물질의 생산과 소비
생태계는 에너지 흐름과 물질 순환을 통해 생물적 요인과 비생물적 요인이 연결된 역동적인 시스템으로, 물질 생산과 물질 소비가 균형을 이루고 있다.
(1) 총생산량: 생산자가 일정 기간 동안 광합성을 통해 합성한 유기물의 총량이다.
(2) 호흡량: 생물이 자신의 생활에 필요한 에너지를 얻기 위해 호흡에 소비한 유기물의 양이다.
(3) 순생산량: 총생산량에서 호흡량을 제외한 유기물의 양(총생산량-호흡량)이다.
(4) 생장량: 생물의 생장에 이용된 유기물의 총량으로, 순생산량 중에서 피식량, 고사·낙엽량을 제외하고 생물체에 남아 있는 유기물의 양이다.
(5) 식물(생산자)의 피식량은 초식 동물(1차 소비자)의 섭식량과 같으며, 초식 동물의 동화량은 섭식량에서 배출량을 제외한 유기물의 양이다.
에너지 흐름
(1) 에너지 흐름: 생태계 내에서 에너지는 순환하지 않고, 한 방향으로만 흐른다.
① 생태계에 공급되는 주요 에너지원은 태양의 빛에너지이며, 빛에너지는 생산자의 광합성에 의해 유기물의 화학 에너지로 전환된다.
② 유기물에 저장된 화학 에너지 중 일부는 세포 호흡을 통해 생명 활동을 유지하는데 사용되고 열에너지로 전환되어 생태계 밖으로 방출된다. 결국 각 영양 단계가 가지는 화학 에너지의 일부만 유기물 형태로 먹이 사슬을 따라 상위 영양 단계로 이동하고, 상위 영양 단계로 갈수록 각 영양 단계의 생물이 사용할 수 있는 에너지양은 감소한다.
③ 생물의 사체나 배설물 등에 저장된 화학 에너지는 분해자의 세포 호흡에 의해 생명 활동에 사용되고 열에너지로 전환되어 생태계 밖으로 방출된다.
④ 생태계 내에서 에너지는 순환하지 않고 한 방향으로만 흐르기 때문에 생태계가 유지되려면 생태계로 에너지가 계속 유입되어야 한다.
(2) 에너지 효율
① 에너지 효율은 생태계의 한 영양 단계에서 다음 영양 단계로 이동하는 에너지의 비율로 다음과 같이 나타낸다.
② 에너지 효율은 일반적으로 상위 영양 단계로 갈수록 증가하는 경향이 있는데, 이는 생태계에 따라 다르게 나타난다.
물질 순환
(1) 탄소 순환
① 탄소는 생명체를 구성하는 유기물의 기본골격을 이루며, 대기에서는 주로 이산화탄소(CO2)로, 물속에서는 주로 탄산수소이온(HCO3–)으로 존재한다.
② 생산자(식물, 조류 등)의 광합성을 통해 대기 중의 CO2(물속의 HCO3–)는 유기물로 합성된다.
③ 유기물 중 일부는 먹이 사슬을 따라 생산자에서 소비자로 이동하고, 사체나 배설물의 형태로 분해자에게로 이동한다.
④ 생산자, 소비자, 분해자의 유기물 중 일부는 호흡을 통해 CO2로 분해되어 대기로 돌아간다.
⑤ 사체나 배설물의 나머지 유기물은 오랜 기간을 거쳐 화석 연료(석탄, 석유 등)가 되고, 이것은 인간의 활동 등으로 연소될 때 CO2로 분해되어 대기로 돌아간다.
(2) 질소 순환
질소는 단백질과 핵산을 구성하며, 질소 기체(N2)는 대기 중의 약 78 % 정도를 차지한다.
① 질소 고정: 대부분의 생물이 직접 이용할 수 없는 대기 중의 질소 기체는 질소 고정 세균(뿌리혹박테리아, 아조토박터 등)에 의해 암모늄 이온(NH4+)이 되거나, 공중 방전에 의해 질산 이온(NO3–)으로 고정되어 생물에 이용된다.
② 질산화 작용: 토양 속의 암모늄 이온은 질산화 세균(아질산균, 질산균)에 의해 질산 이온으로 전환된다.
③ 질소 동화 작용: 암모늄 이온이나 질산 이온은 생산자에 의해 흡수되어 질소 화합물(단백질, 핵산)로 합성된 후, 먹이 사슬을 따라 소비자에게로 이동된다.
④ 생물의 사체나 배설물 속의 질소 화합물은 분해자에 의해 암모늄 이온으로 분해되어 토양으로 돌아간다.
⑤ 탈질산화 작용: 토양 속 질산 이온은 탈질산화 세균에 의해 질소 기체로 전환되어 대기로 돌아간다.
에너지 흐름과 물질 순환 비교
생태계 내에서 에너지는 순환하지 않고, 한 방향으로만 이동하여 생태계 밖으로 빠져나간다. 반면, 물질은 생산자에 의해서 무기물이 유기물로, 분해자에 의해서 유기물이 무기물로 전환되면서 생물과 환경 사이를 순환한다.
생태 피라미드와 생태계의 평형
(1) 생태 피라미드: 먹이 사슬에서 각 영양 단계에 속하는 생물의 개체 수, 생물량(생체량), 에너지양 등을 하위 영양 단계에서부터 쌓아 올리면 일반적으로 피라미드 형태가 되는데, 이를 생태 피라미드라고 한다.
(2) 생태계의 평형: 생태계의 평형은 일반적으로 그 안에서 생활하고 있는 생물 군집의 구성, 개체 수, 물질의 양, 에너지의 흐름이 일정하게 유지되는 안정된 상태를 말한다.
① 먹이 사슬에 의한 평형 유지: 생태계 평형은 주로 먹이 사슬에 의해 유지되는데, 먹이 사슬이 복잡할수록 평형을 유지하기 쉬우며 안정된 생태계는 먹이 사슬의 어느 단계에서 일시적으로 변동이 나타나도 시간이 지나면 평형이 회복된다.
② 물질 순환과 에너지 흐름의 안정: 생태계는 물질 순환과 에너지 흐름이 원활해야 평형을 유지할 수 있다. 안정된 생태계에서는 생산자의 물질 생산과 소비자, 분해자의 물질 소비가 균형을 이루어 물질 순환이 안정적으로 이루어지고, 먹이 사슬에 따른 에너지 흐름도 원활하게 이루어진다.
③ 평형 유지 과정: ‘1차 소비자 증가 → 2차 소비자 증가, 생산자 감소 → 1차 소비자 감소 → 2차 소비자 감소, 생산자 증가 → 회복된 상태’의 순서로 일어난다.
(3) 생태계 평형이 파괴되는 원인: 안정된 생태계는 다양한 변화에도 평형을 회복할 수 있지만 조절 능력에는 한계가 있고, 이 한계를 넘어선 외부 요인이 작용하면 생태계 평형은 깨지고 결국 생태계 전체가 파괴될 수 있다. 예) 천재 지변(지진, 홍수, 화산 폭발, 태풍 등), 인간의 활동(과도한 사냥, 도로와 댐 건설과 같은 인위적인 개발, 화석 연료의 과다 사용, 환경 오염 등) 등
생물 다양성
생물 다양성이란 지구의 다양한 환경에 다양한 생물이 살고 있는 것을 의미하며, 생물종의 다양함 뿐만 아니라, 각각의 생물종이 가지는 유전 정보의 다양함, 생물과 환경이 상호 작용하는 생태계의 다양함까지 모두 포함한다.
(1) 유전적 다양성
① 같은 종이라도 개체군 내의 개체들이 유전자의 변이로 인해 다양한 형질이 나타나는 것을 의미한다. 예) 아시아무당벌레의 다양한 색과 반점 무늬, 기린의 다양한 털 무늬 등
② 종 내에 다양한 대립유전자가 있으면 유전적 다양성이 높다.
③ 유전적 다양성이 높은 종은 개체들의 형질이 다양하다. → 환경이 급격히 변하거나 전염병이 발생했을 때 살아남을 수 있는 유리한 형질을 가진 개체가 존재할 확률이 높다. → 멸종될 확률이 낮다.
④ 유전적 다양성은 농작물의 품종 개량에도 도움을 준다. 유용한 유전자를 지닌 야생 식물 종으로부터 얻은 유전자를 이용해 생산성이 높고 질병에 강한 농작물을 개발하기도 한다.
(2) 종 다양성
① 한 지역에서 종의 다양한 정도를 의미한다.
② 종의 수가 많을수록, 종의 비율(전체 개체 수에서 각 종이 차지하는 비율)이 고를수록 종 다양성이 높다.
③ 종 다양성이 높을수록 생태계가 안정적으로 유지된다
종 다양성
(3) 생태계 다양성
① 어떤 지역에 사막, 초원, 삼림, 습지, 산, 호수, 강, 바다 등 다양한 생태계가 존재함을 의미한다.
② 생태계를 구성하는 생물과 환경 사이의 관계에 관한 다양성을 포함한다.
③ 생태계 다양성이 높은 지역에서는 다양한 환경 조건이 존재하므로 서로 다른 환경에 적응하여 다양한 종이 나타날 수 있다. 그 결과 유전적 다양성과 종 다양성이 높아진다.
(4) 생물 다양성의 중요성
① 생태계 안정성 유지: 생물 다양성은 생태계의 기능 및 안정성 유지에 중요하다.
- 생물 다양성이 높은 생태계는 교란이 있어도 생태계 평형이 유지될 가능성이 크다.
- 생태계 평형이 깨지면 물질의 순환과 에너지 흐름에 이상을 초래하여 생물의 생존이 위협을 받게 되고 쉽게 회복되지 않거나 회복 시간이 오래 걸린다.
② 생물 자원: 다양한 생태계의 생태적·문화적 가치는 인간에게 사회적·심미적 가치를 제공한다.
③ 다양한 생물 자원의 효율적 이용과 개발: 과학이 발달함에 따라 생물 자원은 더욱 다양하고 새로운 형태로 개발·이용된다.
예) 질병에 대한 저항력을 가진 생물의 유전자를 새로운 농작물 개발에 활용, 극한 환경에 서식하는 생물의 내열성 DNA 중합 효소의 활용, 바이오 에너지 생산 등
생물 다양성의 보전
(1) 생물 다양성의 위기와 감소 원인
생태계에서 생물 다양성이 감소되는 주요 원인은 인간의 활동과 관련이 있다.
① 서식지 파괴 및 단편화: 숲의 벌채나 습지의 매립 등으로 서식지 면적이 감소되면 그 서식지에서 살아가는 생물의 종수가 감소하여 생물 다양성이 감소한다. 또한, 대규모의 서식지가 소규모로 분할되는 서식지 단편화는 서식지 면적을 줄이고, 생물 이동을 제한하여 고립시키기 때문에 그 지역에 서식하는 개체군의 크기가 작아진다. 이는 멸종으로 이어질 수 있다.
서식지 단편화
② 불법 포획과 남획: 개체 수 보전을 위해 포획이 금지된 종을 포획하는 것을 불법 포획이라고 하고, 어떤 개체군을 회복할 수 없을 정도로 과도하게 포획하는 것을 남획이라고 한다. 불법 포획과 남획으로 일부 종은 멸종 위기에 처해 있다.
③ 환경 오염과 기후 변화: 산업 발달에 따른 대기·수질·토양의 오염과 지구 온난화를 비롯한 여러 기후 변화는 생물 다양성을 감소시키는 요인이다.
④ 외래종의 도입: 외래종이 고유종의 서식지를 차지하고 먹이 사슬에 변화를 일으켜 생물 다양성을 감소시킨다. 예) 블루길, 가시박, 뉴트리아, 돼지풀 등
(2) 생물 다양성의 보전 방안
생물 다양성의 보전을 위해 멸종을 방지하고 생물 다양성의 감소 요인을 줄여야 한다.
① 개인적 수준의 실천 방안: 에너지 절약, 자원 재활용, 친환경(저탄소) 제품 사용 등
② 사회적 수준의 실천 방안: 대정부 감시 기능과 홍보를 위한 비정부 기구(NGO) 활동 등
③ 국가적 수준의 실천 방안: 야생 생물 보호 및 관리에 관한 법률 제정, 국립 공원 지정 및 관리, 멸종 위기종 복원 사업, 종자 은행을 통한 생물의 유전자 관리 등
④ 국제적 수준의 실천 방안: 다양한 국제 협약을 통해 생물 다양성 보전 활동을 펼치고 인간도 생태계의 구성원이며 인간과 다른 생물체들이 공동체임을 인식해야 한다.
예) 생물 다양성 협약, 람사르 협약, 바젤 협약, 런던 협약 등
참고자료: EBS 수능특강 생명과학1
