생태계(生態系, ecosystem)
"생태계"라 함은 식물·동물 및 미생물 군락과 기능적인 단위로 상호작용하는 비생태적 요소인 환경(공기, 물, 온도, 빛)의 역동적인 복합체를 말한다.
생물다양성에 관한 협약 제2조(생물다양성 보전 및 이용에 관한 법률 제2조 제2호도 같음)
생태계(生態系, ecosystem)는 상호작용하는 유기체들과 또 그들과 서로 영향을 주고받는 주변의 무생물 환경을 묶어서 부르는 말이다. 생태계를 연구하는 학문을 생태학(ecology)이라고 한다.
같은 곳에 살면서 서로 의존하는 유기체 집단이 완전히 독립된 체계를 이루면 이를 '생태계'라고 부를 수 있다. 이 말은 곧 상호의존성과 완결성이 하나의 생태계를 이루는 데 꼭 필요한 요소라는 뜻이다.
생태계가 다양한 양상으로 나타나는 것에는 여러 원인이 있다.
가장 일차적인 이유는 지구가 구형이기 때문이다. 지구과학에서도 배우지만, 지구가 구형이기 때문에 위도별로 받는 태양에너지가 차이가 나게 된다. 이에 따른 온도의 분포가 생태계 다양성의 원인이 된다.
다음 원인으로는 수륙분포가 있다. 대륙과 바다의 분포인데, 대륙의 중심에서는 당연히 건조한 기후가 나타나고 바다 한가운데의 섬에서는 습한 기후가 나타나는 등의 영향을 준다.
다음 원인은 고도차이이다. 해양생태계에는 고도가 아닌 깊이지만, 지구 중심에서 얼마나 떨어져 있느냐로 이해하면 되겠다. 해양생태계의 심해저와 바다 표면, 육상생태계의 강 하구와 산 꼭대기는 서로 다른 온도, 압력 등을 가진다.
다음은 해당 지역의 역사이다. 이는 천이, 인간의 영향이나 다른 생물의 영향, 지구의 기후변화 등을 포함한다. 인간이 논으로 이용하는 지대의 경우 종다양성이 매우 낮다거나 해충이 사라졌다던가 할 수 있으며, 지구의 기온이 점점 따뜻해져 원래 빙하가 있던 곳이 얼마 전 녹았다면 아무것도 없는 황무지일 것이고 시간이 흘러 천이가 일어났다면 점차 한대림으로 변하는 등의 다양성이 나타난다.
좀 더 미시적인 관점을 갖는다면, 해당 지역의 울퉁불퉁함이나 여러 생물의 영향 등을 꼽을 수 있다. 커다란 나무가 자랄 경우 그 밑은 그늘이 지기 때문에 주변과 다른 환경을 나타내게 되며, 이를 '미기후'라고 한다. 이로 인해 나무의 그늘 밑과 그늘의 영향을 받지 않는 옆 부분은 서로 다른 생물이 서식하게 된다.
이런 원인들이 복합적으로 작용하여 생태계가 다양해지게 된다. 이에 따른 결과로 나타나는 것이 '생태계 다양성'인데, 생태계 다양성은 종다양성 만큼이나 중요하다,[1] 종다양성이 해당 지역의 생태학적 건강함을 나타낸다면, 생태계 다양성은 더 큰 범위에서의 생태학적 건강함을 나타낸다고 할 수 있다
인류학적 관점에서 많은 사람들은 생태계가 모든 생산의 원천이자 상품과 용역의 기초가 된다고 본다. 가장 대표적인 것이 목재나 유제품과 같은 제품들이다.
생태계의 예
수생 생태계 - 산호초, 해양 생태계, 연못 생태계
숲 생태계 - 우림, 사바나, 타이가
극지 생태계 - 툰드라
초원 생태계 - 스텝
인간 생태계 - 농 생태계, 도시 생태계
사막
생태계(生態系, ecosystem)
1. 자연(自然, 어원 라틴어 : Nature 나투라)
자연이란 대기, 지각, 해양, 호소, 강과 동물, 식물, 미생물 등의 생물을 포함하는 지구 안에 있는 모든 것과 하늘의 해, 달, 별(천체) 등 지구 밖에 있는 모든 것을 총칭하여 부르는 용어이다. 지구를 다시 산과 들에 해당하는 지각을 암석권, 바다, 강, 호소 등을 수권, 이들을 싸고 있는 공기층을 대기권, 그리고 이곳에 살고 있는 모든 동식물을 생물권으로 구분한다. 이들 자연은 인간을 비롯한 모든 생물의 터전이며 생활에 필요한 물질과 에너지를 공급하는 자원의 공급원이 된다.
2. 개체(individual)와 개체군(population)
식물 한 포기, 동물 한 마리를 개체라 한다.
생물의 몸은 세포로 되어 있다. 조직이란 같은 모양이며 같은 작용을 하는 세포의 모임을 말하고 몇 개의 다른 조직이 모여 같은 작용을 할 때 이를 기관이라 하며 여러 기관이 모여 같은 작용하는 것을 기관계라 한다. 여러 기관계가 모여 개체가 된다. 예를 들어 같은 종류의 세포가 모인 조직에는 표피조직, 결합조직, 근육조직 등이 있다. 이런 조직들이 조합되어서 소화기관의 하나인 위가 된다. 위, 식도, 창자, 입, 간, 이자 등을 소화기관이라 하며 이들은 모두 소화 작용에 관계하므로 이들 전체를 소화 기관계라 한다. 소화기관계, 호흡기관계, 배설기관계, 순환기관계, 생식기관계, 골격계 등이 합쳐져 하나의 몸이 된 것을 개체라 한다.
가. 개체군(population)
생물은 대부분 집단으로 생활한다.
같은 장소에 여러 종류의 생물이 모여 생활하지만 각각의 생물종을 대상으로 조사할 때 같은 장소에 서식하는 동일종의 집단을 개체군이라 한다.
1) 개체군의 특성
가) 개체군의 밀도(密度, Density)
어떤 공간에 살고 있는 개체 수의 빽빽한 정도를 개체군의 밀도라 하며 일정한 면적 내에서 살아가고 있는 각종의 개체 수로 나타낸다.
일정한 공간에 살고 있는 개체 수가 많게 되면 개체가 살아가는데 절대적으로 필요한 공간, 먹이, 물 등의 확보에 어려우므로 개체군의 생활에 많은 영향을 준다.
밀도 변화 요인이란 밀도를 변화시키는 요인으로 증가 요인으로는 출생과 이입이 있으며, 감소 요인으로는 사망과 이출 등이 있다.
(1) 개체군 밀도의 종류
• 절대 밀도(absolute density)= (개체 수/ 총면적)
• 상대 밀도(relative density)= (개체 수/ 서식 가능한 면적)
(2) 밀도 측정법
밀도를 측정하는 방법에는 여러 가지가 있다. 총수 산출법은 총 개체 수를 헤아려 면적으로 나누는 것이며 표본법은 식물에 많이 사용하는데 방형틀, 띠(산 전체에서 어떤 종의 개체 수 비를 조사할 때 산 위에서 아래로 몇 개의 띠를 치고 거기에 걸리는 개체 수 비를 표본으로 이용), 줄 등을 이용하며 이들 기구에 표집 되는 개체 수를 표본 조사하여 전체 면적으로 환산하는 것이다. 이동성이 강한 동물의 경우 표지 법을 사용하는데 못 속에 살고 있는 물고기 수를 조사할 때 물을 모두 흘려보내고 모든 고기를 잡아 조사할 수는 없으므로 얼마의 물고기를 산 채로 잡아내어 표지해서 못물 속에 다시 넣는다. 그리고 다시 못 속의 물고기를 잡아낼 때 잡혀 나오는 고기 중에서 표지해 넣었던 고기의 비를 알아냄으로써 전체 고기 수를 환산할 수 있다.
나) 개체군의 생장곡선(生長曲線, growth curve)
어떤 종이 어떤 지역의 좋은 환경을 만나면 출생률은 증가하고 사망률이 크지 않으므로 집단은 점점 커지게 되는 데 이를 개체군의 생장이라 한다. 계속 좋은 환경을 유지되면 출생률이 증가하여 개체군의 성장은 급격히 증가할 것이다. 이것을 X축을 시간, Y축을 개체수로하여 그래프를 그리면 개체군의 크기는 시간 경과에 따라 J자 모양으로 계속 증가할 것이다. 이렇게 성장하는 것을 이론적 개체군 생장 곡선(J자형 개체군 생장곡선, 기대 개체군 생장곡선)이라 한다. 이렇게 이론적으로는 생장이 계속될 것이지만 실제 환경에서는 개체군이 커짐에 따라 먹이 부족, 공간이 부족, 노폐물의 축적 등으로 사망률이 증가함에 따라 개체군의 생장은 느려지고 결국 출생률과 사망률이 같아지면 개체군의 생장은 멈추어질 것이다. 이때 생장을 나타내는 그래프는 S자 모양을 나타낸다. 이것을 S자형 개체군 생장 곡선이라 한다. S자형 개체군 생장 곡선을 분석해 보면 개체 수가 초기에는 천천히 증가(출생률 〉사망률)하고 다음에는 급격히 증가(출생률 〉사망률)하며 사망률이 증가하여 출생률과 같아지면(출생률 = 사망률) 증가하지 않게 된다. 출생률보다 사망률이 크면 개체군의 크기는 작아진다. 그래프에서 생장곡선의 기울기가 생장률이다.
• 개체군의 생장률(population growth rate) : N/t (t: 단위 시간, N : 증가한 개체 수)
생장 곡선이 S자 모양으로 나타나는 것은 자연 상태에서 개체 수가 증가하면 먹이의 부족, 생활공간의 부족, 경쟁의 증가, 배설물의 축적 등으로 환경이 나빠져서 개체군의 생장이 억제된다. 생물 개체군의 생장을 억제하는 환경의 작용을 환경 저항이라고 한다.
* 환경 저항(environmental resistance) : 개체군 생장 그래프에서 J자형 개체군 생장곡선과 S자형 개체군 생장 곡선 간의 개체군 크기 차이가 환경 저항이며 환경 저항은 초기부터 있다. 환경 저항은 먹이부족, 생활공간의 부족, 노폐물의 축적, 질병의 증가, 경쟁의 증가, 환경오염 등이다.
다) 생존 곡선(生存曲線, survival curve)
알맹이 없는 말을 많이 하는 것을 노가리 깐다고 한다. 명태는 수많은 알을 낳고 이 알이 부화하여 노가리라는 명태 새끼가 된다. 명태 알이 부화하고 노가리로 성장하는 동안에 대부분이 천적에게 먹히므로 명태로 성장할 수 있는 명태 알의 수는 적다. 수많은 명태 알이 노가리를 거쳐 자라서 명태로 되는 숫자는 소수이므로 알맹이 없는 말을 많이 하는 것을 노가리 깐다고 비유하는 것이다. 명태 알이 노가리를 거쳐 명태로 성장할 가능성이 적은 것은 살아가는 동안에 어미의 보호를 받지 못하여 천적에게 많이 잡아먹히기 때문이다. 그러므로 종족을 보존하기 위해서는 많은 숫자의 알을 낳아야 하는 것이다.
사람이 걷기 위해서는 일 년 정도는 자라야 하고 스스로 독립해서 살려면 상당히 오랜 기간이 필요하다. 이렇게 아기들은 자립해서 살아갈 능력이 부족하게 태어났지만 대부분 자기 명대로 오랫동안 살 수 있다. 이와 같이 어린 아기가 살아가는 중간에 죽는 비율이 낮은 것은 부모가 상당히 오랜 기간 정성을 다하여 아기를 돌보아주기 때문이다.
어떤 생물종이 출생하여 살아가는 동안에 시간 경과에 따라 생존하는 개체 수를 그래프로 나타낸 것을 생존 곡선이라 한다.
* 굴형(Type Ⅰ) : 많은 산란 수, 초기 사망 많음(어류, 무척추동물)
* 히드라 형(Type Ⅱ) : 각 연령층에서 비슷한 비율로 사망(히드라, 조류)
* 사람형(Type Ⅲ) : 어린 연령층에서 사망률이 낮음
라) 연령 피라미드(Age pyramid)
개체군의 구성원을 연령별로 암, 수를 구분하여 각 연령에 해당하는 개체 수를 전체에 대한 백분율로 나타낸 그래프를 연령 피라미드라 한다.
개체군에서 연령별 인원수의 비율이 항상 같을 수는 없다. 환경 요소 중의 어떤 원인으로 출생률이 높아져 어린 생명이 많다면 점차 개체군이 커질 것이고 출생률이 낮아 어린 생명이 적다면 점차 개체군이 작아질 것이다.
연령 피라미드에는 안전형, 발전형, 쇠퇴형 등으로 나타낼 수 있다.
마) 개체군의 주기적 변동
개체군의 밀도는 항상 일정하게 유지되는 것이 아니라 비생물 환경요인이나 생물적 요인(피식자와 포식식자 관계, 경쟁 등)에 의해 주기적으로 변동한다.
개체군의 주기적 변동은 생태계 파괴가 아니다.
(1) 계절적 변동(단기적 변동)
개체군을 둘러싸고 있는 일조 시간, 영양염류의 상대량, 수광량, 기온, 수온, 바람, 강수량, 해수의 간만, 해류 등의 요인에 의해 규칙적으로 개체군의 크기가 변동한다.
(2) 장기적 변동
피식자 개체군이 어떤 기후 변동 등의 환경적 영향을 받아 개체군 크기의 변동을 가져오면 이에 따라 포식자 개체군의 크기의 변동이 뒤따른다. 그래서 먹히는 피식자 개체군과 잡아먹는 포식자 개체군의 생장주기가 약간 차이가 나는 것이다. 큰 주기가 변화의 가장 큰 요인은 빛, 수분 등의 양이 많게 변하는 것이며 이에 따라 생산자의 생산량이 변하고 연쇄적으로 소비자 개체군의 크기가 변화한다고 볼 수 있다. 장기적인 기후 변동이나 생물 상호 간에 피식과 포식 관계의 먹이 연쇄에 따라 5년∼1O 년 주기로 개체군의 크기가 변동한다. 눈신토끼와 스라소니의 주기적 변동을 예로 들 수 있다.
2) 동종 개체군(同種個體群, conspecific population) 내의 상호작용
대부분의 생물은 집단으로 생활한다.
같은 장소에 모여 사는 동일종의 집단을 개체군이라 한다. 개체군을 이루는 각 개체는 배우자를 차지하기 위해서나 먹이를 얻기 위해서, 그리고 사는 장소를 차지하기 위한 경쟁이 일어난다.
군집을 구성하는 각 개체의 특성에 따라 집단의 질서를 유지하고 개체군의 크기를 조절하기에 알맞은 집단생활 유형이 몇 가지 있다.
가) 세력권(勢力圈, territory, 텃세)
먹이나 산란을 위해 일정한 생활공간을 확보하여 살아가는 방식을 세력권(텃세)이라 한다. 은어, 박새, 종달새 등이 이런 생활 방식으로 살아가는데 공간을 최대로 활용하고 밀도 조절이 잘 된다.
봄이 되면 들판에 수놈의 종달새가 하늘 높이 날면서 지저 긴다. 여러 수놈이 있어도 가장 높이 날 수 있는 수놈이 이 지역을 차지하고 높이 날 수 없는 수놈들은 밀려나 다른 곳으로 이동하게 된다. 수놈의 종달새가 내려다볼 수 있는 면적이 모두 세력권으로 확보된다. 그래서 수놈이 높이 날면 날수록 지배할 수 있는 면적이 넓어지는 것이다. 이렇게 수놈이 암놈이 보도록 힘을 과시하는 것이다. 수놈이 높게 나는 능력을 본 암컷이 수놈의 세력권에 들어오므로 수놈은 배우자를 차지하게 되는 것이다.
나) 순위제(順位制, dominance hierarchy)
닭을 자연 방사하여 기를 때 어떤 닭이 새로 유입되면 비슷한 몸 크기의 닭과 싸움이 벌어진다. 새로 유입된 닭이 싸움에 이기면 싸움에 진 닭보다 앞선 순위로 이들 집단 내에서 모이를 쪼는 순서가 정해지는 것이다. 이와 같이 개체 사이에 순위를 만들어 살아가는 생활 방식을 순위제라 한다.
다) 리더제(leader organization)
기러기, 들쥐, 원숭이, 붉은 사슴(스코틀랜드) 등의 개체군에서는 힘의 우열에 의한 순위와는 관계없이 경험이 많은 한 마리의 리더가 전 개체군을 통솔하며 먹이를 얻거나 위험에 대처하는 생활 방식으로 생활하는 데 이를 리더제라 한다.
라) 동물 사회(動物社會, animal society)
꿀벌, 개미 등의 개체군에서는 여러 개체가 분업 등으로 특수한 협력 관계를 맺어 조화를 이루어 사회생활을 한다. 이런 생활 방식을 동물 사회라 한다.
3. 생태계(生態系, ecosystem)
생태계(ecosystem)라는 용어는 1935년 생물학자 텐슬리(Arthur Tansley, 1871~1955, 영국)가 처음 사용하였으며, 20세기 후반에 현재의 생태계 개념이 성립되었다.
생태계(ecosystem)의 eco의 어원은 그리스어 oikos(오이코스, 집)에서 유래한 것으로 생물을 둘러싸고 있는 환경을 의미하며, system은 생물과 생물 간에, 생물과 비생물 간에 서로 유기적인 관계를 맺고 있음을 의미한다(생태학 ecology라는 용어는 1866년 독일의 동물학자 에른스트 헤켈 Ernst Haeckel, 1834~1919이 처음 사용하였다).
생태계란 지구에 있는 물, 흙, 돌, 공기 온도, 그리고 햇빛과 같이 생명이 없는 것을 이용하여 세균, 식물, 동물 등의 생물들이 서로 도움을 주며 살아가는 하나의 계이다.
생물이 살아가는 세계를 생태계(ecosystem)라고 하는 것이다.
어떤 지역에 살고 있는 한 종류의 생물 집단을 개체군(population)이라 하는데, 어떤 지역에는 한 종류의 개체군만 살고 있는 것이 아니라 여러 종류의 개체군이 살고 있다. 이와 같이 어떤 지역에 살고 있는 모든 개체군, 즉, 서로 다른 종류의 생물 집단 모두를 나타내는 생물 공동체를 군집(community)이라 한다. 군집을 이루는 생물들이 물, 흙, 돌, 공기, 온도, 햇빛 등의 비생물적 요소(abiotic components)와 작용과 반작용(action and reaction)을 하며 생물 간에도 상호작용(interaction)을 하면서 살아가는 세계를 생태계라 한다.
따라서 생태계란 생물들이 태양으로부터 유입되는 에너지를 비롯한 비생물적 요소(abiotic components)와 생물 간에, 생물과 생물 간에 물질의 순환과 에너지 전달이 이루어지면서 전체가 조화를 이루는 계(system)를 말한다.
이론적으로 독립 생태계를 예로 들어 설명할 때 생태계 간에는 물질의 이동이 없는 독립적인 닫힌계(closed system)로 설명하지만 실제의 생태계에는 태양에너지와 산소, 이산화탄소, 물 등은 다른 계와 출입이 일어나므로 닫힌계(closed system)로는 존재할 수 없고 개방계(開放系, open system)를 이룬다.
다른 계와 최소한의 에너지나 물질의 출입(이동)으로 유지되는 자연에 존재하는 생태계를 자연 생태계라 하고 도시와 같이 에너지나 물질이 부족하거나 남는 양이 너무 많아 이웃 생태계의 도움을 받아야 존재할 수 있는 생태계를 인공 생태계라 한다.
가. 생태계의 구성요소(components of ecosystem)
생태계에는 햇빛, 토양, 물, 공기, 온도, 무기염류 등의 무기 환경을 이용하여 다양한 생물들이 살고 있는데, 생물적 요소(biotic components)와 비생물적 요소(abiotic components)로 나눌 수 있다. 생태계의 구성요소(Components of ecosystem)는 생산자(生産者, producer), 소비자(消費者, consumer), 분해자(分解者, decomposer), 비생물적 요소(abiotic components, 무기 환경)이다.
1) 비 생물적 요소(非生物的要素, 무기 환경, abiotic components)
비 생물적 요소는 생물이 살아가는데 필요한 토양, 무기염류, 물, 빛 에너지, 공기 온도 등을 말하며 무기 환경이라고도 한다.
* 제한 요인(制限要因, limiting factor)
생물 개체(organism)가 최대로 성장(growth)하거나 생식(reproduction)을 하기에 부족하여 생물의 분포나 개체 밀도를 제한하는 환경요인(environmental factor, 생태 요인 ecological factor)이며 온도, 빛, 수분, 산소, 먹이 등이 있다.
1840년 리비히(Justus Freiherr von Liebig, 1803 ~ 1873, 독일, 화학자)가 제한 요인(制限要因, limiting factor)을 처음 주장하고 최소량의 법칙(law of minimum, 식물의 생장은 최소량으로 공급되는 무기영양소에 의해 제한됨)을 정립하였다.
1905년 블랙맨(Frederick Frost Blackman, 1866 ~ 1947, 영국, 식물 세포 생리)은 Liebig의 최소량의 법칙을 일반화하여 제한 요인에는 영양소뿐만 아니라 물리적인 요인과 생물학적인 요인 등 모든 요인들이 포함된다는 ‘제한 요인의 법칙(Blackman's law of limiting factors)’을 주장하였다.
빅터 셸퍼드(Victor Ernest Shelford, 1877 ~ 1968, 미국, 동물생태학)는 제한 요인이 부족할 때뿐만 아니라 과다할 때도 개체군의 크기가 제한된다고 주장하였다.
* 셸퍼드의 내성의 법칙(Shelford's law of tolerance, 1911)
셸퍼드의 내성의 법칙(Shelford's law of tolerance, 1911)이란 각 생물체의 생존은 각 환경요인에 대한 내성 최소값, 내성 최대값, 최적 범위와 같은 다면적인 조건에 의해 제한을 받으며 내성의 한계를 벗어나면 생존할 수 없다는 것이다.
* 내성 범위(耐性範圍, tolerance range)
내성 범위는 생물이 살 수 있는 비생물 요인의 내성 최대값과 최소값 사이의 범위이다. 내성 범위는 불랙맨(Frederick Frost Blackman)의 제한 요인의 법칙(1905)과 빅터 셸퍼드(Victor Ernest Shelford)의 내성의 법칙(1911)에 의해서 확립되었다.
* 최적 범위(最適範圍, optimal range)
최적 범위는 어떤 생물종이 내성 범위 내에서 생식(reproduction)과 성장(growth)이 잘 일어나는 밀도가 높게 나타나는 환경 요인의 범위이다.
2) 생물적 요소(生物的要素, biotic components)
생물적 요소는 동물, 식물, 미생물 등의 생물을 말하며 이들이 에너지 흐름과 물질 순환에서 하고 있는 역할에 따라 생산자, 소비자, 분해자로 나눈다.
생태계에서 생물적 요소에 해당하는 생산자, 소비자, 분해자를 모두 일러 군집이라 한다.
가) 생산자(生産者, producer)
생산자란 종자식물이나 고사리류, 이끼류, 물에 존재하는 조류처럼 태양 에너지와 이산화탄소, 물, 그리고 무기염류를 이용하여 광합성으로 유기물을 생산하여 생활하는 독립영양 형태의 생물이다.
나) 소비자(消費者, consumer)
소비자는 광합성을 못하므로 유기물을 합성할 수 없어 생산자에 의존하여 살아가는 종속 영양 생물로서 동물들이 여기에 속한다.
소비자 중에서 녹색 식물에 직접 의존하는 초식동물을 1차 소비자라고 하며, 1차 소비자를 먹고사는 육식 동물을 2차 소비자, 2차 소비자를 먹고사는 육식 동물을 3차 소비자, 최상위의 소비자를 최종 소비자라 한다. 인간은 생산자, 소비자를 모두 이용하고 있기 때문에 최종 소비자로 볼 수 있다.
다) 분해자(分解者, decomposer)
이들 동물과 식물의 생체(生體, living matter)나 사체(死體, carcass), 또는 배설물(排泄物, excreta)을 분해하여 무기물질로 되돌리는 소동물을 포함하여 대부분의 균류, 세균과 같은 미생물을 분해자라 한다. 분해자의 작용으로 식물이 이용할 수 있는 무기 영양물질이 생성되므로 물질의 순환이 가능하다.
※독립영양(獨立營養, autotrophism)과 종속영양(從屬營養, heterotrophism)
생산자는 생존에 필요한 유기물을 직접 생산하기 때문에 독립영양 생물(獨立營養生物, autotrophs)이라 하며, 소비자와 분해자는 먹이를 직접 생산하지 않고 생산자의 광합성 산물에 의존하기 때문에 종속영양 생물(從屬營養生物, heterotrophs)이라 한다.
※ 영양단계에 따른 생물적 요소(biotic components)
영양단계가 생산자인 녹색식물과 조류 등은 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)을 재료로 하고 빛 에너지를 흡수하여 유기물질을 합성하는 광합성 작용을 한다.
영양단계가 소비자인 동물에는 초식동물, 육식동물, 잡식동물이 있으며 이들은 광합성을 못하는 종속영양 생물이다. 유기물을 일부 분해하는 작용을 한다.
초식동물을 1차 소비자, 육식동물을 2차 소비자, 육식동물과 잡식동물을 3차 소비자라 한다.
영양단계가 분해자인 세균, 곰팡이, 소동물 등은 동식물의 시체나 배설물을 분해하여 생활한다. 그 결과 유기물을 완전히 분해하여 무기물로 되돌리는 작용을 한다.
※ 비생물적 요소(abiotic component)
무기물에는 산소, 질소, 이산화탄소(CO2) 등이 있으며 생태계의 물질 순환에 이용된다.
유기물에는 탄수화물, 단백질, 지질 등이 있는데 생물체에 의하여 생산된 에너지가 풍부한 물질이며 생물의 구성과 작용에 이용된다.
자연에는 공기, 물, 토양, 빛 등이 있으며 생물에 필요한 물질과 에너지를 제공하는 원천이다.
나. 구성요소 간의 상호작용
생물적 요소는 토양, 대기, 물 등의 비 생물적 환경 요소와 상호 영향을 주고받으며 생물 간에도 상호 영향을 주고받는다.
1) 작용과 반작용
무기 환경이 생물에 미치는 영향을 작용이라 하고 생물이 무기 환경에 미치는 영향을 반작용이라 한다.
2) 이종 개체군(異種個體群, heterogenous population)의 상호작용
군집 내에서 생물 간에 서로 영향을 미치는 것을 상호작용이라 한다.
군집 내의 동종 개체군이나 이종 개체군 사이에서 상호 작용이 일어난다. 앞에서 동종 개체군의 상호작용은 설명하였으므로 여기서 설명하는 것은 이종 개체군 간의 상호작용이다.
가) 포식(捕食, predation) 관계
먼저 이종 개체군 사이에 먹이연쇄 관계상의 먹는 자(포식자, 捕食者, predator)와 먹히는 자(피식자, 被食者, Prey)가 있어 포식 관계가 있다.
나) 경쟁(競爭, competition)
같은 장소에 사는 이종 개체군이 같은 종류의 먹이, 같은 장소 등을 요구할 경우 장소와 먹이 등을 차지하기 위하여 서로 싸우는 경쟁이 일어난다. 이때 경쟁에서 진 집단은 수가 줄어들거나 사라지게 되는 현상을 경쟁 배타의 원리라 한다.
※ 경쟁 배타의 원리(競爭排他原理, competitive exclusion principle, 가우스의 원리) : 생활 장소나 먹이 요구가 같은 두 생물은 같은 장소에서 살 수 없음
다) 분서(分棲, niche segregation, niche differentiation, niche partitioning)
두 개체군 사이에 경쟁을 벌인 결과로 생활 장소를 달리하여 생존하는 현상을 분서(서식지 분리)라 한다. 경쟁에 이긴 개체군은 그 장소를 차지하고 경쟁에 진 개체군은 생존에 불리한 장소로 이동하는 것이다.
두 개체군 사이에 먹이 경쟁을 벌인 후 지드라도 같은 곳에 살면서 다른 종류의 먹이를 먹음으로써 공존하는 현상을 나타내는 것도 있는데 이를 먹이 분리라 한다.
식물에서는 특히 빛을 얻기 위한 경쟁이 심한데 삼림을 형성하는 군집의 경우 교목층, 관목층, 초본층, 임상층 등 층 구조가 발달되어 있어 햇빛을 효과적으로 이용하고 있다.
라) 공생(共生, symbiosis), 기생(寄生, parasitism)
두 종의 생물 개체군 사이에 서로 이익을 주고받는 관계를 상리 공생(相利共生, mutualism)이라 하며 경우로는 집게와 말미잘, 개미와 진딧물, 지의류(미세조류나 남세균과 균류), 콩과 식물과 뿌리혹박테리아 등이 있다. 한쪽은 이익을 얻고 한쪽은 손실과 이익이 없는 경우를 편리 공생(片利共生, commensalism)이라 하며 해삼과 숨이고기가 있다.
한쪽은 이익을 얻고 다른 쪽은 해를 입는 경우를 기생이라 하며 이때 해를 입는 생물을 숙주(宿主, Host)라고 한다. 인체 기생충(寄生蟲, parasite)이 여기에 속한다.
다. 생태계의 기능
1) 생태계의 에너지 원천과 에너지 이동
생물이 생명 활동을 영위하기 위해서는 에너지가 필요하다. 지구상의 모든 생물들은 태양의 빛 에너지를 이용한다. 태양의 빛 에너지 중 약 30％ 정도는 구름과 물, 지표에서 반사되고, 60％는 흡수되어 열로 변하여 대기로 흩어지며, 나머지 10％가 생산자에 흡수된다. 생산자인 녹색 식물은 광합성 작용을 하여 태양의 빛 에너지를 화학 에너지로 전환한다. 모든 생물들은 녹색 식물의 광합성 결과로 만들어진 유기물(빛 에너지→화학 에너지)을 이용하여 살아가는 것이다.
생태계의 에너지 이동은 태양에서 생산자인 식물로, 식물에서 소비자인 동물로, 그리고 미생물인 분해자로 그리고 무기 환경으로 이동하고 최종적으로 지구 밖으로 나간다. 이때, 에너지는 각 이동 단계에서 대부분 열로 흩어지고 일부만 다음 영양단계로 이동하며 결국엔 이마저 모두 열로 변하는데 이렇게 열로 변한 에너지는 식물의 광합성에 재이용될 수 없다. 그러므로 생태계에서 에너지는 태양에서 생산자, 소비자, 분해자로 이동하는 한 방향으로만 흐르고 순환되지 않는다. 생태계 내로 유입된 태양의 빛 에너지는 생물에 이용된 후 열에너지로 변하여 생태계 밖으로(지구 밖으로) 배출된다. 따라서 생태계에는 계속적으로 태양 에너지가 공급되어야 한다.
2) 생산자의 물질 생산
지구 표면에 도달한 태양 에너지(연간 약 1,000,000.2,000,000 kcal/㎡)의 10% 정도가 생산자에 의해서 흡수되고 이 중에서 약 2~5%가 광합성에 의해 유기물로 합성된다. 생산자인 녹색식물은 엽록체에서 이산화탄소와 물을 재료로 하여 엽록소라는 색소가 흡수한 빛 에너지를 가지고 광합성을 하며 산물은 포도당, 부산물은 산소이다. 생물체는 포도당을 지방으로 변환할 수 있고, 포도당을 이용하여 단백질을 합성할 수 있다.
생산자(독립영양 생물)에 의해 일정 기간 동안 일정 면적에서 생산되는 유기물의 양을 총 광합성량이라고 한다.
이 중에서 생산자 자신이 호흡으로 사용한 양을 제외한 값을 순 광합성량이라 하며, 생산자에 저장되는 양을 의미한다. 그리고 식물의 생장량은 순 광합성량에서 고사양(말라죽은 량)과 피식량(초식 동물에 먹힌 량)을 제외한 것이다.
총 광합성량은 지역에 따라 매우 큰 차이가 난다. 다습한 삼림, 농경지, 습지, 하구, 산호초 지대는 매우 높은 반면(연간 10,000.25,000 kcal/㎡) 대양, 사막은 매우 낮다(연간 1,000kcal/㎡ 미만).
3) 물질 순환(物質循環, cycle of material)
생태계 내에서 물질을 구성하는 원소들은 새로이 만들어지거나 없어지지 않는다. 화합으로 다른 화합물로 합성되거나 분해로 원소나 본래의 화합물로 되돌아갈 뿐이다. 그래서 생태계에서는 물질이 합성되고 다시 분해되는 과정을 되풀이하는 순환을 한다.
예를 들어 탄소의 순환과정을 보면 공기 중의 이산화탄소는 식물의 광합성 작용으로 포도당(유기물)으로 합성되고, 식물, 동물 및 미생물이 포도당을 이용하여 호흡하면 분해되어 이산화탄소로 공기 중에 방출된다. 즉, 공기 중의 이산화탄소는 식물에 의해 유기물로 합성되고 식물, 동물, 미생물의 호흡으로 포도당이 분해되어 다시 이산화탄소로 되는 순환과정을 거친다.
생태계에는 어떤 물질을 이용하는 합성 작용이 있다면 합성된 화합물을 분해하는 작용이 있으며, 또 합성 작용의 산물과 부산물이 분해 작용의 자원으로 이용된다. 예를 들면 광합성에 의해서 생산된 유기물과 부산물인 산소는 호흡 작용에 필수적인 물질이다. 이들 호흡 과정에서 방출하는 이산화탄소는 광합성에 필요한 원료가 된다. 생물이 살아가면서 배출하는 유기물과 더불어 이들의 몸을 구성하고 있던 유기물들은 최종적으로 미생물들에 의해 무기 영양물질로 분해되고, 이 무기 영양물질은 다시 생산자에 의해 흡수된다.
생태계 내에서의 물질 순환 과정은, 어떤 생물이 생성한 물질이 축적됨으로 해서 다른 생물에 필요한 원소들이 부족해지는 것을 방지한다.
그래서 분해가 잘되지 않는 물질은 생태계의 물질 순환을 방해한다. 유리, 비닐, 플라스틱, 합성 세제, 많은 농약 성분, 중금속 등이 그 예로서 대부분이 환경오염 물질에 해당된다.
4) 먹이 사슬(먹이 연쇄, food chain)
생산자인 녹색식물은 태양 에너지를 이용하여 유기물을 합성하고, 제1차 소비자는 녹색식물이 합성한 유기물을 먹는다. 제2차 소비자는 제1차 소비자를 잡아먹는다. 이렇게 생산자 → 제1차 소비자 → 제2차 소비자 → 최종 소비자로 이어지는 사슬 관계를 먹이 사슬(먹이 연쇄)이라고 한다. 이 사슬의 각 단계를 영양 단계라고 한다.
한 단계의 영양 단계가 높아질 때마다 이동 에너지는 10%도 되지 않으므로 영양단계는 2 ~ 3단계를 넘는 것이 별로 없다.
먹이 사슬에서 먹히는 생물을 피식자라 하고 잡아먹는 동물을 포식자라 하며 포식자를 피식자의 천적이라 한다.
5) 먹이 그물(먹이 망, food web)
생태계 내에는 다양한 생물들이 살고 있기 때문에 각 영양 단계 간에 먹고 먹히는 관계가 한 줄의 먹이 사슬로 되어 있지 않고 서로 복잡하게 얽혀 있게 된다.
이와 같이 한 종류의 동물이 여러 종류의 동물을 먹거나 또는 한 생물이 여러 종류의 동물에게 잡아먹히는 등 실제의 자연계에서는 매우 복잡한 관계를 이루고 있다. 먹이 사슬이 복잡하게 얽혀 있는 모습을 하고 있으므로 이를 먹이 그물(food web, 먹이망)이라 부른다.
6) 먹이 피라미드(food pyramid)
생태계 내에서 각 영양 단계의 개체 수, 생체량, 생산성(또는 에너지 이동량)을 그림으로 나타내면 상위 영양단계로 갈수록 개체 수나 생체량이 작아지므로 피라미드 모양이 된다. 그러나 각 영양 단계에서 생물체의 크기가 지나치게 차이가 날 때는 개체 수 피라미드(pyramid of numbers), 생체량 피라미드(pyramid of biomass)로 나타낸 피라미드는 거꾸로 선 피라미드가 되는 경우가 있으므로 생산량으로 피라미드(생산량 피라미드 pyramid of production, 에너지 피라미드 energy pyramid)를 나타내는 게 적합하다.
라. 생태계 평형(equilibrium of ecosystem)
생태계의 먹이 피라미드 구조가 세월이 지나도 큰 변화 없이 유지될 때 생태계 평형이라 한다. 자연의 생태계는 생태계 평형이 유지되어 안정된 상태를 유지한다.
생태계의 평형을 이루게 하는 조절 작용을 보면 첫째, 피식자와 포식자 관계에 의해 다음과 같은 조절이 이루어진다.
토끼 수 증가 → 늑대 수의 증가 → 토끼 수 감소
토끼 수 감소 → 늑대 수의 감소 → 토끼 수 증가
둘째, 피식자와 포식자 관계뿐만 아니라 먹이 그물에 의해 생태계는 평형이 된다.
먹이그물은 하나의 포식자가 어느 하나의 피식자 수가 감소하면 감소한 그 피식자를 포획하기보다는 다른 피식자를 찾는 것이 더 쉬우므로 하나의 피식자를 멸종으로까지 가게 하지 않는다. 줄어들었던 피식자는 다시 숫자가 늘어나 원상태를 회복하게 되는 것이다. 결과적으로 먹이그물이 생태계 평형을 유지시키는 중요한 작용을 하는 것이다.
셋째, 생태계 평형(equilibrium of ecosystem)을 유지시키는 요인으로는 기온, 햇빛, 수분, 공기 등의 무기 환경요인을 들 수 있다. 예를 들어 북극지방에서 펭귄의 개체 수는 포식자에 의해 조절되는 것보다 추운 기온 영향으로 부화해서 자라나는 개체 수가 적기 때문이다.
생태계 평형이 유지된다는 말은 각 영양단계의 개체 수가 지난해나 올해나 같은 수로 변함없이 유지되는 것을 말하며, 생태계의 모든 물질이 합성되는 속도와 분해되는 속도가 같다는 것을 의미한다. 즉 물질 순환이 정상적으로 이루어지고 있다는 것이다.
마. 생태계 파괴와 평형 복구
생태계 평형(equilibrium of ecosystem)이 깨어졌다는 것은 어떤 영양단계의 개체 수가 급격히 변한 것을 말하며 물질 순환이 비정상으로 되는 것을 의미한다. 그래서 생태계 파괴, 환경이 오염되었다는 것을 의미한다.
시냇물이 독극물로 오염되면 특정한 동물이 많이 죽을 것이므로 시냇물의 생태계 평형이 깨어질 것이다. 시냇물 속의 독극물은 시간이 지남에 따라 희석되고 화학반응으로 분해될 것이다. 독극물에 죽은 동물을 잡아먹고 살았던 포식자는 먹이 부족으로 수가 감소할 것이고 포식자 수가 감소하면 독극물에 죽은 동물(피식자) 중 살아남은 종의 수가 다시 늘어날 것이다.
이와 같이 생태계의 평형이 깨어지면 영원히 북구가 어려운 것이 아니다.
어떤 포식자 수가 증가하면 피식자 수가 감소하지만 이어서 피식자 수의 감소로 포식자의 먹이가 부족하게 되므로 포식자도 감소하게 되고 포식자가 감소하면 피식자의 수가 늘어나는 방식으로 생태계의 평형이 다시 이루어진다. 심하게 생태계가 파괴되면 복구에 필요한 시간이 길 것이며, 현재의 생태계 평형과 다른 생태계 평형을 이루어 현재와 다른 생태계가 될 수도 있다. 시냇물이 독극물에 의해 동물들이 모두 죽었다면 독극물이 희석되거나 분해되어 시냇물의 오염이 제거되면 연결된 다른 시냇물의 고기가 이동해오고 이들이 증식하여 다시 평형을 이루게 된다.
* 생물 농축(生物濃縮, biomagnification)
생물체 내에서 분해되기 어렵거나 배출되기 어려운 농약이나 중금속은 영양단계가 높아질수록 생물체 내에 기하급수적으로 농축되는 경향이 있다. 중금속이나 농약은 체지방에 결합되어 배출되지 않는다. 식물이 물이나 흙에 있는 농약이나 중금속을 흡수하면 지방에 결합되어 배출은 되지 않으므로 식물체에는 물이나 흙에 있는 농약이나 중금속 농도보다 매우 높은 농도로 축적된다. 포식자는 피식자의 몸체에 있는 농약이나 중금속을 먹이로 섭취는 하고 배출은 거의 하지 못하므로 포식자의 몸에 축적되는 것이다.
더욱이 상위 영양단계의 생물은 농약이나 중금속이 농축된 피식자를 잡아먹게 되므로 더욱 몸에 농축되게 된다. 이와 같이 먹이사슬의 영양단계가 높아짐에 따라 농약이나 중금속이 농축되는 현상을 먹이 사슬 농축 또는 생물 농축이라 한다. 예를 들어, 미국 뉴욕시에 가까운 롱아일랜드 사운드에 인접한 하구의 물속에 0.000003ppm의 농도로 DDT가 검출되었을 때 식물성 플랑크톤을 섭취하는 동물성 플랑크톤 체내에는 0.04ppm, 이를 잡아먹는 작은 물고기 체내에는 0.5ppm, 이 작은 물고기를 잡아먹는 큰 물고기 체내에는 2ppm, 이를 잡아먹는 새의 체내에는 무려 25ppm의 DDT가 검출되었다. 영양 단계가 5단계 높아지면서 8,300,000배나 농축된 셈이다. 그래서 피해는 최종 소비자로부터 나타난다.
바. 식물 군집(식물 군락 植物群落, plant community)
식물의 군집을 군락이라고도 하는데 식물은 운동성이 낮으므로 한번 형성된 군집은 변화가 적다.
그러므로 군집의 형태나 개체 간의 상호 작용을 분명히 알 수 있으며 이런 군집의 형태가 세월이 지남에 따라 조금씩 변화되어 간다.
1) 층상 구조(層狀構造, stratification, bed structure)
식물 군집의 하나인 숲의 구조를 보면 층상 구조를 하고 있다. 숲의 수직적인 층, 즉 수직 단면을 보면 교목층 → 관목층 → 초본층 → 선태층 → 토양층(위층에서 아래층으로)으로 이루어진다. 가장 위까지 자라는 교목층이 양지식물로 빛을 가장 많이 흡수하고 하층으로 내려올수록 들어오는 빛의 양이 적어지지만 숲속에 있는 식물은 보상점과 광포화점이 낮은 음지식물이므로 생장이 가능한 것이다. 광합성 속도는 양지식물인 교목이 빠르지만 숲속에 있는 음지식물은 여러 층이므로 피도나 빈도가 크다.
※ 양지식물(陽地植物, sun plant), 음지식물(陰地植物, shade plant)
양지식물은 호흡률이 높아 보상점(광합성량과 호흡량이 같을 때의 빛의 세기)이 높고 광포화점(광합성량이 최대로 될 때의 빛의 세기)이 높은 식물로 강한 빛이 있어야 살아갈 수 있다.
음지식물은 호흡률을 낮추어 적응한다. 그래서 보상점(광합성량과 호흡량이 같을 때의 빛의 세기)이 낮다. 그리고 광포화점(광합성량이 최대로 될 때의 빛의 세기)도 낮은 식물이어서 약한 빛에도 살아갈 수 있다.
a. 음지식물(陰地植物, shade plant)
광보상점(에너지 생산량인 광합성량과 에너지 사용량인 호흡량이 같을 때의 빛의 세기)이 낮아서 그늘에서 잘 자라는 식물이다.
음지식물에는 강한 광에서는 정상적인 생육이 어렵고, 오로지 약한 광 아래에서만 생육이 가능한 절대 음지식물(obligate shade plant, skiophyte)과 어릴 때에는 음지식물의 성질이 강하지만, 성장한 후에는 양지에서 더 왕성한 성장을 나타내는 조건 음지식물이 있다.
절대 음지식물(obligate shade plant, skiophyte)에는 이끼, 양치류(羊齒類) 등이 있으며 조건 음지식물에는 목본의 음수가 많으며 우리나라에서 극상을 형성하는 구실잣밤나무, 가시나무류, 너도밤나무, 솔송나무 등과 노송나무, 삼나무, 잣나무, 전나무, 신갈나무, 비자나무, 솔송나무, 동백나무, 생달나무, 팔손이, 모밀잣밤나무, 너도밤나무, 측백나무, 식나무, 사스레피나무 등이 여기에 속한다.
따듯한 지방의 음지식물은 잎이 상대적으로 크고 더 얇으며 엽육 세포가 크고 밀집되어 있지 않다. 또한 줄기의 마디가 길고 털이 적다.
b. 양지 식물(陽地植物, sun plant)
광보상점(에너지 생산량인 광합성량과 에너지 사용량인 호흡량이 같을 때의 빛의 세기)이 높아서 그늘에서는 자라지 못하고 양지에서만 잘 자라는 식물이다. 양지 식물의 초본에는 애기괭이밥, 맥문동 등이 있으며 목본의 양지 식물인 양수(陽樹)에는 소나무, 낙엽송, 밤나무, 박달나무류, 사시나무류 등이 있다.
※ 관목(灌木, shrub), 교목(喬木, arbor)
• 관목(灌木, shrub)은 키가 작은 나무를 말하며 5-6 m 이하로 자란다. 종류로는 앵두나무, 진달래, 철쭉, 쥐똥나무, 생강나무, 장미, 향나무. 측백나무 등이다.
• 아관목(亞灌木, subshrub)은 겨울에 지상에 있는 부위가 죽고 줄기 아래 부분만 월동을 하는 식물로 잡싸리, 비단쑥 월귤, 물대, 흰독말풀 갈매나무, 더워지기 등이 있다
• 교목(喬木, arbor)은 높이가 8m 이상인 나무이며 동백나무, 참나무, 소나무, 벚나무, 느티나무, 감나무, 밤나무 등이 있다.
• 아교목(亞喬木, arborescent)은 교목보다 작고 관목보다는 큰 나무이며 매화나무, 파파야, 광대싸리 등이 있다.
※ 상록수, 낙엽수, 활엽수, 침엽수
• 상록수(常綠樹, evergreen tree)는 사철 푸른 나무이며 낙엽은 사철 조금씩 떨어진다. 식물체 표피세포 밖에 큐티클(cuticle, 큐틴이라는 지방산 중합체)이 발달하여 물의 증산을 막는다.
• 낙엽수(落葉樹, deciduous tree)는 겨울에 잎이 모두 떨어지는 나무이다. 낙엽으로 기공이 많은 잎을 제거하여 겨울철에 물의 증발을 막아 체온을 유지할 수 있다.
• 활엽수(闊葉樹, broad-leaved tree)는 넓은 잎은 가진 나무이다. 좋은 환경에서 넓은 잎은 경쟁력이 높은데 양지 식물은 잎이 두꺼워 속의 세포층까지 들어오는 강한 빛을 효율적으로 이용할 수 있고 음지식물은 얇은 구조와 호흡률을 낮추어 적응한다.
• 침엽수(針葉樹, conifer)는 바늘 모양의 좁은 잎을 가진 나무이다. 바늘잎은 가늘어 세포층이 얇아 약한 빛을 효율적으로 이용할 수 있다.
그리고 빛이 어느 쪽에서 비춰도 바늘잎은 빛을 이용할 있고 잎들 사이로 빛이 쉽게 통과할 수 있어 속에 있는 잎과 아래쪽에 있는 잎도 빛을 이용할 수 있어 빛의 이용이 효율적이다. 그래서 위도가 높은 지역에서도 적응할 수 있는 것이다.
• 상록활엽수(常綠闊葉樹, broad-leaved evergreen tree)는 상록수이면서 활엽인 나무를 말하며 동백나무, 가시나무, 사철나무, 회양목 등이 있으며 열대 및 아열대 식물이다.
• 낙엽활엽수( 落葉闊葉樹, deciduous broad-leaved tree)는 낙엽이면서 활엽인 나무를 말하며, 참나무, 버드나무 등이 있으며 온대지방에 주로 서식하는데 열대지방에 살게 되면 상록활엽수가 된다.
• 낙엽 침엽수( 落葉針葉樹, 낙엽 침엽수 deciduous conifer)는 낙엽이면서 침엽인 나무를 말하며 낙엽송, 은행나무, 일본잎갈나무, 낙우송, 메타세콰이어 등이 있으며 아한대 지방 亞寒帶, 온대지방에 주로 서식한다.
• 상록 침엽수(常綠針葉樹, evergreen needleleaf tree)는 상록이면서 침엽인 나무를 말하며 소나무, 전나무, 주목, 측백나무 등이 있으며 주로 온대지방과 한대지방에 서식한다.
2) 군집의 구조
가) 밀도(密度, Density)
어떤 공간에 살고 있는 개체 수의 빽빽한 정도를 개체군의 밀도라 하며 일정한 면적 내에서 살아가고 있는 각종의 개체수로 나타낸다.
일정한 공간에 개체 수가 너무 많거나 적으면 생태계의 평형이 깨어진다.
일정한 공간에 살고 있는 개체 수가 많게 되면 개체가 살아가는데 절대적으로 필요한 공간, 먹이, 물 등의 확보에 어려우므로 개체군의 생활에 많은 영향을 준다.
밀도에는 절대 밀도와 상대 밀도가 있다. 이 외에 개체군의 밀도를 나타내는 것으로 피도, 빈도가 있다.
밀도 변화 요인이란 밀도를 변화시키는 요인으로 증가 요인으로는 출생과 이입이 있으며, 감소 요인으로는 사망과 이출 등이 있다.
절대 밀도 = (개체 수/ 총면적)
상대 밀도 = (개체 수/단위면적에 살고 있는 전 종의 개체 수, 면적이 일정하고 여러 종일 때)
*빈도(頻度, Frequency) : 조사 횟수에 대한 출현 빈도
빈도(頻度, frequency) = (그 종의 개체가 1개라도 나타나는 방형구 수)/100 × 100
*피도(被度, Cover degree) : 조사 면적에 대한 서식면적 크기이며 일정한 면적 내에서 어떤 종이 살고 있을 때 그 종이 덮고 있는 면적을 비율로 나타낸다. 방형구틀로 조사할 수 있다.
피도(被度, Cover degree) = (완전히 덮혀진 방형구 수 + 1/2 × 일부만 덮혀진 방형구 수)/100 × 100
나) 우점종(優占種, dominant species) : 그 군락(군집)을 대표하는 식물로 밀도, 빈도, 피도를 모두 종합해서 가장 높은 종을 말한다. 예) 소나무 밭의 우점종은 소나무임
* 우점종의 결정 : 각 개체군의 상대 밀도, 상대 빈도, 상 대피도를 모두 더하여 얻은 중요치가 가장 큰 개체군이 우점종이다.
상대 빈도(relative frequency) = (특정 종의 빈도)/(전 종의 빈도 합) × 100
중요치(%) = 상대 밀도 + 상대 빈도 + 상대 피도
* 방형구(方形區, quadrate) 법과 군집 조사 : 방형구틀은 조사 대상에 따라 1m 2 이하, 1m2, 4m2, 16m2, 100m2, 그 이상의 여러 종류가 있으며 1m2의 구조는 가로 1m, 세로 1m 크기이며 가로 열 칸 세로 열 칸이 되도록 줄을 친 것이다. 그러면 가로 10cm, 세로 10cm 크기의 사각형이 100개 생긴다. 이 가로 10cm, 세로 10cm 크기의 사각형을 방형구(方形區, quadrate)라 한다. 군집을 조사하고자 하는 지역 중에 표본으로 조사할 곳을 무작위로 몇 곳을 정하고 그곳에 방형구틀을 설치하여 표본 조사한다.
다) 지표종(指標種, indicator species) : 군집에 영향을 주는 특정 환경요소를 가르쳐 주는 종(지의류 - SO2의 지표 종, 에델바이스 - 고산지대)
라) 상관(相觀, physiognomy) : 군집의 외관상 특징 (삼림, 초원, 황원 荒原 deserta)
3) 군집의 생태 구조
가) 수평 분포(水平分布, horizontal distribution)
위도에 따라 기온과 강수량이 차이가 나므로 군집의 분포가 달라진다. 예) 열대우림, 스텝, 사바나 등
나) 수직 분포(垂直分布, vertical distribution)
한라산과 같이 높이 올라갈수록 고도에 따른 군집의 분포(온도 차이)가 달라진다. 예) 한라산의 높이에 따라 구분
상록활엽수(교목)→낙엽활엽수(교목)→침엽수(교목)→관목→초원→이끼류→바위
4) 생물 군집의 천이(遷移, succession)
가) 천이(遷移, succession) : 오랜 세월에 걸쳐 군집이 조금씩 변해가는 현상을 천이라 한다.
나) 천이의 종류
군집의 천이에는 건성 천이와 습성 천이가 있다. 건성 천이는 화산 폭발, 지진 등으로 지각의 암석이 처음으로 드러나 영양분도 거의 없고 수분도 부족한 상태인 황원(荒原, deserta, 나지)으로부터 군집이 시작되는 천이를 말하고, 습성 천이는 호수 바닥에 지각의 암석이 처음으로 드러나 물이 유입되었으나 영양염류 등이 거의 없는 빈영양호로부터 군집이 시작되는 천이를 말한다.
(1) 건성 천이(乾性遷移, xerarch succession) : 황원(荒原, deserta, 나지) → 지의류 → 선태류 → 1년생 초본 → 다년생 초본 →관목림 → 양수림 → 음수림(극상)
(2) 습성 천이(濕性遷移, hydrach succession) : 빈영양호(貧營養湖, oligotrophic lake) → 부영양호(富營養湖, eutrophic lake) → 플랑크톤 → 수생식물 → 습원(濕原, moor, bog) → 초원 → 양수림 → 음수림(극상)
※ 지의류(地衣類, lichens) : 지의류는 어떤 생물종을 나타내는 것이 아니고 환경조건이 열악한 바위 등에 부착하여 생활하는 녹조류 혹은 남조류와 균류의 공생체이다. 균류는 조류에 수분을 공급하고 조류는 광합성을 하여 유기 영양분을 균류에 공급한다. 균류의 이름을 기준으로 분류한다. 지의류는 공해물질인 이산화황에 민감하므로 지표종(특정 환경요인을 가르쳐 주는 종)으로 이용된다.
*양지 식물(陽地植物, sun plant)과 음지 식물(陰地植物, shade plant)
a. 음지 식물(陰地植物, shade plant)
광보상점(에너지 생산량인 광합성량과 에너지 사용량인 호흡량이 같을 때의 빛의 세기)이 낮아서 그늘에서 잘 자라는 식물이다.
음지 식물에는 강한 광에서는 정상적인 생육이 어렵고, 오로지 약한 광 아래에서만 생육이 가능한 절대 음지 식물(obligate shade plant, skiophyte)과 어릴 때에는 음지 식물의 성질이 강하지만, 성장한 후에는 양지에서 더 왕성한 성장을 나타내는 조건 음지 식물이 있다.
절대 음지 식물(obligate shade plant, skiophyte)에는 이끼, 양치류(羊齒類) 등이 있으며 조건 음지 식물에는 목본의 음수가 많으며 우리나라에서 극상을 형성하는 구실잣밤나무, 가시나무류, 너도밤나무, 솔송나무 등과 노송나무, 삼나무, 잣나무, 전나무, 신갈나무, 비자나무, 솔송나무, 동백나무, 생달나무, 팔손이, 모밀잣밤나무, 너도밤나무, 측백나무, 식나무, 사스레피나무 등이 여기에 속한다.
따듯한 지방의 음지 식물은 잎이 상대적으로 크고 더 얇으며 엽육 세포가 크고 밀집되어 있지 않다. 또한 줄기의 마디가 길고 털이 적다.
b. 양지 식물(陽地植物, sun plant)
광보상점(light compensation point, 에너지 생산량인 광합성량과 에너지 사용량인 호흡량이 같을 때의 빛의 세기)이 높아서 그늘에서는 자라지 못하고 양지에서만 잘 자라는 식물이다. 양지 식물의 초본에는 애기괭이밥, 맥문동 등이 있으며 목본의 양지 식물인 양수(陽樹)에는 소나무, 낙엽송, 밤나무, 박달나무류, 사시나무류 등이 있다.
※ 양수림(陽樹林, sun tree)과 음수림(蔭樹林, tolerant tree)
양지 식물은 광보상점(light compensation point, 광합성량과 호흡량이 같을 때의 빛의 세기)과 광포화점(light saturation point, 광합성량이 최대가 될 때의 빛의 세기)이 높은 식물로 강한 빛이 있어야 살아갈 수 있다. 반대로 음지 식물은 보상점과 광포화점이 낮은 식물로 약한 빛에도 살아갈 수 있다. 양수림(예, 소나무)과 음수림(예, 참나무)은 모두 숲을 이루는 나무들이지만 양수림은 광보상점(light compensation point)과 광포화점((light saturation point)이 높아 음수림 속에서 살 수 없지만 음수림은 보상점과 광포화점이 낮아 양수림 속에서도 살 수 있다. 그러므로 먼저 조성된 양수림 속으로 음수림은 침입하여 살 수 있지만 음수림이 조성되면 음수림 속으로 양수림이 침입하여 살 수 없으므로 음수림이 오랫동안 유지될 수 있다.
다) 1차 천이(primary succession)와 2차 천이(secondary succession)
(1) 1차 천이(primary succession) : 식물이 없는 상태(영양분이 없는 상태)에서 일어나는 건성 천이와 습성 천이를 말하며 천이 진행이 느리다.
(2) 2차 천이(secondary succession) : 군락(군집)의 파괴(화재 등)로 인한 천이의 재시작으로 천이 진행 속도가 빠르다. 화재 등으로 생물이 타면 재가 생성되어 무기염류를 공급하므로 천이 속도가 빠르게 되는 것이다.
5) 극상(極相, Climax)
군집(community)의 천이(succession)가 더 이상 진행되지 않고 안정 상태를 유지하는 마지막 단계이다. 일반적으로 음수림이 극상(極相, Climax)을 이룬다. 양수림(예, 소나무)과 음수림(예, 참나무)은 모두 양지 식물이지만 양수림은 광보상점(light compensation point)이 높아 음수림 속에서 살 수 없지만 음수림은 광보상점(light compensation point)이 낮아 양수림 속에서 살 수 있다. 그러므로 음수림이 조성되면 음수림 속으로 양수림이 침입할 수 없으므로 음수림이 오랫동안 유지될 수 있는 것이다.
무기 환경 요인의 제한을 받지 않는 좋은 환경에서는 음수림이 극상(極相, Climax)이 되지만 기온이 낮은 한대에서는 온도가 낮아 저온에 잘 견디는 침엽수가 극상이 되며 극지방에 가까운 툰드라 지방으로 가면 이끼가 극상(極相, Climax)이 된다.
사. 생태계(ecosystem)의 종류
생태계(ecosystem)를 구성하는 생산자(生産者, producer), 소비자(消費者, consumer), 분해자(分解者, decomposer), 비생물적 환경(非生物的環境,
abiotic environment)이 조화를 이루어 생태계의 평형을 이루고 있는 생태계를 자연 생태계라 하고, 도시와 같이 사람의 영향이 많이 미쳐 생태계의 평형이 깨어진 생태계를 인공 생태계(artificial ecosystem)라 한다.
생태계(ecosystem)는 자연환경 요인이나 인공 요인에 따라 계의 크기, 계 내의 대사율의 크기, 생산자와 소비자 간의 균형 정도, 계의 발달 단계 등이 매우 다양하다. 따라서 계를 둘러싸고 있는 유입 환경과 유출 환경의 크기도 이 계의 특성과 크기에 따라 크게 달라진다.
이러한 유입, 유출 환경의 크기에 따라 생태계를 독립적인 생태계와 종속적인 생태계로 구분하기도 한다. 예를 들면 큰 삼림 생태계는 많은 물질이 주변 환경으로부터 유입되거나 주변 환경으로 유출되지 않아도 지속될 수 있는 독립적인 생태계이다. 그러나 도시 생태계나 농장 생태계는 주변 환경에 절대적으로 의존하는 종속적인 생태계이다.
※ 생태계(ecosystem)의 종류
• 육상 생태계(terrestrial ecosystem)에는 툰드라 생태계(Tundra Ecosystem), 산림 생태계(forest ecosystem, 타이가, 정글, 백두산, 한라산 등), 초원 생태계(Grassland ecosystem), 황원 생태계(deserta ecosystem), 사막 생태계(desert ecosystem) 등이 있다.
• 수생 생태계(Aquatic ecosystem)에는 담수 생태계(fresh water ecosystem, 하천, 강, 호수 등), 해수 생태계(Salt water ecosystems), 기수 생태계(brackish water ecosystem)가 있다.
• 기타 생태계에는 습지 생태계(wetland ecosystem), 도시 생태계(Urban Ecosystems), 농업 생태계(Agroecosystem), 동굴 생태계(cave ecosystem), 지구 생태계(global ecosystem), 우주 생태계(space ecosystem) 등이 있다.
생태계와 그 구성요소
02생태계ㆍ어떤 장소에서 살면서 환경을 구성하는 생물적 환경 요인과 이를 둘러싼 비생물적 환경 요인이 상호 작용하는 것
03생물적 환경 요인ㆍ생태계 내의 모든 생물을 말하며 양분을 얻는 방법에 따라 생산자, 소비자, 분해자로 구분할 수 있음
| 생산자 | ㆍ햇빛을 이용하여 양분을 스스로 만드는 식물 | 풀, 나무 등 |
| 소비자 | ㆍ양분을 스스로 만들지 못하고 다른 생물을 먹이로 하여 살아가는 동물 | 다람쥐, 메뚜기, 호랑이 등 |
| 분해자 | ㆍ죽은 생물을 분해하여 다른 생물이 이용할 수 있게 해 주는 생물 | 버섯, 곰팡이 등 |
(1)생태계 내에서 생물의 상호 작용 : 서로 먹고 먹히는 관계로 복잡하게 연결되어 있음
(2)먹이 관계가 복잡하면 어떤 먹이가 부족해도 다른 먹이를 먹고 살아갈 수 있어 쉽게 멸종되지 않음
02먹이 사슬ㆍ생물 사이의 먹고 먹히는 관계가 사슬처럼 연결되어 있는 것을 의미함것
03먹이 그물ㆍ여러 개의 먹이 사슬이 서로 얽혀서 그물처럼 보이는 것
04생태 피라미드ㆍ생산자인 식물을 먹이로 하는 초식 동물을 1차 소비자, 1차 소비자를 먹이로 하는 육식 동물을 2차 소비자, 마지막 단계의 소비자를 최종 소비자라고 함. 이러한 먹이 사슬에 따라 생물의 수를 표시하면 단계가 위로 갈수록 수가 줄어드는 피라미드 모양이 되는데 이를 ‘생태 피라미드’라고 함
