2014학년도 수시모집 수학·과학 우수자 전형 수학사고력 평가 (생명과학) 출제 영역

1. 출제의도 및 문항해설

출제의도 : 학교 교육에서 정상적인 생명과학 교과를 학습한 학생들이 충분히 이해할 수 있는 정도의 제시문을 제공하였으며, 문항들은 단순 암기로 답을 할 수 있는 것 보다는 분석하고 사고하여 답을 할 수 있는 형태로 구성하였다. 주어진 응급의 상황에서 어떤 결정을 하여야 하는데 그 결정에 기본적인 생물학적 지식을 적용할 수 있는지의 여부, 실험에서 얻은 결과를 근거로 하여 실생활에서 일어나는 현상들을 설명할 수 있는 지의 여부, 세포의 구성과 기능의 측면에서 기본적으로 다루는 세포막과 물질의 이동에 대한 이해 여부 등을 묻고 있다.

문항해설

문항 1. ABO식 혈액의 가계도를 제시하고 있다. 이 가계도를 바탕으로 ABO식 혈액형의 유전자형을 추정하는 것을 묻고 있고, 항원-항체 반응을 활용하여 혈액형을 판정하는 실험을 이해하고 있는지를 묻고 있다. 혈액형 유전의 이해와 혈액형 판정은 결국 실제 어떤 상황에서 수혈이 요구될 때 부작용 없이 수혈을 위한 것이다. 문항에서 수혈이 필요한 상황을 제공하고 학생들이 알고 있는 범위에서 수혈의 가능성 여부를 혈액형과 항원-항체 반응의 이해를 통해 판단할 수 있는 능력을 묻고 있다.

문항 2. 질소순환의 이해를 묻고 있다. 화분 3개에 토양을 담고 아무런 처리 없이 대조군으로 사용하고, 나머지 2군데에 각각 콩과 씨감자를 심어 콩깍지가 달리고 감자가 생기는 시점까지 키운 후 각 화분의 토양과 식물의 상대 질소량을 그래프로 제시하고 있다. 여기서 유의해야하는 것은 식물들이 토양이 아닌 폐쇄공간(화분)에서 자라므로 외부로 부터의 영양분 유입이 어렵다는 점이다. 콩이 있는 화분의 총 상대 질소량이 감자가 있는 화분보다 많은 이유를 묻고 있는데, 이는 뿌리에 공생하고 있는 뿌리혹박테리아의 질소고정에 의한 질소성분의 공급을 이해하고 있는지를 묻는 것이다. B화분 토양의 질소량이 C화분보다 많은 것을 보여주고 있는데 이는 질소고정으로 인해 질소성분이 토양에 남는다는 것을 의미하므로 이를 활용하여 혼작법으로 비료를 주지 않고 작물을 재배하는 유기농이 가능한지를 유추할 수 있는지를 묻고 있다. 특이한 방법으로 생활하는 식충식물을 예로 들어 이들이 살고 있는 환경적 요인을 바탕으로 곤충을 잡아먹어 얻을 수 있는 영양소를 유추할 수 있는지를 묻고 있다.

문항 3. 세포를 이루는 여러 구조체들의 기능들 중 세포막의 물질 이동에 관한 내용의 이해를 묻고 있다. 단순확산과 세포막에 있는 수송단백질을 통한 물질 이동인 촉진확산에서의 물질 이동 속도를 그래프로 제시하여 비교하였으며, 기체인 산소와 포도당의 세포내 이동을 이해하고 있는지를 묻고 있다. 수송단백질은 일정한 수로 세포막에 존재하므로 물질의 농도가 증가한다고 무한정 이동 속도가 증가하는 것이 아니고 최대 속도가 존재 할 수 있다는 개념을 알고 있는지 묻고 있다. (II)는 낮은 농도에서 높은 농도로의 이동이므로 ATP를 요구하는 능동수송이다. 산소공급의 중단으로 전자전달계의 전자이동이 이루어 지지 않아 ATP를 합성하지 못하므로 이동이 급감할 수 있는지를 유추 할 수 있는지를 묻고 있다.

2. 종합평가 기준

문항	평가영역	평가내용	난이도	배점	출제영역
					교과목	교과서 개념
1-1	이해	혈액형 유전의 이해	하	3	생명 과학	사람의 유전
1-2	분석	혈액형 유전의 이해와 항원-항체반응의 분석	하	3	생명 과학	사람의 유전 면역반응
1-3	추론	면역반응과 수혈가능성의 추론	중	5	생명 과학	사람의 유전 면역반응
2-1	분석 및 이해	데이터분석 및 질소순환의 이해	상	6	생명 과학	물질의 순환 생태계 구성
2-2	추론 및 분석	데이터분석을 통한 실제 현상의 추론	중	4	생명 과학	물질의 순환 생태계 구성
2-3	추론 및 이해	환경요인을 근거로 현상의 추론	중	5	생명 과학	물질의 순환 생태계 구성
3-1	이해	세포막을 통한 물질 이동의 이해	하	3	생명 과학 I	세포의 생명 할동
					생명 과학 II	생물체 구성 세포막 물질 이동
3-2	추론	세포 구조를 근거로 물질 이동 추론	중	4	생명 과학Ⅱ	세포막 물질 이동
3-3	추론 및 이해	세포호흡의 이해를 통한 물질이동 추론	상	7	생명 과학 I	세포의 생명활동
					생명 과학 II	세포막 물질 이동

모 범 답 안

■ 모범답안

1-1> A: 2번,  AA , AO

1-2> Rh+ O형, 항 A혈청과 항 B혈청 모두에서 응집하지 않았으므로 영희의 혈액에는 응집원 A와 B가 포함되어 있지 않다. 따라서 O형이며, 항 Rh 혈청에 응집했으므로 영희의 혈액에 Rh 응집원이 있다. 따라서 Rh+형이다.

1-3> 두 경우 모두 가능하며, 그 이유를 논리적으로 설명해야 함

소량 수혈일 경우에는 옳다. 영희는 O형이므로 혈액의 적혈구에는 응집원은 없으나 혈장에 응집소 α와 β가 있다. 아버지의 혈액형은 A형이므로 응집원 A를 가진다. 따라서 소량의 수혈이 이루어지는 경우 영희의 적혈구에는 응집원이 없으므로 아버지의 혈액에서 정상적으로 기능을 수행할 수 있다. 영희로부터 유입된 영희의 응집소 α와 β 중 α와 아버지의 적혈구에 있는 응집원 A가 항원-항체 반응에 의한 응집을 일으킬 수 있으나 수혈된 영희의 혈액이 소량이므로 응집소들이 희석되므로 응집반응이 쉽게 일어나지 않는다. 수혈에서 고려해야 할 또 다른 항원이 Rh 항원이다. 영희가 Rh+형이므로 아버지가 Rh+형인 경우는 수혈이 가능하다. 아버지가 Rh-형인 경우, 이전에 아버지가 수혈 받은 경험이 있다할지라도 일반적으로 Rh+형의 혈액을 Rh-형에게 수혈하지 않으므로 영희의 혈액을 수혈할 수 있다.

다량 수혈일 경우 옳지 않다. 영희의 혈액에 있는 적혈구는 응집원을 가지고 있지 않으나 혈장에 응집소 α와 β가 있다. 아버지의 혈액형은 A형이므로 응집원 A를 가진다. 따라서 다량의 수혈이 이루어지는 경우 영희의 적혈구는 아버지의 혈액에서 문제를 일으키지 않으나 다량으로 유입된 영희의 응집소 α와 β 중 α와 아버지의 적혈구에 있는 응집원 A가 항원-항체 반응에 의한 응집을 일으킬 수 있어 수혈 부작용(혈구 빈혈증)이 유발 될 수 있다. 이 경우 소량 수혈로 응급의 조치를 취하면서 아버지와 같은 혈액형을 찾아 수혈을 해야 한다.

2-1> 화분 B는 콩과식물이므로 뿌리에 뿌리혹박테리아가 공생할 수 있다. 뿌리혹박테리아는 식물이 직접 이용하지 못하는 대기 중의 질소(N2)를 암모늄 이온(NH4+)으로 고정하고, 아질산균과 질산균은 암모늄 이온을 식물이 주로 토양 속에서 흡수하는 형태인 질산 이온(NO3-)으로 전환한다. 콩은 암모늄 이온이나 질산 이온을 흡수하여 질소 동화 작용을 통해 체내에 질소 화합물을 만든다. 반면, 화분 C의 씨감자 뿌리에는 뿌리혹박테리아가 공생할 수 없어서 뿌리혹박테리아에 의한 질소 고정이 일어나지 않으므로 토양과 식물체의 총 질소량이 B화분보다 적다.

2-2> 화분 A와 화분 C를 비교하면 토양 속의 질소가 대부분 씨감자의 체내로 흡수되어 저장된 것을 알 수 있다. 따라서 감자만 재배하면 토양 속의 질소 함량은 한정적이기 때문에 질소량이 점점 부족해지므로 감자의 생육이 느려지게 된다. 화분 B의 실험 결과를 보면 뿌리혹박테리아가 없는 화분 C보다 식물체내 질소량이 많을 뿐 아니라, 토양에 존재하는 질소량도 많으므로 뿌리혹박테리아가 고정한 질소가 토양 속에도 남아 있는 것을 알 수 있다. 그러므로 혼작법을 이용하면 뿌리혹박테리아에 의해 고정된 질소의 대부분을 콩이 이용하지만 토양 속에도 남게 되므로, 토양 속 질소를 감자가 이용할 수 있게 되므로 별도의 질소비료를 공급하지 않아도 감자를 재배하는데 필요한 질소성분을 제공할 수 있다.

2-3>

끈끈이주걱이 살고 있는 pH가 산성인 습지 환경은 분해자의 역할을 하는 생물체들이 잘 살 수 없는 환경이므로 습지 바닥에 비록 유기체이 많이 쌓여 있더라고 분해되지 않아 유기 분해 산물이 부족하다. 이 환경에서 끈끈이주걱은 생육에 필요한 탄소는 광합성을 통해 얻고 질소 성분은 곤충을 잡아 소화시켜 얻는다. 따라서 곤충을 잡아먹지 않으면 질소 성분이 결핍되게 된다. 질소가 결핍되면 생체를 구성하는 주요 고분자 물질들 중 단백질과 핵산을 합성하지 못한다.

3-1>

㉠은 포도당의 이동을, ㉡은 산소의 이동을 나타낸 것이다. 포도당 스스로는 세포막을 쉽게 통과하지 못하고 세포막에 있는 수송 단백질을 통해 효율적으로 이동하므로 단순확산에 비해 낮은 농도에서도 포도당을 빠르게 이동시킨다. 산소는 기체이므로 단순 확산에 의해 이동 되며, 이동 속도는 절대적으로 농도에 비례하여 증가한다.

3-2>

㉠은 세포막에 있는 수송단백질을 통한 물질의 이동을 나타내는데, 이 수송단백질은 세포 당 한정된 수를 가지므로 세포막에 있는 수송단백질 모두를 포화시키는 농도에서 최대의 속도를 나타내고 그 이상의 농도에서도 더 이상의 속도는 증가되지 않는다.

3-3>

세포 호흡의 궁극적인 목적은 생명활동(물질운반, 물질 합성, 체온 유지 등)에 필요한 에너지인 ATP를 생성하는 것이다. 우리가 주로 섭취하는 탄수화물은 해당과정과 TCA회로를 통해 분해(산화)되는데 이 과정에서 NADH와 FADH2가 생성된다. NADH와 FADH2는 미토콘드리아 내막에 있는 전자 운반체에 전자를 전달하고, 이 후 전자는 전자전달계를 구성하는 여러 종류의 전자 운반체를 거쳐 최종적으로 H+와 함께 산소에 전달되어 물이 된다. 전자가 전자전달계를 통해 이동할 때 미토콘드리아 기질에서 내막과 외막 사이 공간으로 수소 이온을 수송하여 내막을 중심으로 수소 이온의 농도기울기가 형성된다. 막 사이 공간의 수소 이온이 기질로 확산되면서 ATP가 합성된다. 따라서 산소가 최종 전자 수용체로 작용하여 계속해서 전자를 받기 때문에 전자의 흐름이 계속해서 일어나 ATP를 합성할 수 있게 된다.

그림(II)는 농도가 낮은 곳으로부터 높은 곳으로의 이동을 나타낸다. 이는 능동수송을 의미하며 이 수송 방법은 ATP를 필요로 한다. 이 세포에 산소 공급을 중단하면 전자전달계의 최종 전자 수용체가 없으므로 전자전달계가 작동하지 않아 세포의 주요 ATP 공급이 중단된다. 따라서 ATP 부족에 의한 물질 A의 이동속도가 급격히 감소하게 될 것이다.

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