2006 서울대 수시2학기 특기자 전형 문제

▨ 문제

인간게놈의 염기서열이 2001년 1차적으로 분석되어 발표되었다. 그 결과 게놈의 크기는 3×109염기쌍으로 이루어져 있으며, 총 4만 개 정도의 단백질 정보를 가지고 있는 것으로 추정되었다. DNA상의 한 염기쌍의 평균분자량은 660이고, 단백질상의 한 아미노산의 평균분자량이 110이라 할 때 아래 물음에 답하라.

1.인간 세포에서 발견되는 단백질의 평균 분자량은 대략 3만3천 정도이다. 인간게놈에 들어있는 전체 정보량 중 단백질에 대한 정보가 차지하는 비율은 얼마나 되겠는가?

2. 인간게놈 중 단백질에 대한 정보를 제외한 나머지 부위에는 어떠한 정보가 들어 있을까?

3. 인간 염색체 1개의 평균 무게는 얼마인가? (염색체는 DNA와 단백질로 구성되어 있으며, 그 무게비는 1대 1 정도이다.)

4. 사람의 몸을 구성하는 총 세포 수가 60조 개라고 하면, 사람의 체중에서 염색체가 차지하는 무게는?

5. 인간게놈의 정확한 염기서열은 개인마다 조금씩 차이가 난다. 연구에 의하면 평균 1천 염기쌍당 하나 정도의 개인차가 있다고 한다. 아래 각각의 경우 게놈의 유전정보가 본인과 비교할 때 어떠할지를 설명하라.

A. 본인이 일란성 쌍생아인 경우 쌍둥이 자매가 가진 세포.

B. 자신의 난자로부터 유도된 이배체 세포.

C. 자신의 뱃속에서 자라는 여아.

▨ 풀이

아미노산의 평균분자량이 110이라고 할 때 단백질의 평균 분자량이 3만3천이라면 단백질은 평균적으로 300개의 아미노산으로 구성되어 있다고 할 수 있다. 아미노산 1개를 지정하기 위해서는 3개의 염기가 필요하므로, 300개의 아미노산으로 구성된 단백질은 900개의 염기를 가진 구조유전자에 의해 지정된다. 총 4만 개의 단백질에 대한 유전자를 가지고 있다면 3천600만 개의 염기가 필요하다. 3천600만 개의 염기는 30억 염기의 1.2%에 해당한다. 따라서 1개의 유전자가 1개의 단백질만을 만든다는 가정 하에 조절유전자 부분이나 인트론을 무시한다면 인간게놈에 들어있는 정보량 중 단백질에 대한 정보의 비율은 1.2%에 해당한다. 따라서 1개의 유전자가 1개의 단백질만을 만든다는 가정 하에 조절유전자 부분이나 인트론을 무시한다면 인간게놈에 들어있는 정보량 중 단백질에 대한 정보의 비율은 1.2%에 해당한다.

2. 전체 DNA 중에서 98.5~99%는 쓸모없는 부위, 즉 junk DNA라고 불린다. 이런 junk DNA의 역할은 유전자의 손상 억제로, junk DNA가 많이 존재할수록 유전자 손상 가능성이 줄어든다고 한다.

인간은 50% 정도의 반복염기서열을 가진다. 염색체의 끝부분에 해당하는 텔로미어(telomere, 말단소립)와 염색체 중앙의 동원체(centromere) 부위에 존재하는 반복염기서열은 염색체 보호나 세포 분열이라는 특정 기능을 담당하고 있다. 이런 반복염기서열과는 구별되는 특정 반복염기서열이 왜 인간에게 더 많이 축적돼 있는지에 대해서는 아직까지 정확한 이유를 알 수 없다. 하지만 Alu와 같은 반복염기서열이 한 유전자에서 여러 단백질을 생성하는 데 필요한 메커니즘을 제공한다고 추정할 수는 있을 것이다.

반복염기서열 DNA는 유전자가 많이 포함된 장소에 밀집해 있으면서 유전자의 재배열을 통해 한 유전자에서 여러 단백질이 만들어질 수 있는 기반을 제공할 수 있다. 더 나아가 이런 반복염기서열 DNA는 전체 게놈에 존재하면서 유전정보를 담고 있는 엑손 부위의 DNA가 환경유해인자로부터 손상 입을 가능성을 상대적으로 감소시키는 역할을 할 수도 있다. 즉, DNA 염기서열상의 손상을 원상회복시키는 메커니즘의 효율이 상대적으로 높기 때문에 세포분열 과정 동안 인간에게 많은 돌연변이가 일어나지 않도록, 또는 돌연변이가 축적되지 않도록 하는 것으로 생각할 수 있다.

SINE는 300개 정도의 염기로 구성된 반복염기서열 요소로서, 보통 포유동물의 종 사이에는 50~60% 정도, 단일 종 내에서는 80% 정도 유사성을 갖는 반복염기서열이다. SINE는 게놈 내에서 여기저기 옮겨다닐 수 있기 때문에 유전물질의 운반 수단으로 알려져 있으며 특히 어떤 경우에는 질병의 원인이 된다고도 밝혀져 있다. 인간 게놈에서 발견되는 가장 보편적인 SINE는 AluI이라는 제한효소에 의해 인식되는 특이염기서열을 가지고 있어 Alu염기서열이라고도 부른다. 이들의 생체 내 역할에 대해서는 정확하게 밝혀진 것이 없지만 현재 생명체 내에서 새로운 유전자를 만드는 수단으로 사용될 가능성이 높게 점쳐지고 있다. 게놈 속에서 반복염기서열의 재배열을 통해 완전히 새로운 유전자를 창조하거나 기존의 유전자를 변형시킴으로써 새로운 모습의 게놈으로 탈바꿈할 수 있게 했을지도 모른다는 의미이다.

DNA상의 한 염기쌍의 평균분자량은 660[Dalton]이며 23개의 염색체는 3×109염기쌍으로 되어 있으므로 염색체 하나의 DNA무게는 이다. 한편 염색체는 DNA와 단백질로 구성되어 있는데 그 무게비가 1:1이라면 염색체 하나의 무게는 그 두 배인 이 된다.

염색체 한 개의 평균질량이 이면 세포 한 개당 46개의 염색체가 있으므로 60조 개의 세포에서 염색체 무게는 이 된다.

5. A는 유전적으로 동일하므로 개인차를 보이지 않을 것이다.

B가 자신의 아들인 경우에 X와 Y염색체의 차이를 무시하면 300만 개가 다르다고 생각할 수 있다. 한편, 자신의 딸인 경우에는 300만 개가 다르다. 핵치환을 했다고 가정하면 게놈(23염색체)당 300만 개가 다르므로, 600만 개가 다르다.

C를 자신의 딸로 생각하면 300만 개가 다르다.

▨ 문제 1

지구상의 강물과 해수에 녹아 있는 주요 성분들의 평균 농도는 다음 , 와 같다. 이 표들을 보면서 아래 문제에 대하여 차례대로 답하시오.

[표 1] 강물에 녹아있는 주요 화학성분의 상대적인 양

(강물에 녹아있는 화학성분의 절대량은 해수에 비해 무시할 정도로 적다)

[표 2] 해수에 녹아 있는 주요 화학성분의 양

1-1. 해수 중에 높은 농도로 녹아있는 주요 화학성분은 위 표에서의 구성비로 전 대양에서 일정하다(일정성분비의 법칙). 해양에서 100만 년 이상 체류하지만 (녹아있지만), 아주 낮은 농도로 존재하는 우라늄(U)이라는 원소가 있다면, Na와 일정한 비루 존재할 것인지를 답하고 그 근거를 설명하시오.

1-2. 해수 중 K+은 녹아 있고, 매년 강물로부터의 K+이 해양으로 흘러들며, 그 이외에 해양으로 유입되는 K+이 없다고 가정한다면, 해양에서(해수 중) K+이 체류하는 (존재하는) 시간은 얼마이겠는가?

1-3. 강물에는 SiO2가 주요 성분이다. 그런데 해수의 주요 양이온들은 강물을 통하여 주로 유입된다고 하는데, 해수에서는 왜 SiO2가 다른 주요 성분들에 비해 아주 낮은 농도로 존재하는가?

1-4. 현재 Mg은 해양의 전 수층에서 거의 같은 농도를 보인다. 그런데, 만약 해양에 Mg을 아주 고농도로 흡수하면서 광합성을 하는 괴식물이 갑자기 나타났다면, 해수 중 Mg의 분포가 어떻게 바뀌겠는가?

▨ 풀이

1-1. Na와 일정한 비율로 존재하지 않는다. U(우라늄)가 방사성 동위원소로 반감기를 가진다. 해수에 녹아있는 U가 붕괴하여 원소 변환이 일어나면 Na와의 비율이 일정하지 않게 된다.

1-2. 5.5×1020÷5.5×1013=107, 즉 10,000,000년이 된다. 이렇게 긴 시간 체류한 다음 해수에 침전될 것이다.

1-3. SiO2는 해수에 침전되거나 해양 생물에 흡수된다. 따라서 SiO2는 육수에는 많았으나 바다로 유입되면 급격히 감소한다.

1-4. Mg의 분포는 일정하게 유지된다. 지구는 끊임없이 4개의 권(수권, 생물권, 대기권, 암권)이 상호작용을 하면서 평형을 이루려 하기 때문이다.

▨ 문제 2

태풍(허리케인, 사이클론)은 강한 폭풍우를 동반하는 대기 현상으로 지구 대기의 열에너지를 재분배하는데 중요한 역할을 한다. 아래 그림은 과거 20년 동안 태풍이 발생한 위치를 표시한 그림이다.

2-1. 적도 근처에서 태풍이 발생하지 않는 이유를 지구 자전 각속도로 설명하라. 열대 남태평양 동쪽 해상(그림에서 ?로 표시한 지역)에서 태풍이 발생하지 않는 이유는 무엇인가?

2-2. 800km 정도의 수평 크기를 갖는 태풍이 바다를 지나 해안선에서 3km 떨어진 남북 방향으로 2천500km, 동서 방향으로 3천500km의 크기를 갖는 가상의 호수 위를 통과하고 있다고 하자([그림]에서 태풍은 서쪽 방향으로 느리게 이동함). 호수 표층 온도는 30℃, 해수면 온도는 28℃이다. 태풍이 육지 위 이 가상의 호수를 통과할 때 세력이 약화될 것인가, 아니면 강화될 것인가? 그 이유를 정성적으로 설명하라. 단, 호수 물의 염분은 바닷물과 같다고 하자.

[그림]

2-3. 온실 기체의 증가로 지구 온난화가 계속된다면 지금보다 더 강력한 태풍이 발생할 수 있다는 주장에 대해 어떻게 생각하는가? 생각에 대한 근거를 단계적으로 설명하라.

2-4. 지구온난화가 계속된다면 북서 태평양 지역에서 태풍이 발생하는 지역이 동쪽과 북쪽 방향으로 확장될 것이라고 생각하는가, 아니면 그렇지 않을 것이라고 생각하는가? 생각에 대한 근거를 설명하라.

▨ 풀이

2-1. 지표면에 수직인 회전축성분은 전향력에 영향을 준다. 즉, 이다. (는 지구자전각속도, 는 위도) 적도지방은 위도 가 "0"이므로 전향력이 "0"이다. 전향력이 없으므로 적도해수면으로부터 증발한 수증기를 휘감아 돌아가는 소용돌이, 즉 태풍이 발생하지 않는다.

그림에서 '?'로 표시한 지역은 연안용승류가 활발한 지역으로 수온이 낮아 태풍이 발생하지 않는다. 해수면 수온이 높아야 수증기의 공급이 잘 되고, 공급된 수증기의 잠열을 에너지원으로 하여 태풍이 발생하기 때문이다.

2-2. 태풍의 세력이 강화될 것이다. 태풍이 따뜻한 가상의 호수(호수의 표층온도 30℃)를 지나면, 호수에서 증발이 활발하게 일어나 수증기 공급이 원활해지고 이에 따라 태풍의 세력이 커진다. 또 태풍의 규모가 진행거리(3km)에 비해 충분히 크고(800km) 호수의 규모(남북 2천500km, 동서 3천500km)도 크므로 태풍은 호수에서 에너지를 공급받을 수 있다.

2-3. 온실효과가 계속되면 더 강력한 태풍이 발생하고 그 횟수도 증가할 것이다. 기후가 온난해지면 증발이 더욱 잘 되면서 대기 중 수증기 양도 증가한다. 태풍의 에너지원이 수증기 응결 잠열 방출이므로 태풍의 크기와 위력은 더욱 커진다.

2-4. 동쪽과 북쪽 방향으로 확장될 것이다.

태풍 발생조건은 ①해수면 수온이 26.5℃ 이상, ②상층 바람과 하층 바람의 차가 적을 때, ③조건부 불안정한 성층이 이루어져 상승운동이 활발할 때, ④상층부에 강력한 상승기류가 발달할 때이다.

이상에서 본 바와 같이 지구온난화가 진행되면 해수온도가 상승하는 바다의 면적이 증가하여 태풍이 더욱 확장된다. 그러나 지구온난화가 진행돼도 전향력이 '0'인 적도에서는 태풍이 발생하지 않는다.