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달천고등학교

달천고등학교

2 학년 8 반 김석원

2 학년 9 반 나원제

2 학년 9 반 한힘찬

전기뱀장어의 발전원리를 모방한 생체전지

Development of Electric eel of Bioelectricity

목차

목

차

......................................................................................................................

.......(ⅰ)

Ⅰ.

서

론..................................................................................................2

1. 연구의 필요성 및 목적…………………………………………………

…………………4

2. 연구문제…………………………………………………………………

………………………….4

3. 연구의 제한점……………………………………………………………

………………………5

Ⅱ. 이론적

2

배경...............................................................................6

1. 생체 전기의

정의..............................................................................6

2. 생체 전기의 역사………………………………………………………

………………………7

3. 생체 전기의

생성원리....................................................................10

Ⅲ.전기뱀장어의 발전원리…………………………………………

…………..11

1. 전기뱀장어………………………………………………………………

…………………..11

2. 전기뱀장어 전기발생기의 기능………………………………………

………….13

3. 전기뱀장어 전기발생기의 구조………………………………………

………….14

Ⅳ.전기뱀장어의 발전원리를 응용한 생체전지…..18

3

1. 생체전지의 정의와 그 원리……………………………………………

……………18

Ⅴ.결론 및 전망…………………………………………………………

………………..23

참고문헌…………………………………………………………………………

…………………………26

부록………………………………………………………………………………

…………………………..27

Ⅰ

.서론

1.연구의 필요성 및 목적

현대의 과학기술은 자연현상을 탐구하고 이를 집대성하여 이룩한 것이며 자연현상 중에서 전기의 발견과 그 생산 및 이용기술이 오늘의 문명을 낳은 것이라 할 수 있습니다. 생물체의 생존도 자연현상을 이용하고 극복하는 과정으로 볼 수 있으나 몇몇 어종에서 발견되는 전기기관의 생체 시스템은 현대과학기술에 시사하는 바가 매우 크다고 할 수 있다.

전기뱀장어, 전기매기, 전기홍어 등은 강력한 전기를 발생합니다. 특히 전기뱀장어는 600V이상의 강력한 전기적 충격을 발생하여 먹이를 사냥하거나 방어용으로 생체시스템을 발전시켰습니다. 한편 어떤 어종들은 약한 전기를 발생하여 커뮤니케이션, 네비게이션에 이용하고, 또 어떤 종류는 자체적으로 전기를 발생하지는 못하면서도 외부의 전기신호를 감지할 수 있는 전기적 감각시스템을 발전시켰습니다.

전기어종의 이러한 특수 기능의 핵심에는 전기세포가 있습니다. 따라서 이러한 전기어종의 발전원리를 모방하여 전지를 개발한다면 현재 인류가 직면하고 있는 화석연료 고갈문제,

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우라늄 핵 폐기물 처리문제, 에너지 자원의 불균형에 따른 국가간의 전쟁 문제 등 생체전지의 고효율 지속가능한 발전시스템을 통하여 해결할 수 있는 일은 참으로 무궁무진하다. 이러한 점에서 우리는 생체전지의 개발 필요성을 느끼게 되었다.

2.연구문제

우리가 연구할 문제는 전기뱀장어의 전기 생산에서 착안한 생체전지로 생체전기의

특성을 이해하고, 그것을 응용하여 실용적이고 효율적인 전지를 만드는 것이다.

3.연구의 제한점

보통 생명체들이 생체 전기를 만들어 내면서 발생시키는 전압은 약 1.4mV 정도

된다. 그런데 1.4mV 정도의 전압을 가지고 우리가 사용할 만큼의 전류를 만든다는

것은 거의 불가능 한데, 이것이 바로 우리 연구의 제한점이다.

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Ⅱ. 이론적 배경전기뱀장어의 발전기능은 첨단 과학기술에도 큰 의미를 제시하고 있다. 현재의 과학기술은

이와 유사한 기능으로 축전지 및 축전기를 개발해 사용하고 있다. 전기뱀장어의 충전 및

방전기구는 현재 인공적인 전지 및 축전지와는 다르다. 전지는 화학반응이 주이고 축전지는

흡착반응이 주이다. 반면에 생체는 이온의 이동에 의한 막전위가 그 원동력이다. 여기에는

이온채널 및 이온펌프와 같은 특수한 기능이 있으며 신경계와 근육사이에 아세틸콜린

(actylcholine)등과 같은 여러 종류의 기능성 물질도 중요한 요소이다.

1. 생체전기의 정의

생물에서 볼 수 있는 발전현상의 일종. 그 발견의 단서는 오래 전에 실시한 개구리의

근육실험이다. 그 후 근육 흥분 시에 전위차가 나타나는 것을 증명하였고, 20 세기에

들어서는 진공관 증폭기를 전자오실로그래프나 브라운관오실로스코프와 조합하여

전기생리학에 널리 사용하게 되어 빠른 전위변동도 정확히 묘사할 수 있게 되었다. 생체에서

전기발생은 여러 조직이나 기관에서 볼 수 있지만 전기발생과 기능과의 관계가 밀접한 것은

흥분성세포, 특히 신경이다. 신경은 충격으로 신호를 전달하고 또한 시냅스를 통해 활동을

다른 신경세포에 전하는 기능을 가지고 있다. 신경충격 또는 흥분이라고 하는 것의 본질은

신경막에서 발생하는 활동전위이다. 신경이나 근육의 정지전위, 활동전위 또는

여러시냅스후 전위 등은 그 발생기구나 기능적 역할에 있어서 흥미가 있을 뿐만 아니라 신경,

근육계의 활동지표로 이용된다(뇌파, 심전도, 근전도, 망막전도 등). 뇌파는 다수로 존재하는

뇌의 신경세포가 발사하는 활동전위 또는 시냅스후 전위의 총합을 두개상에 설치한

전극으로부터 얻을 수 있지만 미소전극을뇌실질에 자입하여 조사하면 개개의 신경세포가

발하는 스파이크전위를 관찰할 수 있고, 세포내에 전극선단을 삽입하는 경우에는 개개

신경세포의 막전위 변화를 기록할 수 있다. 또한 망막이나 내이와우와 같은 감각수용기는 빛

또는 소리자극에따라 특유한 수용기전위를 발생한다. 신경 이외에도 피부 점막또는 망막

등의 상피조직이나 샘(腺)등에서는 물질의 능동적또는 수동적인 수송이나 분비 등과 관계

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있는 전위가 기록된다. 이러한 조직의 세포는 내, 외 양측 막의 성질이 다른데 한쪽 막에서

능동수송이 이루어지는 경우가 많다. 정지전위나 활동전위는 보통 10~100mV 정도지만

발전어의 전기기관으로부터 나오는 것에는 수백 V 에 달하는 것도 있는데 그 이유는 다수의

발전세포 전위가 가산되도록 직렬배치되어 있기 때문이다. 활동전위는 동물의 여러

기관에서 발견되고 있을 뿐만 아니라 식물에서도 변형체나 과실, 신경초, 조류의 단일세포

예를 들면 나이텔라 등에서 정지전위나 활동전위가 관찰되고 있다.

2. 생체전기의 역사

전기뱀장어에 대한 최초의 연구는 ￮ 1772 년과 1775 년 사이에 영국의 John Walsh

로 알려져 있다. 그는 친지와 동료가 모인 가운데 손을 서로 잡고 전기뱀장어의

전기충격을 직접 체험하도록 했다고 한다. 이것은 전기화학의 태두로 알려진

갈바니의 1791 년 개구리으 전기수축실험보다 약 15 년 이상 앞선 것이며

페러데이의 1839 년의 실험보다는 65 년 전에 있었던 일이다. 하편 Walsh 는

전기뱀장어뿐만 아니라 이에 앞서 1772 년 전기홍어의 전기충격을 실험하여

편지형식으로 1773 년에 발표하여 1774 년 Copley 메달(현재의 노벨상에 해당함.)

상을 받은 바도 있다.

비록 ￮ Walsh 는 전기물고기가 전기를 발생할 수 있다는 것을 실험적으로

보여주기는 했으나 전기를 어떻게 생체에 저장 할 수 있는지 설명하지 못했다. 이

문제는 갈바니가 개구리 신경근육의 전기적 수축현상을 실험적으로 보여줌으로서

밝혔다. 그에 따른면 근육섬유의 내부와 외부에는 전기적 불균형이 존재하며 평상 시

그 사이가 절연체로 되어 있어서 방전하지 못한다고 하였다. 그러나 이 두 격실

사이는 도전체인 신경섬유가 있어서 필요시 이 신경섬유를 통해 방전할 수 있다고

보았다 이것은 라이덴 병에 충전된 전기를 금속성 도선을 통해 방전하는 원리와 같은

설명이다.

갈바니의 이론은 약 ￮ 1 세기 후 줄리어스 번스타인에 의해 다듬어졌다. 그느 생체의

전기화학적 전위에 대한 ‘막전위 가설’을 한충 다듬었다. 즉 막전위는 막을 사이에 둔 7

두 격실의 이온 농도차이로 생기는 것이라 했다. 특히 막전위를 유지할 수 있는 것은

이런한 선택적 이온의 투과성으로 두 격실사이에 전기화학적 평형을 이룰 수 있다는

것이다. 예컨데 내부격실의 전위가 음성적이 되어 양성이온이 들어오면, K+이온은

농도구배의 발생으로 밖으로 빠져나가 결국 평형을 다시 찾게 된다는 것이다.

갈바니의 개념은 생체의 신경전달은 금속 도선에 흐르는 전기와 같이 수동적￮

현상이어서 근육섬유막 사이에 전기적 불균형이 존재하면 발생하는 것으로 보았다.

그러나 19 세기에 이르러 신경조직에도 전기적 비평형 상태가 있으며 생체의

신경전달은 금속도선을 통한 단순한 통전과는 다르다는 것이 밝혀졌다. 번스타인은

신경신호가 휴지전위를 깨고 막이 모든 이온에 개방적이 되면서 이것이 이웃한

신경세포로 전달되는 현상으로 제안했다. 이러한 신경전달의 개념은 이미 Ludimar

Hermann 에 의해 제안된바 있다.

특히 신경전달의 매커니즘과 관련하여 ￮ 20 세기 초에 Keith Lucas 와 Edgar

Douglas Adrian 의 아이디어를 거쳐 1930 년대 말경 Hodgkin 과 Huxley 에

이르러서야 현재의 이론적 기초가 형성되었고 반복적 실험과 연구를 통해 완벽한

설명을 할 수 있게 되었다.

이 이론의 중심에는 활동전위가 있고 극성이 반전되는 상이 있다￮ . 활동전위의

전파는 전기화학적 변화에 따라 이동하는 Na+이온 유입의 결과이다.막의 극성

반전을 유도한는 식으로 시그널이 전달된다. 생체가 이렇게 복잡한 신경전달

매커니즘을 구사하는 것은 전도가 금속재료에 비해 상대적으로 낮은 생체제료를

사용할 수밖에 없기 때문이라고 할 수 있다.

￮ Hodgkin 이후는 이온 채널, 이온의 통과가 가능한 막조직, 배위차의 역할 및 기타

물리 화학적 영향 등이 연구에 중심이 되었다. Erwin Neher 와 Bert Sakmann 은

이온채널 연구에 조각집게법을 도입하여 단 채널의 전기 흐름을 시간별로 추적할 수

있게 된 것으로 이 시대의 획기적 사건으로 기록된다. Walsh 의 실험으로부터

전기어종들의 전기감지기능을 알기까지 근 2 세기가 소요되었다.

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3.생체전기의 원리(막전위 현상)

막에 의해 격리된 2 종류의 전해질 용액 사이에 생기는 전위차. 생리학에서는 특히세포의 형질막을 나누는 세포 내외액 사이의 전위차라고 한다.신경, 근육 등의 흥분성 세포에서의 정지전위, 활동전위, 시냅스후전위 등은 막전위 존재와 그 변화에 의해 일어나는 현상이다. 막전위 크기는 주로 세포내외액의 이온조성과 이온의 막투과성에 의해 결정된다. 막전위, 세포내외액의 주요 이온농도,이온의 막투과성 사이의 관계를 나타내는 식으로 중요한 것은 Goldman식이다. 이 식은 막의 구조가 균일하고, 막내 전위구배의 일정성 등의 극히 단순한 가정에서 출발하여 도출된 것이지만 흥분성 세포의 막전위에 관한 많은 실험결과를 잘 설명하고있다.

Ⅲ.전기뱀장어의 발전원리9

1. 뱀장어(Electric Eel)

전기뱀장어의 학술적 분류는 다음과 같다￮ .목(Order) : Gumnotiformes과(Family) : Electrophoridae종(Species) : Electrophorus electricus, Gymnotus electricus

Electrophorus 는 Electrophoridae 과에 유일한 속으로 여기에는 다른 두 종류의 species 가 알려져 있다. 서식지는 남아메리카의 아마존유역과 오리노코강이다. 물이 잔잔하고 잘 보이지 않는 흙탕물을 좋아한다.

전기뱀장어는 완전히 성장한 경우 길이가 ￮ 2.5m 에 이른다. 외관을 보면 등쪽은 흑갈색이고 배쪽은 노란색을 띄고 있으며, 외피는 작은 비늘로 덮여있다. 시력이 나쁘고 상악치아가 없어도 EOD 를 이용하여 헤엄치고 먹잇감을 사냥하는데 별 어려움이 없다. 오히려 먹잇감을 두고 치열한 싸움을 벌일 필요가 없어서 편리하다 할 수 있다.

<그림 1-1 전기뱀장어 스케치>

<그림 1-1>은 전기뱀장어의 모양과 기관을 스케치한 것이다. 몸통의 약 20%을 점하고 있는 머리부분에 모든 중요기관이 다 모여 있고, 나머지 80%는 전기를 충전 및 방전하는 전기세포로 차곡히 정렬되어 있다. 즉 배터리 시스템을 몸통에 지니고 있다고 볼 수 있다.

긴 몸체는 전기감지기능을 극대화 하는데 적합하지만 몸체의 움직임은 ￮외부로부터의 약한 신호감지를 어렵게 할 수 있다. 따라서 전기뱀장어는 몸체운동을

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하지 않고도 헤엄칠 수 있도록 진화되어 있다. 긴 꼬리지느러미는 파동운동으로 전진하며 쉽게 파동운동의 방향을 바꾸어 후진도 할 수 있다.

2. 전기뱀장어 전기발생기의 기능

<그림 2-2 전기뱀장어와 전기홍어의 비교>

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전기발생기관은 민물이나 바닷물에 사는 어종에 따라서 그 생김새나 모양이 ￮다양하며 독립적으로 발전되었다. 그러나 모든 어종이 근육조직이나 말초신경의 조직을 변형하여 발전시킨 것은 태생적으로 같다. 용도에 따라서 낮은 또는 높은 전압발생과 높은 전류발생기관으로 진화된 것이다.

전기발생기관의 단위조직인 “전기세포”는 이온펌프의 작용으로 셀 내외부의 ￮전위차를 발생하며 이는 척수의 신경조직과 연결되어 두뇌의 지시를 받는다. 두뇌에서 신호를 받으면 신경섬유가 연결된 각각의 전기세포가 평형상태에서 활성상태로 여기되어, 전기뱀장어와 같이 단위 셀이 직렬로 연결된 기관은 고전압을, 전기홍어와 같이 병렬로 연결된 조직은 고전류를 발생한다.

전기발생기관은 최고 ￮ 200,000 만개 이상의 디스크 타입의 전기세포가 연결되어 있어서 단위 셀의 emf 는 수십 mV 로 작지만 전체의 셀이 동시에 활성화되면 최고 600V 이상의 전기펄스를 발생할 수 있다. 고전압 발생기관은 평상시에는 비활성화 되어 있다.

3. 전기뱀장어 전기발생기의 구조

￮<그림 2-1>은 전기뱀장어의 전기발생기관을 해부학적으로 그려본 것이다. 전기뱀장어는 다른 전기어종과는 달리 전기발생기관이 몸 전체의 3/4 를 차지하고 있으며, 기능에 따라 Main organ, Hunter’s organ 및 Sachs organ 이라 하는 세 가지의 독립적인 방전기관을 갖고 있다. 앞의 두 방전기관은 고전압 발생기능으로 자기방어와 먹잇감 사냥에 사용되고, Sachs organ 은 저전압 신호발생기로 의사전달과 위치감지에 사용된다. Section A 는 몸체 중간부분의 단면도이고 그 아래의 투시도는 Section B 의 단면의 일부를 나타낸다.

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<그림 2-2 전기뱀장어의 전기발생기관의 해부학적 도해>

각 기관은 ￮ <그림 2-2>의 section A 와 같이 몸통의 윗부분은 척수를 중심으로 근육을 비롯한 각종 기능조직이 있고 그 아래 전기발생기관이 자리한다. 이것은 다수의 전기세포로 구성되어 있고 척수와 병합한 방향으로 쌓여있다. 이러한 구조는 배터리의 셀 조립과 흡사하여 활성화 필요시에 각 전기세포를 통한 전위차의 합이 머리와 꼬리 사이에 형성될 수 있도록 해 준다. Section B 에서 보듯이 개개의 전기세포 크기는 대략 두께 100μm, 넓이 1mm, 길이 10~30mm 이다.

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<그림 2-2 전기발생기관의 현미경사진>

￮Main organ 은 전기세포가 Sachs organ 에 비해 촘촘히 쌓여있고, 꼬리 쪽 Sachs organ 의 전기세포는 위쪽으로 갈수록 길이도 길어지고 셀과 셀 사이의 간격도 멀어져 맨 위쪽은 2mm 이상 벌어져 있다. 이러한 조직은 <그림 2-2>의 현미경 사진으로 더 자세히 관찰할 수 있다.

각 전기세포는 꼬리쪽 방향 면에만 각종 신경과 혈관이 분포되어 있고 신경은 셀 ￮표면을 덮고 있는 무수한 작은 돌기에 연결되어 있다. 셀 앞쪽은 보다 크고 모양이 불규칙한 돌기가 분산되어 있다. 셀과 셀 사이에는 젤리 같은 특별한 세포질로 채워져 있어서 이 돌기들은 세포질과 면해 있고 표면적이 돌기로 인해 매우 넓다.

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Sachs organ 셀의 크기는 앞서 기술한바와 같이 다른 기관과 비교하여 매우 크며 아울러 돌기의 크기도 크지만 그 모양은 다른 기관과 대체로 같다.

Ⅳ.전기뱀장어의 발전원리를 응용한 생체전지

1.생체전지의 정의와 그 원리

생체 전지의 정의 ￮ : 전기뱀장어와 같이 스스로 전기를 생산할 수 있는 생명체의

발전 방법(생체전기)을 응용하여 개발한 전지이다.

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생체 전지의 원리￮

생체전지는 기본적으로 전기뱀장어의 직렬 셀의 연결을 병렬적 구조체로

결합하여 전압과 전류의 세기를 다양한 조절을 기본으로 한다.

.

1. 기본적으로 생체전지는 <그림 3-2>과 같이 삼투압 현상에 기인한

선별적 투과막을 이용하여 포도당 수용액 주입시

Rhodopseudomonas palustris(수소발생미생물)에 의하여

수소가 발생한다.

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<그림 3-1 완성된 생체전지의 모델>

<그림 3-2 Rhodopseudomonas palustris 의 매커니즘>

2. 발생한 수소는 <그림 3-3>과 같이 공기중의 산소와 결합하여 1.44V 의 전압에 0.78mA/cm2을 발생시키고 전기뱀장어에서 모방한 직렬 셀 연결(전압을 높이는 과정)을 하나의 구조체로 만들고 그것이 다시 수천 개의 병렬연결을 통하여 전류를 가산시켜 전기를 발생시킨다.

<그림 3-3 직렬 단위 cell 도해>*음극반응 : H2+2OH-→2H2O+2e-

*양극반응 : O2+H2O+2e-→HO2-+OH-

HO2-+12O2

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3. 이것은 <그림 3-4>처럼 산화와 환원의 사이클 과정에서 부산물이 오직 물 밖에 나오지 않으므로 포도당의 지속적인 공급이 이루어지는 이상 반영구적으로 사용할 수 있으며 무엇보다도 <그림 3-1>의 구조에서 서로 독립적으로 기능을 수행하기 때문에 수리 또는 교체를 통해서 발전량을 향상시킬 수 있다.

<그림 3-4 산화와 환원 사이클>

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<그림 4-1 다겹 레이어 생체전지의 발전부>

Ⅴ.결론 및 전망 전기뱀장어의 방전현상은 일반 동물에서 근육을 제어하여 움직이는 ￮

것과 같다. 전기세포는 섬유상 근육세포가 변하면서 수축기능을 잃어버린 대신에 이온전류를 생성한느 특수하 기능으로 발전시킨 것이다. 전기세포는 평면이며, 신경이 접한 면은 한 면은 평탄한 반면 다른 면은 돌기가 많아 표면적을 극대화 한 형상을 갖고 있다. 표면적의 극대화는 축전기능의 극대화를 의미한다. 따라서 이러한 표면적 극대화를 대수적으로 증명할 수 있었다.

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단겹의 레이어

전극

<그림 4-2 단겹의 레이어 생체전지의 병렬부>

전기발생기관에서 활동전위를 발생케 하는 생물학적 메커니즘은 ￮생체전지를 이해하는데 매우 중요하다.

-전기세포의 충전 메커니즘 : 전기세포의 평탄면은 휴지상태에서 세포 바깥쪽과 안쪽이 대칭으로 하전되어있다. 이 휴지전위는 약 -85mV이며, Na-K 펌프에 의해 유지된다. 이 펌프는 K+이온을 세포 안으로, Na+이온을 세포 밖으로 펌핑(꺼낸다)하여 결과적으로 세포 안쪽은 K+

이온이, 세포 바깥쪽은 Na+이온이 과잉으로 존재하게 된다. 이러한 세포의 휴지상태에서 K+의 막투과성은 Na+보다 높아 K+이온이 세포 밖으로 확산이 더 많다.

-전기세포의 방전 메커니즘 : 활동전위의 신호가 축삭돌기를 통하여 전기세포에 도달하면 신경이 접한 세포의 평탄한면만 우선 소극이 된다. 따라서 이 부분의 Na+이온이 세포내로 대거 투입되면서 막의 극성이 순식간에 바뀐다. 이러한 국지현상은 이웃으로 전파되고 전세포가 일시에 Na+이온 흐름에 의한 양전류를 발생한다. 활동전위가 존재하는 동안 전기세포의 전체 스택(EOD unit)에서 전류발생을 가능케 한다.

전기뱀장어의 전기세포 배열구조와 원리를 모방함으로서 기존의 ￮화학전지가 가진 문제점(환경 오염 문제, 짧은 수명, 재사용불가(축전지는 제외), 에너지 집적도의 한계 등)을 일부 또는 전체적으로 해결할 수 있다고 본다.

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마지막으로 이러한 생체전지를 시간적 공간적 경제적 제약으로 실험을 할 수 없어서 무척 아쉬우나 기회가 주어진다면 실험 전체의 시놉시스를 꼼꼼히 검토하여 그 이론을 실험적으로 증명해 보고 싶다.화학적인 연구에 도움을 주신 화학 선생님에게 감사드리고 비록 부족하고 철없는 내 의견을 누구보다 존중해 주고 믿어준 우리 조원들에게 감사의 말을 올립니다.

참고문

헌

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1. http://100.naver.com/100.nhn?docid=1343462. 고등학교 2 학년 생물학 교과서 p.45~p.673. http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%84%EA

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electronics-furniture/b/ref=sa_menu_op9/187-9596102-7304963?_encoding=UTF8&node=1064954

14. http://www.smilescience.kr/?cafe_mkt=naver_cc&NVKWD=%EA%B3%BC%ED%95%99&NVADKWD=%EA%B3%BC%ED%95%99&NVAR=PL&NVADID=556339290+0vy1001QU8Td4-e700_O

15. http://100.naver.com/100.nhn?type=video&media_id=902201

부록

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