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수분 포텐셜은 에너지 함수인데 삼투압이나 특정 압력에 의해 물분자가 한 쪽으로 이동하려는 경향성의 크기를 나타낸다. 생물체에서는 수분 포텐셜과 관련해 많은 현상들이 나타난다.
Q1 다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 신장을 통한 노폐물 분비는 크게 여과, 재흡수, 분비의 세 단계를 거친다. 보우먼주머니에서 압력차에 의한 여과가 일어나며 근위세뇨관(보우먼주머니에 가까운 곳에 모세혈관과 세뇨관 사이 물질 교환이 활발히 일어나는 곳)에서는 포도당, 아미노산 등의 재흡수, 그리고 원위세뇨관에서는 무기염류, 특히 나트륨 이온의 능동적인 재흡수와 노폐물 분비가 일어난다. 파충류, 조류, 포유류의 신장은 체내의 수분을 보존하기 위한 기작이 발달해 있는데 여과된 수분을 다시 체내로 흡수한다. 수분의 이동은 수분 포텐셜의 개념으로 설명할 수 있다. 자연계에 존재하는 모든 생물체 내에서 물분자는 수동 확산에 의해서만 이동할 수 있고 능동 수송은 되지 않는다. 그리고 물분자의 효율적인 확산을 위해 아쿠아포린이라는 막단백질이 있다.
근위세뇨관과 원위세뇨관 사이에는 헨레고리라는 관이 있는데 건조한 환경에 적응한 동물일수록 이 헨레고리가 수질 깊은 곳까지 내려갔다가 다시 피질 쪽으로 올라온다. 수질 조직은 특이한 점이 있다. 세포와 세포 사이의 액체인 조직액의 농도가 아래로 내려갈수록 짙어진다는 점이다. 헨레고리가 아래로 내려가는 부분을 하행지, 올라오는 부분을 상행지라고 하는데 하행지에서는 물의 재흡수가 활발하게 일어나며 상행지에서는 나트륨과 염소 이온의 흡수가 활발하게 일어난다. 하행지에서 나트륨과 염소의 체내 쪽으로의 흡수는 일어나지 않고 상행지에서는 헨레고리 내부를 지나는 원뇨와 주변 조직액 사이에서 물분자의 이동이 거의 없다. 집합관도 수질을 지나는데 집합관에서는 바소프레신(ADH) 호르몬의 영향을 받아 수분 재흡수가 조절된다.
(나) Ψ = Ψs + Ψp
여기서 Ψ는 수분 포텐셜, Ψs는 용질 포텐셜(삼투 포텐셜) 그리고 Ψp는 압력 포텐셜이다. 용액의 용질 포텐셜은 녹아있는 용질 분자수에 비례한다. 용질이 삼투현상의 방향에 영향을 주기 때문에 용질 포텐셜을 삼투 포텐셜이라고도 부른다. 용질이란 화학물질이 용해돼 있는 모든 형태를 포함한다. 순수한 물의 Ψs는 0으로 정의할 수 있다. 물은 수분 포텐셜이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다.
용질이 이 순수한 물에 첨가됐을 때 무슨 일이 생길까? 용질을 첨가하는 것은 항상 수분 포텐셜을 낮추고 그래서 용액의 삼투 포텐셜은 0 이하가 된다.
<;그림 2>;처럼 U자관 모양의 관에 물을 넣고 가운데 반투과성막(용질 입자는 통과할 수 없고, 물분자만 이동이 가능한 작은 구멍을 가진 막)을 설치한 경우 오른쪽에 0.1M의 설탕을 녹이면 용질 포텐셜은 -0.23MPa이 돼 물분자가 왼쪽에서 오른쪽으로 이동한다. 하지만 0.23MPa에 해당하는 압력을 오른쪽에 걸어주면 결국 수분 포텐셜은 0이 돼 순수한 물의 출입은 없게 된다.
1) [난이도 중] 제시문 (가)는 신장의 구조와 노폐물 처리과정을 설명한 글이다. 제시문 (가)를 읽고, 신장을 통한 수분의 재흡수 기작을 제시문 (나)의 수분 포텐셜과 관련지어 설명하시오(근위세뇨관, 헨레고리, 원위세뇨관, 집합관에서의 수분 재흡수 기작을 차례대로 기술하라).
2) [난이도 상] 공변세포의 팽압과 관련해 기공의 개폐가 조절되기 위해서는 공변세포에서는 어떠한 반응들이 일어나야 하는지 추론하시오. 그리고 팽압이 증가할 때 기공이 열리기 위해서는 공변세포는 안쪽과 바깥쪽 세포벽의 두께 차이, 세포 내부의 미세섬유의 방사상 배열이라는 구조적인 특징을 가져야 한다. 이러한 특징이 기공의 개폐와 어떠한 관련이 있는지 논술하시오.
Q1 다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 신장을 통한 노폐물 분비는 크게 여과, 재흡수, 분비의 세 단계를 거친다. 보우먼주머니에서 압력차에 의한 여과가 일어나며 근위세뇨관(보우먼주머니에 가까운 곳에 모세혈관과 세뇨관 사이 물질 교환이 활발히 일어나는 곳)에서는 포도당, 아미노산 등의 재흡수, 그리고 원위세뇨관에서는 무기염류, 특히 나트륨 이온의 능동적인 재흡수와 노폐물 분비가 일어난다. 파충류, 조류, 포유류의 신장은 체내의 수분을 보존하기 위한 기작이 발달해 있는데 여과된 수분을 다시 체내로 흡수한다. 수분의 이동은 수분 포텐셜의 개념으로 설명할 수 있다. 자연계에 존재하는 모든 생물체 내에서 물분자는 수동 확산에 의해서만 이동할 수 있고 능동 수송은 되지 않는다. 그리고 물분자의 효율적인 확산을 위해 아쿠아포린이라는 막단백질이 있다.
근위세뇨관과 원위세뇨관 사이에는 헨레고리라는 관이 있는데 건조한 환경에 적응한 동물일수록 이 헨레고리가 수질 깊은 곳까지 내려갔다가 다시 피질 쪽으로 올라온다. 수질 조직은 특이한 점이 있다. 세포와 세포 사이의 액체인 조직액의 농도가 아래로 내려갈수록 짙어진다는 점이다. 헨레고리가 아래로 내려가는 부분을 하행지, 올라오는 부분을 상행지라고 하는데 하행지에서는 물의 재흡수가 활발하게 일어나며 상행지에서는 나트륨과 염소 이온의 흡수가 활발하게 일어난다. 하행지에서 나트륨과 염소의 체내 쪽으로의 흡수는 일어나지 않고 상행지에서는 헨레고리 내부를 지나는 원뇨와 주변 조직액 사이에서 물분자의 이동이 거의 없다. 집합관도 수질을 지나는데 집합관에서는 바소프레신(ADH) 호르몬의 영향을 받아 수분 재흡수가 조절된다.
(나) Ψ = Ψs + Ψp
여기서 Ψ는 수분 포텐셜, Ψs는 용질 포텐셜(삼투 포텐셜) 그리고 Ψp는 압력 포텐셜이다. 용액의 용질 포텐셜은 녹아있는 용질 분자수에 비례한다. 용질이 삼투현상의 방향에 영향을 주기 때문에 용질 포텐셜을 삼투 포텐셜이라고도 부른다. 용질이란 화학물질이 용해돼 있는 모든 형태를 포함한다. 순수한 물의 Ψs는 0으로 정의할 수 있다. 물은 수분 포텐셜이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다.
용질이 이 순수한 물에 첨가됐을 때 무슨 일이 생길까? 용질을 첨가하는 것은 항상 수분 포텐셜을 낮추고 그래서 용액의 삼투 포텐셜은 0 이하가 된다.
<;그림 2>;처럼 U자관 모양의 관에 물을 넣고 가운데 반투과성막(용질 입자는 통과할 수 없고, 물분자만 이동이 가능한 작은 구멍을 가진 막)을 설치한 경우 오른쪽에 0.1M의 설탕을 녹이면 용질 포텐셜은 -0.23MPa이 돼 물분자가 왼쪽에서 오른쪽으로 이동한다. 하지만 0.23MPa에 해당하는 압력을 오른쪽에 걸어주면 결국 수분 포텐셜은 0이 돼 순수한 물의 출입은 없게 된다.
(다) 식물은 잎 뒷면의 기공을 통해 기체교환을 한다. 식물의 기공은 공변세포로 이뤄져 있다. 기공의 개폐 조절은 공변세포의 팽압을 조절함으로써 이뤄진다. K+, Cl- 이온 등의 흐름을 조절함으로써 공변세포 내의 팽압을 조절할 수 있다. 팽압이 증가하면 기공이 열리고 팽압이 낮아지면 기공이 닫힌다. 기공을 구성하는 공변세포의 그림은 다음과 같다. 수분이 부족할 경우 앱시스산이라는 호르몬에 의해 기공은 신속히 닫힌다. 그림(a)와 (b)는 기공개폐시 공변세포의 변화와 K+의 역할을 나타낸 것이다.
1) [난이도 중] 제시문 (가)는 신장의 구조와 노폐물 처리과정을 설명한 글이다. 제시문 (가)를 읽고, 신장을 통한 수분의 재흡수 기작을 제시문 (나)의 수분 포텐셜과 관련지어 설명하시오(근위세뇨관, 헨레고리, 원위세뇨관, 집합관에서의 수분 재흡수 기작을 차례대로 기술하라).
2) [난이도 상] 공변세포의 팽압과 관련해 기공의 개폐가 조절되기 위해서는 공변세포에서는 어떠한 반응들이 일어나야 하는지 추론하시오. 그리고 팽압이 증가할 때 기공이 열리기 위해서는 공변세포는 안쪽과 바깥쪽 세포벽의 두께 차이, 세포 내부의 미세섬유의 방사상 배열이라는 구조적인 특징을 가져야 한다. 이러한 특징이 기공의 개폐와 어떠한 관련이 있는지 논술하시오.
