생태계

3. 생태계의 구성 요소

생태계는 기본적으로 살아있는 유기체 간의 상호작용과 이들을 둘러싼 환경으로 구성된 체계이다.^[60] 생태계를 이루는 요소는 크게 생물적 요소와 비생물적 요소로 나눌 수 있다.
생물적 요소는 생태계 내에 존재하는 모든 살아있는 유기체를 의미한다. 여기에는 스스로 양분을 만드는 생산자(주로 식물), 다른 생물을 먹이로 삼는 소비자(동물 등), 그리고 생물의 사체나 배설물을 분해하는 분해자(미생물 등)가 포함된다.^[58] 이 생물들은 포식-피식, 경쟁, 공생 등 다양한 관계를 맺으며 서로 연결되어 있으며, 이러한 관계는 복잡한 먹이그물을 형성한다.^[59]
비생물적 요소는 생물이 살아가는 데 영향을 미치는 환경 요인을 말한다. 여기에는 기후(온도, 강수량 등), 빛, 물, 공기, 토양(모재, 무기염류 등), 지형 등이 포함된다.^{[6][12][7][8]} 이러한 비생물적 요소들은 생물의 종류와 분포, 그리고 생태계 전체의 에너지양 등을 결정하는 중요한 역할을 한다.

생태계 내에서는 생물적 요소와 비생물적 요소가 끊임없이 상호작용하며 에너지 흐름과 물질순환이 이루어진다. 예를 들어, 생산자는 비생물적 요소인 태양 에너지를 이용하여 유기물을 만들고, 이는 소비자와 분해자를 거치며 에너지가 전달되고 물질이 순환하는 기초가 된다.

3. 1. 생물적 구성 요소

• '''생식 먹이그물''' (grazing food web): 식물, 이를 먹는 초식동물, 그리고 초식동물을 먹는 육식동물과 같이 살아있는 생물을 기점으로 하는 먹이그물이다.
• '''부식 먹이그물''' (detrital food web): 생물의 사체나 배설물을 기점으로 미생물이 이를 이용하고, 다시 그 미생물을 다른 생물이 이용하는 먹이그물이다.

3. 2. 비생물적 구성 요소

4. 생태계의 기능

• 생산자: 주로 식물과 같이 광합성을 통해 스스로 양분을 만드는 생물이다. 이들은 태양 에너지를 화학 에너지로 전환하여 생태계 전체 에너지의 근원을 제공한다.^[13]
• 소비자: 다른 생물을 먹이로 삼아 에너지를 얻는 생물이다. 식물을 먹는 초식동물(1차 소비자), 초식동물을 먹는 육식동물(2차 소비자) 등이 있다.^[14][58]
• 분해자: 주로 미생물(세균, 균류)로, 죽은 생물체나 배설물 등의 유기물을 분해하여 무기물로 되돌려 보내는 역할을 한다.

4. 1. 에너지 흐름

• 먹이 사슬과 먹이 그물: 식물 → 초식동물 → 육식동물과 같이 에너지가 전달되는 단순한 경로를 먹이 사슬이라고 한다. 하지만 실제 생태계에서는 대부분의 생물이 여러 종류의 먹이를 먹고 여러 영양 단계에 속하기 때문에, 관계가 복잡하게 얽힌 먹이 그물 형태를 띤다.^[17][59] 실제 먹이 그물은 무작위적이지 않은 특정 네트워크 구조를 보이는 경우가 많다.^[17]
• 생식 먹이그물과 부식 먹이그물: 살아있는 식물에서 시작하는 에너지 흐름을 생식 먹이그물(grazing food web), 죽은 유기물이나 배설물에서 시작하여 분해자를 거치는 에너지 흐름을 부식 먹이그물(detrital food web)이라고 한다. 부식 먹이그물에서는 미생물(박테리아, 균류)이 유기물을 분해하고, 이 미생물을 미소동물(microbivore) 등이 먹으면서 에너지가 전달된다. 육상 생태계에서는 순 생산량의 대부분이 분해자를 통해 부식 먹이그물로 유입되며^[14], 수생 시스템에서는 초식동물이 식물 바이오매스를 소비하는 비율(생식 먹이그물)이 육상보다 훨씬 높다.^[14] 실제로는 두 먹이그물이 서로 연결되어 기능한다.

4. 2. 물질 순환

과거에는 질소 고정이 생태계 질소 공급의 주요 경로였다. 질소 고정 박테리아는 식물과 공생 관계를 맺거나 토양 속에서 독립적으로 살아간다. 질소 고정 공생체를 가진 식물은 상당한 에너지를 소모하는데, 이는 총 일차 생산량의 약 25%에 달할 수 있다. 콩과 식물의 다수가 질소 고정 공생체를 가지고 있다. 일부 시아노박테리아 역시 질소를 고정할 수 있는데, 이들은 광영양 생물로서 광합성을 수행하며 독립적으로 살거나 식물과 공생하기도 한다.^[24] 현대에는 화석 연료 연소로 인한 산성비, 농경지에서 비료 사용 후 증발하는 암모니아 가스, 그리고 먼지 등도 질소의 공급원이 된다.^[18] 특히 인간 활동에 의한 질소 유입량은 현재 생태계 전체 질소 흐름의 약 80%를 차지할 정도로 큰 비중을 차지한다.^[18]

식물 조직이 죽거나 동물에게 먹히면, 그 안의 질소는 동물이나 미생물이 이용할 수 있는 상태가 된다. 미생물은 죽은 유기물을 분해하여 질소 화합물을 토양으로 방출하고, 식물, 균류, 박테리아는 이 질소를 얻기 위해 경쟁한다. 일부 토양 박테리아는 유기 질소 화합물을 탄소원으로 사용하면서 암모늄(NH₄⁺) 이온을 토양에 내놓는데, 이 과정을 질소 무기화(ammonification)라고 한다. 다른 종류의 박테리아는 암모늄 이온을 아질산염(NO₂⁻)과 질산염(NO₃⁻) 이온으로 전환하는데, 이를 질산화(nitrification)라고 한다. 이 과정에서 일산화질소(NO)와 아산화질소(N₂O) 같은 기체도 생성된다.^[18] 질소가 풍부하고 산소가 부족한 환경에서는 질산염과 아질산염이 다시 질소 가스(N₂)로 전환되어 대기로 돌아가는데, 이 과정을 탈질(denitrification)이라고 한다.^[18]

식물 뿌리와 공생하는 균근 균류는 식물로부터 탄수화물을 공급받는 대신, 토양 속 인과 질소 화합물을 흡수하여 식물 뿌리로 전달하는 중요한 역할을 한다.^[29][30] 이는 죽은 유기물에 있던 질소가 다시 식물에게 흡수되는 중요한 경로이며, 전 지구적으로 연간 70Tg 이상의 식물 질소 흡수에 기여하며 영양 순환과 생태계 기능 유지에 핵심적인 역할을 한다.^[30]

인은 주로 암석의 풍화 작용을 통해 생태계로 유입된다. 따라서 생태계가 오래될수록 풍화로 인한 인 공급이 줄어들어, 특히 열대 지역처럼 오래된 토양 환경에서는 인 부족이 생태계를 제한하는 주요 요인이 되기도 한다.^[18] 칼슘과 황 역시 풍화 작용으로 생성되지만, 산성비는 많은 생태계에서 황의 중요한 공급원이 되기도 한다. 마그네슘과 망간은 풍화 작용 외에도 토양 유기물과 살아있는 세포 사이의 교환을 통해 순환하는 양이 상당하다. 칼륨은 주로 살아있는 세포와 토양 유기물 사이를 순환한다.^[18]

생태계의 생물 구성원은 크게 생산자(주로 식물), 소비자(동물 등), 분해자(미생물 등)로 나눌 수 있다. 생산자는 태양 에너지를 이용하여 유기물을 합성하고, 소비자는 이를 섭취하여 에너지를 얻는다.^[58] 생물의 사체나 배설물 등은 주로 분해자에 의해 분해되고, 이 분해 과정에서 생성된 물질이나 분해자 자체를 다른 생물이 이용하기도 한다. 이러한 과정을 통해 생산자가 고정한 에너지는 여러 생물 단계를 거치며 소비되고, 생물체를 구성했던 물질은 다시 무기물 형태로 돌아가 식물이나 미생물에 의해 재흡수된다. 이것을 물질 순환이라고 한다.

생물들 사이의 포식-피식 관계, 경쟁, 공생, 기생 등 다양한 상호작용은 복잡한 그물 구조를 이루는데, 이를 먹이그물이라고 부른다.^[59] 먹이그물은 크게 살아있는 식물을 시작점으로 하는 생식 먹이그물(grazing food web)과 생물의 사체나 배설물을 시작점으로 하는 부식 먹이그물(detrital food web)로 나눌 수 있다. 부식 먹이그물에서는 미생물이 유기물을 분해하고, 다른 생물들이 이 미생물이나 분해 산물을 이용한다. 실제 생태계에서는 이 두 먹이그물이 서로 연결되어 상호작용한다.

먹이그물 내에서 에너지가 전달되는 단계를 영양단계(trophic level)라고 한다. 생산자(식물)가 1차 영양단계, 초식동물이 2차 영양단계(1차 소비자), 육식동물이 3차 이상의 영양단계(2차 이상 소비자)를 차지한다. 분해자 역시 유기물을 분해하며 영양단계에 참여한다. 일반적으로 영양단계가 높아질수록 개체 수가 줄어드는 경향을 보인다. 많은 종속 영양 생물은 여러 영양 단계를 거친다. 예를 들어, 인간은 쇠고기도 먹고 샐러드도 먹는다. 영양 단계 순서에 따라 생물의 포식, 피식 관계가 성립하는 것은 아니다.

각 원소의 순환 경로를 살펴보면, 탄소는 광합성을 통해 유기물로 고정된 후 먹이사슬을 따라 이동하고, 생물의 호흡을 통해 이산화탄소 형태로 대기나 물로 돌아간다. 또한 사체나 배설물 속 탄소는 분해자를 통해 순환한다. 이것들을 탄소 순환이라고 한다.

질소와 황을 중심으로 생각했을 경우, 탄소와는 약간 다른 순환 경로를 보인다. 특히 질소는 단백질 등 생체 분자의 필수 구성 원소이다. 동물은 질소 동화 능력이 낮아 식물이 합성한 유기 질소 화합물에 의존하며, 사용 후에는 무기 질소 형태로 배출한다. 식물은 토양의 무기 질소를 흡수하여 유기 질소 화합물을 합성할 수 있다. 대기 중에는 질소 가스(N₂)가 풍부하지만 대부분의 생물은 이를 직접 이용할 수 없으며, 낙뢰나 질소 고정 능력이 있는 미생물의 활동을 통해 암모니아(NH₃) 등 이용 가능한 형태로 전환되어야 생태계 내로 들어올 수 있다.

이처럼 물질은 생태계 내에서 순환하지만, 에너지는 한 방향으로 흐른다. 생명 활동에 사용된 에너지는 궁극적으로 태양 에너지(광합성)나 화학 에너지(화학 합성)에서 유래한다. 각 영양단계를 거치면서 에너지는 열에너지 형태로 소실되어 최종적으로 우주 공간으로 방출된다. 즉, 물질은 재활용되지만 에너지는 계속해서 외부에서 공급되어야 생태계가 유지될 수 있다.

4. 3. 분해

• 용탈: 물이 죽은 유기물을 통과하면서, 물에 녹는 성분들을 용해시켜 운반한다. 이러한 성분들은 토양 속 생물체에 흡수되거나, 광물질 토양과 반응하거나, 생태계 밖으로 이동하여 손실될 수 있다.^[18] 새로 떨어진 잎이나 죽은 동물은 설탕, 아미노산, 무기 영양소 등 물에 잘 녹는 성분을 많이 포함하고 있다. 용탈은 습한 환경에서 더 중요하게 작용한다.^[8]
• 단편화: 유기물을 더 작은 조각으로 부수어 미생물이 활동할 새로운 표면을 만드는 과정이다. 낙엽은 큐티클이나 나무껍질, 세포벽 등으로 보호되어 내부 물질 접근이 어려울 수 있고, 죽은 동물은 외골격으로 덮여 있을 수 있다. 단편화는 이러한 보호층을 파괴하여 미생물 분해 속도를 높인다.^[19] 동물들이 먹이를 찾거나 소화하는 과정, 동결-융해 순환이나 습윤-건조 반복 역시 죽은 물질을 분해하는 데 기여한다.^[19]
• 화학적 변화: 주로 세균과 균류에 의해 이루어진다. 특히 균류의 균사는 죽은 식물체의 단단한 외피를 분해하는 효소를 만들며, 리그닌 분해 효소를 통해 세포 내용물과 리그닌 속 질소에 접근한다. 균류는 균사망을 통해 탄소와 질소를 옮길 수 있어 특정 지역의 자원에만 의존하지 않는다.^[19]

• 온도: 미생물의 호흡 속도에 영향을 주어 온도가 높을수록 분해가 빨라진다. 또한 토양 수분량에도 영향을 미쳐 분해 속도를 조절한다. 특히 동결-융해 순환은 토양 미생물을 사멸시켜 용탈의 중요성을 높이며, 봄철 해빙기에 영양분 방출을 촉진할 수 있다.^[18]
• 수분 및 산소: 분해 속도는 매우 습하거나 매우 건조한 조건에서는 느리다. 산소가 충분한 습한 조건에서 가장 빠르다. 습지처럼 매우 습한 토양은 산소가 부족해져 미생물 성장을 억제한다. 건조한 토양에서도 분해는 느리지만, 식물이 살기 어려울 정도로 건조해도 세균은 느린 속도로 활동을 지속할 수 있다.^[19]

4. 4. 생태계의 역동성과 회복력

5. 다양한 생태계

생태계는 광대한 숲에서 작은 못에 이르기까지 매우 다양한 크기로 존재한다. 지구상에는 육상 생태계, 수생 생태계, 해양 생태계 등 여러 유형의 생태계가 있다.

각 생태계는 종종 사막이나 산지, 바다나 강과 같은 지리적인 장벽이나 외관상의 뚜렷한 차이에 의해 구분된다. 예를 들어, 일반적으로 숲 생태계, 하천 생태계, 해양 생태계 등으로 나누어 부른다.

하지만 이러한 경계는 절대적인 것이 아니며, 서로 다른 생태계가 섞이거나 영향을 주고받기도 한다. 못이나 늪처럼 외형적으로는 명확하게 구분되는 독립된 생태계처럼 보여도, 실제로는 많은 물질이 드나들고 여러 생물이 오가는 열린 시스템의 특징을 가지는 경우가 많다.

따라서 어떤 관점에서 보느냐에 따라 지구 전체를 하나의 거대한 생태계로 볼 수도 있고, 반대로 하나의 호수를 여러 개의 작은 생태계로 나누어 볼 수도 있다.

5. 1. 육상 생태계

• 농생태계
• 사막
• 숲
• 인간 생태계
• 프레리
• 우림 (예: 아마존)
• 사바나
• 스텝
• 타이가
• 툰드라
• 도시 생태계

5. 2. 수생 생태계

6. 생태계 연구 접근법

생태계를 이해하기 위한 연구는 여러 가지 접근법을 통해 이루어진다. 연구자들은 생태계 생태학의 관점에서 생태계의 구조와 기능을 밝히기 위해 다양한 방법을 사용한다. 여기에는 이론적 모델링, 장기적인 현장 관찰, 여러 생태계 간의 비교 분석, 그리고 환경 요인을 직접 조절해보는 실험적 연구 등이 포함된다.^[37] 또한, 실험실 환경에서 생태계를 축소하여 모사하는 미소 우주나 중간 우주와 같은 모델 시스템을 활용하기도 한다.^[38] 이러한 다양한 연구 방법들은 생태계의 복잡한 상호작용과 변화 과정을 이해하는 데 기여한다.

6. 1. 생태계 생태학

6. 2. 생태계 분류

7. 인간과 생태계의 상호작용

인간 활동은 거의 모든 생태계에서 중요한 역할을 한다. 인간은 생태계 내에서 존재하고 활동하며, 생태계는 인간에게 필요한 다양한 재화와 서비스의 원천이 된다.

생태 관광은 자연환경을 보존하면서 인간이 자연 속에서 즐거움을 얻도록 하는 긍정적인 상호작용의 예시로 볼 수 있다.

그러나 인간 활동의 누적된 효과는 기후와 같은 지구 전체 시스템에 영향을 미칠 만큼 크며, 이는 생태계에 부정적인 영향을 줄 수 있다.^[6]

7. 1. 생태계 재화와 서비스

7. 2. 생태계 파괴와 쇠퇴

7. 3. 생태계 관리

8. 생태계 유형

생태계는 서식 환경이나 특정 조건 등 다양한 기준에 따라 여러 유형으로 나눌 수 있다. 크게 물 환경을 기반으로 하는 수생 생태계와 육지 환경을 기반으로 하는 육상 생태계로 구분하며, 이 외에도 특정 조건이나 인간 활동의 영향을 받는 다양한 형태의 생태계가 존재한다.

8. 1. 수생 생태계

8. 2. 육상 생태계

• 농생태계
• 사막
• 숲
• 인간 생태계
• 프레리
• 우림
• 사바나
• 스텝
• 타이가
• 툰드라
• 도시 생태계
• 아마존

8. 3. 조건별 생태계

• 농생태계
• 수생 생태계
• 산호초
• 사막
• 숲
• 인간 생태계
• 해양 생태계
• 연못 생태계
• 프레리
• 우림
• 사바나
• 스텝
• 타이가
• 툰드라
• 도시 생태계
• 아마존

9. 생태계 사례

세계 특정 지역의 생태계 사례는 다음과 같다.

• 그레이터 옐로스톤 생태계
• 르저 생태계
• 긴잎소나무 생태계
• 타랑기레 생태계

참조

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