과학적 개념 정확히 알면 응용 쉬워

김은주 교사의 수학 과학 비타민

김은주 교사의 수학 과학 비타민 /

과학논술과 관련해 학생들로부터 가장 많이 듣는 질문은 ① 교과서만 공부해도 되느냐 ② 그냥 식으로 푸는 문제이거나 객관식 문제라면 좋겠는데, 답안을 글로 어떻게 써야 할지 모르겠다 ③ 문제가 복합적이라 너무 어렵다는 것이다.

①번 질문에 대한 답은 ‘그렇다’이나 약간의 조건이 붙는다. 과학논술에 필요한 배경 지식의 깊이는 교과서 정도로 충분하다. 다만, 객관식 문제집 문제를 풀 수 있을 정도의 얕은 공부가 아니라, 자신이 다른 사람에게 개념이나 원리를 충분히 설명하고 예까지 들 수 있을 만큼 정확하게 이해하고 있어야 한다. 학교 시험에서 출제되는 서술형 문항 정도의 짧은 답안을 조리있게 쓸 수 있다면 논술고사에서도 좋은 답안을 쓸 수 있다. 최근 대학별 논술고사는 대부분 200자의 짧은 답안 2∼3개, 500∼800자 답안 1개 등 세트형 문제로 출제되는 경향이고, 이런 문제를 출제하는 의도는 학생이 핵심 개념을 제대로 알고 있는지를 측정하고자 하는 것이다.

②번 같은 질문은 평소 글을 별로 써 볼 기회가 없는 자연계열 학생들이 주로 하는 말로, 글을 써본 경험이 별로 없고 연습도 하지 않았기 때문이다. 체육시간에 한 번 뛰어 줄을 두 번 넘는 시험을 본 적이 있을 것이다. 처음에는 한 번도 힘들지만 계속 연습하면 두 번 넘기가 되지 않던가.

③번 질문은 ①번과도 관련이 있다. 얕은 지식으로는 복합적인 문제가 어렵게 느껴질 수 밖에 없다. 하지만 개념을 정확히 이해하고 있다면 다른 과목과의 통합이나 응용이 얼마든지 가능하다. 또 대학의 기출문제를 반복해서 풀어보면 문제를 처음 대할 때의 두려움이 사라지고 일정한 출제 흐름이 보일 것이다.

이번에는 ②번 질문과 관련해 ‘연습’의 기회를 갖는다. 답안을 쓸 때 어떻게 접근해야 하는지에 초점을 맞춰 한 학생이 쓴 답안을 살펴보고, 도움말을 참고로 문제점을 보완해 각자 답안을 써보자.

<기출문제 >제시문의 내용을 토대로 생태계에서의 에너지 흐름과 탄소의 순환을 각각 설명하고 이 두 과정의 차이점 한 가지를 500자 이내로 기술하시오. (2007 동국대 수시1학기, 생물 ‘생태계’ 단원)

생태계는 일정한 공간에 존재하는 생물체와 물, 공기, 흙, 영양소, 기후 등의 비생물적 환경으로 구성된다. 생태계를 구성하는 요소들은 물질의 순환과 에너지의 흐름이라는 두 과정을 통해 상호 작용한다. 생태계에서 에너지 흐름은 태양에너지에서 시작하여 광합성 생물에 의해 화학에너지로 전환된다. 광합성 생물은 식물을 비롯하여 녹조류와 광합성 세균 등을 포함한다. 진화를 통해 광합성 과정이 생기기 전까지 생명체는 주변 환경으로부터 유기화합물을 흡수하고, 이로부터 다른 형태의 유기화합물로 전환하여 사용하는 종속영양생물이었다. 이와 달리 광합성 생물은 이산화탄소와 물과 같은 무기화합물로부터 에너지가 풍부한 유기화합물을 만드는 독립영양생물이며, 이러한 능력으로 다른 형태의 생명체를 부양할 수 있게 되었다. 광합성 생물에 저장된 에너지는 생태계 먹이연쇄를 통해 먹히는 생물로부터 먹는 생물로 전달된다. 먹이사슬에서 생물이 차지하는 위치를 영양단계라고 한다. 생물의 영양단계에서 생산자에 해당하는 식물은 광합성 과정을 통해 태양의 빛 에너지를 이용하여 대기 중의 이산화탄소를 탄수화물로 전환시킨다. 탄소 외에 생명체에 필수적인 질소와 인 등의 물질들은 토양으로부터 식물의 뿌리를 통해 흡수되어 단백질, 핵산, 지질 등의 주요 세포 구성물질을 형성한다. 먹이사슬의 다음 영양단계인 1차 소비자는 생산자가 만들어낸 유기화합물을 섭취하여 에너지를 얻는다. 다음 영양단계는 1차 소비자 초식동물을 먹는 2차 소비자와 육식동물을 먹는 3차 소비자로 구성된다.

모든 생물은 호흡을 통해 탄수화물과 같은 영양분에 저장되어 있는 화학에너지로부터 세포가 에너지원으로 사용할 수 있는 ATP를 생산하고, 이 과정에서 만들어지는 이산화탄소는 대기로 방출되어 광합성 생물이 그 일부를 사용한다. 생물은 ATP에 함유된 에너지를 이용하여 생명 유지에 필수적인 대사를 수행한다. 이와 같은 대사 활동을 통해 이용된 에너지는 결국 열에너지로 전환되어 손실된다. 먹이사슬을 통해 저장된 에너지의 많은 부분은 열에너지로 손실되므로, 일부 에너지만이 한 영양단계에서 다음 상위 영양단계로 전달된다. 열에너지는 생물체가 다시 사용할 수 없으므로 생태계의 기능이 유지되기 위해서는 지속적으로 태양로부터의 에너지 유입이 필요하다.

생물의 사체나 배변을 통해 토양이나 물로 배출되는 유기화합물은 세균과 곰팡이 등과 같은 분해자에 의해 단순한 탄소화합물 등으로 전환되어 대기, 토양, 물로 내보내진다. 지질학적 탄소 퇴적물인 석탄과 석유와 같은 화석 연료는 연소과정을 거쳐 이산화탄소 형태로 대기 중으로 돌아간다. 질소와 인과 같은 물질도 생태계 내에서 순환되어 다시 이용된다. 유기화합물의 각종 구성 성분들은 생산자, 소비자, 분해자로 이동하면서 생물체들의 삶을 지탱해주고, 결국 생태계의 비생물적 환경으로 되돌아가 순환하게 된다.

---

학생 답안

생태계에서 에너지는 먹이연쇄를 통해 전달된다. 생산자인 식물은 광합성을 통해 태양에너지를 화학에너지의 형태로 변환시키며, 이 에너지는 먹이연쇄를 거쳐 최종 소비자까지 전달된다. 이 전달 과정에서 화학에너지는 일부 열에너지의 형태로 손실된다. 따라서 먹이 연쇄의 상위 단계로 갈수록 사용할 수 있는 에너지의 총량은 줄어든다.

반면에 탄소는 생태계 내에서 계속 순환된다. 비생물적 환경에 존재하는 이산화탄소는 식물의 광합성에 의해 유기화합물이 되며, 이를 소비자들이 섭취한다. 이 유기화합물은 연소 과정이나 분해자들의 생물 분해과정을 거쳐 다시 무기물의 형태로 전환되어 비생물적 환경으로 돌아간다. 이 두 과정에서 에너지는 지속적으로 손실이 일어나며, 따라서 먹이연쇄의 위쪽 방향으로만 흐른다. 하지만 탄소는 생태계 내에서 계속 순환되므로, 그 총량이 언제나 일정하다는 점에서 에너지의 흐름과 차이가 있다.

도움말

‘두 과정’은 하나는 에너지의 흐름, 다른 하나는 탄소의 순환을 말하므로, 따로 정확하게 분리해서 써주는 것이 낫겠네요. ‘에너지가 지속적 손실이 일어나기 때문에 먹이연쇄의 위쪽 방향으로 흐른다’란 말은 논리에 맞지 않습니다. ‘위쪽 방향’은 ‘상위영양단계’라는 말로 바꾸어 써야합니다. 상위영양단계는 최종 소비자 쪽, 하위영양단계는 생산자 쪽이지요. 에너지는 먹이연쇄를 따라 각 단계에서 소모된다는 점과 물질인 탄소는 환경과 생물 사이에서 무기물과 유기물의 형태로 순환된다는 점이 답안의 핵심입니다. 금옥여고 생물 교사