13. 생태계의 원리 생태계의 물질과 에너지

1. 생태계의 기본 원리 ◊ 물질은 순환한다. ◊ 에너지는 한 방향으로 흐른다. ◊ 개체와 개체군은 성장하고 쇠퇴한다. - 개체군이 기하급수적 성장을 계속할 수는 없다. ◊ 생태계는 환경에 적응한다. - 온도와 강수량에 따른 식생 분포 ◊ 생물종이 다양할수록 안정하다. - 생물다양성 : 생물종, 생태계, 유전자 다양성

2. 생지화학적 순환(Biogeochemical Cycle) ◊ 생지화학적 순환 (또는 Nutrient Cycle) - 생태계에서 생물과 무기환경 사이에서 일어나는 물질의 순환경로 - Carbon cycle, nitrogen cycle, oxygen cycle, phosphorus cycle, water cycle, sulfur cycle 등 ◊ 원소, 화합물, 기타 형태로 물질 순환 - 생물(biosphere)은 생태계의 무생물적 환경요소인 물 (hydro- sphere), 토양(lithosphere), 대기(atmosphere)등과 물질 순환을 계속함 • 2개 풀: 저장풀(reservoir pool)과 교환풀(exchange/cycling pool) • 2개 기본군: 기체형(gaseous type)과 퇴적형(sedimentary type) - 탄소, 질소, 산소, 인 등 모든 영양소는 폐쇄 시스템으로 유지됨 ◊ 태양 에너지가 물질순환의 원동력 - 태양은 빛의 형태로 지구촌에 에너지 공급 - 태양 에너지는 먹이망의 영양단계를 통해 열로 소실됨 ◊ 물질의 저장 - 석탄, 석유는 장기간 저장되나 생체의 화학물질은 단시간에 소실

3. 탄소의 순환 ◊ 탄소 ◊ 광합성에 의한 탄소 고정 - 생태계(생물체)를 구성하는 가장 중요한 물질 • 생체의 약 18%가 탄소 • 유기물(organic compound)은 생명체의 주요 구성요소 • 탄수화물, 단백질, 지방, 핵산 등 - 탄소 저장고는 대기와 해양 • 대기 중 이산화탄소 총량 : 약 7500억톤 • 바다(탄산염과 침적물) : 40조 톤 • 토양과 생물체 : 1조 6000억톤 ◊ 광합성에 의한 탄소 고정 - 녹색식물이 이산화탄소와 물을 원료로 광합성을 하여 탄수화물, 지방, 단백질 등 유기물 생산 - 지구상의 식물은 매년 약 5%의 CO2를 광합성으로 고정하고 같은 양을 호홉과 부패로 다시 방출 - 20년에 한번씩 탄소 순환

3.1 탄소의 순환 ◊ 대기 중의 CO2는 평형을 유지 ◇ 지구온난화와 기후변화 - 대기 중 CO2 농도 : 0.03% 3.1 탄소의 순환 ◊ 대기 중의 CO2는 평형을 유지 - 대기 중 CO2 농도 : 0.03% • 산업혁명 이전 280ppm→ 현재 380ppm - 석탄, 석유 등 화석연료 사용에 의한 CO2 증가 ◇ 지구온난화와 기후변화 - 지구에 도달하는 태양에너지의 1/3은 우주로 되돌아 가고 나머지는 대기, 육지와 해양에 흡수 - 흡수된 태양에너지로 인해 지구는 더워지고 지구는 열을 적외선 으로 우주에 방출 - 온실가스(수증기, 이산화탄소, 오존, 메탄, 아산화질소)가 적외선 방출을 방해하여 열이 빠져 나가지 못하고 지구가 더워짐 - 지구 평균기온이 20세기 동안 0.74℃ 상승 - 해수면 상승(17cm), 빙하 및 만년설 감소 등

3.2 탄소의 순환

4. 산소의 순환 ◇ 산소의 존재 - 대기의21% 차지 - 생물의 호홉에 필요한 산소 : 공기 중 또는 물 속의 용존산소 ◇ 식물의 광합성 - 물 분자의 산소는 빛 에너지를 이용하여 방출되고 이산화탄소의 탄소를 수소와 결합시켜 탄수화물 생산 - 현존 대기중 산소는 원시대기 이후 광합성에 의해 산소가 생산된 것 ◇ 생물의 호홉 - 생물의 세포는 탄수화물을 산소로 산화시켜 생물체에 필요한 에너지 생산 ◇ 생태계에서의 산소 - 지구촌의 생체량(biomass) - 화석연료의 연소는 산소의 고갈 초래 - 물속의 산소(용존산소) 고갈은 수중생물의 생존에 치명적

5. 질소의 순환(Nitrogen Cycle) ◊ 질소 - 공기의 78%가 질소 성분 - 생체의 단백질 구성분으로 세포 및 생체활동에 필수적 ◊ 공중 질소의 고정(fixation)과 탈질(denitrification) ① N2 → NH4 → NO2 → NO3- nitrosomonas nitrobacter ▪ Azotobacter, Rhizobium, Clostridium, 천둥번개(5%)   ② 질산염 → 아질산염 → 암모니아 → 질소가스 (탈질 박테리아) ◊ 비료 생산 – 산업적 질소고정 - H2 + N2 → NH3 → NH4NO3 ◊ 하천과 호소의 부영양화 - 농지의 잔존 비료성분이 유입되어 조류(藻類)의 번성 초래

5.1 질소의 순환

6. 인의 순환 ◊ 인(Phosphorus) ◊ 암석권과 인 ◊ 수권과 인 ◊ 생물권과 인 ◊ 인의 순환과 인간 영향 - 인은 생물체 내에서 핵산, 단백질, 세포막, ATP 등을 구성하는 중요한 원소 - 인은 대기권을 제외한 암석권, 수권, 생물권을 순환함 ◊ 암석권과 인 - 인광석으로 암석에 존재, 인산염 형태로 환경에 배출 ◊ 수권과 인 - 인산염 형태로 물에 녹아 하천, 호소, 바다에 존재 - 과량이면 부영양화로 적조현상 유발 ◊ 생물권과 인 - 생물체의 구성분 및 물질대사에 중요한 역할 - 먹이연쇄를 통해 생물체에 들어오고 다시 토양 배출 등 순환 ◊ 인의 순환과 인간 영향 - 농업용 비료 및 농약, 세제 등에서 사용되고 환경오염 유발

6.1 인의 순환

7. 황(sulfur)의 순환 ◇ 황의 중요성 ◇ 황의 순환 ◇ 미생물의 역할 ◇ 대기오염의 발생 - 많은 아미노산(단백질)에 포함되어 있는 생체의 중요 원소 - 몸의 구성성분 또는 생체내 반응에서 촉매 역할 ◇ 황의 순환 - 내부순환 : 토양 또는 수중의 황이 식물 → 동물 → 미생물을 거쳐 다시 토양과 물 속으로 돌아옴 - 외부순환 : 토양 또는 물 속의 황이 바다로 흘러가 미생물에 의해 황화수소 또는 아황산가스 등의 기체로 변환하여 대기 로 유입되었다가 비와 함께 토양 또는 민물로 돌아옴 ◇ 미생물의 역할 - 미생물에 의한 단백질의 분해, 황산이온의 형성 등 ◇ 대기오염의 발생 - 화석연료의 연소 시 함유된 황이 아황산가스(SO2) 생성 - 산성비로 인한 건강 및 농업피해, 토양 및 호수의 산성화 촉발

8. 물의 순환 ◊ Water Cycle 또는 Hydrological Cycle - 지구의 지표면과 대기 및 지하에서 물의 존재와 이동 - 물은 지구에서 액체에서 기체, 고체로 상태가 변함 - 물의 순환은 지구에서 수십억년간 이어졌고, 생물체는 이에 의존 ◊ 물의 순환과정 - 물의 공기중 증발(evaporation) : 해양과 육지 ▪ 식물의 증산작용(evapotranspiration) - 수증기의 응결과 구름 형성 - 강수(precipitation; 비 또는 눈) - 중력에 의한 물의 바다로의 흐름 ▪ 지표 유출(streamflow) ▪ 지하수 유출(groundwater) ◊ 물수지 평형상태 ( 강수량 = 유출량 + 증발량 +저장량) - 대륙체계 : 106,000㎦ (강수량 = 증발량 + 유출량) - 해양체계 : 382,000㎦ (강수량 = 증발량 - 유출량 - 대기체계 : 488,000㎦ (강수량 = 해양 + 대륙)

8.1 물의 순환