생태계

1. 생태계

‘생태계’란 용어는 영국의 탠슬리(Tansley,A.G.)가 1935년 처음 사용한 것으로 생물 요소와 비생물 요소가 서로 영향을 주고받으며 상호 작용하는 것을 말한다. 생물 요소에는 수달, 왜가리, 붕어, 매, 고라니, 곰, 멧돼지, 다람쥐, 토끼, 식물, 버섯 등이 있으며 비생물 요소에는 빛, 온도, 물, 흙, 공기 등이 있다. 양분을 얻는 방법에 따라 생물 요소는 세 가지로 구분할 수 있다. 나무, 꽃과 같은 식물은 양분을 스스로 만들어 사용하는 생산자, 곰, 멧돼지, 다람쥐 등과 같은 동물은 다른 생물을 먹어 양분을 얻는 소비자, 버섯, 곰팡이, 세균 등은 동물의 배출 물질이나 죽은 생물을 분해해 양분을 얻는 분해자가 그것이다. 생태계는 물질이 순환하고 에너지의 흐름이 일어나는 하나의 기능적인 체계이다. 생태계의 범주는 무기적 환경의 특징에 따라 크게 육상 생태계와 수생 생태계로 구분한다. 이를 다시 온대림, 열대 우림, 사막, 온대 초원, 타이가, 툰드라, 수풀, 바다와 같이 구분하기도 한다. 지구에는 숲, 연못, 동굴, 바다 등 다양한 생태계가 있다. 

2. 생태계 구성 요소의 관계

생태계에서는 생물 요소와 비생물 요소 사이의 관계와 생물 요소 사이의 관계가 복합적으로 나타난다. 생물학적으로 생물 요소와 비생물 요소 사이의 관련성을 작용과 반작용으로 설명하고 생물 요소 내의 관련성을 상호작용으로 표현한다. 생태계 내에서 빛, 온도, 물 등 비생물 요소가 생물의 생활에 영향을 주는 것을 작용이라고 하고 반대로 생물이 생활하면서 비생물 요소에 영향을 주는 것을 반작용이라고 한다. 생태계 내에서 생물은 서로 먹고 먹히는 관계 외에도 여러 가지 관계를 맺으며 살아간다.

3. 생태 피라미드

초식 동물은 생활에 필요한 에너지를 생산자인 식물로부터 얻는다. 이때 먹이로 사용된 양의 10% 정도만이 초식 동물에 필요한 에너지로 이용되고, 나머지 90%는 다시 환경으로 배출된다. 생물의 수, 양, 에너지 피라미드는 꼭대기로 갈수록 생물의 개체수나 양이 줄어들고, 더불어 에너지도 줄어드는 것을 나타낸다. 즉 한 마리의 독수리가 존재하려면 그 독수리가 잡아먹는 동물을 먹여 살리기 위해 수백만 평 크기의 땅에서 생산되는 녹색식물이 필요한 것이다.

4. 생물 요소의 상호작용

생태계 내의 생물 요소들이 영향을 주고받는 것을 ‘생물 요소의 상호작용’이라고 한다. 식물이 광합성으로 방출한 산소를 동물이 이용하고, 동물이 호흡으로 방출한 이산화 탄소를 식물이 이용하는 현상은 상호작용의 좋은 예이다. 두 생물 사이에는 다음과 같은 상호작용 유형이 있다.
1) 한 종이 다른 종을 먹이로 하는 영양상의 상호작용
    •초식: 생물이 식물을 먹는 것.
    •포식: 생물이 다른 생물(동물)을 잡아먹는 것.
    •기생과 질병: 생물이 다른 생물의 양분을 이용하거나 해를 가하는 것.
2) 비영양상의 상호작용
    •경쟁: 서로에게 해가 되는 관계. 예) 따개비와 담치
    •중립: 서로 아무 이익이나 해가 없는 관계.
    •편리 공생: 한쪽은 해를 받지만 다른 쪽은 아무 이익이나 해가 없는 관계. 예) 푸른곰팡이와 세균
    •편리 공생: 어느 한쪽은 이익을 받지만 다른 쪽은 아무런 이익이나 해가 없는 관계. 예) 해삼의 내장에 숨어 사는 숨이고기
    •상리 공생: 양쪽 모두가 이익을 얻는 관계. 예) 꽃과 벌, 소와 박테리아

5. 생태계 구성 요소 사이의 관계

생태계 구성 요소 사이의 관계는 비생물 요소와 생물 요소 사이의 '작용-반작용’과 더불어 생물 요소 사이에서의 ‘상호작용’으로 구분할 수 있다.
① 작용: 비생물 요소(빛, 온도, 물, 흙, 공기 등)가 생물의 형태와 생활 방식 등에 영향을 주는 것

② 반작용: 생물 요소가 비생물 요소에 영향을 주는 것
    • 생물이 빛과 온도에 미치는 영향: 키 큰 나무가 울창하게 자란 숲은 지표면에 비치는 빛의 양에 영향을 미친다. 나무에 의해 빛이 차단된 숲속은 온도가 낮아진다. 반면, 숲을 이루는 나무들이 숲 밖에 있는 찬 공기의 유입을 막으면 숲속 온도가 주변보다 높아지기도 한다.
    •생물이 물에 미치는 영향: 울창한 숲은 빛이 차단되어 숲속의 땅은 수분의 증발량이 적다. 이는 주변의 지하수나 수생 생태계 등 물과 관련된 환경에 영향을 미친다.
    •생물이 공기에 미치는 영향: 식물의 광합성과 생물의 호흡으로 공기의 성분 비율이 변하기도 한다.
    •생물이 흙에 미치는 영향: 세균과 버섯은 생물의 사체를 분해해 흙 속 무기 양분의 양을 증가시키고 지렁이나 두더지는 흙의 통기성을 높여 준다.

③상호작용: 생태계 내 생물 요소가 서로 영향을 주고받으며 살아가는 것
    •동종 간의 상호작용(순위제, 텃세, 리더제, 사회생활, 가족생활）
    •이종 간의 상호작용(분서, 공생과 기생, 종간 경쟁, 포식과 피식）

6. 먹이 사슬에서의 에너지 흐름 

지구생태계의 에너지원인 태양의 빛 에너지는 생산자를 통해 화학에너지로 전환된다. 이렇게 변환된 에너지는 생태계 속에서 분해자를 포함한 먹 이 사슬의 각 단계를 거치며 이동한다.
따라서 생태학에서 제시하고 있는 먹이 사슬의 개념은 단순히 먹고 먹히는 관계뿐만 아니라 에너지의 흐름을 포함한다.

7. 에너지 흐름과 물질의 순환 비교

식물이 광합성으로 생산한 유기물이나 외부로부터 흡수한 물질은 생태계 내 먹이 사슬을 따라 이동하며 공기, 물, 흙과 같은 비생물 요소로도 순환한다. 이와는 달리 물질과 함께 이동한 에너지는 먹이 단계를 거치며 열에너지의 형태로 생태계 밖으로 빠져나간다. 따라서 생태계가 유지되려면 태양의 빛 에너지가 항상 지구에 유입되어 생산자에 의한 화학에너지 전환이 이루어지고 순환되어야 한다.

8. 생태계 구성 요소 사이의 관계 이해

일반적으로 생태계를 연못이나 숲, 바다와 같이 거대한 수준이라고만 생각한다. 그러나 금붕어, 수초, 고둥 등이 사는 작은 어항도 하나의 생태계라고 할 수 있다. 어항 생태계에서도 생물 요소와 비생물 요소가 존재하고 이들 사이에 상호작용이 일어난다. 또 어항에서는 실제 생태계처럼 물질 및 에너지 순환도 나타난다. 이렇듯 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 어항 생태계를 실제 자연에서의 생태계 구성 요소와 생태계에서 일어나는 현상에 관한 탐구 소재로 제시하는 것도 좋은 방법이다.