주제탐구 보고서 및 학생부 세특 주제를 위한 배경지식 - 2023학년도 수능국어[14-17] 생명체의 기초대사량 측정

이 글은 2023학년도 수능국어 문제에서 다룬 "생명체의 기초대사량 측정"을 주제로, 고등학생들이 주제탐구 보고서 및 학생부 세부능력특기사항(세특) 작성을 위해 알아야 할 배경지식을 제공합니다. 문학, 수학, 사회, 과학 영역의 탐구주제 예시와 구체적인 탐구방법을 포함하여 학생들의 학습에 도움을 주고자 합니다.

2023학년도 수능국어 [14-17] 생명체의 기초대사량 측정

 기초대사량의 정의와 중요성

기초대사량은 생존에 필수적인 에너지로, 하루 동안의 총 열량 소모량 중 큰 비중을 차지한다.

하루에 필요한 에너지의 양은 하루 동안의 총 열량 소모량인 대사량으로 구한다. 그중 기초 대사량은 생존에 필수적인 에너지로, 쾌적한 온도에서 편히 쉬는 동물이 공복 상태에서 생성하는 열량으로 정의된다. 이때 체내에서 생성한 열량은 일정한 체온에서 체외로 발산되는 열량과 같다. 기초 대사량은 개체에 따라 대사량의 60～75%를 차지하고, 근육량이 많을수록 증가한다.

기초대사량 측정 방법

기초대사량은 직접법 또는 간접법으로 측정할 수 있다.

기초 대사량은 직접법 또는 간접법으로 구한다. 직접법은 온도가 일정하게 유지되고 공기의 출입량을 알고 있는 호흡실에서 동물이 발산하는 열량을 열량계를 이용해 측정하는 방법이다. 간접법은 호흡 측정 장치를 이용해 동물의 산소 소비량과 이산화 탄소 배출량을 측정하고, 이를 기준으로 체내에서 생성된 열량을 추정하는 방법이다.

기초대사량과 체표 면적

19세기의 초기 연구는 체외로 발산되는 열량이 체표 면적에 비례한다고 보았다.

19세기의 초기 연구는 체외로 발산되는 열량이 체표 면적에 비례한다고 보았다. 즉 그 둘이 항상 일정한 비를 갖는다는 것이다. 체표 면적은 (체중)^0.67에 비례하므로, 기초 대사량은 체중이 아닌 (체중)^0.67에 비례한다고 하였다. 어떤 변수의 증가율은 증가 후 값을 증가 전 값으로 나눈 값이므로, 체중이 W에서 2W로 커지면 체중의 증가율은 (2W) / (W)＝2이다. 이 경우에 기초 대사량의 증가율은 (2W)^0.67 / (W)^0.67＝2^0.67, 즉 약 1.6이 된다.

클라이버의 법칙과 대사 체중

 클라이버는 다양한 크기의 동물의 기초 대사량을 측정하고, 기초 대사량이 (체중)^0.75에 비례한다고 결론지었다.

1930년대에 클라이버는 생쥐부터 코끼리까지 다양한 크기의 동물의 기초 대사량 측정 결과를 분석했다. 그래프의 가로축 변수로 동물의 체중을, 세로축 변수로 기초 대사량을 두고, 각 동물별 체중과 기초 대사량의 순서쌍을 점으로 나타냈다. 가로축과 세로축 두 변수의 증가율이 서로 다를 경우, 그 둘의 증가율이 같을 때와 달리, ‘일반적인 그래프’에서 이 점들은 직선이 아닌 어떤 곡선의 주변에 분포한다. 그런데 순서쌍의 값에 상용로그를 취해 새로운 순서쌍을 만들어서 이를 그래프에 표시하면, 어떤 직선의 주변에 점들이 분포하는 것으로 나타난다. 그러면 그 직선의 기울기를 이용해 두 변수의 증가율을 비교할 수 있다.

체중의 증가율에 비해, 기초 대사량의 증가율이 작다면 L-그래프에서 직선의 기울기는 1보다 작으며 기초 대사량의 증가율이 작을수록 기울기도 작아진다. 만약 체중의 증가율과 기초 대사량의 증가율이 같다면 L-그래프에서 직선의 기울기는 1이 된다.

이렇듯 L-그래프와 같은 방식으로 표현할 때, 생물의 어떤 형질이 체중 또는 몸 크기와 직선의 관계를 보이며 함께 증가하는 경우 그 형질은 ‘상대 성장’을 한다고 한다. 동일 종에서의 심장, 두뇌와 같은 신체 기관의 크기도 상대 성장을 따른다.

한편, 그래프에서 가로축과 세로축 두 변수의 관계를 대변하는 최적의 직선의 기울기와 절편은 최소 제곱법으로 구할 수 있다. 우선, 그래프에 두 변수의 순서쌍을 나타낸 점들 사이를 지나는 임의의 직선을 그린다. 각 점에서 가로축에 수직 방향으로 직선까지의 거리인 편차의 절댓값을 구하고 이들을 각각 제곱하여 모두 합한 것이 ‘편차 제곱 합’이며, 편차 제곱 합이 가장 작은 직선을 구하는 것이 최소 제곱법이다.

클라이버는 이런 방법에 근거하여 L-그래프에 나타난 최적의 직선의 기울기로 0.75를 얻었고, 이에 따라 동물의 (체중)^0.75에 기초 대사량이 비례한다고 결론지었다. 이것을 ‘클라이버의 법칙’이라 하며, (체중)^0.75을 대사 체중이라 부른다. 대사 체중은 치료제 허용량의 결정에도 이용되는데, 이때 그 양은 대사 체중에 비례하여 정한다. 이는 치료제 허용량이 체내 대사와 밀접한 관련이 있기 때문이다.

주제탐구 보고서 및 학생부 세특 주제 추천

수학

탐구 주제: 로그를 활용한 기초대사량과 체중의 관계 분석

활용 내용 : 동물들의 기초대사량과 체중 사이의 관계를 수학적으로 분석하고 그래프로 시각화

탐구방법

• 데이터 수집 : 인터넷에서 다양한 동물의 체중과 기초대사량 데이터를 검색하여 수집합니다. 예를 들어, 코끼리, 소, 개, 고양이 등 다양한 동물의 데이터를 수집합니다.
• 데이터 정리: 엑셀 또는 구글 스프레드시트를 사용하여 수집한 데이터를 정리합니다. 각 동물의 체중과 기초대사량을 표로 정리합니다.
• 수학적 분석 : 각 동물의 체중과 기초대사량을 바탕으로 기초대사량이 (체중)^0.75에 비례하는지 확인합니다. 확인 후 로그 변환을 수행합니다.
• L-그래프 그리기: 엑셀 또는 구글 스프레드시트에서 로그 변환된 데이터를 바탕으로 산점도를 그립니다. X축에는 로그 체중을, Y축에는 로그 기초대사량을 설정합니다.
• 최소 제곱법을 이용한 최적의 직선 구하기: 산점도에 나타난 점들을 바탕으로, 엑셀의 "추세선" 기능을 사용하여 최적의 직선을 구합니다.
• 결과 해석: 구한 직선의 기울기가 0.75에 가까운지 확인합니다. 만약 기울기가 0.75에 가까우면, 기초대사량이 (체중)^0.75에 비례한다고 결론지을 수 있습니다.
• 보고서 작성 : 결과를 바탕으로, 기초대사량과 체중 사이의 관계를 해석하고 보고서에 기록합니다.

사회

탐구주제: 기초대사량과 사회적 요인의 상관관계 탐구

활동 내용: 사람들의 기초대사량과 사회적 요인(예: 직업, 생활습관, 지역 등) 사이의 상관관계를 조사하고 분석하는 활동.

탐구방법

• 조사 대상 선정: 학교 내 다양한 학생들을 대상으로 조사합니다. 예를 들어, 운동부 학생, 일반 학생, 아르바이트를 하는 학생 등 각 5명씩 조사 대상을 선정합니다. 도시와 농촌 지역에서 각각 거주하는 학생들도 포함합니다.
• 설문지 작성: 설문지를 통해 각 조사 대상자의 기초대사량, 운동 여부, 생활습관(식습관, 운동량 등), 거주 지역을 기록합니다.
• 데이터 정리: 설문지를 통해 수집한 데이터를 엑셀 또는 구글 스프레드시트에 입력하고 정리합니다.
• 수학적 분석: 기초대사량과 운동 여부의 관계, 기초대사량과 지역의 관계를 분석합니다. 평균 기초대사량을 계산하고 그래프로 시각화 합니다. 다음으로 식습관과 운동량에 따른 기초대사량의 차이를 분석합니다.
• 결과 해석 : 운동 여부, 지역, 생활습관별 기초대사량의 차이를 분석하여 사회적 요인이 기초대사량에 미치는 영향을 해석합니다. 예를 들어, 운동을 하는 학생들의 기초대사량이 높은 이유를 분석합니다.
• 보고서 작성: 연구 결과를 바탕으로 보고서를 작성합니다.  그래프와 표를 포함하여 시각적으로 명확한 결과를 제시합니다.

과학

탐구주제 : 다양한 동물의 기초대사량 측정 실험

활동 내용: 간단한 실험을 통해 동물의 기초대사량을 측정하고, 체중과 기초대사량의 관계를 실험적으로 도출하는 활동.

탐구방법

• 실험 준비 : 학교에서 키우는 작은 동물(예: 햄스터, 생쥐)을 선택하고 체중계, 실험 일지, 컴퓨터(데이터 정리 및 분석용), 도서관 및 인터넷 자료 등의 도구 및 자료를 준비합니다.
• 열량계 설치 : 플라스틱 병에 물을 채우고, 병의 온도를 측정할 수 있는 온도계를 준비합니다. 햄스터나 생쥐가 들어있는 케이지에 열량계를 설치하고 일정 시간 동안 온도 변화를 기록합니다.
• 데이터수집 : 동물이 활동할 때 발생하는 열로 물의 온도가 상승하는 정도를 기록합니다. 부족한 데이터(예: 코끼리, 사자 등)를 인터넷이나 도서관에서 수집합니다.
• 데이터 분석 : 수집한 데이터를 바탕으로 체중과 기초대사량의 관계를 그래프로 표현합니다.
• 결과 해석: 실험과 데이터 분석 결과를 바탕으로 체중과 기초대사량 간의 관계를 해석합니다.
• 보고서 작성: 실험 목적, 방법, 결과, 해석, 결론등의 목차를 반영하여 보고서를 작성합니다.

국어

탐구주제 : "변신"에서 그레고르 잠자가 벌레로 변하면서 장면을 중심으로 체중변화와 기초대사량 추정 및 상징적 의미와의 관계 분석

탐구활동 : 그레고르 잠자의 체중변화를 추정하고 기초대사량를 분석 후 상징적 의미와의 상관관계 분석

탐구 방법

• 소설 발췌 : "변신"의 주요 장면을 읽고, 그레고르 잠자의 체중 변화와 관련된 부분 발췌합니다.
• 기초대사량 분석 : 기초대사량의 정의와 측정 방법을 학습 후 그레고르의 체중 변화가 기초대사량에 미치는 영향을 추정합니다. 이를 통해 그레고르가 섭취해야할 칼로리를 추정합니다.
• 융합적 분석 : 기초대사량 분석을 바탕으로 그레고르의 심리적 고립감과 가족의 소외 반응 해석합니다. (예 : 벌레로 변한 잠자의 기초대사량과 가족들이 제공하는 식사 등을 분석 후 가족의 소외, 그레고르의 심리적 고립감 등의 상징적 의미와 연결)
• 보고서 작성 : 탐구한 내용을 문학 주제탐구 보고서 형태로 작성합니다.

소중한 시간을 내서 긴 글을 읽어 주셔서 감사합니다.😍
참고 자료는 첨부합니다.

참고 자료 : 2023학년도 수능 국어 독서 지문
생명체의 기초대사량 측정과 의미

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