제16장 생태계의 에너지흐름과 물질순환
1. 생태계의 에너지흐름
① 생태계에 들어온 빛에너지는 화학에너지로 전환된 후 먹이사슬의 영양단계를 따라 이동하며 열에너지로 소실된다.
② 생태계 안으로 들어온 에너지는 한 방향으로만 흘러 다시 밖으로 나간다.
③ 화학물질은 생태계 내에서 생명체와 환경 사이를 순환한다.
④ 생물군집과 무생물적 환경으로 구성되는 생태계의 특성은 에너지흐름과 물질순환이다.
가. 생태계의 기능적 구성
1) 생산자(producer) : 빛에너지를 화학에너지(유기물)로 전환하여 이용(예: 녹색식물, 조류, 광합성박테리아 등)
2) 소비자(consumer) : 다른 생명체를 먹이로 사용하여 에너지와 필요한 영양물질을 얻는 종속영양생물(heterotroph) (예: 원생생물, 동물)
3) 분해자(decomposer) : 동·식물의 사체 또는 배설물을 분해해서 생활하는 생물 (예: 곰팡이·박테리아 등)
나. 먹이사슬과 먹이그물
① 소비자는 1차소비자, 2차소비자, 3차소비자로 나뉜다.
② 1차소비자는 생산자를 먹이로 하는 초식동물을 말한다.
③ 2차소비자는 초식동물을 먹이로 하는 육식동물을 말한다.
④ 3차소비자는 육식동물을 먹이로 하는 육식동물을 말한다.
⑤ 소비자의 이와 같은 위치를 영양단계(trophic level)라 부른다.
⑥ 한 영양단계에서 다른 영양단계로 먹이가 이동되는 순서를 먹이사슬(food chain)이라 부른다.
다. 생태피라미드
① 생태피라미드(ecological pyramid) : 생태계의 영양단계별로 개체수, 생물량, 에너지량 등을 층상 배열해 놓은 것
② 개체수피라미드(pyramid of number) : 생산자와 소비자의 크기 및 개체수를 나타낸 것
③ 생물량피라미드(pyramid of biomass) : 각 영양단계에서 모든 생명체의 생물량을 나타낸 것
라. 인간과 영양단계
① 사람은 잡식성이어서 여러 영양단계의 생명체를 먹이로 이용한다.
② 우리가 곡물이나 과일을 먹으면 1차소비자이고, 쇠고기를 먹으면 2차소비자이며, 송어나 연어를 먹을 때에는 3차 또는 4차 소비자가 된다.
③ 에너지 전달효율을 10%라고 할 때 사료곡물로 키우는 소의 고기를 먹는 것보다 곡물을 바로 먹는 것이 10배 정도 많은 에너지를 얻게 된다.
2. 생태계의 물질순환
가. 물의 순환
① 물은 온도에 따라 고체·액체·기체로 변할 수 있기 때문에 지표면에서 대기로, 대기에서 지표면으로 이동할 수 있다.
② 바다는 물의 주된 저장고이며, 물의 이동에는 태양열이 작용하는 강우·증발·식물의 증산 등이 중요한 역할을 한다.
③ 바다에서 태양에너지에 의해 증발되는 물의 양은 강우량보다 많은데, 강우량보다 많은 수분량은 바람과 구름에 의해 육지로 이동한다.
④ 육지의 강우량은 증발량과 증산량보다 많으며, 이것이 지표수와 지하수를 이루고 모두 다시 바다로 흘러감으로써 물의 순환이 이루어진다.
나. 탄소의 순환
① 대기 중의 이산화탄소(CO2)는 녹색식물의 광합성에 의하여 유기물(당)로 전환된다.
② 이 유기물의 일부는 식물과 소비자의 호흡기질로 쓰여져 CO2가 되고, 식물과 동물의 배설물이나 사체에 포함된 탄소화합물은 분해자가 CO2로 분해하여 대기로 되돌려 보낸다.
③ CO2는 광합성에 의해 대기 중에서 생명체로 이동하고, 호흡에 의해 대기 중으로 방출되어 균형을 이루면서 무생물적 환경과 생명체 사이를 순환하게 된다.
④ 생태계에서 일어나고 있는 탄소의 순환은 총체적으로 균형을 이룬다.
⑤ 화석연료의 소비가 크게 증가하고 삼림파괴가 계속 확대되면서 대기 중 이산화탄소의 함량은 점진적으로 증가하는 것으로 나타났다.
다. 질소의 순환
① 대기의 80%는 질소(N2)이다.
② 식물은 질산염이온(NO3-)이나 암모늄이온(NH4+) 형태로만 질소를 이용할 수 있다.
③ 이들 화합물은 토양박테리아가 유기물을 분해할 때 만들어진다.
④ 식물이 암모늄이온이나 질산염이온을 흡수해서 아미노산과 단백질을 합성함으로써 질소는 소비자가 이용할 수 있는 형태로 된다.
⑤ 식물이 합성한 아미노산과 단백질은 먹이로서 동물에 옮겨지고 동·식물의 사체나 배설물에 들어 있는 유기질소화합물은 미생물에 의해 분해되어 질산염이온(NO3-) 또는 암모늄이온(NH4+) 형태로 되돌아간다.
⑥ 암모니아(NH3)는 기체여서 일부는 대기로 방출되고 일부는 질화박테리아가 질산염이온(NO3-)으로 전환시킨다. 질산염이온(NO3-)은 식물에 흡수되거나, 또 다른 탈질화박테리아에 의해서 N2로 되어 대기로 방출된다. 대기 중의 N2는 공중방전(번개)에 의해 산화질소가 되어 빗물과 함께 땅에 떨어져서 식물에 이용될 수도 있다.
라. 인의 순환
① 식물은 토양에서 용해된 인산이온을 흡수하고, 이를 유기물로 전환시킨다.
② 소비자는 식물로부터 유기물형태의 인산을 얻게 되며, 분해자에 의해 무기인산으로 되돌아간다.
③ 생태계에서 인산의 순환은 매우 느리게 진행된다.
④ 농경지에서 사용하는 비료와 살충제 및 생활쓰레기에 많은 양이 유출되어 호수와 강의 오염원이 된다.
마. 생물농축
① 자연에서 생산되지 않고 인간에 의해 합성된 화합물은 대부분 체내에서 대사되지 않거나 대사속도가 느리면서 여러 가지 장해를 일으키므로 유해물질이라 부른다.
② 이런 유해물질들이 먹이사슬의 영양단계를 따라 물질의 농도가 높아지는 것을 생물농축(biomagnification)이라 부른다.
학습문제
1. 생태계에서 생물종들은 기능에 따라 생산자·소비자·분해자로 구분된다. 생산자는 이다.
① 식물 ② 초식동물
③ 육식동물 ④ 곰팡이
2. 대기 중 이산화탄소 함량의 증가 요인으로 은(는) 해당되지 않는다.
① 기온 상승 ② 국지적 기상변화
③ 생태계 안정 ④ 지구온난화 현상
3. 먹이사슬에 의해 고차원 소비자에서 특정물질의 함량이 높아지는 현상을 이라 하며, 이는 생명체 내의 대사장해를 일으키고 생태계에 나쁜 영향을 미친다.
① 생물오염 ② 생물순환
③ 생물전환 ④ 생물농축
4. 먹이사슬에서 2차소비자가 크게 증가하면 의 순서로 변화가 일어난다.
(1) 1차소비자는 감소하고, 3차, 4차 소비자는 증가한다.
(2) 2차소비자는 감소한다.
(3) 생산자가 번성한다.
(4) 1차소비자는 증가하고, 3차, 4차 소비자는 감소한다.
① (1)－(2)－(3)－(4) ② (1)－(3)－(2)－(4)
③ (4)－(1)－(2)－(3) ④ (4)－(2)－(1)－(3)
5. 대기와 생태계 간의 질소순환주기는 대략 얼마나 되는가?
① 80년 ② 800년
③ 8,000년 ④ 80,000년
6. 탄소순환에서 미생물이 중요한 이유는?
① 에너지 흐름을 차단하기 때문이다.
② 셀룰로오스와 리그닌을 분해하기 때문이다.
③ 생물농축을 촉진하기 때문이다.
④ 부영양화를 촉진하기 때문이다.
7. 먹이사슬(food chain)에서 1차소비자는?
① 박테리아 ② 식물
③ 육식동물 ④ 초식동물
8. 생태계의 에너지의 흐름이 바르게 된 것은?
① 분해자 → 1차소비자 → 2차소비자 → 식물
② 분해자 → 2차소비자 → 1차소비자 → 식물
③ 식물 → 1차소비자 → 2차소비자 → 분해자
④ 식물 → 2차소비자 → 1차소비자 → 분해자
9. 대기 중에 CO2 함량이 증가하는 것과 가장 거리가 먼 것은?
① 화석연료의 소비증가 ② 식물의 생산성 증대
③ 삼림의 벌채 확대 ④ 자동차 수의 증가
10. 생태계에서 에너지의 소모량이 많아지는 순서는?
① 생산자 → 1차소비자 → 2차소비자 → 3차소비자
② 생산자 → 3차소비자 → 2차소비자 → 1차소비자
③ 1차소비자 → 2차소비자 → 3차소비자 → 생산자
④ 3차소비자 → 2차소비자 → 1차소비자 → 생산자
정답 및 해설
1. ① 생태계를 구성하는 모든 생명체는 에너지흐름과 물질순환 과정에서 각기 다른 임무를 수행하며, 이에 따라 생산자, 소비자, 분해자로 구분한다. 생산자(녹색식물)는 빛에너지를 화학에너지(유기물)로 전환하여 이용한다. 소비자(동물)는 다른 생명체를 먹이로 사용하여 에너지와 필요한 영양물질을 얻는다. 분해자(박테리아, 곰팡이)는 동식물의 사체 또는 배설물을 분해하면서 생활하며 생태계에서 화학물질을 재순환하게 한다.(교과서 388~390쪽)
2. ③ 화석연료의 소비가 크게 증가(기온상승으로 지구온난화 초래)하고 삼림파괴(기상변화 초래)가 계속되면서 대기 중의 이산화탄소 함량이 점진적으로 증가하였다. 안정된 생태계는 일정한 수준의 CO2함량(0.036%)을 유지한다.(교과서 396쪽)
3. ④ DDT는 식물이나 동물 세포에 의해 대사(분해)되지 않고, 또 몸 밖으로 배출되지도 않기 때문에 먹이사슬을 거쳐 소비자의 단계가 높아질수록 몸 안의 DDT 농도가 높아져 생물농축을 일으키게 된다.(교과서 400쪽)
4. ① (1) 2차소비자가 증가하면 먹이(1차소비자)는 감소하고, 2차소비자를 먹는 상위 소비자(3차, 4차 소비자)는 먹이가 많아 증가한다. 한편, (2) 증가한 2차소비자 사이에는 먹이경쟁이 일어나 2차소비자가 감소하게 되며, 이는 결국 3차·4차 소비자의 감소로 이어진다. (3) 2차소비자가 증가하면 생산자를 먹는 1차소비자가 줄게 되므로 생산자는 번성한다. (4) 생산자가 번성하면 다시 1차소비자가 증가하게 된다.(교과서 388~400쪽)
5. ④ 대기와 생태계 사이의 질소순환주기는 약 8만 년으로 산출되며, 탄소의 순환(약 18년 주기)보다 매우 느린 편이다.(교과서 397쪽)
6. ② 식물에 들어 있는 셀룰로오스와 리그닌은 불용성이고 동물의 소화효소에 의해 분해되지 않는다. 그러나 토양 또는 물에 서식하는 박테리아나 균류 중에 이 물질들을 분해하여 이용하는 것들이 있다.(교과서 395쪽)
7. ④ 식물은 생산자이고 식물을 먹는 초식동물은 1차소비자이며, 초식동물을 먹는 육식동물은 2차소비자이다.(교과서 389쪽)
8. ③ 생태계의 에너지흐름은 영양단계를 따라 이루어진다.(교과서 392쪽)
9. ② 식물의 생산성이 증가하려면 이산화탄소 고정능력이 높아야 하므로, 식물의 생산성 증대는 대기 중에 CO2 함량이 증가하는 것을 막아 준다.(교과서 396쪽)
10. ① 생태계의 영양단계가 높아질수록 전달되는 에너지량이 적으며, 이는 에너지 소모량이 많아짐을 뜻한다.(교과서 392쪽)
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