고등 국어 독서 - 과학 예상문제

[지문] (과학)
플라스틱은 그 화학적 안정성 때문에 자연 상태에서 분해되기까지 수백 년이 걸리는 것으로 알려져 있어, 오늘날 심각한 환경 문제를 일으키는 주요 원인 중 하나로 지목된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 최근 과학자들의 주목을 받고 있는 것이 플라스틱을 분해할 수 있는 미생물이다.

2016년 일본의 한 연구팀은 페트병의 원료인 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 즉 페트(PET)를 분해할 수 있는 세균을 발견하였다. 이 세균은 특정한 효소를 분비하여 페트의 화학 결합을 끊어 내는데, 이렇게 분해된 물질은 다시 세균의 에너지원으로 활용될 수 있다. 이 발견은 플라스틱을 자연적인 생물학적 과정을 통해 분해할 수 있는 가능성을 보여 주었다는 점에서 큰 주목을 받았다.

이후 연구자들은 이 세균이 지닌 분해 효소의 구조를 분석하고, 유전자 조작을 통해 분해 효율을 더욱 높인 개량형 효소를 개발하는 데에도 성공하였다. 이러한 개량형 효소는 자연 상태의 세균보다 훨씬 빠른 속도로 페트를 분해할 수 있어, 산업적으로 대량의 플라스틱 폐기물을 처리하는 데 활용될 가능성을 열어 주었다.

다만 이러한 생물학적 분해 기술이 실제 산업 현장에 폭넓게 적용되기 위해서는, 아직 해결해야 할 비용과 처리 속도 등의 과제가 남아 있어, 관련 연구가 계속해서 진행되고 있다.

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[지문] (과학)
초전도 현상이란 특정 물질을 매우 낮은 온도로 냉각시켰을 때, 전기 저항이 완전히 사라지는 현상을 말한다. 이러한 성질을 가진 물질을 초전도체라 하며, 초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 한번 전류가 흐르기 시작하면 에너지 손실 없이 반영구적으로 전류가 유지될 수 있다.

초전도체가 이러한 특성을 갖는 온도의 임계점을 임계 온도라 하는데, 물질이 임계 온도보다 낮은 온도로 냉각되면 초전도 상태로 전이된다. 초기에 발견된 초전도체들은 임계 온도가 절대 영도에 가까운 극저온이어서, 이를 유지하기 위해 매우 값비싼 액체 헬륨과 같은 냉각 장치가 필요하였다.

이후 연구자들은 상대적으로 높은 온도에서도 초전도성을 나타내는 물질들을 발견하였는데, 이를 고온 초전도체라 부른다. 고온 초전도체는 액체 질소만으로도 냉각이 가능한 수준의 임계 온도를 가지고 있어, 냉각 비용을 크게 낮출 수 있다는 장점이 있다. 그러나 여전히 상온에서 안정적으로 작동하는 초전도체는 발견되지 않았으며, 이를 구현하는 것이 이 분야 연구자들의 오랜 목표로 남아 있다.

초전도체는 전기 저항이 없다는 특성 외에도, 자기장을 밀어내는 마이스너 효과라는 독특한 성질을 지니고 있어, 이를 이용한 자기 부상 열차와 같은 응용 기술도 활발히 연구되고 있다.

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[지문] (과학)
항생제는 세균의 세포벽 합성을 방해하거나 단백질 합성을 억제하는 등의 방식으로 세균을 죽이거나 증식을 억제하는 약물이다. 그러나 항생제를 사용할 때마다 일부 세균은 우연한 유전적 변이로 인해 그 항생제에 저항할 수 있는 능력, 즉 내성을 갖게 되는 경우가 있다.

항생제가 투여되면 내성이 없는 대다수의 세균은 죽지만, 우연히 내성을 가진 소수의 세균은 살아남아 계속 증식한다. 이는 자연선택의 원리와 유사한데, 환경(항생제)에 적합하지 않은 개체는 도태되고, 적합한 개체만이 살아남아 자손을 남기는 과정과 같다. 세대를 거듭할수록 내성을 지닌 세균의 비율이 점점 높아지고, 결국 그 집단 전체가 해당 항생제에 내성을 갖게 될 수 있다.

문제는 세균이 내성 유전자를 다른 세균에게 직접 전달할 수도 있다는 점이다. 세균은 '플라스미드'라는 작은 원형 DNA 조각을 통해 내성 유전자를 서로 다른 종의 세균에게까지 전달할 수 있는데, 이를 통해 내성은 한 세대 안에서도 빠르게 확산될 수 있다.

이러한 항생제 내성의 확산을 늦추기 위해서는 항생제를 꼭 필요한 경우에만, 처방된 용법과 용량을 정확히 지켜 사용하는 것이 중요하다. 불필요하거나 불완전한 항생제 사용은 내성균이 선택적으로 살아남을 기회를 늘려 내성 확산을 가속화할 수 있기 때문이다.

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[지문] (과학)
우리 몸의 면역 체계는 외부에서 침입한 병원체를 인식하고 제거하는 방어 기능을 담당한다. 병원체가 처음 침입하면 면역 세포는 그 병원체의 표면에 있는 특정 단백질, 즉 항원을 인식하여 이에 맞서는 항체를 생성한다. 그러나 이러한 1차 면역 반응은 병원체를 인식하고 항체를 만들어 내기까지 시일이 걸리기 때문에, 그사이 병원체가 몸속에서 증식하여 질병을 일으킬 수 있다.

백신은 이러한 면역 체계의 원리를 이용하여, 실제 병원체 없이도 면역 체계가 미리 항원을 인식하고 대응 능력을 갖추도록 하는 예방법이다. 백신에는 병원체를 약하게 만들거나 비활성화한 것, 혹은 병원체의 특정 단백질만을 추출한 것 등이 사용되며, 이를 체내에 주입하면 면역 체계는 이를 진짜 병원체로 인식하여 항체를 생성하고, 그 병원체를 기억하는 기억 세포를 만들어 낸다.

이후 실제로 그 병원체가 체내에 침입하면, 이미 형성되어 있던 기억 세포가 신속하게 반응하여 훨씬 빠르고 강력한 항체 생성 반응, 즉 2차 면역 반응을 일으킨다. 이 덕분에 병원체가 충분히 증식하기 전에 신속하게 제거되어 질병에 걸리지 않거나 가볍게 앓고 지나갈 수 있게 된다.

이처럼 백신은 실제 질병에 걸리는 위험 부담 없이, 면역 체계가 특정 병원체에 대한 방어 능력을 미리 갖추게 함으로써 감염병을 예방하는 중요한 수단으로 활용되고 있다.

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[지문] (과학)
과거 신경과학자들은 성인의 뇌는 일정한 발달 시기를 지나면 구조가 고정되어 더 이상 변하지 않는다고 여겼다. 그러나 최근 연구들은 뇌가 평생에 걸쳐 스스로 구조와 기능을 변화시킬 수 있다는 사실을 밝혀냈는데, 이러한 능력을 신경가소성이라 한다.

신경가소성은 크게 두 가지 방식으로 나타난다. 하나는 기존 신경세포 사이의 연결, 즉 시냅스의 강도나 수가 변화하는 시냅스 가소성이고, 다른 하나는 특정 뇌 영역에서 새로운 신경세포가 생성되는 신경발생이다. 특히 학습이나 반복적인 경험은 관련된 신경 회로의 시냅스 연결을 강화시켜, 해당 기능을 담당하는 뇌 영역이 물리적으로 확장되는 결과를 낳기도 한다.

이를 뒷받침하는 유명한 연구로 런던의 택시 운전사를 대상으로 한 연구가 있다. 복잡한 런던 시내의 길을 암기해야 하는 택시 운전사들은 공간 기억을 담당하는 뇌 부위인 해마의 특정 영역이 일반인보다 더 크게 발달해 있는 것으로 나타났으며, 운전 경력이 길수록 그 크기가 더 커지는 경향을 보였다.

신경가소성에 대한 이해는 뇌 손상 이후의 재활 치료에도 중요한 시사점을 제공한다. 뇌졸중 등으로 손상된 뇌 영역의 기능을 다른 영역이 부분적으로 대신할 수 있다는 점에서, 반복적인 재활 훈련이 손상된 기능의 회복에 실질적인 도움을 줄 수 있다는 것이다.

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[지문] (과학)
뉴턴은 물체의 운동을 설명하는 세 가지 법칙을 제시하였다. 제1법칙인 관성의 법칙에 따르면, 외부에서 힘이 작용하지 않는 한 정지한 물체는 계속 정지해 있으려 하고, 운동하는 물체는 등속 직선 운동을 계속하려는 성질을 지닌다. 이러한 성질을 관성이라 하며, 물체의 질량이 클수록 관성도 커진다.

제2법칙은 힘과 가속도의 관계를 설명하는데, 물체에 힘을 가하면 그 힘의 크기에 비례하고 질량에 반비례하는 가속도가 발생한다는 것이다. 이를 식으로 나타내면 F=ma, 즉 힘은 질량과 가속도의 곱과 같다. 이 식에 따르면 같은 크기의 힘을 가하더라도 질량이 큰 물체일수록 가속도는 작아진다.

제3법칙인 작용·반작용의 법칙은, 한 물체가 다른 물체에 힘을 가하면(작용) 그 물체도 동시에 크기가 같고 방향이 반대인 힘을(반작용) 받는다는 것이다. 예를 들어 사람이 벽을 밀면, 벽도 사람을 미는 힘으로 밀어낸다. 이 두 힘은 크기는 같지만 서로 다른 물체에 작용하기 때문에 상쇄되지 않는다.

이 세 가지 법칙은 이후 고전 역학의 근간을 이루었으며, 지상의 물체 운동뿐 아니라 천체의 운동을 설명하는 데에도 폭넓게 적용되었다.

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[지문] (과학)
식물은 광합성을 통해 빛에너지를 화학 에너지로 전환하여 유기물을 합성한다. 광합성은 크게 빛이 직접 관여하는 명반응과, 빛에너지로 만들어진 산물을 이용해 이산화탄소를 고정하는 암반응(캘빈 회로)의 두 단계로 나눌 수 있다.

명반응은 엽록체의 틸라코이드 막에서 일어난다. 엽록소가 빛에너지를 흡수하면 물 분자가 분해되어 산소가 발생하고, 이 과정에서 생성된 전자는 전자 전달계를 거치면서 ATP와 NADPH라는 에너지 저장 물질을 만들어 낸다. 이때 발생한 산소는 부산물로서 대기 중으로 방출된다.

암반응은 엽록체의 스트로마에서 일어나며, 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 이용하여 대기 중의 이산화탄소를 고정해 포도당과 같은 유기물을 합성하는 과정이다. 암반응이라는 이름 때문에 어두운 곳에서만 일어난다고 오해하기 쉽지만, 실제로는 빛의 유무와 직접적인 관련은 없으며, 다만 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH가 있어야 진행될 수 있으므로 간접적으로 빛에 의존한다.

이처럼 명반응과 암반응은 서로 독립적으로 보이지만 실제로는 긴밀하게 연계되어 있으며, 이 두 과정이 유기적으로 결합하여 식물이 태양 에너지를 생명 활동에 필요한 화학 에너지로 전환할 수 있게 한다.

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[지문]
파동을 발생시키는 파원과 그 파동을 관측하는 관측자 사이에 상대적인 운동이 있을 때, 관측자가 감지하는 파동의 진동수가 파원이 실제로 방출하는 진동수와 달라지는 현상을 도플러 효과라 한다. 이는 소리와 같은 음파뿐 아니라 빛과 같은 전자기파에서도 공통적으로 나타나는 현상이다.

파원이 관측자를 향해 다가올 때는 파원이 방출한 파동의 마루와 마루 사이의 간격, 즉 파장이 짧아진 상태로 관측자에게 도달한다. 파원이 이동하면서 다음 파동을 방출하는 위치가 이전 파동을 방출한 위치보다 관측자 쪽으로 가까워지기 때문이다. 파장이 짧아지면 단위 시간당 관측자에게 도달하는 파동의 수, 즉 진동수는 커지므로 관측자는 원래보다 더 높은 진동수의 파동을 감지하게 된다. 반대로 파원이 관측자로부터 멀어질 때는 파장이 길어진 상태로 도달하여 관측자가 감지하는 진동수는 원래보다 낮아진다.

이러한 원리는 구급차의 사이렌 소리에서 쉽게 확인할 수 있다. 사이렌을 울리며 다가오는 구급차의 소리는 실제보다 높은 음으로 들리다가, 구급차가 관측자를 지나쳐 멀어지면 소리가 갑자기 낮아지는 것처럼 느껴진다. 이는 구급차라는 파원과 길가에 서 있는 관측자 사이의 상대적인 운동 방향이 바뀌었기 때문에 나타나는 현상이다.

도플러 효과는 천문학에서도 중요하게 활용된다. 별빛의 스펙트럼을 분석했을 때 특정 파장의 빛이 원래보다 긴 파장 쪽, 즉 붉은색 쪽으로 치우쳐 나타나는 적색 편이가 관측되면 그 별이 관측자로부터 멀어지고 있다고 해석할 수 있다. 실제로 20세기 초 천문학자들은 대부분의 은하에서 적색 편이가 관측된다는 사실을 근거로, 우주가 정적인 상태에 머물러 있는 것이 아니라 팽창하고 있다는 결론에 이르게 되었다.

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