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생물다양성협약
생물다양성협약은 1992년 리우의 지구정상회담에서 150개국 정부가 서명한 협약이다. 생물다양성협약은 생물다양성이 생태계에 관한 것 이상으로 인류의 생존과 건강한 환경에 대한 것임을 인식한 회의다.

생물다양성이란 지구상의 생물종의 다양성, 생물이 서식하는 생태계의 다양성, 생물이 지닌 유전자의 다양성을 총체적으로 지칭하는 말이다. 종다양성은 종종 식물, 동물 및 미생물의 다양한 생물종으로 이해되는데, 일반적으로 한 지역내 종의 다양한 정도를 지칭한다. 생태계다양성은 사막, 삼림지, 습지대, 산, 호수, 강 및 농경지 등 생태계의 다양성을 의미한다. 유전다양성은 종 내의 유전자 변이를 말한다.


환경과 생태계
생태계는 생물적 요소와 무생물적 요소가 함께 상호작용하는 복합적인 체계다. 생물적 요소로 먼저 육지에서는 녹색식물, 해양에서는 식물성 플랑크톤으로 구성된 생산자를 들 수 있다. 생산자는 광합성을 통해 탄수화물을 만들고 또 에너지를 사용해 단백질이나 핵산을 만든다. 소비자는 종속영양생물로서 생산자가 만든 산물을 소비해 살아간다. 소비구조는 생산자를 섭취하는 1차 소비자, 1차 소비자를 포식하는 2차 소비자와 같이 단계적으로 올라간다.

이렇게 포식자와 피식자의 관계를 단계로 만들어놓은 것을 먹이사슬이라고 한다. 먹이사슬이 얽힌 것을 먹이그물이라고 부른다. 먹이그물의 구조가 복잡할수록 외부의 충격으로부터 생태계가 안정하다. 일반적으로 종다양성이 높은 군집은 안정성이 높다. 논과 밭 같은 경작지의 경우 생태계를 구성하는 종 다양성이 낮아 생태계의 안정성이 매우 낮다.


생물농축
생물농축은 유기화합물이나 중금속이 물이나 먹이를 통해 생물체내에 들어와 분해되지 않고 잔류하는 현상이다. 미나마타병을 유발하는 수은과 이타이이타이병을 유발하는 카드뮴이 대표적인 중금속이고 DDT(Dichloro Diphenyl Trichloroethane), 다이옥신이 대표적인 유기화합물이다. 벤젠 고리를 갖고 있는 화학물질은 몸속 지방에 녹아 축적되기 때문에 몸 밖으로 잘 배출되지 않는다.

이러한 물질들은 먹이사슬을 통해 이동하기 때문에 먹이사슬의 상위에 있는 생물들일수록 유기화합물이나 중금속이 높은 농도로 쌓여 큰 피해를 입는다.
 

※ 농작물의 병충해를 감소시키고 수확량을 증가시키기 위해 농약을 사용한다. DDT는 유기염소 계열의 살충제이자 농약으로 염소를 1개씩 달고 있는 벤젠 고리 2개와 3개의 염소가 결합한 형태의 유기 염소화합물이다.


1. DDT가 생물체에 미치는 영향에 대한 다음 물음에 답하시오.

1) [난이도 중] DDT는 체내에서 에스트로겐과 비슷하게 작용해 내분비계 교란물질로 작용한다. DDT에 노출된 조류나 포유동물들이 어떤 영향을 받을 수 있는지 설명하시오.

2) [난이도 하] DDT의 분자구조를 볼 때, DDT에 노출된 생물체내의 DDT 농도를 조사하면 혈액과 지방 조직 중에서 어느 곳에 더 높은 농도로 DDT가 축적돼 있겠는가? 그 이유를 함께 설명하시오.

3) [난이도 상] DDT는 곤충의 신경세포에서 나트륨 이온의 이동을 막는다. 이것이 곤충에 어떤 영향을 주는지 설명하시오.


전문가 클리닉
내분비계 교란물질은 용어 그대로 내분비계 호르몬의 정상적인 작용을 막거나 호르몬과 비슷하게 행동하는 물질을 의미합니다. 이 문제는 성호르몬이 많아지면 어떤 결과가 만들어질 수 있는지 생각해보는 문제입니다.

내분비계 교란물질은 흔히 환경호르몬이라고 부릅니다. 환경호르몬은 세포로 들어가기 위해 호르몬 흉내를 내거나, 정상적인 호르몬 작용을 방해하거나 이상 반응을 촉발시켜 몸의 이상과 질병을 발생시킵니다. 인간을 포함한 생태계에 대해 나타날 수 있는 내분비계 장애 물질의 대표적인 영향은 호르몬 분비의 불균형, 생식 기능 저하 및 생식 기관 기형화, 생장 저해, 암 유발, 이상 면역반응 등이 있습니다. 환경호르몬 때문에 정자 수가 급격하게 감소하는 것 외에도 정소종양(고환암)이나 요도하열과 같은 기형이 늘어나고 있으며 여성의 유방암, 자궁내막증도 급격히 증가되고 있다는 연구결과가 발표됐습니다.

대부분의 살충제들은 신경세포에 작용해 살충효과를 나타냅니다. 신경세포에서 나트튬 이온의 이동이 일어나지 않는다면 어떤 일이 일어날지 생각해봅시다. 휴지막 전위 상태에서 나트튬 이온이 하는 역할, 활동전위에서 나트튬 이온이 하는 역할을 통해 판단합니다.


예시답안

1) 내분비계 교란물질은 자연계에 존재하는 물질중 체내로 흡수되면 체내에 정상적으로 존재하는 호르몬과 비슷한 작용을 할 수 있는 물질이다. 특히 DDT가 에스트로겐과 같은 성호르몬과 비슷하게 작용하면 성 발달과 관련해 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 수컷은 성기의 여성화, 정자의 감소가 일어날 수 있으며 암컷은 불임이 될 수 있다.

2) DDT는 혈액보다는 지방 조직에 더 높은 농도로 축적돼 있다. DDT는 벤젠고리가 두 개 있는 유기 화합물이므로 혈액보다는 지방 조직에 더 잘 녹는다. 이로 인해 물에 포함돼 배설되지 않기 때문에 생물농축이 일어나는 원인이 된다.

3) 신경세포에서 나트륨 이온의 불균등 분포는 칼륨 이온과 함께 휴지막전위를 만드는 원인중 하나다. 활동전위가 발생할 때는 나트륨 채널이 열리면서 세포 밖에서 세포 안으로 나트륨의 이동이 일어난다. DDT에 의해 나트륨 이온의 이동이 일어나지 못하면 나트륨 이온의 분포와 이동에 의존하는 신경세포의 신호전달이 일어나기 어렵다. 이 결과 곤충의 신경 활동이 중단돼 살충효과를 나타낸다.


2. 다음은 DDT가 환경에 미치는 영향에 대한 물음이다.

1) [난이도 하] DDT를 동물성 플랑크톤, 식물성 플랑크톤, 작은 물고기, 새, 모기의 서식처인 연못에 살포했을 때 연못 생태계의 먹이사슬에 나타날 수 있는 피해를 설명하시오.

2) [난이도 중] DDT를 많이 사용한 지역에서 흑사병이 발생했다. 상관관계를 설명하시오.


전문가 클리닉

1) 먹이사슬을 따라 생물농축이 일어납니다. 가장 큰 피해는 먹이사슬의 가장 상위에 있는 생물입니다.

2) 흑사병은 쥐가 옮기는 병입니다. DDT에 의한 생물농축과 쥐의 과다 번식을 연결시켜 생각해봅시다. 일례로 인도네시아의 보르네오섬에서 고양이 공수 작전을 벌인 일이 있습니다. 보르네오섬은 아열대 기후로 모기를 통해 말라리아가 옮겨지고 있었습니다. DDT 살포 후 모기는 사라졌지만 고양이들이 죽고 쥐가 급증했습니다. 모기 박멸을 위해 살포한 DDT는 바퀴벌레→도마뱀→고양이 순으로 농축됐습니다. 결과적으로 고양이의 먹이인 쥐의 수가 늘어났습니다. 쥐 개체수 감소를 위해 1955년에 세계보건기구(WHO)에서는 영국 공군의 도움으로 고양이를 마을에 공수했습니다.


예시답안

1) 주어진 조건을 따라 먹이사슬을 구성해보면 ‘식물성 플랑크톤→동물성 플랑크톤→작은 물고기→새’와 같다. DDT는 지방에 축적돼 생물농축이 일어나고 먹이사슬의 최상위 단계에 있는 새에서 가장 높은 농도로 축적된다. 그러므로 새가 가장 큰 피해를 입는다.

2) 흑사병은 매개자가 쥐 또는 벼룩이다. DDT를 많이 살포한 지역에서는 고양이와 같은 최상위단계의 포식자가 DDT가 농축돼 피해를 입었을 것이다. 이에 천적이 사라져 일시적으로 쥐가 급증하면서 흑사병이 발생했을 것이다.


3. 농약을 대체하기 위한 과학자들의 노력에 대한 다음 물음에 답하시오.

1) [난이도 중] DDT를 대체하기 위해 다양한 방법이 개발됐다. 특히 GMO작물을 이용한 방법은 지금 목화나 옥수수 등에 사용되고 있다. 어떤 방법이 사용되는지 설명하시오.

2) [난이도 중] GMO작물의 재배 허가 이후 GMO작물의 재배 면적이 빠른 속도로 증가하고 있어 생물다양성을 해친다는 비판을 받고 있다. GMO작물이 생물다양성을 해친다는 비판의 근거는 무엇인지 설명하시오.


전문가 클리닉

1) GMO작물은 유전 공학 방법을 사용해 새로운 유전자를 도입한 작물입니다. 이를 이용하면 살충제를 사용하지 않고도 토양 미생물이 갖고 있는 살충 효과를 내는 단백질을 작물에서 합성해 해충 저항성을 나타낼 수 있습니다.

2) 단일한 GMO작물의 재배면적 확대와 생물다양성을 연결하는 문제입니다.


예시답안

1) GMO작물 중에는 제초제 저항성 작물이나 살충 단백질을 지니고 있는 작물이 있다. 그러한 작물은 포유동물에는 무해하지만 곤충에는 악영향을 주는 단백질을 만들 수 있다. 따라서 GMO작물을 재배하면 살충제 살포량을 줄이고 살충제가 생태계에 미치는 영향을 줄일 수 있다.

2) GMO작물은 몇몇 작물이 독점적으로 재배지를 넓혀가고 있어 각 지역에 맞는 재래 품종들을 밀어내고 있다. 이러한 현상은 생물다양성 측면에서 볼 때 종 다양성을 해친다.