(실전 1-과학) '시간 생물학'-지문 해설, 대비 31문제(2024학년도 수능특강 기출 및 변형)

 

지구에 살고 있는 유기체들은 하루를 주기로 자전하는 지구 환경에 적응하며 살아가고 있다. 지구상의 식물이나 동물은 이러한 환경에 적응하여 24시간을 주기로 그 모습이나 생리 작용 등이 반복적으로 변화하는데, 이를 일주기 리듬이라고 한다. 수면 주기, 호르몬 분비, 음식 섭취 및 혈압과 체온 조절에 이르기까지 유기체의 거의 모든 생리, 대사, 행동은 이 리듬에 맞추어져 있다. 유기체가 이러한 주기적 특성을 보인다는 사실은 이미 많은 연구 결과를 통해 밝혀져 왔는데, 2017년 노벨상을 수상한 제프리 홀과 마이클 로스배시, 그리고 마이클 영의 연구로 드디어 이러한 현상의 작동 원리가 규명되었다.

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일주기 리듬에 관한 최초의 과학적 실험은 식물을 대상으로 이루어졌다. 18세기 프랑스의 ㉠드메랑은 콩과의 한해살이풀인 미모사가 낮에는 태양을 향해 잎을 벌리고 밤에는 잎을 오므린다는 점에 주목하였다. 그는 미모사를 며칠 동안 캄캄한 벽장에 넣어 두었는데, 그 속에서도 미모사는 낮에 잎을 벌리고 밤에 잎을 오므리는 현상을 반복하였다. 이를 보고 드 메랑은 미모사 잎의 운동 리듬이 어두운 곳에서도 지속되었다고 기록하였다. 그 후 스위스의 ㉡드캉돌은 드메랑의 기록을 재현하는 실험을 통해 다음과 같은 사실을 밝혀내었다. 자연적으로 밤과 낮이 바뀔 때 미모사 잎은 24시간의 운동 주기를 보이며, 불을 계속 켜 두거나 차단했을 때에는 그 리듬에 약간의 변화가 나타나 20시간에서 28시간 사이의 주기를 보인다는 것이다. 이러한 사실은 일주기 리듬이 단순히 외부 자극에 대한 수동적 반응이 아니라 유기체 자체에 내재되어 있으며, 유기체 내에 일주기 리듬을 만들어 내는 메커니즘이 존재함을 시사하는 것으로 해석되었다.

 

 

이러한 연구 결과들을 토대로 일주기 리듬을 만들어 내는 메커니즘과 관련된 유전자 연구가 미국에서 본격적으로 시작되었다. 1971년 ㉢코노프카는 초파리의 일주기 리듬을 조절하는 유전자를 밝혀내기 위한 연구를 수행한 결과, 그동안 알려지지 않았던 유전자의 돌연변이가 초파리의 일주기 리듬을 방해한다는 사실을 발견하였다. ‘이슬을 사랑하는 동물’이라는 뜻의 학명을 지닌 초파리의 번데기는 새벽 시간에 성충으로 우화(羽化)*한다. 코노프카는 초파리에게 돌연변이를 일으키기 위한 화학 물질을 먹여 다양한 돌연변이체를 만든 후 12시간은 빛이 있는 상태에서, 12시간은 어두운 상태에서 초파리 번데기를 배양하였다. 그 결과 일부 돌연변이 초파리의 번데기는 새벽 시간에 맞추어 우화하는 것이 아니라, 밤낮을 가리지 않고 아무 때나 우화하였다. 코노프카는 이를 통해 일주기 리듬에 관여하는 유전자를 찾아내어 주기(週期)를 뜻하는 피리어드(period)라 명명하였고, 이 유전자가 초파리의 X 염색체에 존재한다는 사실을 밝혀내었다.

 

 

1984년 제프리 홀과 마이클 로스배시는 피리어드 유전자의 산물인 피리어드 단백질이 밤에 축적되고 낮에 분해되는 주기성이 있음을 발견하였다. 그들은 피리어드 단백질이 일정 수준으로 축적되면 억제 피드백 고리에 의해 피리어드 유전자의 활성을 억제하고, 그 결과 지속적이면서 주기적인 일주기 리듬 을 스스로 조절하게 되는 것이라고 추론하였다. 그들은 밤 동안 세포핵 속에 있는 피리어드 유전자가 활성화되어 피리어드 유전자의 mRNA가 생성되고, 이 mRNA가 세포질로 이동하여 피리어드 단백질을 만들고, 이 피리어드 단백질이 세포핵 속에 축적되는 것까지 확인하였다. 그러나 피리어드 단백질이 어떻게 세포핵 속에 도달할 수 있는지는 밝혀내지 못하였다. 이 의문은 1994년 마이클 영이 두 번째 일주기 유전자인 타임리스(timeless) 유전자를 발견함으로써 해소되었다. 마이클 영은 타임리스 유전자의 산물인 타임리스 단백질이 피리어드 단백질과 결합하면 유전 물질이 있는 세포핵 속으로 이동할 수 있다는 것을 규명하였다.

 

 

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[해설]

시간 생물학

{해제}

이 글은 지구상의 유기체에 나타나는 일주기 리듬의 작동 원리를 설명하고 있다. 식물이나 동물은 하루를 주기로 자전하는 지구 환경에 적응하여 24시간을 주기로 그 모습이나 생리 작용 등이 반복적으로 변화하는데, 이를 일주기 리듬이라고 한다. 노벨상을 수상한 제프리 홀과 마이클 로스배시, 그리고 마이클 영은 타임리스 유전자와 더블타임 유전자 등이 관여함으로써 피리어드 유전자의 일주기 리듬이 정교하고 안정적으로 작동하고 있다는 것을 규명하였다.

 

 

{주제}

지구상의 유기체에 나타나는 일주기 리듬의 작동 원리

{구성}

•1문단: 지구상의 유기체에 나타나는 일주기 리듬

•2문단: 일주기 리듬을 발견했던 과학자들

•3문단: 일주기 리듬에 관여하는 피리어드 유전자

•4문단: 피리어드 유전자의 주기성에 관여하는 타임리스 유전자

•5문단: 24시간이라는 주기를 맞추는 데 관여하는 더블타임 유전자

•6문단: 일주기 리듬과 관련된 발병 메커니즘의 연구

 

 

(실전 1-과학) '시간 생물학'-지문 해설, 대비 31문제(2024학년도 수능특강 기출 및 변형)

 

 

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