[대학 입시][논술] 2024학년도 서울대학교 생명과학 구술 면접 (1-2번 해설)

 

“해충나방”은 유충일 때 잎을 섭식하여 나무에게 직접적인 피해를 일으킨다. 최근 해충나방이 존재하지 않던 여러 국가에 해충나방이 유입되어 생태계를 위협하고 있다. 국가 (가)에 자생하던 해충나방 개체군이 해충나방이 없던 국가 (나)와 (다)에 유입되어 새로운 개체군을 구성하였다고 가정하자. 각 국가에 서식하는 해충나방을 국가별로 100개 지역에서 1년간 채집해 개체군의 형질 X에 대한 유전자풀을 조사하였다. 해충나방은 3가지 대립유전자 a, b, c에 의해 결정되는 형질 X를 가지고 있으며, 형질 X의 표현형은 A형, B형, C형으로 나타난다. (단, 대립유전자의 조합에 의한 표현형 결정은 고려하지 않는다.)

ⅰ) 국가별 개체군의 형질 X의 표현형 구성 비율
ⅱ) 국가별 월평균 기온
ⅲ) 표현형에 따른 생장 가능 온도 범위

 

1-1. 국가 (나)와 (다)의 해충나방 개체군 유전자풀 변화(형성) 요인을 각각 설명하시오.

 

• 먼저, 국가 (나)의 개체군은 자연선택의 영향을 강하게 받았다. 국가 (나)의 월평균 기온은 국가 (가)보다 낮으며, 특히 겨울철 온도가 크게 떨어진다. 이러한 환경에서 생장 가능 온도가 20~30°C로 높은 표현형 C는 적응하지 못하고 도태되었을 가능성이 크다. 따라서 상대적으로 낮은 온도에서 생장이 가능한 표현형 A와 B가 생존하여 개체군을 형성하게 되었다. 특히 표현형 B가 우세한 것은 유전자 부동의 영향을 반영할 수 있다. 국가 (나)로 유입된 초기 해충나방 개체군의 유전자 구성이 표현형 B를 많이 포함하고 있었다면, 이후 세대가 거듭되면서 표현형 B의 빈도가 증가했을 가능성이 크다. 또한, 개체군 형성 초기에 상대적으로 소수의 개체가 유입되었다면 창시자 효과(Founder Effect)가 작용하여 특정 표현형(B형)의 비율이 우세해졌을 가능성도 존재한다.
• 한편, 국가 (다)의 경우 높은 기온에서도 표현형 A가 우세한 것이 특징적이다. 일반적으로 국가 (다)의 기온은 연중 높은 수준을 유지하며, 겨울철에도 상대적으로 따뜻하기 때문에 생장 가능 온도가 높은 표현형 C가 유리할 것으로 예상할 수 있다. 그러나 실제 개체군에서는 표현형 A가 우세하며, 이는 초기 개체군 형성 시 창시자 효과가 작용했을 가능성이 있다. 즉, 국가 (다)로 유입된 해충나방 개체군이 주로 표현형 A를 가진 개체들로 구성되었다면, 이후 자연선택에 의해 표현형 A가 유지되었을 수 있다. 또한, 단순한 기온 적응만으로는 설명하기 어려운 생태적 요인이 개체군 형성에 영향을 미쳤을 가능성도 있다. 예를 들어, 국가 (다)의 생태계에서 해충나방이 다른 생물과 경쟁하거나 특정 포식자의 영향을 받았을 경우, 생존과 번식에서 유리한 표현형이 선택될 수 있다. 만약 표현형 A가 번식 성공률이 높거나 포식 회피에 유리한 특성을 가지고 있었다면, 높은 기온 환경에서도 A형 개체군이 유지될 가능성이 크다.
• 결론적으로, 국가 (나)에서는 낮은 기온에 의해 표현형 C가 도태되었으며, 초기 유전자 구성이 표현형 B의 우세를 결정했을 가능성이 크다. 반면, 국가 (다)에서는 높은 기온에도 불구하고 표현형 A가 우세하며, 이는 창시자 효과와 자연선택, 그리고 생태적 요인 등이 복합적으로 작용한 결과로 해석할 수 있다.

1-2. 아래 그림은 국가 (다)에 유입된 해충나방 개체군의 초기 생장곡선과 이를 기반으로 예측한 생장곡선이다(㉠). 현재와 같은 초기 생장곡선이 앞으로 ㉠과 같이 변화할 것으로 예측되는 이유를 설명하시오. 그리고 예측된 생장곡선 ㉠을 ㉡으로 변화시킬 수 있는 방안을 제시해 보시오.

• 국가 (다)에 유입된 해충나방 개체군의 초기 생장곡선이 ㉠과 같이 변화할 것으로 예측되는 이유는 여러 생태적 요인에 기인한다. 초기에는 해충나방이 새로운 환경에서 자원을 충분히 활용하면서 개체 수가 빠르게 증가하지만, 시간이 지남에 따라 자원 경쟁, 밀도 의존적 요인, 포식 압력 등의 환경적 요인으로 인해 개체 수 증가 속도가 둔화된다. 자원이 부족해지거나 천적이 증가하면서 해충나방의 성장률이 감소하고, 결국 일정 시점에서 개체 수 증가가 제한되기 때문에 예측된 생장곡선 ㉠과 같은 형태가 나타날 것이다.
• 이러한 예측된 생장곡선 ㉠을 ㉡로 변화시킬 수 있는 방안으로는 여러 가지 방법이 있다. 첫째, 생물학적 방제를 통해 해충나방의 천적을 도입하거나 기존의 포식자를 보호하여 개체 수를 자연스럽게 조절할 수 있다. 둘째, 화학적 방제 방법으로 살충제를 사용해 개체 수를 직접적으로 감소시킬 수 있지만, 생태계에 미치는 영향을 고려해야 한다. 셋째, 기계적·물리적 방제 방법으로는 페로몬 트랩을 활용하거나 유충이 서식하는 나뭇잎을 제거하는 방법이 있다. 넷째, 유전적 접근법을 사용해 불임 개체를 방출하여 번식률을 낮추거나, 유전자 조작을 통해 해충나방의 개체 수를 제어할 수 있다. 마지막으로, 환경 조절을 통해 해충나방이 선호하는 서식지나 기주식물의 밀도를 조절하여 번식을 제한할 수 있다.
• 따라서 해충나방 개체군의 개체 수 증가를 억제하려면 다양한 방제를 병행하여 ㉠에서 예상되는 개체 수 증가를 ㉡와 같은 더 낮은 수준으로 유도할 수 있다.

 

1-3. 국가 (다)는 “익충나방”이 우점한 생태계였으며, 익충나방의 연간 유충 수 변동 양상은 왼쪽 위 그림과 같았다. 그러나 해충나방 개체군이 유입됨에 따라 오른쪽 그림과 같이 익충나방의 연간 유충 수 변동 양상이 변화하였다. 해충나방 개체군의 유입에 따라 익충나방의 유충 수 변동 양상이 변화한 이유를 설명하시오. (단, 해충나방과 익충나방은 서로 다른 종이지만 생태적 지위는 같고, 해충나방의 연간 유충 수 변동 양상은 왼쪽 아래 그림과 같다.)

 

• 해충나방이 국가 (다)에 유입됨에 따라 익충나방의 연간 유충 수 변동 양상이 변화한 이유는 두 종이 동일한 생태적 지위를 차지하면서 강한 자원 경쟁이 발생했기 때문이다. 원래 익충나방의 유충은 5~7월 사이에 증가했다가 감소하는 패턴을 보였지만, 해충나방이 유입된 후에는 익충나방의 유충 발생 시기가 5~6월로 앞당겨졌으며, 최대 개체 수에 도달하는 시점도 빨라졌다.
• 이는 두 종의 유충이 같은 시기에 자원을 이용하게 되면서 경쟁을 피하기 위해 익충나방의 생장 시기가 변화했을 가능성을 보여준다. 해충나방의 유충 발생 시기인 6~8월과 일부 겹치는 시점에서 익충나방이 생존 경쟁에서 불리해졌을 것이며, 이에 따라 익충나방의 유충은 상대적으로 이른 시기에 성장하는 방향으로 변화했을 가능성이 크다.
• 또한, 동일한 서식지에서 두 종의 유충이 동시에 증가하면 먹이 경쟁이 심화되고, 개체당 이용 가능한 자원이 줄어들면서 익충나방의 개체군에 부정적인 영향을 미쳤을 것이다. 이와 함께 해충나방이 증가하면서 천적이나 기생성 생물의 영향을 받은 결과, 익충나방 개체군의 성장 패턴이 변화했을 가능성도 고려할 수 있다. 결국, 해충나방의 유입으로 인해 익충나방의 유충 발생 시기가 변화하였으며, 두 종 간의 경쟁과 생태적 요인들이 이러한 변화를 유도했을 것으로 판단된다.

문항출처: https://admission.snu.ac.kr/materials/downloads/samples?md=v&bbsidx=146643