과학논술/ 과학 혁명과 혈액 완충계

<제시문1>

확률은 유전자의 독립적인 조합 혹은 자유조합에 관한 멘델법칙을 설명하는데 좋다. 멘델이 양성잡종 비를 인식하고 해석할 수 있었던 것은 조합에 관한 수학적 법칙의 이해를 통해서 이루어졌다. 두 단성잡종의 기대되는 결과의 곱은 (3+1)2=9+3+3+1이 된다. 이것은 (p + q)n의 2항분포 전개식의 한 예이다. 멘델이 실제로 얻은 결과 (315:108:101:32)는 9:3:3:1에 매우 근사하다. 콩의 모양과 색깔을 지배하는 유전자가 독립적으로 지배한다는 가설에 입각해 계산된 비율이다. 다음 표는 한 가족에서 자녀 수에 따른 2항분포 자료이다.

<제시문2>

쿤은 과학의 발달이 기존 이론의 점진적인 수정에 의해 발달하기 보다는 오히려 새로운 패러다임의 출현에 의해 혁명적인 방식으로 이루어지며, 다음과 같이 열린 과정을 따라 계속 발달한다고 주장했다.

쿤이 말하는 과학의 발달 첫 단계인 전과학 단계란 과학적인 이론의 체계를 갖추지 못한 단계로 비조직적이고 다른 여러 경쟁 이론들이 공존하는 단계라 할 수 있다.

전과학 단계에서 한 이론 또는 이론들의 집합체가 출현해 다른 것보다 성공적인 패러다임이 되어 많은 사실들을 설명할 수 있고, 다양한 요인을 포함하면서도 보다 단순한 성질을 띠면서 경쟁 이론들 중에서 성공적인 이론으로 확립돼 정상 과학 단계로 발전한다. 이 단계에서는 소속 집단의 모두가 같은 패러다임에 의해 관찰, 과학적 조사, 실험 등을 수행하면서 자연 현상을 설명하고 통제 조절해 패러다임을 정교화하고 발달시키는 과학 활동, 소위 ‘수수께끼 풀이’ 활동이 주로 일어난다.

그 후, 기존의 이론으로는 설명할 수 없는 사례 즉, 기존 패러다임에 부합되지 않는 예외적인 사실이 나타나 축적되면 과학의 위기를 맞게 되고, 이 위기를 극복하기 위해서 과학 혁명이 일어나게 되는 과정을 반복하게 된다.

<제시문3>

대부분의 세포내 액체는 인산이온 농도가 효과적인 완충을 위해 충분하다. 혈액에서 인산이온 수준은 완충을 위해 불충분하므로 탄산이온이 필요하다. 혈액에서 완충계는 탄산의 해리에 기인하며 pKa는 36.5에서 6.1이다. 혈액의 pH는 다음과 같은 Henderson-Hasselbalch식이 성립된다.

pH=pKa' + log

7.4=6.1+log으로부터 =20이된다.

그러나 이 평형이 무너지면 호흡성 산증(acidosis)이나 알카리증(alkalosis)이 된다. 혈액의 pH 상승이 급격해 산성쪽으로 급하게 기울면 혈중의 Ca2+이 감소해 테타니병(tetany)이 일어난다. pH 저하가 급격해 알카리성쪽으로 기울면 의식장해나 혼수가 일어난다.

<논제 1> 정상인 부모에게서 2명은 정상, 2명은 알비노(백화증)인 자녀가 태어날 확률은 얼마인가?

<논제2> 논제 1에서 제시한 멘델의 독립 법칙은 1920년 경 모건의 초파리 염색체 돌연변이 연구로 수정된다. 쿤의 패러다임 변천에 의한 과학 혁명 이론으로 설명하여라.

<출제의도> 멘델의 유전·확률 법칙 응용력 측정

멘델의 유전법칙과 확률의 법칙에 대한 실질적인 응용은 인류 유전에서 사용된다. 동물 육종학자들이 가계도 분석을 위해 사용한다. 생물 교과서의 유전 단원과 수학의 확률 단원을 융합해 논제1을 풀 수 있다. 과학 철학에서 유명한 토마스 쿤의 과학 혁명에 대한 한 예를 생물 교과에 적용한 문제가 논제 2이다. 제시문 3은 병원에서 위급한 환자에게 일어날 수 있는 가장 흔한 일 중에 하나이다. 생물의 호흡 단원과 화학의 화학 평형 단원을 융합해 풀 수 있다.

<논제2> 의 예시답안2

멘델은 양성 잡종 이론에서 유전적 요소(유전자)가 독립 사건으로 일어난다고 했다. 하지만 모건은 초파리 염색체 지도를 작성하면서 유전자는 같은 염색체 위에 존재하면 연관이 된다는 것을 관찰했다. 두 염색체에 독립적으로 존재하는 유전자 사이에는 멘델의 독립 법칙이 적용된다. 연관된 두 유전자 사이에서 교차가 일어날 때, 독립의 법칙이 모순이 된다. 그러므로 두 유전자 사이의 유전은 독립의 법칙, 완전 연관, 불완전 연관(교차) 등 세 가지가 존재한다. 멘델의 법칙이 지배적인 시기의 패러다임은 모건의 초파리 염색체 돌연변이 연구에 의해 과학 혁명이 일어나서 바뀌었다고 말할 수 있다.

김진호 고려학원 이과논술팀장