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수능 연습 2. 과학
[1~3] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.
당구대 위에 놓인 15개의 포켓볼 중 흰 공을 큐로 친다고 해 보자. 포켓볼들은 당구대 위에서 어지럽게 움직일 것이다. 이것은 분자 사이에 화학 반응이 일어날 때 원자들과 유사한데, 화학 반응은 수천, 수만, 때로는 수백만 개의 공이 3차원 공간에서 번개처럼 빠르게 움직이며 서로 충돌하는 것과 같다. 전자는 밀리 초의 몇 분의 몇이라는 짧은 시간에 하나의 원자에서 다른 원자로 건너뛰므로 고전 화학의 방법으로는 그것을 따라가기 어렵다. 따라서 화학 반응 과정의 모든 단계를 실험으로 추적하는 것은 사실상 불가능하다.
전통적으로 화학자들은 ㉠공과 막대를 이용한 모형을 만들어 분자 구조를 설명했는데 이 경우 아주 짧은 시간에 일어나는 화학 반응을 세밀하게 분석하기 어려웠다. 그런데 1970년대 컴퓨터를 기반으로 한 모형이 개발되어 화학의 발전에 결정적인 역할을 하였다. 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석하는 연구법을 개발한 카르플루스, 레빗, 와르셸은 화학 반응 과정을 이해하고 예측하는 데 사용되는 프로그램의 기초를 놓았다. 이후 컴퓨터를 통해 촉매의 작용이나 녹색 식물의 광합성과 같은 화학 과정의 신비가 밝혀지고 있으며, 이들은 화학 발전에 기여한 공로를 인정받아 2013년에 노벨 화학상을 수상하였다.
㉡컴퓨터를 이용하여 화학 반응 과정과 조합을 예측하는 방법은 이들의 연구 이전에도 존재하였다. 그렇지만 이 방법은 고전 물리와 양자 물리 접근법 중 하나의 접근법을 선택·적용해야 한다는 한계가 있었다. 즉 공기 중에 던져진 공의 궤적이나 나무에서 떨어지는 사과의 운동과 같이 큰 물체의 운동을 기술하는 데는 고전 역학을 사용하였으며, 반면에 단일한 원자와 분자의 수준에서 운동을 기술할 때는 양자 역학을 적용하였다. 고전 물리학은 일상적인 물체들의 영역에 적용되어 왔고 양자 물리학은 항상 작은 입자의 영역에 적용되어 왔던 것이다.
카르플루스, 레빗, 와르셸의 연구는 뉴턴의 고전 물리학과 양자 물리학을 연결함으로써 이 분야에 혁신을 이루었다. 즉 고전 물리학과 양자 물리학의 장점을 모두 사용하는 방법을 고안한 것이다. 고전 물리학의 장점은 계산이 단순하고 커다란 분자를 모형으로 만드는 데 요긴하다는 것이다. 그런데 고전 물리학은 화학 반응을 시뮬레이션할 방법을 제시하지 못하기 때문에 이를 위해서 양자 물리학을 사용한다. 단 이때는 복잡한 계산이 요구되기 때문에 작은 분자에 대해서만 수행할 수 있다. 이를 바탕으로 이들이 제시한 방법은 분자의 핵심에 가까운 부분에는 양자 역학을, 멀리 떨어진 부분에는 고전 역학을 적용하는 것이었다. 가령, 어떤 약물이 사람 몸의 목표 단백질과 어떻게 짝을 이루는지 시뮬레이션하기 위해 컴퓨터는 약물과 상호 작용하는 목표 단백질의 원자들에 대해서는 양자 이론적 계산을 수행하고, 단백질의 나머지 부분은 고전 물리학을 사용하여 시뮬레이션을 한다.
[A] {한편, 고전적 방법과 양자적 방법을 결합한 혼종 방법은 기존의 연구 방법으로는 분석하지 못했던 단백질과 같은 거대 분자의 구조와 화학 반응을 알아내기 위해 개발된 것이다. 이들은 단백질과 같이 원자 개수가 많고 크기가 큰 분자에서 원자의 어떤 그룹을 덩어리로 취급하고, 이를 바탕으로 전체 구조에서 단위의 수를 단순화하여 이 그룹들이 어떻게 움직이는지 예측할 방법을 개발했던 것이다. 이때 단백질의 구조는 진화의 과정에서 특수한 기능을 하게 된 것이기 때문에 단백질의 모양은 그것이 하게 될 운동과 긴밀하게 연관되어 있다. 따라서 이들이 밝혀낸 구조에 대한 이해는 기능의 이해로 이어져 화학 분야에 큰 발전을 이루었다. 현재 이 방법은 약물을 설계하는 것에서 단백질의 구조가 알츠하이머병에서 어떻게 바뀌는지를 이해하는 데까지 다양하게 사용되고 있다.}
1. [A]에 나타난 ‘혼종 방법’의 개발 과정을 추론해 보았다. 그 내용으로 적절하지 않은 것은?
단백질과 같은 거대 분자의 구조와 복잡한 화학 반응은 어떻게 예측할 수 있을까?
단백질과 같은 거대 분자는 양자 역학의 복잡한 계산으로는 시뮬레이션할 수 없어. … ①
단백질은 수많은 원자로 이루어져 있기 때문에 고전 역학만으로는 움직이는 분자를 기술하기에 충분하지 않아. … ②
원자의 어떤 그룹을 덩어리로 취급하여 전체 구조에서 단위의 수를 단순화해 보자. … ③
단백질의 진화 과정을 통해 원자 그룹들의 성질을 예측함으로써 전체 구조의 변화를 확인할 수 있어. … ④
고전 역학과 양자 역학을 상호 보완적으로 결합하면 단백질의 구조와 화학 반응을 예측할 수 있어. … ⑤
2. (보기)는 메탄이 연소되는 화학 반응을 ㉠을 이용하여 표현해 본 것이다. 윗글과 (보기)를 바탕으로 ㉠의 특징을 설명한 것으로 가장 적절한 것은?
(보기)
① 화학 반응의 과정과 조합을 예측하게 해 준다.
② 빠른 속도로 일어나는 화학 반응을 세밀히 분석하게 해 준다.
③ 분자식만으로는 알 수 없는 분자의 구조를 이해하는 데 유용하다.
④ 원자들이 결합하여 분자가 되는 과정을 단계적으로 추적하게 해 준다.
⑤ 분자들이 충돌하여 새로운 분자를 만들어 내는 과정을 보여 주는 데 적절하다.
3. 윗글을 읽고 ㉡을 조사하여 학교 신문에 다음과 같이 투고하였다. ⓐ에 들어갈 내용으로 적절하지 않은 것은?
과학 소식 ○○○○년 ○월 ○일
컴퓨터 시뮬레이션의 힘, 30일 소요되던 실험이 30분 만에!
컴퓨터 시뮬레이션 연구는 실제 실험만큼 중요해지고 있다. 2013 노벨 화학상도 실험실이 아닌 컴퓨터를 이용해 복잡한 화학 반응을 시뮬레이션으로 분석하는 연구법을 개발한 이들에게 돌아갔다. 이들은 복잡한 화학 반응을 컴퓨터로 이해하고 예측하는 일종의 '사이버 스페이스 실험'을 고안해 촉매나 신약 개발 등에 기여한 공로를 인정받았다.
처음으로 사용된 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램은 포플이 개발한 '가우시안'이다. 이것은 분자 구조만 알면 전자들의 상태와 에너지를 쉽게 계산할 수 있어 지금도 쓰고 있는 프로그램이지만, 화학 반응을 양자 화학 수준에서 예측할 수밖에 없다는 단점이 있다. 즉 원자 수가 100개 정도인 비교적 작은 분자들의 에너지를 계산하는 데 그친다는 것이다. 생체 분자 중에는 원자가 수만 개 이상인 거대 분자가 많은데, 이런 거대 분자가 어떻게 움직이는지 연구하기 위해서는 새로운 프로그램이 필요하였다.
카르플루스, 레빗, 와르셸이 개발한 방법은 [ ⓐ ]
① 고전 물리학과 양자 물리학의 장점을 모두 사용하는 방법이다.
② 작은 분자보다 거대 분자의 구조와 기능을 밝히는 데 유용하다.
③ 단백질과 같은 거대 분자의 구조와 복잡한 화학 반응도 예측할 수 있다.
④ 직접 실험하지 않고도 분자 내부의 복잡한 현상을 빠른 시간 안에 규명할 수 있다.
⑤ 분자의 핵심에 가까운 부분에는 양자 역학을, 멀리 떨어진 부분에는 고전 역학을 적용한다.
도움자료
[2015 EBS 수능특강 B]
수능 연습 2. 과학
1. ④ 2. ③ 3. ②
‘화학 반응과 컴퓨터 시뮬레이션’
해제
이 글은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 화학 반응의 과정을 이해하고 예측한 카르플루스, 레빗, 와르셸의 연구를 소개하고 거대 분자의 구조와 화학 반응을 예측하기 위해 그들이 개발한 혼종 방법에 대해 설명하고 있다. 고전 화학의 방법은 화학 반응의 과정을 분석하는 데 한계가 있었고 카르플루스, 레빗, 와르셸의 연구 이전에 컴퓨터를 이용하여 화학 반응의 과정과 조합을 예측하는 방법이 있었으나 이 방법 역시 고전 물리나 양자 물리의 접근법을 선택적으로 적용해야 한다는 한계가 있었다. 카르플루스, 레빗, 와르셸의 연구 방법은 고전 물리학과 양자 물리학의 장점을 모두 사용함으로써 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 화학 반응 과정을 이해하고 예측하는 분야에 혁신을 이루었다. 이들이 개발한 혼종 방법은 기존의 방법으로는 분석하지 못했던 단백질과 같은 거대 분자의 구조와 화학 반응을 예측하기 위해 개발된 것으로, 고전적 방법과 양자적 방법을 결합하여 단백질의 구조와 기능을 밝혀냄으로써 화학 분야에 큰 발전을 이루었다.
주제
카르플루스, 레빗, 와르셸의 컴퓨터를 이용한 화학 반응 분석 연구와 그 방법
구성
• 1문단: 화학 반응 분석에서의 고전 화학의 한계
• 2문단: 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 화학 반응 분석의 의의
• 3문단: 카르플루스, 레빗, 와르셸 연구 이전의 컴퓨터를 이용한 방법의 한계
• 4문단: 컴퓨터를 이용한 화학 반응 분석에 혁신을 이룬 카르플루스, 레빗, 와르셸의 연구
• 5문단: 혼종 방법의 개발 과정과 효용
1. 글의 내용 재구성
[정답이 정답인 이유]
④ (실마리) 원자 그룹들의 성질
[A]에서 볼 때, 단백질의 전체 구조에서 원자의 어떤 그룹을 덩어리로 취급하여 단위의 수를 단순화하였다면 이 그룹들이 어떻게 움직이는지 예측해야 한다. 원자 그룹들이 어떻게 움직일지를 예측하기 위해서는 진화 과정에 형성된 단백질의 구조와 기능의 관계를 고려하는데, 단백질의 구조는 진화의 과정에서 특수한 기능을 하게 된 것이기 때문에 모양을 보고 그것이 하게 될 운동을 예측할 수 있다. 그러므로 단백질의 진화 과정을 통해 원자 그룹들의 성질을 예측한다는 것은 적절하지 않다.
[오답이 오답인 이유]
① (실마리) 거대 분자, 양자 역학
3문단에서 볼 때, 양자 역학은 작은 입자의 영역에 적용하므로 단백질과 같이 크기가 큰 분자는 양자 역학으로 시뮬레이션하기 어렵다고 판단한 것은 적절하다.
② (실마리) 수많은 원자, 고전 역학
3문단에서 볼 때, 고전 역학은 큰 물체의 운동을 기술하는 데 사용하므로 단백질과 같이 원자의 개수가 많은 거대 분자는 고전 역학만으로 분자의 운동을 기술하기 어렵다는 판단은 적절하다.
③ (실마리) 덩어리로 취급, 단순화
[A]에서 볼 때, 단백질은 원자의 개수가 많고 크기가 커서 고전적 방법이나 양자적 방법 중 하나를 적용하였던 기존의 연구 방법으로는 구조와 화학 반응을 알아낼 수 없었다. 고전적 방법과 양자적 방법을 혼종하여 사용하기 위해서는 수백만 개의 원자 중에 어떤 그룹을 덩어리로 취급하여 전체 구조에서 단위의 수를 단순화할 필요가 있었으므로 적절하다.
⑤ (실마리) 상호 보완적
혼종 방법은 기존의 연구가 고전적 방법이나 양자적 방법 중 하나를 적용하였기 때문에 단백질과 같이 원자의 개수가 많고 크기가 큰 거대 분자의 구조와 화학 반응은 예측할 수 없다는 점을 극복하고 두 방법을 결합한 것이다. 따라서 큰 부분에서는 고전 역학을, 작은 부분에서는 양자 역학을 사용하여 상호 보완적으로 결합함으로써 단백질의 구조와 화학 반응을 예측할 수 있다는 생각은 적절하다.
2. 구체적 상황에 적용하기
[정답이 정답인 이유]
③ (실마리) 분자의 구조를 이해
㉠은 컴퓨터를 이용한 화학 반응 분석 방법과 달리 화학 반응을 세밀하게 분석하거나 그 과정을 예측하지는 못하지만 전통적으로 화학자들이 분자 구조를 설명하는 방법으로 사용한 것이다. 메탄이 연소되는 화학 반응을 공과 막대를 이용하여 보여 주는 (보기)도 물과 이산화탄소가 생성되는 과정을 보여 주지는 못하지만 분자식만으로는 알 수 없는 분자의 구조를 이해하는 데는 유용하다.
[오답이 오답인 이유]
① (실마리) 예측하게
2문단에서 볼 때, ㉠은 화학 반응을 세밀하게 분석하거나 그 과정을 예측하지는 못하기 때문에 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 모형이 개발되어 화학 반응 과정을 이해하고 예측하게 되었다. (보기)도 메탄의 연소를 분자 모형으로 보여 주지만 이를 통해 화학 반응의 과정과 조합을 예측할 수는 없다.
② (실마리) 세밀히 분석
2문단에서 ㉠은 분자의 구조를 설명하는 데 용이하나 아주 짧은 시간에 일어나는 화학 반응을 세밀하게 분석하기는 어렵다고 하였다.
④ (실마리) 단계적으로 추적
1, 2문단을 통해 볼 때, 실험으로는 화학 반응 과정의 모든 단계를 추적하는 것이 불가능하였으므로 ㉠은 전통적으로 분자의 구조를 설명하는 데 사용되었다. 메탄의 연소를 모형으로 나타낸 (보기)에서 ㉠은 원자들이 결합한 분자의 구조를 보여 주기는 하지만, 연소되는 화학 반응의 과정을 단계적으로 추적할 수 있게 해 주는 것은 아니다.
⑤ (실마리) 충돌하여, 만들어 내는 과정
2문단에서 볼 때, ㉠은 화학 반응을 세밀하게 분석하지는 못하기 때문에 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 모형이 개발되어 화학 반응 과정을 이해하게 되었다. (보기)는 메탄의 연소를 분자 모형으로 보여 주지만 분자들이 어떻게 충돌하여 새로운 분자를 만들어 내는지를 보여 주지는 못한다.
3. 글의 주제, 함축된 의미 추론
[정답이 정답인 이유]
② (실마리) 작은 분자보다
카르플루스, 레빗, 와르셸이 개발한 방법은 단백질과 같은 거대 분자의 구조와 화학 반응을 알아내기 위해 개발된 것이지만 작은 분자에 대해서만 가능한 양자 물리학과 큰 분자에 대해서만 가능한 고전 물리학의 장점을 모두 사용하는 방법이다. 그러므로 ⓐ에 작은 분자보다 거대 분자의 구조와 기능을 밝히는 데 유용하다는 내용이 들어가는 것은 적절하지 않다.
[오답이 오답인 이유]
① (실마리) 장점을 모두 사용
3문단에서 볼 때, ㉡은 카르플루스, 레빗, 와르셸의 연구 이전에도 있었지만 그 방법들은 고전 물리나 양자 물리의 접근법 중 하나를 적용해야 한다는 한계가 있었다. 이에 대해 4문단에서 카르플루스, 레빗, 와르셸의 연구는 고전 물리학과 양자 물리학의 장점을 모두 사용하는 방법을 고안한 것이라 설명하고 있으므로 적절하다.
③ (실마리) 거대 분자의 구조, 복잡한 화학 반응
학교 신문에 소개한 ‘가우시안’ 프로그램과 같은 기존의 연구 방법으로는 고전 물리나 양자 물리의 접근법 중 하나를 적용해야 하였기 때문에 단백질과 같이 원자 개수가 많고 크기가 큰 거대 분자의 구조와 화학 반응은 알아낼 수 없었다. 그런데 5문단에서 카르플루스, 레빗, 와르셸이 개발한 혼종 방법은 거대 분자의 구조와 복잡한 화학 반응도 예측할 수 있다고 하였으므로 적절하다.
④ (실마리) 직접 실험하지 않고도
학교 신문에 실린 글은 ‘가우시안’ 프로그램과 카르플루스, 레빗, 와르셸의 방법을 소개함으로써 ‘사이버 스페이스 실험’과 같은 컴퓨터 시뮬레이션 연구의 중요성을 밝히고 있다. 이와 관련하여 1, 2문단을 살펴보면, 화학 반응 과정의 모든 단계를 실험으로 추적하는 것은 불가능하였으나 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석하는 방법을 개발하여 실험을 하지 않고도 화학 과정의 신비가 밝혀지고 있다고 하였으므로 ⓐ에 들어갈 내용으로 적절하다.
⑤ (실마리) 양자 역학, 고전 역학
4문단에서 볼 때, 카르플루스, 레빗, 와르셸이 개발한 방법은 작은 분자에 대해서만 가능한 양자 물리학과 큰 분자에 대해서만 가능한 고전 물리학의 장점을 모두 사용하는 방법이다. 이를 바탕으로 이들이 제시한 방법이 분자의 핵심에 가까운 부분에는 양자 역학을, 멀리 떨어진 부분에는 고전 역학을 적용하는 것이므로 ⓐ에 들어갈 내용으로 적절하다.
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