생태계란 무엇일까요?
생태계는 살아 있는 생물들이 서로, 그리고 둘레의 무생물과 영향을 주고받는 자연의 단위예요. 숲, 연못, 호수, 초원, 사막은 자연 생태계예요. 화단, 논밭, 어항은 사람이 계획하고 돌보기 때문에 인공(사람이 만든) 생태계예요.
생물 요소와 비생물 요소
생물 요소는 살아 있는 부분으로 식물, 동물, 곰팡이, 세균이 있어요. 비생물 요소는 살아 있지 않은 부분으로 햇빛, 온도, 물, 공기, 흙, 무기물이 있어요. 어느 한쪽을 없애면 다른 쪽도 달라져요. 햇빛이 없으면 식물이 죽고, 식물이 없으면 동물이 굶어요.
생산자, 소비자, 분해자
생산자는 광합성으로 양분을 만드는 녹색 식물과 일부 세균(남세균 등)이에요. 독립 영양 생물이라고도 해요.
소비자는 스스로 양분을 만들 수 없어서 다른 생물을 먹어요. 초식 동물(식물을 먹음, 예: 염소), 육식 동물(동물을 먹음, 예: 사자), 잡식 동물(둘 다 먹음, 예: 까마귀, 사람), 기생 생물(숙주에 붙어 삶, 예: 이)로 나뉘어요.
분해자는 죽은 식물과 동물을 간단한 물질로 분해하는 세균과 곰팡이예요. 이렇게 무기물이 흙으로 돌아가 생산자가 다시 쓸 수 있어요. 분해자가 없으면 죽은 것이 쌓이고 흙은 양분이 바닥나요.
먹이 사슬, 먹이 그물, 영양 단계
먹이 사슬은 앞에 있는 생물을 다음 생물이 먹으며 이어지는 줄이에요. 예: 풀 → 메뚜기 → 개구리 → 뱀 → 독수리. 물속에서는 조류 → 작은 물고기 → 큰 물고기 → 왜가리예요.
먹이 사슬의 한 칸이 영양 단계예요. T1 = 생산자, T2 = 1차 소비자(초식 동물), T3 = 2차 소비자, T4 = 3차 소비자예요.
자연에서는 대부분의 동물이 여러 가지를 먹고, 여러 천적에게 먹혀요. 그래서 많은 먹이 사슬이 얽혀 그물이 되는데, 이것이 먹이 그물이에요. 먹이 그물이 있으면 생태계가 더 안정돼요. 먹이 하나가 모자라도 다른 먹이로 바꿔 먹을 수 있으니까요.
에너지 흐름과 10% 법칙
녹색 식물은 잎에 닿는 햇빛의 약 1%만 붙잡아요. 초식 동물이 식물을 먹으면 식물에 저장된 에너지의 약 10%만 얻어요. 나머지는 식물 자신의 생명 활동에 쓰이거나, 열로 사라지거나, 먹지 않거나 소화되지 않는 부분에 남아요. 이것이 10% 법칙이에요(린데만이 제안).
에너지 흐름이 한 방향인 이유
에너지는 태양 → 생산자 → 초식 동물 → 육식 동물로 가요. 다시 돌아오지 않아요. 열로 사라진 에너지는 식물이 다시 쓸 수 없어요. 그래서 에너지 흐름은 한 방향이에요. 반대로 무기물은 분해자의 도움으로 계속 순환해요.
먹이 사슬이 3~4단계뿐인 이유
에너지는 한 단계마다 10분의 1로 줄어요. 4~5단계쯤 되면 남은 에너지가 너무 적어서 한 집단을 먹여 살릴 수 없어요. 그래서 최상위 육식 동물은 수가 적고, 채식(2단계에서 먹기)이 태양 에너지를 덜 낭비해요.
생물 농축
DDT 같은 농약을 작물에 뿌려요. 일부는 흙과 물로 씻겨 들어가 식물 속으로 들어가요. 이 물질은 분해되지 않고 몸 밖으로 나가지도 않아서 지방에 저장돼요. 식물을 많이 먹은 동물은 그 식물들의 물질을 모두 모아요. 다음 동물은 그런 동물을 많이 먹고, 이런 식으로 이어져요.
그래서 몸무게 1 kg당 물질의 양이 영양 단계마다 늘어나요. 이것이 생물 농축이에요. 사람을 포함한 최상위 소비자가 가장 많은 양을 받아요. 그래서 곡식, 채소, 물고기, 우유에도 농약 흔적이 있을 수 있어요.
핵심 공식과 정의
- 다음 단계의 에너지 = 이 단계 에너지의 10% = E ÷ 10
- n단계의 에너지 = E₁ × (0.1)ⁿ⁻¹ (E₁ = 생산자의 에너지)
- 아래 단계의 에너지 = 위 단계의 에너지 × 10 (거꾸로 내려갈 때)
- 영양 단계: T1 생산자 → T2 초식 동물 → T3 육식 동물 → T4 최상위 육식 동물
- 에너지 흐름: 한 방향 (태양 → 생산자 → 소비자 → 열로 손실). 영양 물질: 순환.
- 생물 농축: 영양 단계가 올라갈수록 화학 물질의 농도가 높아짐
풀이 예제
1. 연못의 생물 요소 두 가지와 비생물 요소 두 가지를 말해 보세요.
생물 요소: 물풀(검정말, 조류), 물고기, 개구리, 세균. 비생물 요소: 물, 햇빛, 녹아 있는 산소, 바닥의 흙, 온도.
2. 어떤 먹이 사슬에서 생산자가 20,000 J의 에너지를 가졌어요. 2차 소비자에게는 에너지가 얼마나 도달할까요?
생산자 → 1차 소비자: 20,000 × 10% = 2,000 J. 1차 → 2차 소비자: 2,000 × 10% = 200 J. 답: 200 J.
3. 매(4번째 영양 단계)가 5 J의 에너지를 얻었어요. 이 사슬의 생산자에는 에너지가 얼마나 있었을까요?
한 단계 내려갈 때마다 10을 곱해요. 3단계: 50 J, 2단계: 500 J, 1단계: 5,000 J. 생산자에는 5,000 J가 있었어요.
4. 풀 → 사슴 → 호랑이 사슬에서 풀이 1,00,000 kJ를 가졌다면 호랑이는 에너지를 얼마나 얻고, 그것은 풀 에너지의 몇 분의 몇일까요?
사슴: 1,00,000 × 0.1 = 10,000 kJ. 호랑이: 10,000 × 0.1 = 1,000 kJ. 비율 = 1,000 / 1,00,000 = 1/100 = 1%.
5. DDT로 오염된 호수의 물고기를 먹는 사람은 왜 물고기보다 DDT가 더 많을까요?
DDT는 분해되지 않고 몸의 지방에 남아요. 사람은 시간이 지나며 물고기를 많이 먹어서 그 물고기들의 DDT가 모두 사람에게 모여요. 더 높은 영양 단계에 있어서 농도가 가장 높아져요. 이것이 생물 농축이에요.
6. 먹이 그물이 하나의 먹이 사슬보다 안정적인 이유는 무엇일까요?
그물에서는 각 동물이 먹을 수 있는 것이 여러 가지예요. 먹이 하나가 줄어들면 포식자는 다른 것을 먹어요. 그래서 생태계가 무너지지 않아요.
자주 하는 실수
- 화살표를 거꾸로 그리는 것. 화살표는 먹는 쪽을 향해요. 풀 → 사슴은 사슴이 풀을 먹는다는 뜻이에요(에너지는 화살표를 따라 흘러요).
- 단계마다 에너지의 10%가 사라진다고 말하는 것. 반대예요. 약 90%가 사라지고 10%만 전달돼요.
- 분해자를 사슬의 한 영양 단계라고 생각하는 것. 분해자는 모든 단계의 죽은 것에 작용하므로 따로 표시해요.
- 두 가지 흐름을 헷갈리는 것. 에너지는 위로 갈수록 줄어들고, 농약 농도는 위로 갈수록 늘어나요.