03 에너지 흐름과 물질 순환
1 에너지 흐름
- 물질의 생산과 소비
생태계에서 이용되는 에너지의 근원은 태양에서 온 빛에너지이다. 빛에너지는 식물의 광합성을 통해 유기물 속의 화학 에너지로 전환된다.
⑴ 총생산량
① 생산자가 광합성으로 합성한 유기물의 총량
총생산량 ＝ 호흡량 ＋ 순생산량(생장량 ＋ 피식량 ＋ 고사·낙엽량)
② 호흡량: 생산자의 호흡으로 소비되는 유기물의 양
③ 순생산량: 총생산량에서 호흡량을 뺀 나머지
⑵ 생장량
① 순생산량의 일부는 말라 죽거나 낙엽이 되거나, 1차 소비자에게 먹힌다.
② 순생산량에서 이와 같은 고사·낙엽량과 피식량을 제외하고 생산자에 저장되는 유기물의 양을 생장량이라고 한다.
- 식물(생산자)의 피식량은 초식 동물(1차 소비자)의 섭식량과 같으며, 초식 동물의 동화량은 섭식량에서 배출량을 제외한 유기물의 양이다.
- 에너지 흐름
⑴ 에너지 흐름
생태계로 들어온 빛에너지는 화학 에너지로 전환되고 결국 열에너지로 방출된다. 생태계에서 에너지는 순환하지 않고 한쪽으로 흐르기 때문에 생태계가 유지되기 위해서는 에너지가 끊임없이 유입되어야 한다.
① 생태계 에너지의 근원은 태양의 빛에너지이다.
② 빛에너지는 생산자의 광합성에 의해 유기물에 화학 에너지의 형태로 저장된다.
③ 유기물에 저장된 에너지는 먹이 사슬을 따라 상위 영양 단계로 이동한다. 각 영양 단계에서 일부는 호흡을 통해 생명 활동을 유지하는 데 사용되고 결국 열에너지로 전환되어 방출된다.
④ 상위 영양 단계로 이동할수록 에너지의 양은 감소한다.
⑤ 생물의 사체나 배설물에 포함된 에너지는 분해자에게 전해지며 분해자의 호흡을 통해 열에너지로 방출된다.
⑵ 생태 피라미드
먹이 사슬에서 각 영양 단계에 속하는 생물의 개체 수, 생물량, 에너지의 양을 하위 영양 단계부터 상위 영양 단계로 쌓아 올린 것으로, 일반적으로 다음과 같은 피라미드 모양을 나타낸다.
⑶ 에너지 효율
① 한 영양 단계에서 다음 영양 단계로 이동하는 에너지의 비율
② 일반적으로 상위 영양 단계로 갈수록 증가하는 경향이 있다.
| 에너지 효율(%) ＝ 현 영양 단계가 보유한 총 에너지 양/전 영양 단계가 보유한 총 에너지 양 × 100 |
2 물질의 순환
생태계에서 생물은 환경과 끊임없이 물질을 주고받고, 이 과정으로 물질이 순환하며 생태계가 유지된다.
- 탄소 순환
탄소는 모든 생물에 필수적인 유기물의 골격을 형성하는 원소이다.
⑴ 탄소 순환 과정
① 탄소는 대기 중의 이산화 탄소 형태로 존재하거나 물에 녹아 있다.
② 대기 중의 이산화 탄소는 생산자의 광합성을 통해 유기물로 합성된다.
③ 유기물 속의 탄소는 먹이 사슬을 따라 소비자로 이동한다.
④ 유기물 중 일부는 생산자, 소비자, 분해자의 호흡을 통해 이산화 탄소로 분해되어 대기로 돌아간다.
⑤ 동식물의 사체나 배설물에 들어 있는 탄소는 토양으로 유입되어 분해자에 의해 이산화 탄소로 분해되어 대기 중으로 방출된다.
⑥ 일부 분해되지 않은 생물의 사체는 오랜 기간 퇴적되어 화석 연료로 변한다.
⑦ 화석 연료의 연소로 이산화 탄소가 대기로 돌아간다.
- 질소 순환
질소는 생명체를 구성하는 단백질과 핵산의 구성 성분이다.
⑴ 질소 순환
① 질소는 대기 중의 78%를 차지하고 있지만, 대부분의 동식물은 대기 중의 질소를 직접 흡수하여 사용할 수 없다.
② 대기 중의 질소(N2)는 콩과식물의 뿌리혹에 공생하는 뿌리혹박테리아와 같은 질소고정 세균에 의해 암모늄 이온(NH4＋)으로 전환된다.
③ 암모늄 이온(NH4＋)은 질산화 세균의 질산화 작용으로 질산이온(NO3–)으로 전환된다.
④ 식물은 암모늄 이온(NH4＋), 질산이온(NO3–) 상태로 흡수하여 질소 동화 작용을 통해 단백질, 핵산과 같은 질소 화합물을 합성한다.
⑤ 식물이 합성한 질소 화합물은 먹이 사슬을 따라 소비자로 이동한다.
⑥ 동식물의 사체나 배설물의 질소 화합물은 토양으로 이동하여 분해자에 의해 암모늄 이온(NH4＋)으로 전환된다.
⑦ 질산이온(NO3–)은 탈질산화 세균에 의해 질소 기체(N2)가 되어 대기 중으로 돌아간다.
- 에너지 흐름과 물질 순환 비교: 생태계 내에서 에너지는 순환하지 않고, 한 방향으로만 이동하여 생태계 밖으로 빠져나간다. 반면, 물질은 생산자에 의해서 무기물이 유기물로, 분해자에 으해서 유기물이 무기물로 전환되면서 생물과 환경 사이를 순환한다.
3 생태계 평형
⑴ 생태계 평형: 생태계에서 생물 군집의 구성이나 개체 수, 물질의 양, 에너지의 흐름이 안정된 상태를 유지하는 상태
⑵ 생태계 평형에 영향을 주는 요인: 주로 먹이 그물(먹이 그물이 복잡할수록 평형을 유지하기 쉽다.), 환경 요인 등
⑶ 생태계의 회복 과정
① 한 지역에서 어떠한 외부 요인에 의해 1차 소비자의 수가 일시적으로 증가할 수 있다.
② 1차 소비자의 수가 너무 빠르게 늘어나면 먹이가 되는 생산자는 급격히 감소하여 생태계의 균형이 깨진다.
③ 1차 소비자가 늘어나면 이것을 먹이로 하는 2차 소비자도 증가하기 때문에 이로 인해 1차 소비자의 수가 다시 감소한다.
④ 1차 소비자의 감소로 생산자가 다시 증가하고 2차 소비자는 감소하여 생태계는 회복된다.
⑤ 이러한 과정으로 생산자, 1차 소비자, 2차 소비자의 수가 안정된 상태를 유지한다.
⑷ 생태계 평형 파괴
① 생태계는 스스로 안정된 상태를 유지할 수 있는 조절 능력이 있지만, 조절 능력에는 한계가 있으므로 이 한계를 넘는 심한 외부 요인에 의해 생태계 평형이 깨지면 결국 생태계 전체가 파괴될 수 있다.
② 자연재해: 지진, 홍수, 화산 폭발, 태풍과 같은 천재지변에 의해 파괴될 수 있다.
③ 사람의 무분별한 개입: 사냥, 도로, 댐 건설과 같은 인위적인 개발, 화석 연료의 과다 사용, 환경 오염 등
- 식물 군집의 생산량
- 오래된 원시림은 극상 상태의 삼림이므로 생산과 소비가 균형을 이루어 안정된 생태계를 유지하므로 생장하기보다는 유지를 위해 에너지를 사용하여 순생산량이 매우 적다.
- 천이 초기 단계의 군집은 대부분 초본이고 빠르게 생장하기 때문에 생물량은 적지만, 순생산량은 크다.
- 사람이 관리하는 농경지는 순생산량이 많다.
- 화석 연료의 사용과 지구 온난화
지구의 기온이 계속 상승하는 지구 온난화 현상의 원인으로 기상학자들의 대체적인 의견은 인류가 화석 연료를 계속 사용하고 무분별한 삼림 훼손 등으로 인해 대기 중에 이산화 탄소의 양이 점점 증가하기 때문이라고 보고 있다. 이산화 탄소에 의한 온실 효과(greenhouse effect) 때문에 지구의 기온이 상승한다고 보는 것이다.
온실 효과란 대기 중의 수증기와 이산화 탄소 등이 온실의 유리처럼 작용하여 지구 표면의 온도를 높게 유지하는 효과를 말한다. 이산화 탄소를 포함한 온실 기체는 태양에서 복사되는 에너지 중 파장이 짧은 가시광선은 거의 통과시켜 지표면까지 도달시키지만, 지표면에서 방출되는 지구 복사선인 적외선은 파장이 길어 온실 기체가 대부분 흡수한다.
이 결과 지표면과 대기의 아랫부분은 온도가 상승하게 된다. 지구 온난화의 원인으로는 화석 연료의 과다한 사용, 삼림의 무분별한 훼손, 프레온이나 메탄 등의 농도 증가를 들 수 있다. 이러한 지구의 온난화 현상은 극지방의 빙하를 녹이거나 해수면을 높이는 등 여러 기상 이변을 초래하게 될 것이므로 환경 오염 방지에 노력을 기울여야 할 것이다.
참고자료: 지학사 생명과학1 교과서, EBS 수능특강 생명과학1
