생물권

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1. 개요
2. 유래 및 정의
3. 지구의 생물권
4. 인공 생물권
5. 외계 생물권
6. 그림자 생물권
참조

1. 개요

생물권은 지구 표면에서 생명체가 서식하는 영역을 의미하며, 지구의 지권, 수권, 대기권과 함께 생태권을 구성하는 요소 중 하나이다. 생물권은 37억 년 전 생명체의 증거가 발견된 이래로 극지방에서 적도, 심해, 대기 상층부, 심지어 우주 공간까지 다양한 환경에서 생명체가 존재하며, 계절에 따라 식생과 식물 플랑크톤의 변화를 보인다. 인공 생물권은 지구 밖 생명체 존재 가능성을 연구하기 위해 만들어졌으며, 외계 생물권은 아직 발견되지 않았지만, 지구형 행성에서 생명체 존재 가능성이 제기되고 있다. 그림자 생물권은 인류가 인식하지 못하는 다른 형태의 생명체를 가리키는 가설이다.

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생물권
지도
기본 정보
정의	지구의 모든 생태계의 총합
범위	생명이 존재하는 모든 영역, 대기권의 일부, 수권, 지권의 일부
구성 요소	생물군계와 그 구성요소
특징	역동적인 시스템, 에너지 흐름과 물질 순환이 지속적으로 일어남
다른 이름	생태권, 지구생태계
역사
초기 개념	에두아르트 쥐스가 1875년에 처음 사용
발전	블라디미르 베르나츠키에 의해 지구과학의 개념으로 발전
주요 특징
생물 다양성	높은 수준의 다양성
물질 순환	생물과 무생물 사이의 물질 교환
에너지 흐름	태양 에너지에서 시작하여 생태계 내에서 이동
생태계 서비스	산소 생성, 물 정화, 기후 조절 등
연구 분야
지구과학	지구 시스템의 연구
생태학	생물과 환경 사이의 관계 연구
지구 시스템 과학	지구를 통합 시스템으로 연구
생물권과 다른 지구권
대기권	지구를 둘러싼 기체층
수권	지구 표면의 물
지권	지구의 고체 부분
인간의 영향
위협	기후 변화, 서식지 파괴, 오염, 자원 고갈
중요성	인간 생존의 필수적인 환경 기반
관련 프로젝트
인공 생물권	바이오스피어 2 BIOS-3
목적	생물권 연구 및 지속가능성 연구
추가 정보
용어의 기원	그리스어 'βίος' (bios, 생명) + 'σφαῖρα' (sphaira, 구)
참고 문헌
논문	Life: past, present and future
서적	Biology: Exploring Life
뉴스 기사	Earth's Oxygen: A Mystery Easy to Take for Granted
웹사이트	Meaning of biosphere

2. 유래 및 정의

'''생물권'''이라는 용어는 1875년 지질학자 에두아르트 쥐스(Eduard Suess)가 지구 표면에서 생명체가 살고 있는 곳으로 정의하면서 처음 사용되었다.^[69] ^[6]

이 개념은 지질학적 기원을 가지고 있지만, 찰스 다윈(Charles Darwin)과 매슈 폰타인 모리(Matthew F. Maury) 모두 지구 과학에 영향을 주었다. 블라디미르 베르나츠키는 생태학을 생물권의 과학으로 정의했다. 그는 천문학, 지구물리학, 기상학, 생물지리학, 진화, 지질학, 지구화학, 수문학을 포함하고, 일반적으로 모든 생명체와 지구 과학을 통합하는 학제간 개념을 제시하였다.^[70]

지구화학자들은 생물권을 모든 생명체의 총합(생물학자와 생태학자들이 말하는 "생물량" 또는 "생물군계")으로 정의한다. 이러한 의미에서 생물권은 지구화학적 모델의 네 가지 별개 구성 요소 중 하나일 뿐이며, 다른 세 가지는 지권, 수권, 대기이다. 이 네 가지 구성 요소가 하나의 시스템으로 결합되면 생태권으로 알려져 있다. 이 용어는 1960년대에 만들어졌으며 지구의 생물학적 및 물리적 구성 요소를 모두 포함한다.^[7]

제2차 폐쇄 생명 시스템 국제 회의는 생물권 연구를 지구 생물권의 유사체와 모델의 과학 및 기술, 즉 인공 지구형 생물권으로 정의했다.^[8]

3. 지구의 생물권

일반적으로 생물권은 생물이 존재하는 영역 전체와 그 안에 포함된 생물·비생물 구성 요소의 상호 작용 전체를 가리킨다. 좁은 의미로는 그 공간에 포함된 생물상, 생물량, 생물군집만을 가리키기도 한다.

지구과학에서는 지구 표면 영역을 수권, 대기권, 암석권으로 구분한다. 생물권은 이러한 영역들과 겹쳐 지표나 지중뿐 아니라 대기권, 수권까지 퍼져 있다. 생물과 비생물의 상호 작용으로 이루어진 환경계를 생태계라고 부르지만, 생물권은 지구 환경 전체 영역에 걸쳐 있는 생태계의 총체, 그리고 그것이 차지하는 범위라고도 정의할 수 있다. 모든 생물 중에서도 특히 미생물의 존재 범위는 매우 넓어 심해나 대기의 상층^[50]부터 지중^[51]^[52]까지 퍼져 있다.

생물권 개념은 지구과학이나 생태학과 관련된 학술 분야(지구물리학, 생물지리학, 지질학, 수문학 등)에서 공통적인 것이다. 생물권 안에서는 물의 순환, 대기나 해류의 대류 등의 비생물적인 요인과 함께, 광합성, 먹이사슬, 생체 물질의 분해 등의 생물 활동에 의해 물질 및 에너지의 순환('''생지화학적 순환''')이 일어난다. 비생물적·생물적 요인을 막론하고 이 순환은 원칙적으로 태양에너지가 근원이 되어 일어난다.^[53]

3. 1. 연령

지구상에서 가장 오래된 생명체의 증거로는 서그린란드에서 발견된 37억 년 된 변성퇴적암에서 발견된 생물 기원 흑연^[72]과 서오스트레일리아(호주)에서 발견된 34억 8천만 년 된 사암에서 발견된 미생물 매트 화석^[73]^[74]이 있다. 2015년에는 서호주에서 41억 년 된 암석에서 "생물체의 잔해"가 발견되었다.^[75]^[76] 2017년에는 캐나다 퀘벡주 누부아기툭 녹색암대(Nuvvuagittuq Belt)의 열수 분출공 침전물에서 42억 8천만 년이나 된 것으로 추정되는 화석화된 미생물(혹은 미세화석)이 발견되었다는 발표가 있었다. 이는 지구상에서 가장 오래된 생명체의 기록이며, "44억 년 전 해양 형성 이후 거의 즉각적인 생명체의 출현"을 시사하며, 45억 4천만 년 전 지구 형성 이후 얼마 지나지 않아 생명체가 나타났음을 의미한다.^[77]^[78]^[79]^[80] 생물학자 스티븐 블레어 헤지스(Stephen Blair Hedges)에 따르면, "만약 지구상에서 생명체가 비교적 빨리 발생했다면... 우주에서 생명체는 흔할 수 있다."^[75]

3. 2. 범위

극지방의 빙하에서 적도까지 지구의 모든 곳에는 어떤 형태의 생명체가 존재한다. 최근 미생물학의 발전은 지구 지표면 깊숙한 곳에도 미생물이 서식하고 있으며, 소위 "서식 불가능 지역"에 있는 미생물의 총량이 생물량 측면에서 지표면의 모든 동식물 생명체를 능가할 수도 있다는 것을 보여주었다. 지구 생물권의 실제 두께는 측정하기 어렵다. 조류는 보통 1800m 고도까지 비행하며, 어류는 푸에르토리코 해구에서 수중 8372m 깊이까지 서식한다.^[66]

지구상 생명체의 더 극단적인 예로는 다음과 같다. 루펠독수리는 11300m 고도에서 발견되었고, 줄기러기는 적어도 8300m 고도에서 이동하며, 야크는 해발 5400m 고도까지 서식하고, 흰바위산양은 3050m 고도까지 서식한다. 이러한 고도의 초식 동물은 지의류, 풀, 허브에 의존한다.

생명체는 토양, 온천, 지하 최소 19km 깊이의 암석 내부(endolith), 그리고 대기 중 최소 64km 고도를 포함한 지구 생물권의 모든 부분에 서식한다.^[81]^[82]^[83] 미생물은 우주 공간의 진공 상태에서 생존하는 것이 관찰되었다.^[84]^[85] 토양 및 지하 박테리아 탄소의 총량은 5 × 10¹⁷ g으로 추정된다.^[81] 박테리아와 고세균을 포함하지만 핵을 가진 진핵 미생물은 포함하지 않는 원핵생물 미생물의 질량은 총 0.8조 톤의 탄소에 달할 수 있으며(총 생물권 생물량은 1~4조 톤으로 추정됨)^[86] 고압성 해양 미생물은 지구 해양에서 가장 깊은 곳인 마리아나 해구에서 10000m 이상의 깊이에서 발견되었다.^[87] 사실, 단세포 생명체는 챌린저 해연의 마리아나 해구 가장 깊은 곳, 11034m 깊이에서 발견되었다.^[88]^[89]^[90] 다른 연구자들은 미생물이 해저 2590m 아래 해저면 아래 580m 깊이의 암석 속에서 번성한다는 관련 연구를 보고했으며,^[89]^[91]^[92] 일본 해안의 해저면 아래 2400m 깊이에서도 마찬가지이다.^[89] 배양 가능한 호열성 미생물은 스웨덴의 지각에 5000m 이상 시추된 코어에서 65°C~75°C 암석에서 추출되었다.^[93] 온도는 지열구배에 따라 지구 지각의 깊이에 따라 증가한다. 온도가 증가하는 비율은 지각의 종류(대륙성 대 해양성), 암석의 종류, 지리적 위치 등 여러 요인에 따라 달라진다. 미생물이 존재할 수 있는 것으로 알려진 최대 온도는 122°C이다(''메타노피루스 칸들레리(Methanopyrus kandleri)'' 균주 116).

2014년 8월 20일, 과학자들은 남극의 얼음 아래 800m 깊이에서 서식하는 미생물의 존재를 확인했다.^[94]^[95]

3. 3. 연간 변동

육지에서는 갈색(식생량 적음)에서 짙은 녹색(식생량 많음)까지의 스케일로 식생이 나타나고, 해양 표면에서는 보라색(적음)에서 노란색(많음)까지의 스케일로 식물 플랑크톤이 표시된다. 이 시각화는 SeaWiFS를 포함한 위성과 NASA/NOAA 가시적외선 영상 방사계(VIIRS) 및 중간 해상도 영상 분광계(MODIS)를 포함한 장비의 데이터를 사용하여 만들어졌다.

4. 인공 생물권

인공 생물권은 생태계와 지구 밖의 생명체를 지원할 수 있는 가능성을 연구하기 위해 만들어졌다. 인공 생물권에는 다음과 같은 지상 실험실이 포함된다.

시설명	위치	면적	비고
바이오스피어 2	미국 애리조나주	13000m²
BIOS-1, BIOS-2, BIOS-3	(구) 소련, 시베리아 크라스노야르스크 생물물리학 연구소		^[96]^[42]
바이오스피어 J	일본		CEEF (폐쇄 생태 실험 시설)^[97]^[98]^[43]^[44]
MELiSSA	바르셀로나 자치대학		미시생태적 생명유지 시스템 대안

1990년대에 미국 애리조나주에서 인공적인 폐쇄 생태계(생물권)를 구축하는 바이오스피어 2 실험이 진행되었다. 100년간 실험을 지속할 예정이었으나, 처음에는 2년간, 다음에는 6개월간의 실험 기간으로 종료되었다. 실험을 통해 대기 중 산소량의 예상치 못한 감소 등 다양한 학문적 지식이 얻어졌다. 이 실험을 통해 인공 생태계를 구축·유지하는 것이 매우 어렵다는 것을 알게 되었다. 이후 바이오스피어 2 시설은 애리조나 대학교에 매각되어 연구 활동에 이용되고 있다. 한국에서도 폐쇄 공간에서의 장기간 체류 실험이 시도되고 있다^[59].

5. 외계 생물권

현재까지 지구 외 다른 행성에서 생물권은 발견되지 않았으나, 외계 생물권 존재 가능성은 여전히 가설로 남아있다. 희귀한 지구 가설은 외계 생물권이 매우 드물 것이라고 주장하지만, 미생물로만 구성된 것은 예외로 한다.^[99] 반면에, 많은 외계 행성의 발견으로 적어도 우리 은하수에는 지구형 행성에 생물권이 존재할 가능성이 제기되고 있다.^[100] TRAPPIST-1의 궤도를 도는 행성 중 세 개는 생물권을 포함할 수 있다.^[101] 생명의 기원에 대한 제한된 이해로 볼 때, 이 행성들 중 몇 퍼센트가 실제로 생물권을 발달시키는지 현재 알려져 있지 않다.

케플러 우주망원경 팀의 관측에 따르면 생물발생 확률이 1/1000보다 높을 경우 외계 생물권은 지구에서 100광년 이내에 있어야 한다는 계산 결과도 있다.^[102]

미래에는 예를 들어 화성의 테라포밍과 같이 인공 생물권이 다른 행성에 만들어질 가능성도 있다.^[103]

6. 그림자 생물권

DNA 대신 RNA를 유전 물질로 사용하는 생물(특히 미생물) 등, 인류가 이해하는 생명체와는 다른 메커니즘으로 이루어져 있다고 가정하는 가상의 생명체 집단을 '그림자 생물권'이라고 부른다.^[60]^[61] 메커니즘이 근본적으로 다르기 때문에, 인류에게는 생명체로 인식되지 않을 가능성이 있다는 의미에서 '그림자'라고 불린다. 우리가 아는 일반적인 생물 검출에는 리보솜이라고 불리는 생물 고유의 물질 유무를 조사한다. 하지만 DNA를 사용하지 않는 생물은 우리가 아는 것과 같은 리보솜을 기반으로 하는 일반적인 생화학계를 가지고 있지 않을 것으로 예상되므로, 일반적인 방법으로는 검출되지 않을 가능성이 있다.^[62] RNA를 사용하는 가상의 생물은 RNA 세계 가설에 기반한 생명의 진화를 상정한다면, DNA 출현 이전의 태고의 생명(혹은 생명의 전 단계)의 자손이라고 생각할 수도 있다. 이 외에도, 일반적인 생명이 가지는 생화학과는 다른 '대체 생화학'에 대해 여러 가설이 제안되고 있다.^[62] 그러나 2021년 현재로서는 그림자 생물권의 존재를 시사하는 증거는 없다.

그림자 생물권이 지구상에 실제로 존재하는지 여부는 별개로 하고, 일반적인 생명과는 다른 생명의 이론적 검증이나 인공적 합성 시도는 합성생물학의 주요 테마 중 하나이기도 하다.^[63]

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생물권