 정촉매, 반응 속도를 느리게 하는 물질을 부촉매라고 한다.

정촉매를 사용할 때 반응 속도가 빨라지는 것은 자전거를 타고 낮은 언덕을 넘어가는 것에 비유할 수 있다. 낮은 언덕을 따라 넘어가는 것이 높은 언덕을 따라 넘어가는 것보다 빠르게 목적지에 도달할 수 있는 것과 같이 정촉매는 화학 반응에서 언덕을 낮추는 역할을 한다.

(고등학교『과학』교과서)

(나)

1. 생물체 내에서 일어나는 여러 가지 화학 반응에서 촉매 역할을 하는 것을 효소라고 한다. 보통의 촉매들처럼 효소도 반응 속도를 변화시킨다. 효소는 어느 물질에나 작용하는 것이 아니라, 열쇠와 자물쇠의 관계처럼 특정한 반응에서만 촉매로서 작용한다. 또한 효소가 활발하게 작용하기 위해서는 적절한 온도와 pH가 유지되어야 한다.

2. 우리가 섭취한 음식물 중 우리 몸에 필요한 영양소는 소장에서 흡수된다. 음식물은 분자의 크기가 커서 그대로는 우리 몸에서 흡수될 수 없기 때문에 작게 분해되어야 하는데, 이러한 과정을 소화라고 한다.

기계적 소화란 소화 효소가 음식물에 최대로 작용할 수 있도록 도와주는 과정으로 저작 운동, 연동 운동, 혼합 운동 등이 있다. 화학적 소화과정은 우리 몸의 소화샘에서 분비되는 소화 효소에 의해 일어난다.

3. 화학적 소화에 관여하는 소화 효소는 주성분이 단백질이므로 온도와 pH에 따라 활성이 변한다. 소화 효소가 가장 활발하게 작용할 때의 온도를 최적 온도라고 한다. 일반적으로 체내에서 작용하는 소화효소의 최적 온도는 체온범위이다. 40℃ 이상의 고온에서는 효소의 단백질 구조가 변성되어 그 기능을 상실한다.

소화 효소가 가장 활발하게 작용할 때의 pH를 최적 pH라고 하는데, 소화 효소의 최적 pH는 소화효소의 종류에 따라 달라진다. 아밀라아제의 최적 pH는 약 7~8이고, 펩신의 최적 pH는 약 2~3이다. 그림처럼 소화 기관에 따라 pH가 달라지므로, 입에서 작용하는 아밀리아제는 위에서는 작용하기 어렵다.

온도와 소화 효소의 반응 속도                 각 소화기관의 pH

(고등학교『생물Ⅰ』 교과서)

논제 1. 여러 회사에서 생산된 소화제의 효능을 비교하기 위해 실험을 하기로 하였다.

a. 어떠한 소화제를 좋은 소화제라고 할 수 있는지 과학적인 기준을 설명하시오.

b. 좋은 소화제를 선발하기 위한 실험을 설계하시오.

논제 2. 생물학자가 소화효소의 활성화 에너지(제시문 (가)-3에서 언덕의 높이)를 생체 내 소화효소에 비해 20% 감소시킨 소화제를 개발하였다.

a. 이 소화제를 먹으면 어떠한 현상이 일어날지 소화과정을 중심으로 설명하시오.

b. 활성화 에너지와 반응속도 사이 관계는 다음과 같다. 아래 식을 이용하여 활성화 에너지가 20% 줄어들면 반응속도가 어떻게 변할지 계산 가능한 범위 내에서 구한 값을 사용하여 설명하시오.

반응속도는 속도상수 k와 각 물질의 농도에 비례한다.

k ∝ e-Ea/RT

(K=속도상수, T=절대온도,  R=1.987cal/mol․K, Ea=활성화 에너지

여기서 활성화 에너지는 20kcal/mol로 가정한다. )

논제 3. 만약에 논제 2에서와 같은 효소(활성화 에너지가 20% 감소된)를 가진 새로운 생물체가 발견되었다면, 이 생물체의 소화기관은 형태적, 기능적으로 어떠한 특징을 가지고 있을지 설명하시오.

논제 4. 제시문 (나)-3의 설명에서와 같이 소화효소들은 최적 pH가 각각 다르다. 단 한 개의 폴리펩티드(polypeptide)로 된 새로운 소화제(위와 소장에서 똑같이 최적으로 작용하는)를 만들고자 한다. 이것이 가능한지 여부와 그 방법에 대하여 설명하시오.

【문항 3】

✾ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

(가)

덴마크 사람인 티코 브라헤(1546-1601)는 지구가 태양 주위를 돌고 있다는 코페르니쿠스의 주장에 대하여 ‘정말 그럴까’라는 호기심을 확인하고 싶은 생각을 가졌다. 코펜하겐의 대학교에서 라틴어와 고전 문학을 전공하던 티코 브라헤는 1560년 우연히 일식을 보게 되면서 천문학에 더 큰 관심을 갖게 되었다. 가족들의 성화로 법률을 공부하려고 라이프치히 대학교에 입학했지만 천체 관측에 대한 그의 열정은 꺾이지 않았다. 그는 지구가 특정 궤도를 갖고 태양 주위를 돌고 있을 것이라고 생각하였다. 티코 브라헤는 1565년 라이프치히 대학교를 졸업하고 다시 코펜하겐으로 돌아왔지만 자기가 좋아하는 학문에 열중할 수 없었기 때문에 방황하는 생활을 계속하였다. 그는 코펜하겐을 떠나 아우스부르크로 옮겨, 여러 가지 천문학에 대한 자료들을 모으고, 어떤 기구로 천체를 관찰할 것인가를 설계하여 천문학에 몰두하기 시작하였다. 티코 브라헤는 별을 관찰할 때에 자신이 직접 만든 관측기구들을 많이 사용하였다. 그 중에는 별들이 보이는 각도를 측정하는 기구인 사분의가 있었는데, 그 크기가 6미터가 넘는 대단히 큰 것이었다. 그는 왕의 도움으로 섬에 관측소를 설치할 수 있었고, 새로운 별을 발견하기도 하였다. 그는 아주 좋은 연구 환경에서 1567년부터 1597년까지 별들의 움직임을 그 당시로서는 아주 정확하게 측정하였다. 1597년에 재정을 지원해주던 왕이 죽자 실험과 관측에 필요한 돈을 마련하는 데 많은 어려움을 겪게 되었다. 더구나 그는 건강까지 나빠져서 케플러를 자신의 조수로 초청하였다. 1601년에 티코 브라헤가 죽자 모든 자료는 케플러에게 넘겨졌다.

요한 케플러(1571-1630)는 티코 브라헤가 30여 년에 걸쳐 얻은 관측 자료를 해석하기 시작하였다. 코페르니쿠스는 지구가 원을 그리며 태양 주위를 돈다고 주장하였다. 그러나 케플러는 자료의 해석을 통하여 이러한 코페르니쿠스의 주장이 잘못되었다는 것을 알게 되었다. 태양과 지구 사이의 거리가 일정하지 않다는 점으로부터 지구는 태양 주위를 타원을 그리면서 돈다는 것을 알게 되었다. 또 태양과의 거리가 변하면서 그 거리가 멀수록 지구의 속력이 점점 느려진다는 것도 알게 되었다. 그리고 행성의 공전 주기와 궤도 장반경의 관계를 조사하여 공전 주기의 제곱이 궤도 장반경의 세제곱에 비례한다는 것도 알아냈다. 이 세 가지 결과를 오늘날 케플러의 법칙이라고 한다.

(고등학교 『과학』교과서)

(나)

아이작 뉴턴(1642-1727)은 경험적 사실에 바탕을 둔 케플러의 법칙을 이론적으로 설명하는 과정에서 만유인력의 법칙을 발견하고 이를 1687년에 발표하였다. 그 후 과학자들은 뉴턴의 운동 법칙과 만유인력의 법칙을 이용하여 우리 주위에서 접하는 여러 가지 운동과 현상, 나아가서는 우주에 있는 거대한 은하들의 구조와 운동까지도 이해할 수 있게 되었다.

논제 1. 위의 글은 백여 년에 걸쳐 세 명의 유명한 과학자들이 천체의 운동에 대한 관측으로부터 시작하여 만유인력의 법칙을 발견하기까지의 과정을 설명하고 있다. 이는 과학자들이 많이 쓰는 탐구 과정의 한 예를 잘 보여주고 있다. 위의 글을 참고하여 일반적인 과학 탐구 과정을 단계별로 나누어 기술하되, 위의 글에서 각 단계에 해당하는 적절한 예를 포함시키시오.

논제 2. 태양계에서는 태양이 압도적으로 밝고, 행성의 공전속도는 태양으로부터 거리의 제곱근에 반비례한다. 한편 구심력은 회전속도의 제곱과 질량에 비례하고 거리에 반비례한다. 이러한 사실에 근거하여 태양계의 질량 분포에 관하여 추론하시오.

논제 3. 태양계의 행성과 마찬가지로 나선 은하의 원반에 있는 별들도 은하 주위를 돈다. 그런데 우리 은하를 포함하여 대부분의 경우 나선 은하의 원반 가장자리에 있는 별들은 멀어져도 공전속도가 일정한 값을 갖는다(아래 그림 참조). 이는 케플러의 법칙으로 설명할 수 없다. 이러한 사실과 구심력의 개념을 이용하면 은하의 질량 분포가 태양계와 매우 다름을 알 수 있다. 이 내용을 바탕으로 은하의 질량분포를 추론하시오.

그림 : 은하의 회전 속도 측정 결과. 가로축은 은하중심으로부터의 거리, 그리고 세로축은 회전 속도를 나타낸다. A는 케플러 법칙에 따른 이론적 예측을, B는 관측 결과를 보여준다.

【문항 4】

✾ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

(가)

요즘 어디를 가나 매운 맛을 내세운 음식점들을 쉽게 볼 수 있으며, 그 매운 정도가 심하다고 입소문이 날수록 더 호황을 누리는 듯하다. 입에서 불이 날 정도로 매운 불닭이나 겨울철 길거리 음식의 대명사인 떡볶이, 어묵 등도 눈물이 쏙 빠질 정도의 매운 맛으로 사람들의 발길을 멈추게 한다. 몇 십 년 동안 꾸준히 사랑받고 있는 과자들도 경쟁적으로 ‘매운 맛 버전’을 내놓았고, 유명 외국계 외식업체들도 고추장이나 김치를 첨가한 매운 맛 메뉴를 개발하고 홍보하고 있다. 또한 여러 언론매체의 건강관련 코너에서도 매운 음식에 대해 자주 소개하는 등 매운 맛을 내는 성분과 그 기능에 대해서 깊은 관심을 보이고 있다.

철수도 평소에 매운 음식을 아주 즐겨먹는다. 매운 음식을 먹으면 스트레스가 해소되는 듯하고, 다이어트에도 도움이 된다고 알고 있기 때문이다. 어느 날 철수의 아버지는 퇴근길에 ‘전국에서 가장 매운 떡볶이’를 파는 곳이라 쓰인 광고를 보고 철수 생각이 났다며 빛깔부터 예사롭지 않은 떡볶이를 사오셨다. 철수는 호기심에 떡볶이를 보자마자 얼른 먹어보았다. 그런데 정말 입안이 얼얼해지며 눈물을 맺히기 시작했다. 평소 매운 음식을 아주 잘 먹던 철수도 견디기 힘들어 물 한 컵을 단숨에 마셨는데 별다른 효과가 없는 듯했다. 곁에서 지켜보시던 어머니께서 매운 맛을 없애는 데는 이게 더 나을 거라며 우유를 한 컵 주셨는데, 신기하게도 마시자마자 입안의 얼얼한 느낌이 사라지는 것을 느꼈다.

(나)

1세기 무렵 아시아 및 아프리카 동부 해안에서 지중해로 수입되는 물품의 반 이상은 향신료였고 그 대부분은 인도에서 들여온 후추였다. 향신료는 두 가지 이유로 요리에 사용되었다. 첫째는 음식의 부패를 막는 것이고 둘째는 향미(香味)를 더 좋게 하는 것이었다. 그런데 15세기 경에는 베네치아 상인들이 향신료 무역을 독점하여 엄청난 이윤을 얻었다. 이에 다른 나라들도 후추를 구하기 위해 인도로 갈 수 있는 새로운 길을 진지하게 검토하기 시작했으며, 그 결과 대항해 시대가 시작되었다.

포르투갈 항해가 바르톨로뮤 디아스(Bartolomeu Dias)는 1487년에 희망봉을 돌았고, 그 뒤 바스코 다 가마(Vasco da Gama)는 디아스에 의해 개척된 항로를 따라 1498년 인도에 도착했다. 스페인도 향료 무역, 특히 후추에 관심을 두고 있었다. 또한 제노바 사람 크리스토퍼 콜럼버스(Christopher Columbus)는 서쪽으로 항해하면 인도의 동쪽 가장자리에 도달하는 더 짧은 항로를 찾을 수 있을 거라 확신하고, 1492년 스페인 국왕 페르난도(Fernando)와 여왕 이사벨(Isabel)을 설득해서 탐사 여행을 떠났다. 콜럼버스의 확신은 어느 정도는 맞았지만 전적으로 옳지는 않았다. 후추는 베네치아를 거대한 도시로 만들었고 대항해 시대를 주도했으며 콜럼버스가 신세계를 찾아 나서도록 했다. 후추에는 도대체 무슨 성분이 들어 있을까? 후추의 활성 성분은 피페린(piperine)이다.

콜럼버스는 두 번째 항해 때 서인도 제도의 아이티에서 매운 맛이 나는 새로운 향신료인 고추를 발견했다. 고추는 자신이 알고 있는 후추와는 전혀 다른 향신료였지만 콜럼버스는 개의치 않았다. 그 뒤 고추는 포르투갈 사람들에 의해 동쪽으로 전파되어 아프리카를 빙 둘러 인도 너머까지 건너갔다. 그리고 50년 만에 전 세계로 퍼져 아프리카, 동아시아, 남아시아 요리와 빠르게 결합했다. 고추는 콜럼버스의 항해가 가져다 준 가장 중요하고 지속적인 혜택 가운데 하나임이 분명하다(고추의 매운 맛을 사랑하는 수많은 사람들에게 말이다). 고추가 공통적으로 갖고 있는 매운맛은 캡사이신(capsaicin) 때문이다. 캡사이신의 구조식은 피페린과 유사하다.

(페니 르 쿠터, 제이 버레슨『역사를 바꾼 17가지 화학 이야기』)

논제 1. 피페린과 캡사이신의 화학 구조는 아래와 같다. 골격의 탄소와 수소는 생략되어 있다. 예컨대 캡사이신 오른쪽 끝의 -는 -CH3를 나타낸다.

피페린                                캡사이신

피페린과 캡사이신 같은 화합물은 생물에서만 찾아 볼 수 있다. 이러한 화합물은 언뜻 보면 상당히 복잡해 보이지만 수소(H2), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 물(H2O), 이산화탄소(CO2), 에틸렌(C2H4) 같은 간단한 분자에서 드러나는 원자들 사이의 결합 방식을 그대로 따른다.

피페린과 캡사이신의 공통점과 차이점을 다음 관점에서 논하시오.

가. 원소의 조성

나. 화학 결합의 원리, 다른 원자와 이루는 결합의 수

다. 매운 맛을 내는 데 관련되어 있으리라 추측되는 구조적 특성

라. 물과 기름 중 어디에 더 잘 녹을지

논제 2. 후추나 고추가 들어 있는 음식을 먹으면 피페린이나 캡사이신이 혀에 들어있는 단백질 수용체(receptor)에 의해 인식되어 그 신호가 두뇌로 전달되는 일련의 과정이 시작된다. 흥미롭게도 피페린과 캡사이신은 같은 수용체와 결합한다. 이 두 가지보다 더 매운 맛을 내는 화합물을 만들려고 한다면 어떻게 해야 할지 가능한 접근 방법을 제시하시오.

논제 3. 유유상종(類類相從), "Birds of a feather flock together."에서 볼 수 있듯이 비슷한 것끼리 모이는 것은 자연에서나 인간사에서나 마찬가지인 듯하다. 입 속의 매운 맛을 없애려면 물보다 우유를 마시는 것이 더 효과적이다. 그  이유를 우리 주위에서 찾아 볼 수 있는 다른 현상과 연결 지어 설명하시오.

논제 4. 특정 식물이 피페린과 캡사이신 같은 화합물을 가지게 된 과정을 진화의 관점에서 설명하시오.