생태계

생태계

생태계 연구의 기초가 되는 원리는 천연적이든 인공적이든 생명을 유지시키는 환경을 구성하는 모든 요소가 전체 조직망의 부분으로서 존재하며, 전체 조직망 내에서 각 요소들은 다른 모든 요소들과 직접적·간접적으로 상호작용하면서 전체적인 기능에 영향을 미친다는 관점을 바탕으로 한다.

모든 생태계는 가장 범위가 넓은 생태권에 속하는데 이것은 물리적 의미의 지구전체(지구권)와 그 모든 생물적 요소(생물권)를 포함한다.

하나의 생태계는 광물·토양·기후·햇빛 및 다른 모든 무생물요소들을 포함한 비생물요소와 모든 생물 구성원으로 이루어진 생물요소로 나뉜다. 이 구성요소들은 생태계 전반에 걸친 에너지의 흐름과 생태계 내에서의 영양분 순환이라는 2개의 중요한 힘으로 서로 연결되어 있다.

거의 모든 생태계에서 에너지의 근원은 태양열에서 나오는 복사 에너지이다. 태양 에너지는 생태계의 독립영양생물들이 사용한다. 대부분이 녹색식물들로 이루어진 이들은 광합성을 할 수 있다. 즉 그들은 태양 에너지를 이용해 이산화탄소와 물을 에너지가 풍부하고 간단한 탄수화물로 전환시킬 수 있다. 독립영양생물들은 단순한 탄수화물 내에 저장된 에너지를 사용해 생물의 생명활동에 필요한 단백질이나 지질, 녹말과 같은 보다 복잡한 유기화합물을 생산한다.

생태계에서 독립영양체들은 보통 생산자 단계에 해당한다.

종속영양생물들은 독립영양생물이 직접적·간접적으로 생산해낸 유기물을 먹고 산다. 종속영양생물은 생태계에서 소비자로서 자신의 먹이를 만들 수 없고 독립영양생물들이 만든 복잡한 유기화합물들을 이용하고 재배열하며 최종적으로 이들을 분해한다.

대부분의 세균이나 여러 다른 미생물들처럼 모든 동물과 균류들은 종속영양생물이다. 독립영양생물과 종속영양생물은 함께 생태계에서 다양한 영양단계(feeding level)를 형성하는데 생산자 단계는 자신의 먹이를 스스로 만들 수 있는 생물들로 구성되어 있고 1차 소비자 단계는 생산자를 먹고 사는 생물로 이루어지며 2차 소비자 단계는 1차 소비자를 먹고 사는 생물들로 이루어진다. 생산자 단계에서부터 여러 소비자 단계를 거쳐가는 유기물과 에너지가 이동해 먹이연쇄가 나타난다.

예를 들면 초원에서의 전형적인 먹이연쇄는 풀(생산자)→쥐(1차 소비자)→뱀(2차 소비자)→매(3차 소비자)의 순이다. 실제로 생태계에서는 먹이연쇄가 겹치고 서로 연결되어 있어서 생태학자들이 말하는 먹이그물을 형성하는 경우가 많다.

모든 먹이연쇄에서 마지막 단계는 죽은 생물체와 유기성 노폐물을 분해하는 종속영양생물인 분해자가 차지한다. 먹이연쇄는 1차 소비자가 섭취하는 대상에 따라 2가지로 나뉘는데, 1차 소비자가 살아 있는 식물을 먹고 사는 먹이연쇄는 섭식연쇄(攝食連鎖)라고 하고, 1차 소비자가 죽은 식물을 먹고 사는 먹이연쇄는 잔사식연쇄(殘渣食連鎖)라고 한다.

2가지 모두 생태계의 에너지가 어떻게 배분되는지를 설명하는 데 중요하다.

에너지가 생태계를 거쳐 이동함에 따라 각 영양단계에서 에너지의 많은 부분이 소실된다. 예를 들면 풀에 저장된 에너지의 10％만이 그 풀을 먹는 쥐의 몸속에 흡수되고 나머지 90％는 쥐가 분해할 수 없는 화합물 속에 남아 있거나 대사과정 중에 열로 손실된다.

먹이연쇄의 각 단계마다 이와 비슷한 규모로 에너지가 손실된다. 따라서 영양단계가 더 높아지면 이용할 수 있는 에너지가 너무 작아져 그 이상의 소비자가 먹고 살 수 없는 양이 되어 먹이연쇄가 5단계 이상이 되는 경우는 거의 없다. 생태계 전반에 걸친 에너지의 흐름으로 생태계의 영양물이 이동하게 된다. 영양물은 생물체에 필요한 화학원소와 화합물이다. 생태계 내로 들어와 계속 손실되는 에너지와는 달리 영양물은 생물지화학순환으로 생태계 내의 생물요소와 비생물요소 사이를 오간다.

주요한 생물지화학순환으로는 물의 순환과 탄소·산소·질소·인·황·칼슘 등의 순환이 있다. 이러한 대부분의 순환에서 분해자들은 생태계의 생물요소들이 다시 사용할 수 있도록 영양물질을 토양·물·대기로 되돌려주는 중요한 역할을 한다.

한 생태계가 다른 생태계에 의해 순차적으로 대치되는 과정을 생태계 발생, 즉 생태학적 천이(遷移)라고 한다.

천이는 암석이나 용암과 같은 불모지에 생물들이 처음으로 정착할 때나 화재로 인해 숲이 파괴될 때와 같이 이미 존재하고 있던 생태계가 파괴될 때 일어난다. 생태계의 천이는 보통 2단계로 일어난다. 초기 또는 성장단계는 생태계 내에 종(種)이 얼마 없고 먹이연쇄가 짧은 것이 특징이다. 이러한 생태계는 비교적 불안정하지만 분해하는 속도보다 더 빨리 유기물을 만들어낸다는 의미에서 대단히 생산적이다.

그다음 후기 또는 성숙단계에서는 생태계가 보다 복잡하고 다양해지며 더욱 안정된다. 마지막의 극상단계에서는 생태계 내의 종이 아주 다양하고 먹이그물이 복잡하며 생태계 자체가 매우 안정하다는 특징이 있다. 주요한 에너지 흐름도 생산에서 유지 쪽으로 이동한다.

사람이 생태계 발전을 방해하는 폭은 아주 광범위하다.

예를 들면 농사에 의해서 매우 생산적이지만 상대적으로 불안정하고 미성숙한 생태계가 의도적으로 유지된다. 최적의 식량생산을 위한 생태계를 관리하려면 어린 생태계와 성숙한 생태계의 특징들을 적절히 절충시켜야 하고 자연적인 순환들의 상호작용에 영향을 주는 요인들을 고려해야 한다. 경작을 하거나 비료를 주어 생태계에 에너지를 공급해 단기적으로 생산을 극대화할 수 있다. 그러나 그러한 노력들은 잘못되면 영양분의 균형을 깨뜨리고 오염물질을 증가시키거나, 작물이 집약적으로 동계교배되어 질병에 보다 민감하게 되고 오히려 에너지 이용효율을 떨어뜨린다(농업).

인간사회와 그 환경이 상호의존적이라는 것은 고대의 철학과 종교에서도 이미 잘 인식되고 있었지만 계생태학(界生態學)의 기본원리가 과학의 한 분야로 공식화되기 시작한 것은 19세기말이었다.

20세기 후반부터 생태계 연구가 더욱 복잡해져 지금은 농업발달과 산업화가 환경에 미치는 영향을 평가하고 조절하는 데에도 쓰이고 있다. 예를 들면 농장에서 목초를 적당량 장기간 생산하려면 토양이 함유하고 있는 수분과 양분을 끊임없이 재충전하기 위해 적절한 방목계획을 세워야 하고 경작할 때 다양한 전략을 세워야 한다는 점을 강조한다.

계생태학은 살충제와 방사성 폐기물의 축적이 야기하는 피해를 다루고 화석연료(예를 들면 석탄, 기름, 천연 가스)의 연소로 방출되는 분진과 이산화탄소가 기후에 미치는 영향을 점검하는 방법을 제공해왔다. 또한 그것은 한 지역 내의 인구 수용능력을 결정하는 데에 도움을 주고 환경과의 상호작용에 필수가 될 지도 모르는 재순환 기술을 더욱 발달시켜왔다.