생태계 1. 생태학(Ecology) : 집(oikos) + 학문(logy), Haeckel, 1869, 거주지의 학문 생물의 생활과 주위 환경과의 관계를 연구하는 과학 * ‘생물체간의 또는 생물체와 그 환경간의 상호작용에 관한 모든 것을 연구’ * 자연 생태계 자체를 정확하게 파악하기 위한 목적 * 인간의 자연 의존성을 깨닫게 함 * 자연보존과 궁극적으로 인간의 생존을 위해 매우 중요한 학문 2. 생태계(Ecosystem) : 생물 + 무기적 환경요인, Tansley, 1935 ‘식물, 동물, 및 미생물 등 생물체들이 환경과 상호 작용함으로서 그 자체를 영속화시키는 생물체들의 동적인 집단(dynamic entities)’  

3. 주요 생태계 호소 생태계 - 담수를 담고 있으며 지질학적으로 비교적 근래에 생성 * 산지의 융기와 침식, 빙하의 전후퇴 * 담수(0.5‰ 미만), 기수(0.5~30‰), 해수(30~50‰), 간수(50 ‰ 초과) * 인류가 사용하는 지표담수의 98% - 성대, 성층이 발달 * 연안(뿌리 있는 식물), 중대(플랑크톤), 심저층(종속영양자)

- 빈영양상태(oligotrophic)  부영양상태(eutrophic) * 빈영양 : 주로 고산지대의 깊은 호수 : 연간 유기물(0.03~0.05mg/㎠·ℓ) : 영양염류가 적고 산소가 심층까지 균일 : 생산력이 낮고 찬물에 사는 어족(송어) : 부유물이 적어 투명도가 높음

하천 생태계 - 유수역(lotic environment)으로 물리적인 힘이 변천에 주도적 역할 * 침식, 물질운반, 침적 - 자정작용(self purification) * 세균, 저서생물, 부착 조류(algae) * 산소고갈로 인한 생물상의 변화(낮은 용존산소량-실지렁이) * 상류와 하류의 뚜렷한 종적 차이(longitudinal difference)

초원 생태계 - 사막과 삼림지대 중간의 강우량 지역에 생성 * 온대초원인 러시아의 Steppe, 북미의 Prairie, 열대초원인 Savanna - 초본, 목본의 대상, 군상 분포 - 가축의 방목, 과잉경작으로 사막화 진행 중

삼림 생태계 - 변화하는 복합체 * 교목(큰 키 나무), 관목(작은 키 나무), 초본, 광물질, 유기물 등으로 구성 * 주/야간 변화 : 주행/야생성 동물, 온도, 습도 * 계절 변화 : 구성하는 동식물이 연속적으로 변화 * 식물의 현존량이 많고 밀도가 높음

해양 생태계 - 가장 크고 두터운 생태계 * 지구 표면의 70.92% * 전체 해양의 평균 염분은 34.72‰ * 용승 지역에서의 높은 생산성 : 단백질, 무기물 자원 - 완충지로서의 심해 * 대기권의 이산화탄소, 산소 농도를 유지 * 육상기원 무기물의 저장소

4. 생태계의 구성요소(Odum, 1971) 생물적 요소 - 생산자(producer) * 독립영양생물, autotroph, 스스로 영양소를 만듦 * 광합성을 통해 태양에너지를 고정 6CO2+12H2O → C6H12O6+ 6O2 + 6H2O * 일반적으로 녹색식물 (식생, 수초, 조류) - 대형소비자(macro-consumer) * 종속영양생물, heterotroph, 생물 또는 고형유기물을 섭취 * 주로 동물 - 소형소비자(micro-consumer) * 종속영양생물, 사체로부터의 화합물 분해, 무기물 방출 * 주로 세균, 균류

- 생물량(biomass), 현존량(standing crop) * 단위면적당 살고 있는 생물의 무게 - 대사회전(turn over) 시간 * 현존량/증가량 예) 숲의 생물량 : 20,000 g/m2 , 증가량 : 1,000 g/m2/년 대사회전시간 = 20년, 대사회전율 = 1 / 20 = 0.05 육상생태계 수중 생태계 생물량 > 대사회전율 < 생산량  - 물질대사율 : 5g의 조류  1,000g의 대형식물 - 해양식물플랑크톤의 연간 생산량 * 전체 육상식물의 생산량과 유사(연간 약 100억톤의 유기물) * 수심 200m 이상의 수층(전체의 5%)에서의 생산량이 전 해양생물 부양

비생물적 요소 : 생물의 종류를 결정 - 태양 에너지 : 기후변화, 화학물질 재순환 - 화학물질 * 순환 무기물(C, N, CO2, H2O, 광물질) * 유기화합물 : 생물과 비생물을 연결 - 물리적 요인 : 온도, 빛, 바람, 강수 * 지구표면의 구조적 차이

5. 생태계에서 일어나는 일들 에너지 흐름(energy flow) - 태양 에너지 * 지구 생물권의 근본적인 에너지원으로 전체 방출량의 1/20억이 흡수 전체평균 2cal/cm2/min - 지구의 태양 에너지 흡수 * 알비도(albedo) : 34%는 지구 대기에 의해 반사 * 태양 복사열의 66%가 대기, 암석, 물, 생태권에 흡수 * 대기권 가열(42%) > 물순환(24%) > 식물의 이용(0.0023 %)

먹이사슬(food chain) - 먹이 에너지의 전환 통로 * 태양 빛과 녹색식물로부터 시작 * 먹이사슬이 짧을수록 고효율 * 10% 법칙 - 영양단계 : 먹이사슬에서의 준위 * herbivore * carnivore * omnivore - 포획성(grazing) 먹이사슬 * 식물 초식동물육식동물 - 잔재물(detritus) 먹이사슬 * 잔재물 섭식자(detritivore)에 의한 순환구조 형성 * 육상(terrestrial), 수중(aquatic)

물질순환(material recycles) - 생지화학적 순환(biogeochemical recycles) * 손실 없이 생물, 무생물 구성원 사이를 순환하며 이용됨 * 유기성(organic) : 살아있는 것으로 된 또는 살아있는 것으로부터 기원 죽은 생물, 생물조직, 당분, 꿀, 밀가루, 목재, 가죽 등 * 무기성(inorganic) : 살아있는 것으로부터 기원하지 않은 것 암석, 광물, 금속, 공기, 물 등 * 생물체와 그 환경 사이의 영양물질순환 = 유기물질과 무기물질 간의 교환 * 필수적인 원소 및 무기화합물 a) 다량영양소 : 비교적 많은 양이 필요, 탄소, 수소, 질소, 인, 칼슘 등 b) 미량영양소, 미량원소 : 생명활동에 적은 양만 필요한 원소 C) 유기부니질, 유기쇄설물 : 용존유기물(DOM; dissolved organic matter) : 유기탄소의 주요 저장고 입자상 유기물(POM; particulate organic matter) D) 부식질(humus) :유기물이 더 이상 분해가 되지 않고 남은 것

- 탄소 순환(carbon cycle) * 모든 생명체, 유기물의 필수요소 * 대기, 육상, 해양, 퇴적물과 암석에 존재하며 생물과 비생물계 사이를 순환 * 해양의 이산화탄소탄산중탄산염 또는 탄산염으로 침전 : 대기 이산화탄소 농도의 완충작용 * 화석 탄소의 형태로 저장 : 난분해성 물질이 이탄 형태로 습지에 저장 : 2억8천만년 전 형성 시작, 이후 6,500만년 동안 축적

- 물의 순환(water cycle)

- 산소 순환(oxygen cycle) * 최초 지구 탄생 시 존재하지 않음광합성에 의해 현재 약 21% * 생물의 호흡이나, 연료의 연소에 의해 이산화탄소의 형태로 순환 * 오존 상태로 존재하기도 함

- 질소 순환(nitrogen cycle) * 단백질의 구성성분으로 모든 생물조직에 필수 * 질소 고정 세균 : 콩과 식물과 공생하며 대기중의 질소를 암모니아로 전환 * 탈질화 세균 : 하구의 갯벌, 습지의 저토와 같은 혐기적 조건에서 발생 : 토양 내의 질산염을 분자상의 질소로 전환 : 대기-토양 간의 질소 균형을 유지

- 인 순환(carbon cycle) * 세포의 원형질, 생물의 골격을 구성 * 기체형태가 없이 침전물질에 의한 침전형 순환 * 암석과 퇴적물이 저장고 역할, 미생물에 의해 인산염 생성 : 육상으로의 유입 < 토양에서 세탈되어 심해에 침전 새, 어류 포획 (연간 6만 톤) < 인 광석 채굴(연간 200~300만 톤)

6. 생태계의 특성 항존성의 유지(Homeostasis) - 생태계가 변화에 저항하여 평행상태를 유지해 나가는 경향 - 생태계는 대단히 안정 * 정상상태를 유지하려는 이러한 조절 기능은 어느 종이든 일정한 한도 이상으로 증식하고 번영하는 것을 허용하지 않음 상호 의존(Interdependence) - ‘생태학의 첫 번째 법칙은 모든 것은 다른 모든 것과 관련되어 있다’ - 어떠한 유기체는 계속적인 기능을 수행하는 많은 다른 유기체들의 기능과 상호 관계

복잡성(Complexity)) - 생태계는 복잡하고 미묘한 상호 관계의 사슬에 서로 얽혀 있음 ‘ 우리가 생각하는 것보다 더 복잡할 뿐 아니라, 우리가 생각할 수 있는 것보다 더 복잡하다’ 적응(Accommodation) - 주어진 환경에서 생물이 생존에 유리한 방향으로 스스로의 체계나 환경을 형성하는 반응 과정 - 이러한 적응 과정을 통해 생물이 진화 - 동일한 환경 조건이라도 적응 기전이 종마다 미치는 영향은 다름 * 이로 인해 종마다의 차이와 독특한 특징 발생

7. 생태계의 기타 기능 기후의 조절 - 혹심한 기후를 완화시켜 주며 환경을 자신의 생존에 유리하도록 변화시킴 으로써 기후 조절에 공헌 폐기물의 처분 - 폐기물의 처분 장소로서의 기능 담당 * 한 생물군이 배출한 폐기물, 사체는 다음 단계의 생물의 자원이 되어 순환 거대한 유전자 풀(pool)의 유지 - 유전자 자원의 저장고 * 생태계 내에 존재하는 생물군은 서로가 자유롭게 서식하고 진화하여 새로운 종이 탄생되며 이것이 다른 종들과 상호 작용하며 유지 보존

8. 환경의 생물학적 제어 : 가이아(Gaia)의 가설 Gaia Hypothesis; J. Lovelock - 생물, 특히 미생물이 물리적 환경과 함께 진화하여 지구의 조건들이 생명체에 유리하도록 적극적으로 변화 * 산호환초 : 서식지의 생성 * 생원성 암모니아 : 극단의 낮은 pH을 중화

9. 제한인자 최초에 어느 지역의 생태계의 구조를 결정하는 무생물학적 인자 - 강우량 : 삼림(연 750mm이상), 초원(연 250~750mm), 사막으로 구분 사막에선 수분의 흡수와 저장이 빠른 다육식물 - 온도 : 활엽수림(빙점이상), 온대 침/활엽수림(빙점), 침엽수림(극지방) 고도 100m 상승은 160km 고위도 이동 : 개구리알 (0~30℃ 부화, 20℃최적), 개울송어(0~12℃부화, 4℃최적) 협온성 vs 광온성 영양염 : 질소, 인, 칼륨 등의 제한될 수 있는 요인도 한계 이상에서는 조류의 사멸 유발

10. 천이(succession) 생물 군집의 시간적 변화 과정 - 1차 천이 * 새로 노출된 바위, 백사장, 용암 등 군집으로 점령되지 않았던 곳에서의 천이 (예) 바위 표면이 삼림 생태계로 변하는 과정; 지의류(균류+조류(남조/녹조)) * 균류의 산분비로 암석풍화조류의 광물질 흡수조류의 광합성 산물 균류의 성장지의류 사이에 토양층 퇴적죽은 지의류의 유기물식물고착

- 2차 천이 * 기존 군집에서 환경의 변화로 천이가 일어날 경우 * 산불이 난 곳, 화전민이 버린 밭, 포기된 천수답1년생 식물다년생초본 관목삼림 -극상생태계 * 주어진 환경에 적응한 생물종들이 안정을 이룬 생태계

11. 생태학적 적소(niche) 또는 지위 지위의 개념 - 하나의 종이 생존하는 서식지나 물리적인 장소뿐만 아니라 생태계에 있어서 한 생물이 차지하는 기능적인 역할의 총체 - 한 환경에서 먹이, 내성 등 생태적 지위가 달라야 여러 종이 공존 *동일한 먹이, 은신처, 공간을 점유 하므로 경쟁적으로 배제됨  서식처를 바꾸거나, 다른 자원을 이용 - 생태적 지위의 세분화 * 새 : 포유류 기생생물 및 진드기 : 코끼리 근처의 곤충 - 생태학적 동위자(ecological equivalents) * 각기 다른 생태계에서 동일한 지위를 가짐 : 북미 초지의 들소, 호주의 캥거루