생태계

제1장 생태계

1.1 생태계란 무엇인가?

1.1.1 생태계의 개념

생태계(ecosystem)은 자급 자족적인 우주선과 비교될 수 있다. 유리탱크안의 조류는 외부에서 공급되는 빛으로 이산화탄소와 물을 흡수하여 광합성을 하여 산소를 생성하고 생장을 한다. 우주비행사는 조류를 먹고 산소로 호흡하며 이산화탄소를 내뱉고 배설물은 다시 조류의 영양분이 된다. 지구의 생태계도 이와 마찬가지로 순환되고 있다.

1.1.2 생태계의 기본 원리

생태계의 기본 원리는 영양물질의 순환, 에너지의 외계의존, 그리고 생태계 구조라고 불리는 식물과 동물과의 독특한 관계 등이다.

1) 영양물질순환(Nutrient Cycling)

영양물질순환: 생물체가 태어나서, 자라며 죽고 분해될 때 화학물질들이 환경으로부터 생물체로 그리고 생물체로 부터 환경으로 다시 이동하는 것

  

유기성 (organic): 살아있는 것으로 된 또는 살아있는 것으로부터 근원하는 것. 죽은 생물, 생물조직, 당분, 꿀, 밀가루, 목재, 가죽 등

  

무기성 (inorganic): 살아있는 것으로부터 기원하지 아니하는 것. 암석, 광물, 금속, 공기, 물 등 생물체와 그 환경 사이의 영양물질순환을 평행 시켜주는 것은 유기물질과 무기물질 간의 교환이다.

2) 에너지의 흐름(Energy Flow)

녹색식물이 무기영양물질을 생태 구성요소인 유기물질로 만들기 위해서는 빛이 필요하다. 

식물은 빛에너지로 유기물질을 생산하고 일부는 성장하기 위해 쓰여진다. 동물의 경우 에너지는 섭취된 식물에서부터 얻어지고 그들의 배설물은 다시 식물이 흡수 사용한다. 이러한 순환은 빛에너지가 공급되는 한 계속된다.

생태계내 영양물질순환과 반대방향으로 생태계를 통과하는 에너지의 일방 통행적이 흐름이 있다.

3) 구조(Structure)

한 생태계 안에서 식물, 동물 및 미생물 등 생물체간에 존재하는 상호관계의 특별한 양태가 곧 생태계 구조이다.

1.1.3 생태계의 정의

생태계란 식물, 동물, 및 미생물 등 생물체들이 서로 그리고 그들의 환경과 상호 작용함으로서 그 자체를 영속화시키는 생물체들의 집단이다. 생태계는 시간에 따라 변화하는  동적인 실체(dynamic entities)이다.

  생태학은 생태계를 연구하는 학문이라고 할 수 있으며 또는 생물체간의 또는 생물체와 그 환경간의 상호작용에 관한 모든 것을 연구하는 학문이다.

1.2 생태계의 구성요소

생태계는 무생물적인자와 생물적인자로 구성되어 있는데 생물적 인자는 생산자

(producers)와 소비자(consumers) 그리고 분해자(decomposers)로 구성된다.

1.2.1 무생물적 인자

무생물적 인자는 환경을 이루는 모든 화학적 또는 물리적 요소들이다. 예를 들어 온도, 빛, 토양의 특성, 영양물질의 이동가능성, 습도 등

무생물적 인자들은 그들이 일정지역내에서 생존 가능한 생태계의 형태와 구조를 결정하기 때문에 매우 중요하다.

한 생태계의 정테적 구조는 한가지 무생물적 인자에 의하여 결정귈 수 있는데 이것을 제한인자(limiting factor)라 한다. 주로 수분(강우량), 온도 토양의 특성 등이 있다.

1.2.2 생물적 인자

1)생산자

녹색식물은 다른 모든 생물체가 직접 또는 간접적으로 먹이로 하는 유기물질을 생산하기 때문에 생산자라고 부른다. 식물은 이산화탄소와 물과 빛에너지를 이용하여 당분을 만들고 산소를 방출한다. 식물중 진균류와 몇 종의 화본과식물들은 광합성을 할 수 없고 대부분이 분해자들이다.

2)소비자

  생산자를 직접 또는 간접적인 먹이로 하는 생물체는 소비자이다. 이들은 다시 부분집단으로 구분되는데 생산자를 먹이로 하는 생물체는 1차 소비자이고 1차 소비자를 먹이로 하는 생물체는 2차 소비자이다. 또 소비수준에 따라 3차, 4차 소비자도 있을 수 있다. 식물을 먹이로 하는 동물이 1차 소비자는 초식동물이라 부르고 다른 동물들을 먹이로 하는 2차 이상의 소비자들은 육식동물이다. 또한 동물과 식물을 먹이로 하는 동물들은 잡식동물이라고도 불리운다.

  기생생물: 다른 소비자가 하는 것처럼 피식생물을 먹어치우는 것이 아니라 장

            시간 동안 피식생물과 가까이 지내면서 먹이로 하지만 그것을 죽이

            는 것이 아니라 통상적으로 피해를 주는 생물

 사물소비자(detritus feeder): 죽은 생물을 먹이로 하는 생물

3)분해자

생태계내의 많은 죽은 생물들은 죽은 생물 소비자에 의해 먹이가 되지 아니하고 썩어서 분해된다. 이 분해활동은 분해자라고 불리우는 일정한 생물체의 먹이활동에 의한 것이다. 분해자에는 진균류와 박테리아류가 있다. 이들은 효소라고 불리우는 화학물질을 분비하여 죽은 유기물질을 간단한 유기영양물질로 분해시켜서 세포속으로 흡수하여 영양분을 얻는다.

4)자가영양생물과 타가영양생물

에너지와 영양물질 공급원으로써 현존하는 우기물질을 이용하는 생물체를 타가영양생물이라고 하고 소비자, 사물소비자, 분해자이다.

이와 반대로 무기영양물질을 그들의 체내 유기영양물질로 합성하기 위하여 빛이나 무기화학에너지를 사용할 수 있는 생물체를 자가영양생물이라고 하며 생산자들이 있다.

5)기타 관계

기타 종간관계로 공생관계와 의태가 있다.

공생관계는 서로 상대방을 도와주는 관계이고 의태는 다른 종류처럼 교묘하게 보이게 하는 것이다.

1.3. 에너지와 영양물질의 이동

1.3.1 먹이사슬, 먹이그물, 영양수준

  먹이사슬:  어느 생물체가 다른 생물체를 먹이로 하는가에 따라 달라지는 영양

             물질과 에너지 이동의 독특한 통로

  먹이그물: 고립된 먹이 사슬이 아니라 서로 연결되어 순환되기도 하는 것

  영양수준: 먹이수준으로 영양물질과 에너지가 영양수준에 따라 이동한다

1.3.2 생물량의 감소와 에너지 이동

생물량(biomass)는 어느 특정한 생물종들의 중량의 총계이다.

각 영양수준을 지나칠 때마다 에너지의 전환이 완전하지 않아 이용 가능한 에너지가 줄어 들기 때문에 상위의 영양수준으로 갈수록 생물량은 감소한다. 그러므로 새로운 생물량을 생성시키는 에너지가 계속적으로 유입되지 아니하면 에너지의 생물학적 소비는 곧 모든 생물량을 감소시킬 것이다.

1.4 생태계의 예

1.4.1 생태계의 수준

  식물과 동물들이 특별한 환경에 적응하여 다소간 분명한 집단화를 이룬 거대한 체계를 생물군계(biomes)라 부른다. 생태계는 크든 작든간에 분명한 경계를 갖지 아니하고 양쪽 체계의 많은 종과 환경특성을 잦는 전이지역(transition region)을 통하여 다음 생태계와 구분된다. 지구상의 모든 개별 생태계들과 생물군체들은 서로 관련되며 그리고 지구전체를 둘어싼 생물권(biosphere)이라는 단일의 전체 생태계를 형성한다.

1.4.2 자연생태계와 인공생태계

  인간이 지배하고 있는 체계를 인공생태계라고 부르는데 우리는 지금 생태계를 생태계의 3가지 기본원리에 위반하여 운영해 오고 있다. 이것은 우리의 생태계를 끝장낼 것이다. 그러므로 우리가 생태계의 원리를 이해하고 사회가 생태계의 원리에 조회를 이루는 것이 정말로 중요하다.

제2장 생태계 균형과 불균형

2.1.3 균형과 변화의 인자

1) 포식동물과 피식동물의 균형

2) 식생과 초식동물 및 육식동물의 균형

3) 경쟁종의 균형

모든 생산자는 빚, 영양물질, 그리고 물을 얻고자 경쟁한다. 종의 경쟁의 우열과 균형에는 미세환경이 많이 좌우한다.

어떤 종류의 식물이라도 일반적으로 한가지 또는 좁은 범위의 서식처에 가장 잘 적응한다. 만일 한 개체가 인접 서식처에 퍼지면 그것이 잘 적응하지 못하는 조건에 직면하여 증가된 환경저항성은 그 식물의 번식을 억제한다.

똑같은 원리가 주어진 생태계 내의 동물종에도 적용된다. 생태학적 의미에서 모든 이러한 인자인 기후, 먹이자원, 활동시간대 등은 한 동물의 적좌(niche)를 구성한다. 적좌에 특별히 적응하므로서 경쟁은 최소화되고 균형된 상호존재가 가능하다.

포식자와 피식자간의 관계처럼 경쟁종간의 균형도 자동적으로 일어나지 않는다. 많은 경우 도입종은 재래종과 경쟁할 수 있는 적좌를 발견하기 어려워 죽어 버린다. 그러나 도입종이 여러가지 적좌에 보다 경쟁적이어서 재래종이 사라지는 경우도 많다.

4) 자원의 이용가능성과 영토성을 통한 균형

생물체의 개체수는 생물적 인자와 무생물적 인자들의 어떤 조함에 의해서 제한된다. 자원의 이용가능성에 따라 개체수 범위에서 제한은 이루어진다.

녹색식물에 필요한 주요한 자원은 빛, 물, 그리고 미량원소들이다. 동물들은 식량과 물, 숨을 수 있는 장소, 집터와 자재 등을 필요로 한다. 한개 이상의 자원을 적절히 공급 받지 못한 생물체는 포식자 또는 기생충에 의해 공격을 받기 쉽다.

개체수의 수는 그의 포식자에 제한을 가하는 것보다 제한자원을 이용하는 것 이 보다 효과적이다. 많은 동물들은 그들의 개체수를 자원한계내에서 유지하려는 행태적 적응력을 갖고 있는데 이것을 영토권이라 한다.

5) 무생물적 인자 및 화재와의 균형

식물과 동물은 무생물적 인자들에 적응하지만 무생물적 인자들은 일정하지가 않다. 조건이 변동됨에 따라 한 지역에 경쟁종이 혼합되어 한 종류는 어느 시기에 유리하고 다른 종류는 다른 시기에 유리한 경우가 있다.

과거 산불은 나쁘다고 생각되었으나 지금은 산불을 모두 억제하는 것이 잘못일 수 있다는 변화가 일어났다. 예를 들어 소나무 숲이 죽은 가지들은 벌레의 서식처가 되므로 산불에 의해 제거되는 것이 좋다. 산불은 산의 균형을 이루는데 영향을 주며 영양물질의 순환에 도움을 준다. 그래서 근래 산불은 숲을 관리하는데 하나의 도구로써 사용되고 있다.

모든 인자들은 실질적으로는 동시에 작용하게 된다. 극생태계에서 모든 종의 생물적 잠재력은 천적, 경쟁종 그리고 불리한 무생물적 인자들의 총합인 환경저항성에 의하여 균형을 이루고 있다.

2.2 자연선택에 대한 적응

어떤 균형을 이루는 주요인자는 그의 환경과 상호관련되는 다른 종에 대한 적응력이다. 각각의 생물종들은 적응력의 종합체로 생각할 수 있다.

적응력은 일반적으로 5가지 범주로 구분 할 수 있는데 무생물적 인자에 대처하는 적응력, 물과 식량, 그리고 식물인 경우에는 에너지와 영양물질을 획들하기 위한 적응력, 배우자(식물의 경우 화분)를 구하고 사랑하여 종족번식을 하는 적응력, 그리고 이주 또는 확산을 위한 적응력 등이다.

2.2.1 자연선택을 통한 변화

1858년에 찰스다윈은 그가 지은 책인 “자연도태에 의한 종의기원”( The origin of Species by Means of Natural Selection)에서 적응력이란 그가 자연도태라 불렀던 과정의 결과라는 증거를 제시하였다.

 이론중 다윈은 모든 종들은 충분한 재생산을 한다는 것, 즉 모든 종들은 죽었을 때 그들을 대체할 수 있는 숫자보다 더욱 많이 후대를 생산한다는 것을 관찰하였다. 모든 종들에게 있어서 각각의 개체들 사이에는 차이가 있다. 다윈은 이러한 차이들 때문에 어떤 개체는 다른 개체들보다 주어진 환경조건에서 살아남는 적응럭이 더 많을 수 있다고 주장하였다. 이들 두가지 개념을 종합하면 우리는 생물체들은 보다 나은 후세대를 낳아 살아 남도록 하고 그 후세대중 어느 것은 다른 것보다 살아남는 적응력이 높다는 것을 알 수 있다.

결론적으로 그들의 차이가 생잔과 번식에 더욱 잘 적응하는 개체들에 대한 자연도태인 것이다. 대규모 변화 혹은 진화는 여러가지 육종은 바람직한 특성을 가진 후세대를 선택하여 육종시키고 나머지는 버림으로써 발전되었다.

다원의 중요한 관찰은 어떤 주어진 특성을 위한 반복적인 선택에도 불구하고 변이는 완전히 사라지지 않는다는 것이다. 경험있는 관찰자들은 후세대중에서 특별한 특성에 관하여  다소 많은 것과 다소 적은 것을 항상 주시할 수 있다. 계속적인 선택에 따라 더욱 개발하거나 변화되는 변이가 항상 있는 것이다.

현대과학에 의하면 생물체의 화학적 물리적 특성은 유전물질인 DNA(deoxyribonucleic acid)로 구성된 유전자에 의한다는 것이다. 이들이 돌연변이와 교잡을 통하여 분리와 재결합을 하여 새로운 유전인자의 결합을 이루어 생물체의 규전적 형태를 변경시키고 이것이 계속적으로 후세대에 전달된다.

결론적으로 자연은 목표를 가지고 설명할 수가 없고 그대신 많은 변화에 의하여 자연은 모든 것을 하려한다고 볼 수 있다. 만일 특별한 변이가 일어나 그것이 살아남아 번식되는 것을 촉진하면 그것을 결정한 유전인자는 생식과정을 통하여 후세대에 옮겨진다. 만일 변이가 살아남지 못하면 그에 관한 유전인자는 생물체가 죽을때 그 개체로 부터 소멸된다.

2.2.2 진화

1) 적응이냐 멸종이냐?

자연도태의 결돠로 각각의 종들은 무생물적 인자와 다른 생물체에 적응하게 된다. 그러나 세월이 흐름에 따라 환경인자들은 변하게 된다. 변화하는 조건에 따라 종들은 다음 세가지중 한개를 하여야 한다. 첫째, 비슷한 조건을 가진 다른 조건을 가진 다른 지역으로 이동할 수 있다. 둘째, 자연도태에 의하여 새로은 조건에 재적응할 수 있다. 셋째, 위의 두가지 방법이 실패하면 그들은 멸종되어 버린다.

2) 종의 분화

어느 개체의 생산과 번식을 돕는 적응은 그 개체가 존재하는 특별한 환경과 항상 관련한다. 식량을 얻기위한 적응은 이용가능한 식량의 종류에 달려있고, 천적으로부터 방어 또는 도망을 할 수 있는 적응은 나타난 천적의 종류에 달려 있고, 무생물적 인자에 대한 적응은 존재하는 무생물적 인자들의 범위에 달려 있다.  즉, 자연도태의 과정은 어느 생물종이 특별한 서식처에 적응케 하는 변종을 골라 낼 것이다.

먹이공급원과 천적이 두 지역에서 다르면 자연도태는 두가지 인자들에 관한 상이한 변종을 선호할 것이다.

 이것이 종 분화의 과정이다. 서로 다른 부류와 서로 다른 위치에서 자연도태는 여러가지 특별한 공급원으로부터 먹이를 얻기위해 더욱 잘 적응된 변종을 선호하게 되었다.

3) 생태계의 진화

종의 분화 혹은 적응을 논할 때 우리는 어느 시점에 살고 있는 한종의 생물종에 촛점을 맞춰야 한다. 그러나 생태계내 모든 생물종들은 각 생물종간 그리고 무생물적 환경에 대하여 자연도태와 적응을 동시에 하게 된다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 즉 균형된 상호관계를 유지 달성하는 적응을 하지 못하는 종들은 멸종될 수 밖에 없다.

포식동물과 피식동물의 관계 혹은 경쟁적 관계에서 일어나는 균형의 원리는 모든 생태계에서 비슷하다. 그러나 분리된 대륙 혹은 멀리 떨어진 섬에서 다른 것과는 고립되어 발달된 생태계는 무생물적 인자가 비슷하더라도 매우 다르다. 이것은 그 생태계들이 서로 다른 종으로 시작되었고 그리고 각각의 종들의 유전자의 변이에 임의성이 있기 때문이다.

도입종일 경우 생태계에 심각한 변화를 줄 수 있기 때문에 주의해야 한다.

4) 진화론적 연속

  적용하여 변화하고, 멸종되고 그리고 종이 분화되는 과정은 진화론적 연속의 과정을 구성한다. 어느 한 시대에 지구에 살던 생물종들은 서서히 다른 종에 대하여 대체된고 대를 이어 받는다. 화석기록은 새로운 종이 나타나 번성하고 그리고 수많은 종류로 분리되다가 그 중 어느 것 또는 모든 것들이 멸종되어가는 것의 반복이다.

2.3 생물권과 인류

  진화와 갱태계 균형 및 연속이라는 관점에서 우리 인류는 모든 포유동물과 해부학적으로 유사성을 갖는다. 자연도태과정을 통하여 원시영장류로부터 분리되어 나왔다고 가정한다.

  종족간의 차이도 자연도태를 기초로 하여 설명 될 수 있다. 인류는 발생지에서 분산하여 지구의 여러 지역에서 살게되면서 자연도태의 상이한 힘에 의하여 다른 종족으로 분리하게 되었다. 인류의 진화는 한가지 독특한 면에서 다른 생물종과 다르다. 다른 종들의 경우 자연도태는 어느 특별한 서식처에 적응할 뿐만 아니라 종이 분화되도록 이끌어 간다. 그러나 인류는 그와 반대다. 선택된 특성들은 매우 일반화된 능력들이다. 천적, 경쟁종 그리고 환경인자와의 균형아래 특정한 서식처안에서 진화되는 것이 아니라 인간은 지구상 혹은 우주안에 있는 모든 환경안에서 이동할 수 있는 방법으로 진화하였다.

 우리는 현재 생물학적 잠재력과 환경저항간에 존재하는 상당한 불균형 상태하에 있다. 그러나 우리는 우리의 과학과 생활 습성을 생태학적인 제한 안에서 그리고 생물권에 나머지 생물종들과 균형안에서 조절할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.