생태계: 구조와 구성 요소
생태계는 생물과 그 주변 환경이 하나의 단위로 함께 작동하는 자연의 한 부분이에요. 숲이나 바다처럼 클 수도 있고, 연못이나 어항처럼 작을 수도 있어요. 농경지나 수족관은 인공 생태계예요.
구성 요소
- 비생물적 요소(살아 있지 않은 것): 햇빛, 온도, 물, 흙, 공기, 무기질.
- 생물적 요소(살아 있는 것): 생산자(녹색 식물, 식물성 플랑크톤), 소비자(초식 동물과 육식 동물), 분해자(세균, 곰팡이).
구조
구조란 어떤 종이 있고 그것들이 어떻게 배열되어 있는지를 말해요. 종 구성은 그곳에 사는 종의 목록이에요. 층화는 위아래로 층이 나뉜 것이에요. 숲에서는 맨 위에 나무, 그 아래에 관목, 그 아래에 풀이 있어요. 층마다 받는 빛의 양이 달라요.
네 가지 기능
모든 생태계는 생산성, 분해, 에너지 흐름, 물질 순환이라는 네 가지 일을 해요.
연못: 쉬운 예
비생물적 요소: 물, 녹아 있는 무기질, 햇빛. 생산자: 식물성 플랑크톤, 조류(말), 물에 뜨거나 뿌리내린 식물. 소비자: 동물성 플랑크톤, 작은 물고기, 큰 물고기. 분해자: 바닥의 세균과 곰팡이.
생산성: 총생산량(GPP)과 순생산량(NPP)
1차 생산은 식물이 일정 시간 동안 단위 면적에서 만들어 낸 생물량(유기물)의 양이에요. 이것을 만드는 속도가 생산성이고, g m⁻² yr⁻¹ 또는 kcal m⁻² yr⁻¹로 나타내요.
- 총 1차 생산량(GPP): 광합성으로 유기물을 만드는 전체 속도.
- 호흡(R): GPP 중에서 식물 자신이 쓰는 몫.
- 순 1차 생산량(NPP): 동물과 분해자에게 남는 몫: NPP = GPP − R.
- 2차 생산량: 소비자가 새로운 유기물을 만드는 속도.
생산성은 식물 종, 햇빛, 온도, 물, 영양분에 따라 달라져요. 지구 전체는 1년에 건조 중량으로 약 1,700억 톤의 유기물을 만들어요. 바다는 지표면의 약 70%를 차지하지만 약 550억 톤밖에 만들지 못해요. 깊은 바닷물에는 빛과 영양분이 적기 때문이에요.
분해: 다섯 단계
분해자는 복잡한 죽은 물질(부식 쇄설물: 낙엽, 나무껍질, 꽃, 죽은 동물, 배설물)을 CO₂, 물, 영양분 같은 단순한 무기물로 분해해요.
- 잘게 부서짐(분절): 지렁이 같은 부식 섭식자가 쇄설물을 아주 작은 조각으로 쪼개요.
- 용탈: 물에 녹는 영양분이 흙 속으로 스며들어 염으로 가라앉아요.
- 이화 작용: 세균과 곰팡이의 효소가 쇄설물을 더 단순한 무기 물질로 분해해요.
- 부식질화: 스펀지 같은 검은 물질인 부식질(humus)이 만들어져요. 미생물에 잘 분해되지 않아 아주 천천히 분해되고, 영양분의 저장고 역할을 해요.
- 무기질화: 부식질이 미생물에 의해 천천히 분해되면서 무기 영양분이 풀려나요.
분해 속도를 정하는 것
쇄설물에 질소와 당이 많고 따뜻하고 촉촉할 때 빨라요. 리그닌과 키틴이 많거나, 춥고 건조하거나, 산소가 없을 때(혐기 상태) 느려요. 분해에는 산소가 필요해요.
에너지 흐름
거의 모든 생태계에서 에너지의 유일한 원천은 태양이에요(깊은 바다의 열수 분출구는 예외예요). 햇빛 중 광합성에 쓸 수 있는 빛(PAR)은 50%가 안 되고, 식물은 그중 약 2~10%만 붙잡아요. 이 작은 몫이 살아 있는 세상 전체를 움직여요.
에너지는 한 방향으로만 흘러요. 태양 → 생산자 → 소비자. 다시 순환하지 않아요. 열역학 제2법칙에 따라 에너지를 전달할 때마다 많은 양이 열로 사라져요.
먹이 사슬과 영양 단계
- 생식 먹이 사슬(GFC): 녹색 식물에서 시작해요. 풀 → 염소 → 사람.
- 부식 먹이 사슬(DFC): 죽은 물질에서 시작해요. 쇄설물 → 분해자(곰팡이, 세균) → 부식 섭식자. 육상 생태계에서는 생식 먹이 사슬보다 부식 먹이 사슬을 통해 훨씬 더 많은 에너지가 흘러요.
- 여러 사슬이 얽히면 먹이 그물이 되어요.
- 영양 단계: 생산자(1단계), 초식 동물 / 1차 소비자(2단계), 육식 동물 / 2차 소비자(3단계), 3차 소비자(4단계).
- 현존량: 어느 한 시점에 한 영양 단계에 있는 살아 있는 물질의 양.
10% 법칙
한 단계의 에너지 중 약 10%만 다음 단계로 넘어가요(린드만). 그래서 식물 10,000 J → 초식 동물 1,000 J → 100 J → 10 J이 되어요. 이 때문에 먹이 사슬은 4~5단계를 넘기 어려워요.
생태 피라미드: 개체수, 생물량, 에너지
생산자를 맨 아래에 놓고 그 위에 더 높은 영양 단계를 차례로 쌓아요. 피라미드는 개체수, 생물량(건조 중량), 에너지를 나타낼 수 있어요.
- 개체수 피라미드: 초원에서는 정립형이에요(풀이 많고, 메뚜기는 적고, 개구리는 더 적어요). 큰 나무 한 그루에 곤충과 새가 많이 사는 경우는 역피라미드 또는 방추형이 되어요.
- 생물량 피라미드: 육지에서는 대개 정립형이에요. 바다에서는 역피라미드예요. 식물성 플랑크톤은 아주 빨리 자라고 빨리 먹혀서 한 시점의 질량은 작지만, 물고기의 질량은 더 크기 때문이에요.
- 에너지 피라미드: 항상 정립형이에요. 단계마다 에너지가 사라지므로 어떤 단계도 자신을 먹여 살리는 아래 단계보다 에너지가 많을 수 없기 때문이에요.
피라미드의 한계
한 종이 동시에 두 단계에 걸쳐 있을 수 있다는 점을 무시해요. 자연에는 사슬이 아니라 그물이 있는데 단순한 먹이 사슬만 가정해요. 또 중요한 분해자(부생 생물)를 빼놓아요.
시험에는 무엇이 나올까
자주 나오는 문제: GPP와 NPP를 정의하고 NPP = GPP − R을 쓰기, 분해 단계를 순서대로 쓰고 영향을 주는 요인 설명하기, 에너지 피라미드가 왜 항상 정립형인지 설명하기, 개체수나 생물량 역피라미드의 예 들기, 10% 법칙으로 높은 단계의 에너지 계산하기, 생식 먹이 사슬과 부식 먹이 사슬 비교하기. 계산 문제는 짧고 점수 따기 쉬워요. 항상 공식을 먼저 쓰세요.
핵심 공식과 정의
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풀이 예제
1. 어떤 밭의 GPP = 20,000 kcal m⁻² yr⁻¹이고 식물이 호흡으로 4,000 kcal m⁻² yr⁻¹를 써요. NPP를 구하세요.
NPP = GPP − R = 20,000 − 4,000 = 16,000 kcal m⁻² yr⁻¹.
2. 어떤 호수의 NPP = 6,000, R = 2,000 kcal m⁻² yr⁻¹예요. GPP를 구하세요.
GPP = NPP + R = 6,000 + 2,000 = 8,000 kcal m⁻² yr⁻¹.
3. 식물이 50,000 J을 붙잡았어요. 10% 법칙에 따르면 2차 소비자에게는 얼마가 도달할까요?
1차 소비자: 50,000의 10% = 5,000 J. 2차 소비자: 5,000의 10% = 500 J.
4. 뱀(3차 소비자)이 25 J을 얻었어요. 생산자에는 에너지가 얼마였을까요?
거꾸로 계산해요. 단계마다 × 10을 해요. 2차 소비자: 250 J, 1차 소비자: 2,500 J, 생산자: 25,000 J.
5. 어떤 숲에 PAR 1,000,000 J이 들어오고 GPP로 20,000 J이 저장돼요. 광합성 효율을 구하세요.
효율 = 20,000 ÷ 1,000,000 × 100 = 2%. 보통 범위인 2~10% 안에 들어요.
6. 초원의 초식 동물이 1,500 kJ을 가지고 있고 그것을 먹는 육식 동물이 120 kJ을 가지고 있어요. 생태 효율을 구하고 10% 법칙과 비교하세요.
효율 = 120 ÷ 1,500 × 100 = 8%. 10%보다 조금 작은데, 정상이에요. 10%는 평균일 뿐이에요.
7. 어떤 작물의 GPP는 30,000 kcal m⁻² yr⁻¹이고 호흡은 GPP의 30%예요. 소가 NPP의 10%를 먹어요. 소가 섭취하는 에너지는 얼마일까요?
R = 0.3 × 30,000 = 9,000. NPP = 30,000 − 9,000 = 21,000. 소: 21,000의 10% = 2,100 kcal m⁻² yr⁻¹.
8. 먹이 사슬이 다섯 단계를 넘기 어려운 이유는 무엇일까요? 100,000 J에서 시작해 숫자로 보여 주세요.
100,000 → 10,000 → 1,000 → 100 → 10 → 1 J. 여섯 번째 단계에는 1 J만 남아서 동물 집단을 먹여 살리기에는 턱없이 부족해요.
9. 각 경우에서 어느 피라미드가 뒤집힐까요? (a) 벵골보리수 한 그루와 곤충의 개체수 피라미드, (b) 바다의 생물량 피라미드, (c) 연못의 에너지 피라미드.
(a) 역피라미드(나무 한 그루, 곤충은 많음). (b) 역피라미드(식물성 플랑크톤 질량은 작고 물고기 질량은 큼). (c) 절대 뒤집히지 않아요. 에너지 피라미드는 항상 정립형이에요.
자주 하는 실수
- NPP = GPP + R이라고 쓰는 것. 호흡은 손실이므로 NPP = GPP − R이에요.
- 생태계에서 에너지가 순환한다고 말하는 것. 순환하는 것은 물질이고, 에너지는 한 방향으로만 흐르다가 열로 빠져나가요.
- 생물량 피라미드가 항상 정립형이라고 생각하는 것. 바다에서는 뒤집혀 있어요.
- 부식질화(부식질이 생김)와 무기질화(부식질이 분해되어 무기질이 풀려남)를 헷갈리는 것.