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경기과학고를 조기 졸업하고 KAIST와 경희대 한의대를 차례로 졸업한 뒤 NK학원의 원장으로 과학논술을 강의하고 있으며 NK 으뜸한의원 공동 원장을 맡고 있다. 평소 글쓰기에 관심이 많아 여러 매체에서 과학, 경제 칼럼니스트로 활동하고 있다.
지배계급 원숭이와 종속계급 원숭이 중 누가 더 마약 중독에 빠지기 쉬울까요?
Q_1
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 도박은 하면 할수록 내성이 생깁니다. 시간이 지나면 도박을 하면서 느끼는 흥분이 점점 줄어들기 때문에 같은 흥분을 유지하기 위해 도박을 하는 돈의 액수를 점점 늘리게 됩니다. 내성이 생긴 사람은 도박을 하지 않으면 안절부절 못하는 금단증상 때문에 다시 도박장을 찾습니다. 결국 자신의 의지와 상관없이 도박에 중독되는 셈입니다.
도박을 하면 뇌에서 도파민이라는 일종의 마약성분이 발생합니다. 우리의 기분을 좋게 만드는 도파민 역시 반복되면 중독현상이 생깁니다. 뇌가 도박중독을 부르는 것입니다. 따라서 중독을 일으키는 뇌의 신경회로를 차단시키는 치료를 해야 합니다.
- SBS 2006년 9월 1일자
(나) 마약중독자는 법적 구속에 대한 두려움, 마약에 의해 유발된 정신병적 증상, 가정생활을 포함한 사회적 관계의 훼손, 경제적 곤경 같은 이유로 마음이 편하지 않다. 마약중독자 대부분은 가정이 편안할 때, 일이 있어 바쁠 때, 사회생활이 순조로울 때 마약을 끊을 수 있었다고 이야기한다. 그리고 그 때 경험을 근거로 자신도 마음만 먹으면 마약을 끊을 수 있다고 자신한다. 그들이 마약에 심취할 때와 그렇지 않을 때는 어떤 차이가 있었던 걸까. 최근까지 연구결과로 보면 해답은 도파민 수용체에 있다.
(다) 짧은 꼬리 원숭이 20마리를 대상으로 한 연구가 있다. 먼저 원숭이를 한동안 개별적으로 생활하게 한 뒤 3개월 동안 4마리씩 군을 이뤄 살도록 했다. 그러자 각 군에서 공격적 또는 복종적 행동을 통해 사회 계급이 생겼다. 사회적 계급이 높은 지배군은 안락한 환경을 즐기지만, 낮은 계급인 종속군은 열악한 환경에서 스트레스가 많을 것이라고 짐작됐다. 집단생활을 시작하면서 PET(양전자 방사 단층촬영)로 각 군의 도파민 D2 수용체를 측정한 결과 개별적으로 생활할 때와 큰 차이가 없었다. 하지만 3개월 간의 집단생활을 거친 뒤 지배군의 D2 수용체가 개별적으로 생활할 때에 비해 평균 20%가량 증가했음을 볼 수 있었다. 종속군의 D2 수용체는 이전과 큰 변화가 없었다. 또 원숭이들에게 자유롭게 코카인을 섭취할 수 있도록 하자 지배군의 코카인 사용량이 종속군에 비해 현저히 적었다. 이로써 개인의 과거와 상관없이 생활에서 ‘새롭고 긍정적인 경험을 하면 마약 사용을 줄일 수 있을 것’이라는 가정을 이끌어 낼 수 있다.
- 네이처 뉴로사이언스 2002년 5월 2일자
(라) <;그림 1>;은 신경계의 구조적, 기능적 기본 단위인 뉴런을 나타낸 것이다. 뉴런은 생장과 물질대사에 관여하는 신경세포체와 신경세포체에서 분화해 자극을 수용하는 수상돌기, 그리고 흥분을 다른 뉴런이나 반응기로 전달하는 축색돌기로 구성된다. 신경세포체는 다시 핵과 세포질로 이뤄진다.
뉴런은 기능에 따라 감각뉴런, 운동뉴런, 연합뉴런으로 나뉜다. 감각뉴런은 감각기의 자극을 중추신경계로 전달하는 역할을 하고, 운동뉴런은 중추신경계의 명령을 반응기로 전달한다. 이때 감각뉴런과 운동뉴런을 연결하는 것이 연합뉴런이다. 구조에 따라서는 유수신경과 무수신경으로 나눈다.
<;그림 2>;는 시냅스에서 신경 자극이 전달되는 과정을 간단히 나타낸 것이다. 뉴런 말단에서 신경전달물질이 들어있는 소포가 방출되고 소포가 터지면서 신경전달물질이 확산된다. 이 물질이 다음 뉴런의 수용체와 결합하면서 자극이 계속 전달된다.
1) 제시문을 읽고 도박 중독이 생기는 메커니즘을 설명하라.
2) 제시문 (다)에서 지배군 원숭이에게서만 도파민 수용체가 늘어난 이유를 설명하고 이를 통해 마약 중독을 끊을 수 있는 방법을 제시하라.
전문가 클리닉
1) 도박을 하면 뇌에서 도파민이라는 일종의 마약성분이 나와 기분이 좋아지는데 이것이 반복되면 중독현상이 생깁니다. 도파민 화학식은 C8H11NO2로 호르몬이나 신경전달물질로서 중요한 노르에피네프린과 에피네프린 합성체가 만들어지기 위한 이전 물질입니다. 도파민 자체가 중추신경계에서 뉴런의 신경전달물질로서 작용한다는 사실이 밝혀져 있으므로 도파민과 신경전달과정을 연결시켜 도박 중독을 설명하면 됩니다.
2) 도파민 유전자를 제거한 쥐는 몸을 움직이지 못해 굶어 죽는 반면 도파민이 지나치게 많이 공급된 쥐는 탐구적이며 모험적이라고 합니다. 인간의 경우도 마찬가지로 도파민이 부족하면 결단력이 없어지고 개성이 사라지며 점차 자기 몸조차 움직이기 힘들어집니다. 극단적인 예가 파킨슨병입니다. 하지만 도파민이 과다 공급되면 도파민 항진증(정신분열증)이 일어날 수 있습니다. 도파민이 적당히 분비될 때 긍정적인 감정 반응이 유도된다는 면에서 답안을 작성합니다.
예시답안
1) 도박을 하면 뇌에서 도파민이라는 일종의 마약성분이 분비된다. 도파민은 신경전달물질로 작용하고 아세틸콜린처럼 전기적 신호에 의해 신경세포의 한쪽 끝부분에서 분비된다. 분비된 도파민은 확산에 의해 다음 뉴런의 도파민 수용체에 결합하고, 도파민이 수용체에 결합된 신경세포는 스스로 전기적 신호를 생성한다. 이런 일련의 과정에 의해 도파민이 자극을 전달하면 뇌에서 긍정적인 감정 반응인 쾌감이 생긴다. 인간은 도파민을 더 많이 분비하는 쪽으로 행동하는데 도박 중독도 이와 유사한 메커니즘으로 일어난다.
2) 집단생활을 한 3개월 동안 지배군 원숭이는 종속군 원숭이에 비해 안락한 생활을 즐겼으므로 도파민이 더 많이 분비됐을 것이다. 이는 PET 결과 도파민을 수용하는 수용체의 수가 증가한 것으로 알 수 있다. 일반적으로 마약은 쾌감을 증가시키기 위해 복용한다. 도파민도 일종의 자연적인 마약 성분이다. 지배군 원숭이는 생활하면서 자체적으로 종속군 원숭이에 비해 많은 양의 도파민을 생성하므로 마약의 힘을 빌리지 않고도 충분히 쾌감을 느낀다. 이것은 지배군 원숭이의 코카인 섭취량이 종속군에 비해 현저히 적다는 점으로 증명된다. 즉 마약중독자의 생활환경을 긍정적이고 편안하게 만든다면 스스로 많은 양의 도파민을 생성해 마약의 힘을 빌리지 않고도 긍정적인 삶을 유지할 수 있을 것이다.
Q_2
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 재조합 유전자를 만드는 과정에는 제한효소, 운반체(벡터), 연결효소(리가아제)가 필요하다. DNA 제한효소는 DNA의 특정 부위를 잘라내고, DNA 연결효소는 DNA 제한효소에 의해 잘린 부위나 특정 염기쌍을 연결한다. 운반체는 재조합 DNA를 숙주세포나 다른 생물의 세포에 운반하는 기능을 한다. 실제로 DNA를 복제하는 과정에서는 운반체로 플라스미드와 박테리오파지를 주로 사용한다.
- 고등학교 생물II 교과서
(나) 폭발적인 인구 증가와 경지면적의 지속적인 감소로 식량의 안정적인 수급을 위한 새로운 방법들이 모색됐다. 게다가 산업혁명 이후 화석에너지의 과다 사용은 지구온난화 같은 환경문제를 초래하고 있다. 이런 시점에서 사람들은 유전자변형생물체(GMO)가 식량부족 문제, 환경 문제 그리고 에너지 문제를 해결하는데 중요한 역할을 할 수 있기를 기대하고 있다. 의료분야에서도 유전자 및 바이오파밍 연구를 통해 난치병을 치료하기 위한 노력이 계속되고 있다.
(다) 바이오연료 자동차, 천연가스 자동차, 차세대 디젤 자동차는 차량 자체는 기존 화석연료 자동차와 동일하지만 유해가스 배출이 적은 친환경 연료를 사용한다는 점에서 대체연료 자동차로 분류된다. 바이오연료에는 대표적으로 바이오디젤과 바이오에탄올, 메탄올이 있는데 이들은 콩, 유채씨, 옥수수, 사탕수수 같은 식물성 원료로 제조된다. 현재 미국, 브라질을 포함한 여러 나라에서 이를 연료로 사용하는 자동차가 상용화돼 있으며, 휘발유 또는 디젤을 일부 섞어 사용하기도 한다. 바이오연료 자동차는 이산화탄소를 배출하기는 하지만 연료 생산을 위해 새로 심은 식물이 이를 흡수한다는 점에서 무공해 에너지로 보는 시각도 있다.
- 서울경제신문 2008년 6월 10일자
유전자변형생물체를 에너지 문제에 어떻게 이용할 것인지 서술하라.
전문가 클리닉
에너지 문제에 대한 관심이 높아지면서 생명공학 기술을 이용해 이를 해결하려는 노력이 이루어지고 있습니다. 유전자변형 생물체를 이용한 대체에너지 개발도 노력의 일부입니다. 유전자 재조합 기술을 이용해서 바이오에탄올 생산 균주를 만들어 연료로 사용할 수 있습니다. 운반체인 플라스미드에 제한효소와 리가아제를 이용해서 바이오에탄올을 만들어내는 유전자를 재조합합니다. 만들어진 유전자를 대장균 같이 번식력이 강한 균주에 넣어주면 균주는 바이오에탄올을 대량 생산할 수 있어 대체에너지 생산에 큰 도움을 줄 수 있습니다.
예시답안
급등한 석유가격과 이산화탄소 감축 움직임으로 바이오매스를 이용한 대체에너지 생산 기술이 큰 관심을 받기 시작했다. 최근에는 유전자변형생물체를 이용한 바이오에너지 생산과 전환 기술 개발에도 많은 투자가 이루어지고 있다. 발효를 통해 바이오에탄올을 만들 수 있도록 유전자를 재조합한 플라스미드를 대장균 같은 균주에 넣어 재조합하면 균주는 바이오에탄올을 만들어 낼 수 있다. 대장균의 경우에는 번식력이 좋아서 약 15분에 1회 분열하므로 개체수가 급격히 늘어나 대량 생산이 가능하다.
지배계급 원숭이와 종속계급 원숭이 중 누가 더 마약 중독에 빠지기 쉬울까요?
Q_1
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 도박은 하면 할수록 내성이 생깁니다. 시간이 지나면 도박을 하면서 느끼는 흥분이 점점 줄어들기 때문에 같은 흥분을 유지하기 위해 도박을 하는 돈의 액수를 점점 늘리게 됩니다. 내성이 생긴 사람은 도박을 하지 않으면 안절부절 못하는 금단증상 때문에 다시 도박장을 찾습니다. 결국 자신의 의지와 상관없이 도박에 중독되는 셈입니다.
도박을 하면 뇌에서 도파민이라는 일종의 마약성분이 발생합니다. 우리의 기분을 좋게 만드는 도파민 역시 반복되면 중독현상이 생깁니다. 뇌가 도박중독을 부르는 것입니다. 따라서 중독을 일으키는 뇌의 신경회로를 차단시키는 치료를 해야 합니다.
- SBS 2006년 9월 1일자
(나) 마약중독자는 법적 구속에 대한 두려움, 마약에 의해 유발된 정신병적 증상, 가정생활을 포함한 사회적 관계의 훼손, 경제적 곤경 같은 이유로 마음이 편하지 않다. 마약중독자 대부분은 가정이 편안할 때, 일이 있어 바쁠 때, 사회생활이 순조로울 때 마약을 끊을 수 있었다고 이야기한다. 그리고 그 때 경험을 근거로 자신도 마음만 먹으면 마약을 끊을 수 있다고 자신한다. 그들이 마약에 심취할 때와 그렇지 않을 때는 어떤 차이가 있었던 걸까. 최근까지 연구결과로 보면 해답은 도파민 수용체에 있다.
(다) 짧은 꼬리 원숭이 20마리를 대상으로 한 연구가 있다. 먼저 원숭이를 한동안 개별적으로 생활하게 한 뒤 3개월 동안 4마리씩 군을 이뤄 살도록 했다. 그러자 각 군에서 공격적 또는 복종적 행동을 통해 사회 계급이 생겼다. 사회적 계급이 높은 지배군은 안락한 환경을 즐기지만, 낮은 계급인 종속군은 열악한 환경에서 스트레스가 많을 것이라고 짐작됐다. 집단생활을 시작하면서 PET(양전자 방사 단층촬영)로 각 군의 도파민 D2 수용체를 측정한 결과 개별적으로 생활할 때와 큰 차이가 없었다. 하지만 3개월 간의 집단생활을 거친 뒤 지배군의 D2 수용체가 개별적으로 생활할 때에 비해 평균 20%가량 증가했음을 볼 수 있었다. 종속군의 D2 수용체는 이전과 큰 변화가 없었다. 또 원숭이들에게 자유롭게 코카인을 섭취할 수 있도록 하자 지배군의 코카인 사용량이 종속군에 비해 현저히 적었다. 이로써 개인의 과거와 상관없이 생활에서 ‘새롭고 긍정적인 경험을 하면 마약 사용을 줄일 수 있을 것’이라는 가정을 이끌어 낼 수 있다.
- 네이처 뉴로사이언스 2002년 5월 2일자
(라) <;그림 1>;은 신경계의 구조적, 기능적 기본 단위인 뉴런을 나타낸 것이다. 뉴런은 생장과 물질대사에 관여하는 신경세포체와 신경세포체에서 분화해 자극을 수용하는 수상돌기, 그리고 흥분을 다른 뉴런이나 반응기로 전달하는 축색돌기로 구성된다. 신경세포체는 다시 핵과 세포질로 이뤄진다.
뉴런은 기능에 따라 감각뉴런, 운동뉴런, 연합뉴런으로 나뉜다. 감각뉴런은 감각기의 자극을 중추신경계로 전달하는 역할을 하고, 운동뉴런은 중추신경계의 명령을 반응기로 전달한다. 이때 감각뉴런과 운동뉴런을 연결하는 것이 연합뉴런이다. 구조에 따라서는 유수신경과 무수신경으로 나눈다.
<;그림 2>;는 시냅스에서 신경 자극이 전달되는 과정을 간단히 나타낸 것이다. 뉴런 말단에서 신경전달물질이 들어있는 소포가 방출되고 소포가 터지면서 신경전달물질이 확산된다. 이 물질이 다음 뉴런의 수용체와 결합하면서 자극이 계속 전달된다.1) 제시문을 읽고 도박 중독이 생기는 메커니즘을 설명하라.
2) 제시문 (다)에서 지배군 원숭이에게서만 도파민 수용체가 늘어난 이유를 설명하고 이를 통해 마약 중독을 끊을 수 있는 방법을 제시하라.
전문가 클리닉
1) 도박을 하면 뇌에서 도파민이라는 일종의 마약성분이 나와 기분이 좋아지는데 이것이 반복되면 중독현상이 생깁니다. 도파민 화학식은 C8H11NO2로 호르몬이나 신경전달물질로서 중요한 노르에피네프린과 에피네프린 합성체가 만들어지기 위한 이전 물질입니다. 도파민 자체가 중추신경계에서 뉴런의 신경전달물질로서 작용한다는 사실이 밝혀져 있으므로 도파민과 신경전달과정을 연결시켜 도박 중독을 설명하면 됩니다.
2) 도파민 유전자를 제거한 쥐는 몸을 움직이지 못해 굶어 죽는 반면 도파민이 지나치게 많이 공급된 쥐는 탐구적이며 모험적이라고 합니다. 인간의 경우도 마찬가지로 도파민이 부족하면 결단력이 없어지고 개성이 사라지며 점차 자기 몸조차 움직이기 힘들어집니다. 극단적인 예가 파킨슨병입니다. 하지만 도파민이 과다 공급되면 도파민 항진증(정신분열증)이 일어날 수 있습니다. 도파민이 적당히 분비될 때 긍정적인 감정 반응이 유도된다는 면에서 답안을 작성합니다.
예시답안
1) 도박을 하면 뇌에서 도파민이라는 일종의 마약성분이 분비된다. 도파민은 신경전달물질로 작용하고 아세틸콜린처럼 전기적 신호에 의해 신경세포의 한쪽 끝부분에서 분비된다. 분비된 도파민은 확산에 의해 다음 뉴런의 도파민 수용체에 결합하고, 도파민이 수용체에 결합된 신경세포는 스스로 전기적 신호를 생성한다. 이런 일련의 과정에 의해 도파민이 자극을 전달하면 뇌에서 긍정적인 감정 반응인 쾌감이 생긴다. 인간은 도파민을 더 많이 분비하는 쪽으로 행동하는데 도박 중독도 이와 유사한 메커니즘으로 일어난다.
2) 집단생활을 한 3개월 동안 지배군 원숭이는 종속군 원숭이에 비해 안락한 생활을 즐겼으므로 도파민이 더 많이 분비됐을 것이다. 이는 PET 결과 도파민을 수용하는 수용체의 수가 증가한 것으로 알 수 있다. 일반적으로 마약은 쾌감을 증가시키기 위해 복용한다. 도파민도 일종의 자연적인 마약 성분이다. 지배군 원숭이는 생활하면서 자체적으로 종속군 원숭이에 비해 많은 양의 도파민을 생성하므로 마약의 힘을 빌리지 않고도 충분히 쾌감을 느낀다. 이것은 지배군 원숭이의 코카인 섭취량이 종속군에 비해 현저히 적다는 점으로 증명된다. 즉 마약중독자의 생활환경을 긍정적이고 편안하게 만든다면 스스로 많은 양의 도파민을 생성해 마약의 힘을 빌리지 않고도 긍정적인 삶을 유지할 수 있을 것이다.
Q_2
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 재조합 유전자를 만드는 과정에는 제한효소, 운반체(벡터), 연결효소(리가아제)가 필요하다. DNA 제한효소는 DNA의 특정 부위를 잘라내고, DNA 연결효소는 DNA 제한효소에 의해 잘린 부위나 특정 염기쌍을 연결한다. 운반체는 재조합 DNA를 숙주세포나 다른 생물의 세포에 운반하는 기능을 한다. 실제로 DNA를 복제하는 과정에서는 운반체로 플라스미드와 박테리오파지를 주로 사용한다.
- 고등학교 생물II 교과서
(나) 폭발적인 인구 증가와 경지면적의 지속적인 감소로 식량의 안정적인 수급을 위한 새로운 방법들이 모색됐다. 게다가 산업혁명 이후 화석에너지의 과다 사용은 지구온난화 같은 환경문제를 초래하고 있다. 이런 시점에서 사람들은 유전자변형생물체(GMO)가 식량부족 문제, 환경 문제 그리고 에너지 문제를 해결하는데 중요한 역할을 할 수 있기를 기대하고 있다. 의료분야에서도 유전자 및 바이오파밍 연구를 통해 난치병을 치료하기 위한 노력이 계속되고 있다.
(다) 바이오연료 자동차, 천연가스 자동차, 차세대 디젤 자동차는 차량 자체는 기존 화석연료 자동차와 동일하지만 유해가스 배출이 적은 친환경 연료를 사용한다는 점에서 대체연료 자동차로 분류된다. 바이오연료에는 대표적으로 바이오디젤과 바이오에탄올, 메탄올이 있는데 이들은 콩, 유채씨, 옥수수, 사탕수수 같은 식물성 원료로 제조된다. 현재 미국, 브라질을 포함한 여러 나라에서 이를 연료로 사용하는 자동차가 상용화돼 있으며, 휘발유 또는 디젤을 일부 섞어 사용하기도 한다. 바이오연료 자동차는 이산화탄소를 배출하기는 하지만 연료 생산을 위해 새로 심은 식물이 이를 흡수한다는 점에서 무공해 에너지로 보는 시각도 있다.
- 서울경제신문 2008년 6월 10일자
유전자변형생물체를 에너지 문제에 어떻게 이용할 것인지 서술하라.
전문가 클리닉
에너지 문제에 대한 관심이 높아지면서 생명공학 기술을 이용해 이를 해결하려는 노력이 이루어지고 있습니다. 유전자변형 생물체를 이용한 대체에너지 개발도 노력의 일부입니다. 유전자 재조합 기술을 이용해서 바이오에탄올 생산 균주를 만들어 연료로 사용할 수 있습니다. 운반체인 플라스미드에 제한효소와 리가아제를 이용해서 바이오에탄올을 만들어내는 유전자를 재조합합니다. 만들어진 유전자를 대장균 같이 번식력이 강한 균주에 넣어주면 균주는 바이오에탄올을 대량 생산할 수 있어 대체에너지 생산에 큰 도움을 줄 수 있습니다.
예시답안
급등한 석유가격과 이산화탄소 감축 움직임으로 바이오매스를 이용한 대체에너지 생산 기술이 큰 관심을 받기 시작했다. 최근에는 유전자변형생물체를 이용한 바이오에너지 생산과 전환 기술 개발에도 많은 투자가 이루어지고 있다. 발효를 통해 바이오에탄올을 만들 수 있도록 유전자를 재조합한 플라스미드를 대장균 같은 균주에 넣어 재조합하면 균주는 바이오에탄올을 만들어 낼 수 있다. 대장균의 경우에는 번식력이 좋아서 약 15분에 1회 분열하므로 개체수가 급격히 늘어나 대량 생산이 가능하다.
