통합과학 중3 생물 다양성과 생태계 심화

생태계와 물질 순환

물질 순환과 에너지 흐름, 군집의 상호 작용, 생태계 평형과 안정성을 분석한다.

생태계에서 물질(탄소·질소·물)은 생물과 환경 사이를 돌고 돌지만 에너지는 태양에서 들어와 한 방향으로 흐르다가 열로 빠져나가며, 이 흐름이 안정적으로 유지되는 상태를 생태계 평형이라고 합니다.

생태계는 물이 계속 순환하는 분수와 같습니다. 물(물질)은 같은 물이 돌고 돌지만, 그 물을 밀어 올리는 전기(에너지)는 계속 새로 공급해야 합니다. 전기를 끊으면 물은 그대로 있어도 분수는 멈춥니다.

쉽게 말하면

생물과 환경에서 먹고 먹히는 관계를 보았습니다. 이제 그 관계 위에서 무엇이 흐르고 무엇이 도는지를 구분할 차례입니다.

생산자(식물·식물성 플랑크톤)는 광합성으로 태양의 빛에너지를 포도당의 화학 에너지로 바꿉니다. 소비자는 그것을 먹어 에너지를 얻고, 분해자(세균·곰팡이)는 죽은 몸과 배설물을 분해해 그 안의 물질을 다시 무기물로 되돌려 놓습니다. 되돌아간 무기물은 다시 생산자가 흡수합니다. 이렇게 탄소, 질소, 물 같은 물질은 생물과 환경 사이를 몇 번이고 순환합니다 — 지구에 새로 들어오는 탄소는 없습니다.

하지만 에너지는 다릅니다. 한 영양 단계에서 다음 단계로 넘어갈 때, 먹힌 에너지의 상당 부분은 생명 활동과 호흡에 쓰여 열로 빠져나갑니다. 그래서 위 단계로 갈수록 쓸 수 있는 에너지가 계속 줄어들고, 개체 수나 생물량을 쌓아 보면 아래가 넓고 위가 좁은 피라미드 모양이 됩니다. 빠져나간 열은 다시 광합성에 쓰이지 못하고 우주로 나갑니다. 그래서 생태계는 태양 에너지를 끊임없이 새로 공급받아야만 유지됩니다. 물질은 순환하고 에너지는 흐른다 — 이 한 문장이 이 단원의 뼈대입니다.

군집 안에서는 생물들이 경쟁하고, 잡아먹고, 서로 도우며(공생) 균형을 잡습니다. 먹이 사슬이 여러 갈래로 얽혀 먹이 그물이 될수록 생태계는 흔들려도 되돌아오는 힘이 강해집니다. 어느 한 종이 줄어도 대신할 종이 있기 때문입니다. 종이 다양할수록 생태계가 안정하다는 말은 여기서 나옵니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

에너지 피라미드가 좁아지는 이유

풀이 가진 에너지를 초식 동물이 전부 가져가지 못합니다. 먹지 못하고 남는 부분, 소화되지 않고 배설되는 부분, 그리고 호흡으로 열이 되어 날아가는 부분이 있기 때문입니다. 그래서 상위 단계로 갈수록 남는 에너지가 크게 줄고, 최상위 포식자는 언제나 수가 적습니다.
예시 2

분해자가 없다면

낙엽과 사체가 쌓이기만 하고 그 안의 질소·탄소가 흙으로 돌아오지 못합니다. 생산자가 흡수할 무기물이 바닥나면 생태계 전체가 멈춥니다. 눈에 잘 띄지 않는 세균과 곰팡이가 순환의 마지막 고리를 잡고 있습니다.
예시 3

먹이 그물이 촘촘할수록 강한 생태계

먹이 사슬이 한 줄뿐인 생태계에서 중간의 한 종이 사라지면 위쪽이 통째로 굶습니다. 반면 먹이 그물이 얽혀 있으면 다른 먹이로 갈아탈 수 있어 충격이 흡수됩니다. 종 다양성이 곧 생태계의 안전장치입니다.

자주 하는 오해

에너지도 물질처럼 순환한다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움분해자가 사체를 분해하니 그 안의 에너지도 다시 생산자에게 돌아간다

실제로는물질은 순환하지만 에너지는 순환하지 않습니다. 에너지는 태양에서 들어와 각 단계에서 열로 빠져나가는 '한 방향 흐름'입니다.

생물이 에너지를 쓰면 상당 부분이 열로 바뀌는데, 열은 흩어져 버려 다시 광합성의 재료로 쓸 수 없습니다. 만약 에너지가 순환한다면 생태계는 태양 없이도 영원히 돌아가야 하는데, 실제로 태양을 가리면 모든 생태계가 무너집니다. 이것이 태양이 '생태계의 근원 에너지'인 이유이고, 물질과 에너지를 반드시 구분해야 하는 이유입니다.

천적을 없애면 그 먹잇감이 잘 살 것이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움늑대를 없애면 사슴이 안전해져서 사슴 개체 수가 계속 늘고 잘 살게 된다

실제로는천적이 사라지면 초식 동물이 급증했다가 먹이인 식물이 고갈되어 결국 함께 무너집니다.

생태계의 개체 수는 '누가 잡아먹느냐'만이 아니라 '먹을 것이 얼마나 있느냐'로도 조절됩니다. 포식자가 사라지면 초식 동물이 폭발적으로 늘어 풀과 어린나무를 다 먹어 치우고, 먹이가 바닥나면 굶어 죽어 개체 수가 급락합니다. 포식자는 먹잇감의 적이기만 한 것이 아니라 그 수를 알맞게 유지해 주는 조절 장치이기도 합니다. 생태계 평형은 서로 잡아먹는 관계 덕분에 유지됩니다.