02 생명 과학의 특성과 탐구 방법

생명 과학의 특성

생명 과학의 통합적 특성

(1) 생명 과학은 생명 현상의 본질을 탐구하는 학문이며 주로 생명체를 연구한다.

(2) 생명 현상은 생명체를 구성하는 여러 요소 간의 복잡한 상호 작용으로 이루어지므로 각 요소에 관한 개별적 탐구만으로는 정확히 이해할 수 없다.

(3) 생명체의 모든 수준에서 생명 현상을 이해하고, 이를 종합하여 생명 현상의 원리를 탐구하는 생명 과학은 통합적 특성을 가진다. (과학자들은 생명현상을 이해하기 위해 시스템 생물학적 접근을 활발히 시도하고 있다. )

(4) 생명 과학의 성과는 인류의 삶과 환경을 개선하고, 인류 복지 향상에 이바지한다. (환경 및 에너지 문제 해결, 질병 치료, 식량 증산)

(5) 생명 과학에서는 생물을 구성한는 분자에서부터 생태계에 이르기까지 다양한 범위의 대상을 통합적으로 연구한다.

분자 →세포소기관 → 세포 → 조직 → 기관 → 개체 → 개체군 → 군집 → 생태계

생명 과학의 성과

(1) 현대 생명 과학의 성과는 생명 과학의 성과와 다른 여러 학문 분양의 성과가 결합되어 나타난다. (생명 과학은 다른 학문 분야와 많은 영향을 주고받으며 발달하고 있다.)

(2) 연계된 학문 분야: 의학, 심리학, 물리학, 화학, 수학, 공학, 정보학, 생화학, 환경공학, 농학, 약학 등 다양한 분야가 있다.

(3) 생명 과학이 다른 학문 분야와 연계된 사례

– 전자 현미경의 발명: 물리학의 원리를 이용해 개발되었으며, 미세한 것을 확대해서 볼 수 있게 해주어 생명 과학의 발달에 이바지했다.

– 생체 모방 공학: 생명 과학과 공학이 연계되어 생물의 우수한 특징을 모방한 제품을 개발한다.

-사람 유전체 분석: 생명과학 기계 공학, 물히학, 화학, 정보학 등이 연계되어 사람이 가진 모든 DNA의 염기 서열을 분석한다.

-생물 정보학: 생명 과학과 정보학이 연계되어 통계 기법과 컴퓨터를 이용해 DNA의 염기 서열과 단백질의 아미노산 서열을 분석하고, 단백질의 구조와 기능을 예측한다.

– 생화학과 측정 기술의 발전: 효소, 호르몬, 비타민, 면역 단백질 등 생명체의 중요 물질의 발견과 기능 규명

– 생명 과학과 공학 기술의 결합: 농업, 의약학 등의 분야에 활용

– 컴퓨터와 정보 기술, 수학, 생명 과학 등을 접목한 생물 정보학의 발달: 유전체 정보의 분석과 활용, 생명 빅데이터 처리, 맞춤 의료 발달에 기여, 인공지능을 활용한 다양한 연구가 진행중

생명 과학의 탐구 방법

귀납적 탐구 방법

(1) 생명 현상과 대상에 대한 여러 가지 관찰 사실을 종합하고 분석하여 이로부터 일반적인 원리와 법칙을 끌어내는 탐구 방법이다.

(2) 여러 개별적인 사실로부터 결론을 이끌어내며, 연역적 탐구 방법에서와 달리 가설을 설정하지 않는다.

(3) 귀납적 탐구 방법에서 신중한 관찰과 분석은 생명 현상을 이해하는 기본이며, 연역적 탐구 방법의 토대가 된다.

* 귀납적 탐구 방법의 절차와 대표적인 예-다윈의 연구

(4) 귀납적 탐구 과정

자연 현상의 관찰 ⇩	갈라파고스 군도에 사는 핀치의 부리 모양이 다른 것을 관찰했다.
관찰 주제의 선정: ⇩	다양한 환경에 서식하는  핀치의 부리를 관찰하기로 했다.
관찰 방법과 절차의 고안 ⇩	갈라파고스 군도의 섬에 사는 핀치를 관찰, 채집한 후 부리 모양을 서로 비교했다.
관찰의 수행 ⇩
관찰 결과의 분석 및 결론 도출	서식 지역과 먹이에 따라 핀치의 부리 모양이 달라졌다는 결론을 내렸다.

세포설: 여러 과학자들이 현미경으로 다양한 생물을 관찰한 결과 모든 생물은 세포로 구성되어 있다는 결론을 이끌어냈다.

진화론: 다윈은 갈라파고스 군도를 비롯한 여러 나라에 살고 있는 생물의 특성을 관찰하고 자료를 수집하여 분석한 결과 자연 선택에 의한 진화의 원리를 밝혔다.

연역적 탐구 방법

생명 현상을 관찰하여 인식한 문제에 대해 가설을 세우고 이를 검증하여 이론, 법칙 등을 끌어내는 탐구 방법이다.

연역적 탐구 방법의 절차

(1) 생명 현상 관찰과 문제 인식

– 생명 현상을 주의 깊게 관찰하고, 궁금한 문제를 인식하는 단계이다.

(2) 가설 설정

– 인식한 문제에 대한 잠정적 해답(임시 답)인 가설을 세우는 단계이다.

– 가설은 관찰된 사실을 설명하고, 새로운 사실을 예측할 수 있어야 하며, 검증이 가능해야 한다.

(3) 탐구 설계 및 수행

– 가설의 타당성을 검증하기 위해 탐구를 설계하고, 관련된 변인을 통제하며, 이를 수행하는 단계이다.

– 대조 실험: 탐구 결과의 타당성과 신뢰성을 높이기 위해 대조군과 실험군을 설정하고, 이들을 비교하는 실험 방법이다.

대조군	실험군과 비교하기 위하여 검증하려는 변인(요인)을 변화시키지 않은 집단이다.
실험군	가설을 검증하고자 의도적으로 어떤 변인(요인)을 변화시킨 집단이다.

– 변인: 실험과 관계되는 모든 요인

* 독립변인: 실험 결과에 영향을 끼치는 변인이다.

조작 변인	가설을 검증하기 위하여 실험군에서 의도적으로 변화시키는 변인이다.
통제 변인	실험 결과에 영향을 줄 수 있어 실험군과 대조군에서 모두 일정하게 유지하는 변인이다.

* 종속 변인: 조작 변인에 따라 변화하는 변인으로 실험 결과(측정되는 값)에 해당한다.

– 변인 통제: 조작 변인 이외에 실험 결과에 영향을 끼치는 독립변인(통제 변인)을 일정하게 유지하는 것을 말한다.

(4) 결과 정리와 분석

탐구 수행의 결과를 그래프 등의 형태로 정리하고, 이들을 분석하여 경향성이나 규칙성을 알아내는 단계이다.

(5) 결론 도출

– 결과를 종합하여 결론을 도출하고, 가설을 평가하여 수용 여부를 판단하는 단계이다.

– 결론이 가설과 일치하면 다음 단계인 인반화 단계로 진행하고, 결론이 가설과 일치하지 않으면 가설을 수정하여 탐구 과정을 다시 수행한다.

(6) 일반화

– 탐구 결과로부터 도출된 결론을 법칙, 원리 등으로 인정하는 단계이다.

– 한 번의 실험을 통해 도출한 결론이 법칙이나 원리로 일반화되는 것은 아니며, 다른 과학자들에게도 같은 결론이 반복적으로 얻어지고, 관련된 다른 상황에 적용해도 성립된다는 것이 확인되어야 한다.

[사례] 플레밍의 페니실린 발견

관찰 및 문제 인식 ⇩	배양 접시에 핀 푸른곰팡이 주변에 세균이 증식하지 않은 까닭은 무엇일까?
가설 설정 ⇩	푸른곰팡이에서 생성된 어떤 물질이 세균의 증식을 억제할 것이다.
탐구 설계 및 수행 ⇩	세균 배양 접시를 두 집단으로 나눈다. 대조군: 푸른곰팡이를 접종하지 않고 세균을 배양했다. 실험군: 푸른곰팡이를 접종하고 세균을 배양했다.
결과 분석 ⇩	대조군의 배양 접시에서는 세균이 증식했고, 실험군의 배양 접시에서는 세균이 증식하지 않았다.
결론 도출	푸른곰팡이는 세균의 증식을 억제하는 물질을 생성한다.

• 조작 변인은 푸른곰팡이의 접종 여부이고, 종속변인은 세균의 증식 여부이다.

[사례] 파스퇴르의 탄저병 백신 개발

관찰 및 문제 인식 ⇩	닭 콜레라 백신처럼 탄저병 백신으로 탄저병을 예방할 수 있을 까?
가설 설정 ⇩	탄저병 백신을 주사한 양은 탄저병에 걸리지 않을 것이다.
탐구 설계 및 수행 ⇩	건강한 양을 두 집단으로 나눈다. 대조군: 탄저병 백신을 주사하지 않고 탄저균을 투여했다. 실험군:탄저병 백신을 주사한 후 탄저균을 투여했다.
결과 분석 ⇩	대조군의 양은 탄저병에 걸렸지만, 실험군의 양은 모두 건강했다.
결론 도출	탄저병 백신은 탄저병을 예방한다.

• 조작 변인은 탄저병 백신의 접종 여부이고, 종속변인은 양의 탄저병 발생 여부이다.

• 생명 과학의 탐구

(1) 과학자는 생명 현상에 관한 의문을 해결하기 위해 다양한 탐구 방법을 활용한다.

(2) 하나의 탐구 방법만을 쓰기도 하지만, 탐구 목적에 따라 순서를 바꾸거나, 여러 가지 탐구 방법을 혼합하여 활용하기도 한다.

탐구 방법	과학자	연구 사례
귀납적 탐구 방법	훅, 슐라이덴, 슈반, 피르호 등	세포설의 확립 －1665년 훅이 코르크 조직을 현미경으로 관찰하여 코르크 조직을 구성하는 작은 단위를 세포라 명명하였다. －1838년 슐라이덴은 식물 세포를 관찰하고 모든 식물이 세포로 이루어져 있다는 식물 세포설을 제안하였다. －1839년 슈반은 동물 세포를 관찰하고 모든 동물은 세포로 이루어져 있다는 동물 세포설을 제안하였다. －1855년 피르호는 모든 생물은 세포로 구성되며, 세포는 이미 존재하는 세포로부터 생성된다고 주장하였다. －오랜 시간에 걸쳐 많은 과학자들이 관찰한 사실과 연구 자료를 종합하고 분석하여 세포설이 완성되었다.
	제인 구달	침팬지의 행동 연구 1960년부터 아프리카의 곰비 침팬지 보호 구역에서 10여 년간 곰비 침팬지의 일상생활과 행동 특성을 관찰하여 기록하고 이를 연구하였다. 관찰한 특성을 종합하여 침팬지는 도구를 사용하고, 서열을 형성한다는 결론을 내렸다. 또한, 성장과 육아, 폭력성에 대한 새로운 사실들을 밝혀냈다.

•  다윈(Darwin, C. R., 1809 ~ 1882)

영국의 생물학자이자 지질학자로서 1831년부터 1836년까지 비글호를 타고 갈라파고스 군도를 비롯한 시계 각지를 돌며 다양한 생물을 관찰하고 채집하였다. 자신이 관찰하고 연구한 자료를 토대로 1959년 ‘종의 기원’을 저술하여 발표하였으며, ‘종의 기원’에서 진화의 증거를 제시하고 생물의 진화 작용을 자연 선택설로 설명하였다.

• 자연 선택설

다윈은 같은 종의 생물 개체들 사이에 형태나 기능의 차이가 나는 변이가 나타나며, 이들 중에서 생존에 유리한 특정 형질을 가진 개체가 살아남아 더 많은 자손을 남기는 자연 선택이 일어나 생물이 진화한다고 설명하였다. 하지만 당시에는 유전의 원리가 널리 알려지지 않았기 때문에 다윈은 개체의 변이가 나타나는 이유에 대해서 제대로 설명하지 못하였고, 획득 형질의 유전을 인정하는 오류를 범하였다.

탐구 방법	과학자	연구 사례
연역적 탐구 방법	플레밍	페니실린의 발견 1928년 플레밍은 푸른곰팡이가 자라는 곳에서는 포도상 구균이 자라지 못하는 것을 발견하였고, 푸른곰팡이가 포도상 구균의 생장을 억제하는 물질을 만들 것이라고 가설을 세웠다. 이를 검증하기 위해 같은 조건에서 배양한 포도상 구균을 두 집단으로 나누어 한 집단에는 푸른곰팡이 배양액을 처리하고, 다른 집단에는 처리하지 않았다. 실험 결과, 푸른곰팡이 배양액을 처리하지 않은 집단에서는 포도상 구균이 증식하였으나 푸른곰팡이 배양액을 처리한 집단에서는 포도상 구균이 증식하지 못하였다. 이를 토대로 플레밍은 푸른곰팡이는 포도상 구균의 생장을 억제하는 항생 물질을 생성한다고 결론을 내렸으며, 푸른곰팡이가 생성하는 항생 물질을 페니실린이라고 명명하였다.
	에이크만	각기병의 치료 －1896년 에이크만은 닭에게 먹이로 현미를 주기 시작하면서 각기병 증세가 나타나지 않는 것을 발견하고, 현미 속에는 각기병을 치료하는 물질이 들어 있을 것이라고 가설을 세웠다. 가설을 검증하기 위해 닭을 두 집단으로 나누어 한 집단에는 백미를 먹이로 주고, 다른 집단에는 현미를 먹이로 주면서 관찰하였다. －실험 결과, 백미를 먹인 집단에서만 각기병이 발생하였다. 또한, 각기병에 걸린 닭에게 현미를 먹이고 건강한 닭에게 백미를 먹인 결과, 각기병에 걸린 닭은 점차 증상이 호전되었지만 건강한 닭에게서 각기병이 생겼다. 이를 토대로 에이크만은 현미에는 각기병을 치료하는 물질이 들어 있다고 결론을 내렸으며, 사람을 대상으로도 현미의 효과를 확인하였다.

•  파스퇴르(Pasteur, L., 1822 ~ 1895)

프랑스의 생화학자이자 세균학자로 1843년 파리 고등사범학교에 입학해 1846년 박사 학위를 취득하였다. 주석산의 결정을 조사하여 성질을 규명하였으며, 저온 살균법을 고안하였다. 또, ‘백조 목 플라스크 실험’을 통해 자연 발생설을 비판하였다. 미생물이 발효와 질병의 원인이라는 것을 증명하였고, 독성을 약화시킨 병균을 주사하면 질병에 걸리지 않는다는 사실을 발견하였으며, 이를 토대로 광견병, 닭 콜레라, 탄저병 백신을 개발하였다.

• 레디의 실험(생물 속생설)

①관찰: 고기 조각에서 구더기 발견

②문제 인식: 고기 조각에서 생긴 구더기는 우연히 발생하는 것일까?

③가설 설정: 고기 조각의 구더기는 파리로부터 생길 것이다.

④탐구 설계 및 수행 → 결과 분석

⑤결론 도출: 고기 조각의 구더기는 파리로부터 발생하였다.

참고자료: 지학사 생명과학1 교과서, EBS 수능특강 생명과학1