생태 피라미드
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1. 개요
생태 피라미드는 생태계의 각 영양 단계에 있는 생물의 양을 나타내는 도구이다. 에너지, 생물량, 개체 수의 세 가지 유형으로 분류된다. 에너지 피라미드는 각 영양 단계에서 에너지의 흐름을, 생물량 피라미드는 각 단계의 생물량을, 개체 수 피라미드는 각 단계의 개체 수를 나타낸다. 이러한 피라미드는 생태계의 건강과 먹이 사슬의 관계를 이해하는 데 도움을 준다.
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| 생태 피라미드 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 설명 | 생태계 내에서 생물량 또는 생물 생산성을 나타내는 그래프 표현 |
| 종류 | |
| 엘튼 피라미드 | 먹이 사슬에서 영양 수준을 나타내는 도표 |
| 개체수 피라미드 | 각 영양 수준에서 개체수를 나타내는 도표 |
| 생물량 피라미드 | 각 영양 수준에서 생물량을 나타내는 도표 |
| 생산량 피라미드 | 각 영양 수준에서 생산 속도를 나타내는 도표 |
2. 생태 피라미드의 분류
생태 피라미드는 에너지 피라미드, 생체량 피라미드, 개체수 피라미드로 분류할 수 있다.[9][10][11]
- 에너지 피라미드: 각 영양 단계에서 생물량 생산 또는 순환을 나타내며, 생산성을 통해 에너지가 먹이 사슬을 따라 흐르는 것을 보여준다. 에너지 흐름은 항상 위로 갈수록 줄어드는 정삼각형 모양이다.
- 생체량 피라미드: 특정 시점에 각 영양 단계에 존재하는 생물량을 나타낸다. 식물플랑크톤처럼 빠르게 번식하지만 수명이 짧은 경우 현존량이 종속영양생물보다 적어 역전될 수 있다.
- 개체수 피라미드: 먹이 사슬 각 단계에 관여하는 개체 수를 나타낸다. 숲처럼 생산자보다 1차 소비자 수가 더 많은 경우 역전될 수 있다.
일반적으로 낮은 영양 단계일수록 생물량이 많다. 상위 단계 생물은 하위 단계 생물을 먹고, 섭취 에너지 일부만 성장에 쓰이기 때문이다. 최상위 포식자 생존은 생산자 생산량에 영향을 받는다. 생산량 감소는 최상위 소비자 개체 수 감소나 멸종을 유발할 수 있다. 코끼리나 고래 같은 초대형 동물이 먹이 사슬 하위에 있는 이유는 몸집 유지에 많은 먹이가 필요하기 때문이다.
생물량을 나타낼 때 보통 현존량(특정 시점 생물 총량)을 쓰지만, 성장 속도가 빠른 식물 플랑크톤은 현존량이 적어도 생산성이 높아 상위 영양 단계를 지탱할 수 있어 피라미드가 역전될 수 있다.
2. 1. 에너지 피라미드
생태계를 에너지적 관점으로 볼 때, 열역학 제1법칙과 열역학 제2법칙이 중요하다. 열역학 제1법칙은 에너지가 생성되거나 소멸되지 않는다는 것이고, 열역학 제2법칙은 에너지가 전환될 때 일부가 열로 방출된다는 것이다.[1] 이 법칙들은 생태계 내에서 에너지가 한 영양 단계에서 다음 단계로 이동할 때 에너지양이 감소하고 주변 열이 증가하는 현상을 설명한다.에너지 측정은 특정 영양 단계의 생물을 채집해 태우거나, 생산자의 광합성과 호흡률을 측정하는 방식으로 이루어진다. 에너지 피라미드는 생태계에서 에너지가 한 방향으로 흐르는 것을 나타내며, 각 영양 단계별 에너지를 보여준다. 개체 수나 생체량 피라미드와 달리 항상 삼각형 모양이다.[2] 영양 단계가 오를수록 개체 크기는 커지고 에너지 이동량은 감소하지만, 에너지 효율은 증가한다.
일반적으로 낮은 영양 단계일수록 더 많은 생물량이 존재한다. 상위 영양 단계 생물은 하위 단계 생물을 먹고, 섭취 에너지 일부만 성장에 사용되기 때문이다. 따라서 상위 단계 생물은 하위 단계 생물 성장량 이상을 먹을 수 없어, 단계가 오를수록 먹을 수 있는 양이 줄어든다.
최상위 포식자 생존은 생산자 생산량에 영향을 받는다. 생산량 감소는 최상위 소비자 개체 수 감소나 멸종을 유발할 수 있다. 코끼리, 고래 같은 초대형 동물이 먹이 사슬 하위에 있는 이유는 몸집 유지에 많은 먹이가 필요하기 때문이다.
2. 1. 1. 에너지 피라미드의 장단점
에너지 피라미드는 각 영양 단계에서 생물량의 생산 또는 순환(에너지나 질량이 한 영양 단계에서 다음 영양 단계로 전달되는 비율)을 보여준다. 생산성 피라미드는 생산성을 통해 에너지가 먹이 사슬을 따라 흐르는 것을 보여주며, 일반적인 단위는 제곱미터당 연간 그램(g/m²/yr) 또는 제곱미터당 연간 칼로리(kcal/m²/yr)이다. 다른 피라미드와 마찬가지로 이 그래프는 하단에 생산자를, 상단에 높은 영양 단계를 보여준다.[1]건강한 생태계에서는 하위 영양 단계의 에너지가 상위 영양 단계의 에너지보다 많아야 한다. 이를 통해 하위 단계의 생물들은 안정적인 개체군을 유지할 뿐만 아니라 피라미드 위로 에너지를 전달할 수 있다. 예외는 먹이 그물의 일부가 지역 군집 외부의 자원 유입에 의해 지원될 때이다. 예를 들어 작은 숲이 우거진 개울에서는 상위 단계의 양이 지역 1차 생산으로 지원될 수 있는 양보다 더 클 수 있다.[2]
에너지는 일반적으로 태양으로부터 생태계로 들어오며, 생산자는 태양 복사를 사용하여 광합성을 통해 먹이를 생산한다. 그러나 태양 복사의 대부분 파장은 광합성에 사용될 수 없으므로, 우주로 반사되거나 다른 곳에서 흡수되어 열로 변환된다. 태양 에너지의 1~2%만이 광합성 과정에 의해 흡수되어 먹이로 전환된다. 에너지가 상위 영양 단계로 전달될 때, 평균적으로 약 10%만이 각 단계에서 생물량을 구축하는 데 사용되며 저장 에너지가 된다. 나머지는 성장, 호흡 및 번식과 같은 신진대사 과정에 사용된다.
'''에너지 피라미드의 장점'''
- 일정 기간 동안의 생산 속도를 고려한다.
- 비슷한 생물량을 가진 두 종은 매우 다른 수명을 가질 수 있다. 따라서 총 생물량을 직접 비교하는 것은 오해의 소지가 있지만, 생산성은 직접 비교할 수 있다.
- 에너지 피라미드를 사용하여 생태계 내의 상대적 에너지 사슬을 비교할 수 있으며, 다른 생태계를 비교할 수도 있다.
- 역 피라미드는 없다.
- 태양 에너지의 유입을 추가할 수 있다.
'''에너지 피라미드의 단점'''
- 시간에 따른 성장과 번식을 측정하는 것을 포함하여 유기체의 생물량 생산 속도가 필요하다.
- 여전히 유기체를 특정 영양 단계에 할당하는 데 어려움이 있다. 먹이 사슬의 유기체뿐만 아니라 분해자와 쇄설물 먹이 생물을 특정 단계에 할당하는 문제도 있다.
2. 2. 개체수 피라미드
생태계를 구성하는 생물 군집에서 영양 단계별로 1차 소비자, 2차 소비자 순으로 쌓으면, 상위 소비자로 갈수록 그 수가 적어져 피라미드 모양이 된다. 1차 소비자 아래에 생산자를 놓아도, 생산자가 1차 소비자보다 몸의 크기가 작을 경우 역시 피라미드 모양이 된다. 이것을 '개체수 피라미드'라고 한다. 개체수 피라미드는 연못 속의 '식물 플랑크톤→동물 플랑크톤→물고기'와 같은 먹이 사슬의 예에서 관찰할 수 있다. 그러나 이 개체수 피라미드는 경우에 따라 모양이 달라진다.
개체 수 피라미드는 먹이 사슬의 각 단계에 관여하는 개체 수 측면에서 개체군 또는 풍부도를 그래프로 표시한다. 이는 각 영양 단계의 유기체 수를 개별 크기 또는 생물량을 고려하지 않고 보여준다. 피라미드는 반드시 정상일 필요는 없다. 예를 들어, 딱정벌레가 숲 나무의 산출물을 먹거나 기생충이 큰 숙주 동물을 먹는 경우 역전된다.
2. 3. 생체량 피라미드
피식자와 포식자의 관계에서 피식자가 포식자에게 먹히더라도 생태계의 평형을 위해서는 개체의 수적인 증가가 계속되어야 한다. 따라서 피식량(被食量)이 중요하게 여겨진다. 예를 들면, 사자가 성숙한 영양 한 마리를 먹는 것과 갓 태어난 작은 영양 한 마리를 먹는 것은 섭취량이 다르다. 여기서 생각할 수 있는 것이 생물량이라는 개념이다. 생물량은 생체량이라고도 하며, 단위 면적 내의 생물체의 중량을 영양 단계별로 조사하여 차례로 쌓아가면 보통 피라미드 모양이 되므로, 이것을 '생물량 피라미드' 또는 '생체량 피라미드'라고 한다.
생물량 피라미드는 특정 시점의 생태계에서 각 영양 단계에 존재하는 생물량을 정량화하여 생물량과 영양 단계 간의 관계를 보여주는 그래프이다. 이는 생태계의 단위 면적에 존재하는 생물량(생태계 내 생물 또는 유기물의 총량)을 각 영양 단계별로 나타낸 것이다. 일반적인 단위는 제곱미터당 그램(g/m2) 또는 제곱미터당 칼로리(cal/m2)이다.
생물량 피라미드는 "역전된" 모양일 수 있다. 예를 들어, 연못 생태계에서 주요 생산자인 식물플랑크톤의 현존량은 어류나 곤충과 같은 종속영양생물의 질량보다 어느 시점에서든 더 낮을 수 있다. 이는 식물플랑크톤이 매우 빠르게 번식하지만 개체의 수명이 훨씬 짧기 때문이다.
어떤 생태계에 서식하는 생물량을 조사하면, 일반적으로 영양 단계가 낮을수록 그 양이 많다. 상위 영양 단계의 생물은 하위 영양 단계의 생물을 먹고, 먹은 것은 소화 후 체내에 흡수된다. 흡수된 것 중 상당 부분은 호흡에 소비되고, 나머지가 몸을 만드는 재료가 된다. 즉, 성장량은 동화량 중 호흡에 소비되지 않은 부분만큼이다. 또한, 상위 단계의 생물은 하위 단계의 생물을 먹어 치우면 자신의 생존이 유지될 수 없으므로, 하위 단계의 생물의 성장량 이상을 먹을 수는 없다. 즉, 단계가 올라갈수록 먹을 수 있는 양은 급격히 줄어든다.
단계가 올라갈수록 생물의 몸집이 커지는 것이 일반적이다. 최상위 단계에서는 생물량이 적어야 하며, 동시에 큰 몸집의 생물이므로, 전 단계의 생물량이 적으면 생존할 수 없을 가능성이 있다. 이것은 고차 소비자의 생존은 생산자의 생산량에 지배된다고도 할 수 있다.
생산자의 생산량이 크지 않으면 최상위 소비자의 생존이 불가능하다. 최상위 소비자는 몸집이 크고 개체수가 적으므로, 생산량의 약간의 감소라도 그것이 개체수의 큰 감소로 이어지고, 나아가 멸종의 확률을 크게 높일 가능성이 있다고 생각된다.
현생 초대형 동물, 예를 들어 육상에서는 코끼리, 해양에서는 고래, 특히 수염고래가 모두 먹이 사슬에서 매우 낮은 위치에 있는 것도 여기서 설명할 수 있다. 거대한 몸집을 유지하려면 많은 먹이가 필요하므로, 먹이 사슬의 매우 낮은 단계의 것을 대량으로 섭취할 수밖에 없는 것이다.
각 단계의 생물량을 무엇으로 나타낼지는 약간 문제가 된다. 일반적으로는 현존량, 즉 그 시점에 그곳에 생존하고 있는 생물의 총량(대개는 건조 중량)이지만, 이 방법에서는 피라미드가 역전되는 경우가 있다. 예를 들어, 크고 성장이 느린 동물이 작고 성장이 빠른 식물 플랑크톤을 먹는 경우이다. 식물 플랑크톤의 현존량이 적더라도, 성장이 빠르기 때문에 먹힌 양을 단시간에 회복할 수 있다. 이러한 경우, 현존량이 아니라 시간당 성장량과 같은 값을 사용하면 피라미드의 역전을 해소할 수 있다. 그래도 역전되는 경우에는 그 군집에서는 생산자가 소비자를 유지할 수 없다는 것을 의미한다. 그대로의 상태에서는, 머지않아 고차 소비자가 아래 단계의 것을 먹어 치울 것으로 예상된다. 이러한 상황은, 흔히 고차 소비자가 다른 지역에서 일시적으로 유입됨으로써 발생한다.
3. 생태 피라미드의 관련 문제
각 단계의 생물량을 무엇으로 나타낼지에 대한 문제가 있다. 일반적으로는 특정 시점에 존재하는 생물의 총량인 현존량(주로 건조 중량)을 사용하지만, 이 경우 피라미드가 역전될 수 있다.[1] 예를 들어 크고 성장이 느린 동물이 작고 성장이 빠른 식물 플랑크톤을 먹는 경우, 식물 플랑크톤의 현존량은 적지만 빠른 성장 속도로 인해 먹힌 양을 단시간에 회복할 수 있다.
이러한 경우, 현존량 대신 시간당 성장량과 같은 값을 사용하면 피라미드의 역전을 해결할 수 있다.[1] 그럼에도 역전이 발생한다면, 해당 군집에서 생산자가 소비자를 유지할 수 없음을 의미한다. 이러한 상황은 고차 소비자가 다른 지역에서 일시적으로 유입될 때 흔히 발생하며, 결국 고차 소비자가 아래 단계의 생물을 모두 먹어 치울 수 있다.[1]
4. 고차 소비자와 생태 피라미드
어떤 생태계에 서식하는 생물량을 조사하면, 일반적으로 영양 단계가 낮을수록 그 양이 많다. 이는 상위 영양 단계의 생물이 하위 영양 단계의 생물을 먹기 때문이다. 먹은 것은 소화 후 체내에 흡수된다. 흡수된 것 중 상당 부분은 호흡에 소비되고, 나머지가 몸을 만드는 재료가 된다. 즉, 성장량은 동화량 중 호흡에 소비되지 않은 부분만큼이다. 또한, 상위 단계의 생물은 하위 단계의 생물을 모두 먹어 치우면 자신의 생존이 유지될 수 없으므로, 하위 단계의 생물의 성장량 이상을 먹을 수는 없다. 따라서 단계가 올라갈수록 먹을 수 있는 양은 급격히 줄어든다.
일반적으로 단계가 올라갈수록 생물의 몸집이 커진다. 최상위 단계에서는 생물량이 적어야 하며, 동시에 큰 몸집의 생물이므로, 전 단계의 생물량이 적으면 생존할 수 없을 가능성이 있다. 이것은 고차 소비자의 생존은 생산자의 생산량에 지배된다고도 할 수 있다.
생산자의 생산량이 크지 않으면 최상위 소비자의 생존이 불가능하다. 최상위 소비자는 몸집이 크고 개체수가 적으므로, 생산량의 약간의 감소라도 그것이 개체수의 큰 감소로 이어지고, 나아가 멸종될 확률을 크게 높일 가능성이 있다.
현생 초대형 동물, 예를 들어 육상에서는 코끼리, 해양에서는 고래, 특히 수염고래가 모두 먹이 사슬에서 매우 낮은 위치에 있는 것도 여기서 설명할 수 있다. 거대한 몸집을 유지하려면 많은 먹이가 필요하므로, 먹이 사슬의 매우 낮은 단계에 있는 것을 대량으로 섭취할 수밖에 없는 것이다.
참조
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웹사이트
Efficiency of solar energy utilization
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논문
Primary production required to sustain global fisheries
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Ecosystem ecology: size-based constraints on the pyramids of life
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