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제2장. 물질, 에너지 및 생태계: 자연에서의 연계성 물질과 에너지 자연의 구성 요소 물질(원자 – 분자 – 화합물 – 혼합물……) 양질의 물질: 조직적, 농축 – 자원 에너지 일을 하고 열을 전달하는 능력 빛, 열, 전기, 화학에너지(화학결합), 기계적 에너지 운동에너지: 질량과 속력 또는 속도 (움직임) 바람, 흐르는 강, 열 전달, 움직이는 자동차, 전자기파 방사선 위치에너지: 잠재적으로 이용가능한 저장 에너지 높은 곳에 있는 바위, 댐에 갇혀 있는 물, 핵 에너지

물질과 에너지 에너지 질 에너지(열역학) 제1법칙 에너지 제2법칙 양질: 전기, 석탄, 가솔린, 우라늄-235과 같이 적은 양의 물질에 집중 저질: 대기나 대량의 물과 같이 비조직적이고 분산됨 에너지(열역학) 제1법칙 자연계에서 일어나는 모든 물리적 및 화학적 변화 과정에서 에너지의 형태는 변하나 에너지의 총량은 일정 – 에너지 보존의 법칙 에너지 제2법칙 에너지가 한 형태에서 다른 형태로 변화될 때, 유용한 에너지의 일부는 항상 저질의 에너지로 분해되고 보다 많이 분산되어 유용성이 떨어지는 에너지(대부분 열)가 된다. 열은 항상 자발적으로 고온(양질의 에너지)에서 저온(저질의 에너지)으로 흐름 유용한 일을 하기 위해서 양질의 에너지를 재활용하거나 재사용하는 것이 절대적으로 불가능함

지구의 생명체 부양 시스템 생태학(Ecology)이란? Eco: oikos – 집 또는 사는 장소 생물체들이 상호간, 그리고 무생물 환경과 어떻게 작용하는지 연구 생물체(organism): 생명을 가지고 있는 개체 개체군(population): 같은 시간에 일정을 지역을 차지하고 있는 동일종의 구성원들 모두 유전적 다양성 보유 서식지(처) 군집(community): 어떤 특정 장소를 점유하고 상호 작용하는 모든 종들의 개체군 생태계(ecosystem) 군집 + 무생물 환경 포함

지구의 생명체 부양 시스템 생명체 부양 시스템 주요 구성 요소 대기권 수권 암(석)권 생물(태)권 대류권: 17km, 공기 성층권: 17 – 48km, 오존 수권 지구의 액체물 얼음 대기의 수증기 암(석)권 지각 맨틀 생물(태)권 생태학은 고기, 물, 토양 및 생명체들이 서로 어우러져 잇는 지구의 껍질, 즉 생태권에서 일어나는 상호작용을 이해하는 것이 목표

지구의 생명체 부양 시스템 생명 유지의 근원 생태계의 구성 요소 태양에너지 물질의 형태적 순환 또는 영양소 중력 무생물적 요소: 물, 공기, 영양소, 태양에너지 등 생물적 요소: 식물, 동물, 미생물 등(생물상, biota)

지구의 생명체 부양 시스템 생태계의 주요 무생물적 구성 요소 육상생태계: 햇빛, 온도, 침전물, 바람, 위도, 고도, 산불의 발생 빈도, 토양의 특성 등 수생태계: 물의 흐름, 용존 영양소(질소, 인), 부유물질 등 내성 범위 한 생태계에서 각 개체군이 물리적 및 화학적 환경의 변화를 견디어 낼 수 있는 범위 내성의 법칙 어떤 생태계에서 종의 존재 개체수의 많고 적음 및 분포는 물리, 화학적 인자들의 수준이 그 종의 내성 범위 내에 잇는가의 여부에 따라 결정 내성 한도: 조건의 상한과 하한 환경순응 천천히 변하는 새로운 조건에 맞추는 것 역치 효과 내성 한계를 넘을 경우 발생 제한인자 개체군 성장을 조절하는데 다른 인자들보다 더욱 중요한 인자 육지: 강수량, 토양 영양소 수생태계: 온도, 햇빛, 용존산소량, 영양소, 염도 등

지구의 생명체 부양 시스템 생태계의 주요 생물적 구성 요소 생산자(독립영양생물) 소비자(종속영양생물) 분해자 에너지 녹색식물 + 조류(식물 플랑크톤) + 광합성 박테리아 광합성: 이산화탄소 + 물 + 태양에너지  포도당 + 산소 소비자(종속영양생물) 1차 소비자(초식동물): 생산자를 섭취 2차 소비자(육식동물): 1차 소비자만을 섭취 3차 소비자: 다른 육식동물만을 먹이로 섭취 잡식동물: 돼지, 쥐, 여우, 곰, 인간 등 부식동물: 독수리, 파리, 까마귀, 하이에나, 일부 상어, 딱정벌레, 개미 등 분해자 죽은 생물체의 유기물질(잔재)을 분해해서 영양소를 얻고 생태계에서 유기물의 재순환에 기여 박테리아, 곰팡이 등 에너지 유기 호흡: 포도당 + 산소  이산화탄소 + 물 + 에너지 모든 개별 생물체의 생존은 체내를 통한 물질과 에너지의 흐름에 의존함

생태계에서 종의 역할 종의 역할 일반종 vs. 특수종 생태적 지위: 생존과 생식과정에서 나타나는 모든 활동의 결과 온도나 물 등의 다양한 물리적, 화학적 조건에 대한 내성 범위 먹거리나 영양분으로서 사용할 수 있는 자원의 종류 소속된 생태계에서 다른 생물적, 무생물적 요소들과의 상호작용 생태계 내의 에너지 흐름과 물질순환에서 수행하는 역할 일반종 vs. 특수종 일반종: 광범위한 생태적 지위를 가짐 파리, 바퀴벌레, 쥐, 흑곰, 너구리, 메뚜기, 인간 등 특수종: 좁은 생태적 지위 환경 변화에 위험 팬더곰(대나무) 열대우림 서식 종 고유종(토착종) 외래종 스스로 이주하거나 인간에 의해 도입 황소개구리: 미국 South Carolina주, 1971년 식용 도입 향어: 원산지 독일(이스라엘), 1973년 도입 블루길: 원산지 북미대륙, 1969년 일본에서 지표종: 환경 변화에 민감한 종으로 예로는 새

생태계에서 종의 역할 종간 상호작용 종간경쟁 포식 기생 상리공생 편리공생 먹이, 햇빛, 물, 토양 영양분, 공간, 은신처 등 자원분할: 부족한 자원을 분배 포식 포식자와 피식자 관계 기생 기생생물이 숙주의 생물에 붙어서 살거나, 몸 안에서 살거나, 또는 몸 근처에서 살면서 영양분을 얻게 되는 상호작용 일반적으로 숙주보다 작고 숙주로부터 영양분 공급받음 숙주를 죽이는 일은 거의 없음 기생충, 진드기, 이, 벼룩 등 상리공생 꿀벌과 꽃 반추동물(소)과 그들의 위 속에 사는 박테리아 편리공생 한 종이 이익을 취하는 반면에 다른 종은 심각한 정도로 피해를 받거나 아무런 이익을 얻지 못하는 경우 Clownfish(득)와 말미잘

생태계에서의 먹이연쇄와 에너지 흐름 먹이사슬과 먹이그물 먹이사슬(그림 2-10) 먹이그물(그림 2-11) 먹이(영양) 단계: 일정한 생물량(생체물질) 보유 먹이그물(그림 2-11) 상호 연계된 먹이사슬로 이루어진 복잡한 연결망 한 단계에서 다른 영양 단계로 갈 때 일부 에너지의 질이 하락: 저질의 열로 소실 생태효율: 한 영양 단계에서 다른 영양 단계로 전이되는데 쓰이는 에너지의 백분율 영양 단계가 많을수록 유용한 에너지의 누적 손실은 증가(그림 2-12) – 에너지 흐름 피라미드: 육류 vs. 채소

생태계에서의 먹이연쇄와 에너지 흐름 1차 생산력 1차 총생산력: 한 생태계에서 생산자들이 태양에너지를 생물량의 화학적 에너지로 변환시키는 속도 1차 순생산력: 소비자들에 의해 사용될 에너지가 새로운 생물량(세포, 잎, 뿌리, 줄기)에 저장되는 속도 또는 생산자들이 생물량으로서의 화학에너지를 저장하는 속도 – 생산자들이 생물량으로서의 화학에너지를 사용하는 속도 이는 지구가 지구상에 존재하는 모든 종류의 생물종들을 먹여 살릴 수 있는 부양 능력의 상한치는 지구 전체의 1차 생산성에 의해 결정 높은 1차 순생산성(그림 2-14) 하구 습지 및 저습지 열대우림 온대림

생태계에서의 물질 순환 영양소의 순환 영양소: 생물체의 생존과 성장과 증식에 필요한 원자, 이온 및 분자 영양소 순환(생물지화학적 순환) 탄소 산소 질소 물

생태계에서의 물질 순환 영양소의 순환 탄소의 순환(그림 2-15) CO2는 대류권 부피의 단 0.036% 차지 지구의 온도 조절 기능 화산활동 및 연소 광합성 호흡 물에 용해

생태계에서의 물질 순환 영양소의 순환 질소의 순환 (그림 2-16) 질소 기체(N2)는 공기부피의 78% 차지 질소 고정 N2  NH3 (NH4+) 사이아노박테리아, 뿌리혹박테리아(콩, 자주개자리, 토끼풀) 질화 작용: NH3  NO2-  NO3- 암모니아화 작용: 유기질소  NH3 (NH4+) 탈질 작용: NO3-  N2 (혐기 조건) 인간의 활동에 의한 영향 연소 과정: NO 배출; NO는 공기 중의 산소와 반응 NO2 생성; NO2는 물과 반응하여 HNO3(질산) 생성 – 산성비(산성침적물) 가축배설물 내의 혐기성 박테리아의 활동과 토양에 살포되는 상업용 무기비료: N2O 생성  오존층 파괴 질소 함유 광물질 채광; 질소가 풍부한 농작물 수확; 관개를 통해 토양으로부터 수용성 질산 이온 용출 농작물을 심기 위해 목초를 태우고 삼림을 개간  공기 중 질소 이동 농업 용수의 유출과 도시 하수의 배출로 과잉의 지로 화합물이 수생태계로 유입  부영양화

생태계에서의 물질 순환 영양소의 순환 인의 순환(그림 2-17) 물, 지각 및 살아있는 유기체를 통해 순환 휘발성이 아니기 때문에 대기에서의 순환은 거의 없음 인간의 인 순환 방해 상업용 무기비료와 세제 제조 열대림의 벌목 및 소각 축사로부터의 동물 배설물, 경작지로부터의 상업용 비료 유출, 도시하수의 배출  수생태계 과잉 인산염  부영양화

생태계에서의 물질 순환 영양소의 순환 물의 순환(그림 2-18) 증발 / 증산 / 응축 / 강수 / 침투 / 투수 /유출 태양에너지와 중력 대기 중 수증기의 84%는 바다에서, 나머지는 육지에서 유출: 토양 침식  지형의 변화 산성비: 수용성 금속염 생성 인간의 활동에 의한 물의 순환 방해 하천, 호수 및 지하수로부터 많은 양의 담수를 사용 농업, 채광, 도로와 건물의 건설: 육상에서 식물 제거  물의 유출 증가    건조화 및 사막화 인과 같은 영양물질이나 오염물질들이 물에 섞여 물의 자정능력 초과  수질 변화