* 좋은 평가를 받은 두 개의 학생 답안이며, 각 답안은 서로 상반된 결론을 주장하고 있으나 둘 모두 주장에 대한 논거가 정당하며 논의 전개 과정이 우수하여 선정됨

과학적 탐구는 어떤 의미에서 퍼즐을 푸는 일이다. 즉 자연의 미스터리에 관한 퍼즐을 관찰 사실을 토대로 풀어가는 지적 행위인 것이다. 주어진 피페린과 캡사이신의 구조를 자세히 살펴보면 둘 다 C, H, O, N의 네 가지 원소로 이루어졌으며, 탄소는 네 개, 질소는 세 개, 산소는 두 개, 수소는 한 개의 공유결합을 이룬다는 사실을 쉽게 알 수 있다. 이런 규칙에 따라 피페린과 캡사이신이라는 물질이 만들어지는데, 이 둘 사이에는 공통점과 차이점이 존재한다. 굳이 화학 2에 나오는 옥텟규칙이나 루이스 구조를 언급하지 않아도 위의 사실을 기초로 공통점과 차이점을 추론한다면 좋은 점수를 받을 수 있다. 다른 원자와 이루는 결합의 수를 물었을 때 논제와 상관없는 다양한 결합의 종류만을 서술한다면 오히려 의사소통에 장애가 될 수 있다.

매운 맛을 내는 부분에 대해서는 정답이 있는 것이 아니다. 단지 공통적인 원소와 공통적인 화학결합의 원리를 통해 생성된 피페린과 캡사이신이 화학 구조가 다름에도 불구하고 어떤 공통점 때문에 매운 맛을 내는지 추론해보자는 것이다. 따라서 단순히 각 화합물에 들어 있는 구조적 특성을 열거하는 것으로는 부족하다. 피페린과 캡사이신에 공통적으로 들어 있는 벤젠 고리와 결합한 산소 부위, 질소와 결합한 탄소가 산소와 이중결합을 이룬 부위, 그리고 수소와 결합한 탄소가 여러 개 연결된 소수성 부위들이 각각으로는 맛을 나타내지 않지만 복합적으로 수용체와 상호작용하여 매운 맛을 내는데 관여할 수 있을 것으로 생각해 볼 수 있다. 둘 다 벤젠 고리와 긴 탄소 사슬을 가진 것으로 보아 기름이나 무극성 용매에 더 잘 녹으리라는 것은 화학 1의 탄소 화합물 부분을 공부한 학생은 충분히 추론할 수 있을 것이다. 캡사이신은 물과 수소결합을 할 수 있는 부위가 있어서 피페린보다는 물에 잘 녹으리라 예상되는데 이는 김치 국물이 맵다는 일상의 경험과 맞는다.

<답안 1>은 논제에서 요구한 원소의 조성, 결합 원리, 결합수를 명확하게 설명하였다. 또한 공통 구조 중에서 다른 물질에서 흔히 발견되면서 매운 맛을 내지 않는 부분은 매운 맛에 관계되지 않을 것이라는 나름대로 합리적인 추론을 제시하여 좋은 평가를 받았다. 펩타이드 결합이나 소수성 부분처럼 각각으로는 매운 맛을 내지 않지만 복합적으로는 매운 맛에 관계될 수도 있다는 생각까지 할 수 있었다면 더욱 좋았을 것이다. <답안 2>는 분석 및 종합적인 추론 능력이 우수하여 좋은 평가를 받았다.

가. 원소의 조성

피페린은 C, H, O, N의 원소들로 조성
캡사이신도 C, H, O, N의 원소들로 조성되어 있다. 또 둘 다 벤젠기를 가지고 있다.
차이점은 원소 조성으로서는 거의 없다.

나. 화학결합의 원리, 다른 원자와 이루는 결합의 수

둘 다 혼성공명구조를 가진 벤젠을 가지고 있다. 또 대부분의 결합이 공유결합이다(탄소화합물). C는 4개, N은 3개, O는 2개, H는 1개의 결합수를 가지고 있다.
차이점으로는 캡사이신에는 피페린에는 없는 구조가 많다. 먼저 벤젠에 히드록시기가 달린 페놀류이다. 또 캡사이신에는 인 펩티드 결합이 존재한다.

다. 매운 맛을 내는데 관련되어 있으리라 추측되는 구조적 특성

아마도 공통적으로 가지고 있는 구조인 것 같다. 두 화학물질의 공통적인 구조이기 때문이고 또 다른 이유로는 나머지 구조들은 다른 물질들에서도 쉽게 발견되는데(ex: 펩티드 결합, C와 H의 사슬구조) 이 결합을 가진 물질들이 꼭 매운 맛을 내지는 않기 때문이다.

라. 물과 기름 중 어디에 더 잘 녹을지

기름에 더 잘 녹을 것 같다. 물에 녹으려면 극성을 가지거나 분자량이 작아야 한다. 하지만 두 물질 모두 탄소화합물로 분자량이 크고 벤젠기라는 유기성 기가 있다. 또 두 물질 모두 특별한 극성기를 가지고 있지 않다.

피페린, 캡사이신은 대체로 극성이 낮아 물에 잘 녹지 않는다. 우유는 대부분이 극성이 높은 물이지만 극성이 낮은 지방 성분을 가지고 있다. 사실 지방은 마이셀 형태로 우유에 분산되어 있어서 매운 맛을 줄이는데 직접 관여하기는 힘들다. 우유에는 지방 부위를 가진 단백질(lipoprotein)이 들어 있는데 이 지방 부위가 수용체에 결합하고 있는 피페린, 캡사이신을 유유상종의 원리에 따라 씻어낸다. 이것은 비누가 기름때를 없애는 것과 비슷하다. 우유에 들어 있는 무극성 지방 성분이 극성이 낮은 피페린, 캡사이신과 잘 어울려 수용체로부터 떼어내기 때문에 매운 맛이 줄어든다라고 하면 충분한 설명이 된다.

그러나 무극성인 우유라고 하는 것은 부정확하다.‘무극성인 요오드는 무극성 용매인 사염화 탄소에 잘 녹는데, 매운 맛을 없애기 위해 우유를 마시는 것도 동일한 현상이다’는 식의 표현도 불충분하다. 구체적으로 우유의 무극성 성분이 무극성인 피페린, 캡사이신을 수용체로부터 떼어낸다고 확실하게 요점을 짚어주는 것이 좋다.

우유 단백질이 수용체 단백질과 결합해서 피페린, 캡사이신을 몰아낸다는 것도 충분히 제시할 수 있는 가설이지만 큰 단백질 분자끼리 만났을 때 우유 단백질이 수용체 단백질에서 피페린, 캡사이신을 인식하는 부위와 결합할 수 있을지에 대한 타당한 근거를 제시할 수 있어야 한다. 또 그런 결합이 이루어진다면 매운 맛이 남아 있을 지도 모른다는 점도 생각해 보아야 한다.

<답안 1>은 비누가 때를 녹여내는 과정과 우유에 들어 있는 지방/단백질 성분이 수용체와 결합하고 있는 피페린이나 캡사이신을 떼어 내는 과정을 비교하여 본인의 생각이 잘 전달되도록 논술하였다. 많은 학생이 무극성인 우유라는 표현을 한 반면에, 이 학생은 우유의 대부분은 극성이 높은 물이지만 우유에는 극성이 낮은 성분이 들어 있어서 매운 맛을 줄여 준다는 점을 명확히 설명하여 높은 평가를 받았다.

대부분 학생들이 매운 맛 분자가 소수성에 강하기 때문에 우유에 의해 쉽게 씻겨나가는 이유를 설명하는 과정에서 단순히 우유가 소수성이라고 단정하는데 머물렀지만, <답안 2>는 극성과 무극성에 대한 상세한 설명과 다양한 예를 적절히 제시하여, 구체적이고 적절한 논리적 근거로 설득력 있게 논의를 전개하였다.

이것은 극성/무극성 용질과 용매에 의한 현상이다.

주위의 예를 보면, 소금은 물에 아주 잘 녹지만 참기름 등 유기용매(벤젠 등)에는 거의 녹지 않는다. 나프탈렌(좀약)은 물에는 전혀 녹지 않지만 벤젠 등에는 쉽게 녹는다. 요오드는 물에는 녹지 않지만 사염화탄소에는 잘 녹는다.

용질이 용매에 녹는다는 것은 용질끼리 또는 용매끼리의 인력보다는 용매와 용질 분자간 인력이 더 크다는 것을 의미한다.

-OH나 =NH 기 등이 많이 존재할수록 분자는 전기음성도 차이에 의한 편극이 크게 일어나고 이에 의해 생긴 +극, -극끼리 전기적 인력이 작용하고 분자간 인력이 강하게 된다. 이를 극성 분자라 한다. 반면에 -OH, =NH 구조가 없고 탄소 사슬만 존재하는 분자는 편극이 일어나지 않아서 분자간 인력이 크지 않게 된다. 이를 무극성 분자라고 한다. 무극성 용매/용질은 서로 힘이 거의 작용하지 않아서 자연스럽게 섞이어 녹게 되고 극성 용매/용질은 용질-용매간 인력이 큰 경우 녹게 된다. 그러나 무극성 용매/용질과 극성 용질 용매를 함께 두면 극성 분자간 인력이 너무 커서 무극성 분자가 끼어 들어갈 틈도 없어서 결과적으로 녹지 않게 된다.

즉 캡사이신은 무극성에 가까운 분자다. 따라서 극성 용매인 물에는(-OH가 전부인 물은 극성분자) 잘 녹지 않고 우유에 포함된 무극성 지용성 성분들에는 잘 녹아서 매운맛이 우유를 먹으면 잘 제거되는 것이다.

위에서 든 예들도 모두 이러한 관계가 성립한다. (소금 극성 - 물 극성) (나프탈렌 무극성 - 벤젠 무극성) (요오드 무극성 - 사염화탄소 무극성)

피페린, 캡사이신과 유사하지만 매운 맛이 없거나 약한 화합물을 가진 식물이 있었다고 하자. 돌연변이에 의하여 이 식물 DNA에서 물질 대사에 관련된 유전자의 유전 정보가 변화하고, 결과적으로 세포 내 대사에 관련된 많은 효소 단백질 중 하나에 변화가 생겨 피페린이나 캡사이신 같은 물질이 만들어진다. 초식 동물은 매운 맛을 내는 물질을 가진 이런 식물을 피하게 되었을 것이다. 그 결과 이런 식물은 많이 살아남게 된다. 그러나 식물이 살아남기 위해 매운 맛을 내는 물질을 가진다는 것은 정확한 표현이 아니다. 또한 동물이 좋아하는 맛을 내어 씨를 퍼뜨리기에 유리하였을 것이라는 가설도 설득력이 약하다. 초식 동물은 인간처럼 후추나 고추를 향신료로 사용하는 것이 아니고 생명을 유지하기 위해 식물을 먹기 때문에 후추나 고추는 기피 식물이 되었으리라 추론하는 것이 타당하다. 식물 진화의 기간이 인간 진화의 기간보다 훨씬 긴 것을 생각해 볼 때 인간이 좋아하는 매운 성분을 가진 식물이 살아남는데 유리했다는 것도 무리한 추론이다. 물론 대항해를 통해 후추와 고추가 널리 퍼지고 많이 경작되었지만 그것은 어떤 식물이 매운 맛을 내는 물질을 가지게 된 진화의 과정과는 다른 문제이다. 이처럼 논점을 혼동하지 않도록 주의해야 한다.

<답안 1>은 진화의 핵심인 돌연변이와 적자생존 원리에 기초하여 한 식물이 피페린과 캡사이신을 가지게 되는 과정을 설득력 있게 논술하였다. <답안 2>는 진화의 자연선택에 대하여 논리적으로 잘 설명하였다. 그러나 자연선택과 인공선택이 시차를 가지고 함께 진행되었다는 점을 생각했다면 더욱 좋은 평가를 받았을 것이다.