먹이 사슬

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1. 개요
2. 역사
3. 먹이 사슬과 먹이 그물
4. 영양 단계
5. 먹이 사슬의 길이
6. 핵심종
7. 한국 생태계의 먹이 사슬 예시
8. 생물 농축
9. 추가 정보
참조

1. 개요

먹이 사슬은 생태계 내에서 생물이 다른 생물을 먹고 먹히는 관계를 통해 에너지와 물질이 전달되는 과정을 의미한다. 10세기 아랍 철학자 알 자히즈에 의해 처음 논의되었으며, 찰스 서덜랜드 엘튼에 의해 현대적 개념이 도입되었다. 먹이 사슬은 에너지 전달의 선형적 경로를 나타내는 반면, 먹이 그물은 먹이 사슬 간의 상호 연결을 통해 비선형적 경로를 보여준다. 먹이 사슬은 생산자, 소비자, 분해자의 세 가지 영양 단계로 구성되며, 생태 피라미드 형태로 나타난다. 먹이 사슬의 길이는 영양 단계 수를 의미하며, 에너지 전달 효율에 영향을 미친다. 핵심종은 생태계의 균형을 유지하는 데 중요한 역할을 하며, 생물 농축은 먹이 사슬을 통해 유해 물질의 농도가 높아지는 현상을 말한다.

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생태학 - 생물 다양성
생물 다양성은 특정 지역 내 유전자, 종, 생태계의 총체로서, 종 내, 종 간, 생태계의 다양성을 포함하는 개념이며, 식량, 의약품, 산업 원료 등 다양한 자원을 제공하고 생태계 서비스 및 문화적 가치를 지니지만, 최근 인간 활동으로 인해 급격히 감소하고 있어 보전 노력이 필요하다.
생태학 - 먹이 그물
먹이 그물은 생태계 내 생물 간의 복잡한 먹이 관계를 나타내는 연결망으로, 생태학자들은 이를 통해 생산자와 소비자 간의 에너지와 영양소 흐름을 추적하며, 먹이사슬과 영양 단계, 생태 피라미드 개념과 관련되어 생태계의 구조와 기능을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.

먹이 사슬
개요
먹이 사슬의 예시
정의	생태계 내에서 생물 간의 먹고 먹히는 관계를 나타내는 선형적인 연결 고리
구성 요소	생산자 소비자 (1차, 2차, 3차...) 분해자
유형
먹이 사슬의 종류	섭식 먹이 사슬: 살아있는 생물을 먹는 관계 부식 먹이 사슬: 죽은 유기물을 먹는 관계
먹이 그물	먹이 사슬들이 복잡하게 얽혀 있는 생태계 내의 먹고 먹히는 관계망
에너지 흐름
에너지 전달 효율	일반적으로 10% 정도의 에너지만 다음 단계로 전달됨
에너지 손실	호흡, 배설, 열 발생 등을 통해 에너지 손실 발생
생태학적 중요성
생물 다양성 유지	생태계 내 종의 다양성을 유지하는 데 기여
물질 순환	생태계 내 물질 순환에 중요한 역할
생태계 안정성	먹이 사슬의 복잡성은 생태계 안정성에 기여
인간과의 관계
농업 생태계	농작물과 해충 간의 먹이 사슬 관계
환경 오염	오염 물질이 먹이 사슬을 통해 생물 농축될 수 있음
생태계 보전	건강한 먹이 사슬 유지는 생태계 보전에 필수적

2. 역사

먹이 사슬 개념은 10세기 아랍 철학자 알 자히즈에 의해 처음 논의되었다.^[3] 먹이 사슬과 먹이 그물의 현대적 개념은 찰스 서덜랜드 엘튼에 의해 도입되었다.^[4]^[5]^[6]

3. 먹이 사슬과 먹이 그물

먹이 사슬은 에너지 전달의 선형적 경로를 나타낸다. 예를 들어 풀 → 메뚜기 → 뱀 → 매와 같이 먹고 먹히는 관계를 따라간다. 반면 먹이 그물은 먹이 사슬 간의 상호 연결된, 비선형적 관계를 나타내며, 실제 생태계의 복잡성을 더 잘 반영한다.^[7]

먹이 사슬의 기초는 일반적으로 1차 생산자로 구성된다. 1차 생산자는 햇빛이나 무기 화학 화합물에서 에너지를 얻어 복잡한 유기 화합물을 생성한다. 예를 들어, 화학합성 세균과 고세균은 열수 분출공과 냉해구에서 황화 수소와 메탄을 에너지원으로 사용한다.^[8] 이들은 햇빛이 거의 없는 지역의 먹이 사슬의 기초를 형성한다.^[9]

상위 영양 단계에는 소비자(2차 소비자, 3차 소비자 등)가 있다. 소비자는 다른 유기체를 먹는 유기체이다. 먹이 사슬의 모든 유기체는 첫 번째 유기체를 제외하고 소비자이다. 2차 소비자는 1차 소비자를 먹고, 3차 소비자는 2차 소비자를 먹는 식이다. 최상위 영양 단계는 일반적으로 최상위 포식자이다.

어떤 영양 단계가 죽으면 부식자와 분해자가 그들의 유기 물질을 에너지로 소비하고, 그들의 폐기물에서 영양소를 환경으로 배출한다.

육상의 생물에는 풀잎(억새)을 메뚜기가 먹고, 메뚜기를 사마귀가 먹고, 사마귀를 작은새가 먹고, 작은새를 매가 먹는 것과 같은 연결이 있다. 해중에서도 마찬가지로, 예를 들어 식물 플랑크톤 → 동물 플랑크톤 → 멸치 → 오징어 → 바다사자 → 범고래 등의 연결이 있다.

이처럼, 먹고 먹히는 관계를 '''먹이 사슬'''이라고 한다. 일반적으로 먹이 사슬에서 하위 단계일수록 생물량이 많은 경향이 있으며, 이를 생태 피라미드라고 한다.

현실에서는 여러 종의 먹이를 먹는 동물은 드물지 않으며, 또한, 여러 종에게 먹히는 경우도 당연히 있을 수 있으므로, 이것들을 고려하면 복잡한 그물을 그릴 수 있다. 이것을 '''먹이 그물(Food web)'''이라고 한다. 군집 생태학에서는 먹이 사슬은 역사적인 술어가 되어가고 있으며, 먹이 그물로서의 개념이 보다 현실적인 것으로서 중요시되고 있다.

기생자와 숙주의 관계를, 기생자가 숙주로부터 영양을 섭취하는 것으로 본다면, 기생 관계에 의한 먹이 사슬을 생각할 수 있다. 예를 들어, 식물을 애벌레가 먹고, 애벌레에 기생벌이 침투하고, 기생벌에 중기생하는 기생벌이 침투하고, 중기생하는 기생벌 체내에 세균이 들어가는 것을 생각할 수 있다.

부식 연쇄는 수중 생태계에서도, 식물 유체가 대량으로 흘러 들어오는 갯벌이나 맹그로브 숲, 거머리말 밭 등에서 매우 중요한 역할을 하고 있다.

먹이 사슬에서 육식 동물의 관계가 복잡할수록, 중간 포식자나 외래종의 폭주를 억제할 수 있다.^[23]

4. 영양 단계

먹이 사슬은 생산자, 소비자, 분해자라는 세 가지 주요 영양 단계로 구성된다.

'''생산자(Producers):''' 식물처럼 광합성이나 화학합성을 통해 스스로 에너지를 생산하는 생물이다. 소나무, 벼 등이 그 예이다. 생산자는 햇빛 또는 무기 화학 화합물에서 에너지를 얻어 전분과 같은 복잡한 유기 화합물을 만든다.^[7] 열수 분출공 주변에서는 화학합성 세균과 고세균이 황화 수소와 메탄을 에너지원으로 사용하여 탄수화물을 생산하는데, 이는 햇빛이 없는 곳에서도 먹이 사슬이 형성될 수 있음을 보여준다.^[8]
'''소비자(Consumers):''' 다른 생물을 먹이로 섭취하여 에너지를 얻는 생물이다. 1차 소비자는 생산자를 먹고, 2차 소비자는 1차 소비자를 먹는 방식으로 에너지를 얻는다. 먹이 사슬의 최상위에는 자연적인 포식자가 없는 최상위 포식자가 위치한다.
'''분해자(Decomposers):''' 죽은 생물이나 배설물을 분해하여 무기물로 되돌리는 생물이다. 버섯, 세균 등이 대표적이다. 분해자는 유기 화합물을 토양으로 돌아가는 단순 영양소로 분해하며, 이는 식물이 유기 화합물을 생성하는 데 필요한 영양소가 된다. 현재까지 100,000종 이상의 분해자가 존재하는 것으로 추정된다.

5. 먹이 사슬의 길이

먹이 사슬의 길이는 에너지 전달을 측정하는 연속적인 변수이며, 최저 영양 단계에서 최고 영양 단계로 연결이 증가함에 따라 나타나는 생태학적 구조의 지표이다.^[11] 가장 단순한 형태에서, 사슬의 길이는 영양 소비자와 먹이 그물 기저 사이의 연결 고리 수이다. 전체 먹이 그물의 평균 사슬 길이는 먹이 그물 내 모든 사슬 길이의 산술 평균이다.^[13]

생태학자들은 먹이 사슬 길이와 관련된 생태학적 패턴의 본질에 대한 가설을 세우고 검증해왔다. 예를 들어 생태계 부피에 따라 길이가 증가하고,^[15] 각 단계에서 에너지 감소에 의해 제한되며,^[16] 서식지 유형을 반영한다는 것이다.^[17]

먹이 사슬 길이는 영양 단계가 증가함에 따라 전달되는 에너지양이 감소하기 때문에 중요하다. 일반적으로 한 영양 단계의 총 에너지 중 약 10%만이 다음 단계로 전달되며, 나머지는 신진대사 과정에 사용된다.^[18] 따라서 먹이 사슬에는 일반적으로 5개 이상의 영양 단계가 없다.^[18] 인간은 잡식성이므로 다양한 영양 단계에 위치할 수 있으며, 식물성 식품을 더 많이 섭취하면 더 많은 에너지를 얻을 수 있다.^[19]^[2] 예를 들어, 상추를 먹은 동물보다 샐러드를 섭취하면 파운드당 더 많은 에너지를 얻을 수 있다.

6. 핵심종

핵심종은 같은 생태계 내의 다른 종이나 생태계 전체가 의존하는 단일 종이다. 핵심종은 생태계에 매우 중요하기 때문에 핵심종이 없으면 생태계가 변형되거나 완전히 존재하지 않을 수 있다.^[20] 핵심종이 생태계에 영향을 미치는 한 가지 방법은 생태계의 먹이 그물, 더 나아가 해당 생태계 내의 먹이 사슬에 핵심종이 존재하기 때문이다.^[21]

태평양 연안 지역의 핵심종인 수달은 성게를 잡아먹는다.^[22] 수달이 없으면 성게는 켈프 개체군을 파괴적으로 포식하여 북태평양 지역의 연안 생태계가 감소하는 원인이 된다.^[22] 수달이 존재하면 성게 개체수를 조절하고 다른 생태계 내 종에 필수적인 켈프 숲을 유지하는 데 도움이 된다.^[20]

7. 한국 생태계의 먹이 사슬 예시

농촌 생태계: 쌀, 콩, 배추/무 등의 농작물 → 소, 돼지 등의 가축 → 사람
산림 생태계: 산딸기, 도토리 등의 식물 → 멧돼지, 다람쥐, 청설모 등의 초식동물 → 삵, 담비, 여우 (여우는 멸종위기종) 등의 육식동물 → 호랑이, 표범 (호랑이와 표범은 남한에서 멸종) 등의 최상위 포식자
하천 생태계: 수생식물, 해캄과 같은 조류 → 우렁이, 다슬기, 미꾸라지 → 왜가리, 황새 (황새는 멸종위기종), 수달 (수달은 천연기념물)

8. 생물 농축

생물 농축은 먹이 사슬을 통해 중금속, 농약, 다이옥신류^[24] 등의 유해 물질이 상위 영양 단계로 이동하면서 농도가 높아지는 현상이다. 도코사헥사엔산, 복어 독, 조개독 등은 미생물이 합성한 물질이 먹이 사슬을 거치며 농축된 것이다.

레이첼 카슨의 저서 《침묵의 봄》은 생물 농축의 위험성을 널리 알렸다. 오염 물질 배출원이 제거된 후에도 토양이나 호소의 저질에 축적된 오염 물질은 먹이 사슬을 통해 농축되어 장기간 노출될 수 있다.

9. 추가 정보

생물은 동종, 타종을 불문하고 다양한 형태로 자신 이외의 생물 개체를 이용하며 살아간다. 그중 가장 전형적으로 보이는 이용법은 타자 포식이다. 먹고 먹히는 관계를 따라가다 보면, 어떤 일정 장소의 생물 간에 하나의 사슬 형태의 관계를 발견할 수 있는데, 이것을 하나의 연결된 사슬로 추출했을 때, '''먹이 사슬'''이라고 부른다.

현실에서는 여러 종의 먹이를 먹는 동물은 드물지 않으며, 여러 종에게 먹히는 경우도 당연히 있을 수 있으므로, 이것들을 고려하면 먹고 먹히는 관계가 뒤섞인 복잡한 그물, 즉 '''먹이 그물(Food web)'''을 그릴 수 있다.

생물은 영양 공급 형태로 먹고 먹히는 형태만 있는 것은 아니다. 다양한 형태가 있으며, 이를 고려하면 또 다른 먹이 사슬을 생각할 수 있다. 기생자와 숙주의 관계를, 기생자가 숙주로부터 영양을 섭취하는 것으로 본다면, 기생 관계에 의한 먹이 사슬도 생각할 수 있다.

먹이 사슬에서 육식 동물의 관계가 복잡할수록, 중간 포식자나 외래종의 폭주를 억제할 수 있다.^[23]

이들은 생물 간의 연결과 동시에 에너지, 탄소, 질소, 인 등의 물질 연결이기도 하다. 물질이나 에너지가 차례로 전달되는 모습에서 "연쇄"로 표현된다.

특정 구역 생물의 먹이 사슬을 살펴보면, 모든 생물 에너지는 근원을 거슬러 올라가면 광합성에 의존하고 있다. 그리고 그것을 이용하는 것에, 광합성을 하는 것, 그것을 먹는 것, 더 나아가 그것을 먹는 것과 같은 단계가 있다는 것을 알 수 있다. 이것을 영양 단계라고 부른다.

생산자와 몇몇 단계의 소비자, 그리고 분해자라는 3가지로 구성된다.

9. 1. 어초와 구아노

육상의 생태계와 수중 생태계는 물고기를 먹는 조류나 어초 등으로 연결되어 있다. 바닷새의 배설물에서 유래하는 구아노는 예전부터 비료로 사용되어 왔고, 해안의 "어초"에서 유래하는 유기물이 연안부의 생태계를 풍요롭게 한다는 것이 밝혀졌다.

9. 2. 다양한 측면

생물은 동종, 타종을 불문하고 다양한 형태로 자신 이외의 생물 개체를 이용하며 살아간다. 그중 가장 전형적으로 보이는 이용법은 타자 포식이다.

먹고 먹히는 관계를 따라가다 보면, 어떤 일정 장소의 생물 간에 하나의 사슬 형태의 관계를 발견할 수 있다. 이것을 하나의 연결된 사슬로 추출했을 때, '''먹이 사슬'''이라고 부른다.

현실에서는 여러 종의 먹이를 먹는 동물은 드물지 않으며, 또한, 여러 종에게 먹히는 경우도 당연히 있을 수 있으므로, 이것들을 고려하여 그림을 그리면, 먹고 먹히는 관계가 뒤섞인 복잡한 그물을 그릴 수 있다. 이것을 '''먹이 그물(Food web)'''이라고 한다. 이러한 먹이 그물을 조사해 보면, 고전적인 먹이 사슬과 달리, 사슬의 단계는 착종되며, 단계 수도 매우 많다는 것이 밝혀지고 있다. 따라서, 현재의 군집 생태학에서는 먹이 사슬은 역사적인 술어가 되어가고 있으며, 먹이 그물로서의 개념이 보다 현실적인 것으로서 중요시되고 있다.

생물의 영양 공급 형태는 먹고 먹히는 형태만 있는 것은 아니다. 다양한 형태가 있으며, 이를 고려하면 또 다른 먹이 사슬을 생각할 수 있다.

기생자와 숙주의 관계를, 기생자가 숙주로부터 영양을 섭취하는 것으로 본다면, 기생 관계에 의한 먹이 사슬을 생각할 수 있다. 예를 들어, 식물을 애벌레가 먹고, 애벌레에 기생벌이 침투하며, 기생벌에 중기생하는 기생벌이 침투하고, 중기생하는 기생벌 체내에 세균이 들어가는 것을 생각할 수 있다. 이 경우, 기생자는 숙주보다 작은 것이 보통이므로, 단계를 거칠수록 작아진다. 기생 먹이 사슬은, 일반적인 먹이 사슬만큼 단계가 많지 않은 것이 보통이다.

특히 지상 생태계에서는, 식물의 생산물은 살아있는 상태에서는 사용되지 않고, 식물 유체가 되어 나중에 이용되는 비율이 매우 높다. 이 경우, 낙엽이나 고목은, 직접 동물에게 먹히는 것이 아니라, 균류나 세균의 분해를 받은 것이 먹이가 된다. 이를 시작으로, 균(세균·균류)이 붙은 고엽을 톡토기가 먹고, 톡토기를 진드기가 먹으며, 진드기를 거미가 먹고, 거미를 작은 새가 먹는 것과 같이 일반적인 먹이 사슬로 연결되어 간다. 또한, 균이 붙은 고엽을 톡토기가 먹고, 단백질이 풍부한 균의 세포가 소화 흡수되고 난분해성 성분이 배설물로 배출되며, 톡토기의 배설물에 다시 균이 붙어 번식하고, 균이 붙은 톡토기의 배설물을 다시 톡토기가 먹는 루프 형태의 사이클에 의해 식물 유체의 주성분인 셀룰로스나 리그닌이 분해되어 가는 과정도 중요하다. 이것들을 종합하여 부식 연쇄(데트라이터스·사이클)라고 부르며, 살아있는 식물을 먹는 것으로부터 시작하는 먹이 사슬, 즉 생식 연쇄(그레이징·사이클)와 함께 먹이 사슬의 2대 조류를 형성하고 있다.

부식 연쇄는 수중 생태계에서도, 식물 유체가 대량으로 흘러 들어오는 갯벌이나 맹그로브 숲, 거머리말 밭 등에서 매우 중요한 역할을 하고 있다.

먹이 사슬에서 육식 동물의 관계가 복잡할수록, 중간 포식자나 외래종의 폭주를 억제할 수 있다^[23]。 육상의 생태계와 수중의 생태계 사이에도 물고기를 먹는 조류나 어초 등으로 연결되어 있다. 바닷새의 배설물에서 유래하는 구아노는 예전부터 비료로 사용되어 왔고, 해안의 "어초"에서 유래하는 유기물이 연안부의 생태계를 풍요롭게 한다는 것이 밝혀졌다.

이들은 생물 간의 연결과 동시에 에너지, 탄소, 질소, 인 등의 물질의 연결이기도 하다. 물질이나 에너지가 차례로 전달되는 모습에서 "연쇄"로 표현된다.

그 구역의 생물에서의 먹이 사슬을 살펴보면, 모든 생물의 에너지는 근원을 거슬러 올라가면 광합성에 의존하고 있다. 그리고 그것을 이용하는 것에, 광합성을 하는 것, 그것을 먹는 것, 더 나아가 그것을 먹는 것과 같은 단계가 있다는 것을 알 수 있다. 이것을 영양 단계라고 부른다.

'''생산자'''와 몇몇 단계의 '''소비자''', 그리고 '''분해자'''라는 3가지로 구성된다.

9. 3. 부식 연쇄

특히 지상 생태계에서는, 식물의 생산물이 살아있는 상태에서 이용되지 않고, 식물 유체가 된 후 나중에 이용되는 비율이 매우 높다. 이 경우, 낙엽이나 고목은 직접 동물에게 먹히는 것이 아니라, 균류나 세균에 의해 분해된 후 먹이가 된다. 이를 시작으로 다음과 같은 연결이 나타난다.

: 균(세균, 균류)이 붙은 고엽을 톡토기가 먹는다 → 톡토기를 진드기가 먹는다 → 진드기를 거미가 먹는다 → 거미를 작은 새가 먹는다……

이와 같이, 일반적인 먹이 사슬로 연결되어 간다. 또한, 다음과 같은 루프 형태의 사이클도 존재한다.

: 균이 붙은 고엽을 톡토기가 먹는다 → 단백질이 풍부한 균의 세포가 소화 흡수되고 난분해성 성분이 배설물로 배출된다 → 톡토기의 배설물에 다시 균이 붙어 번식한다 → 균이 붙은 톡토기의 배설물을 다시 톡토기가 먹는다……

이러한 과정을 통해 식물 유체의 주성분인 셀룰로스나 리그닌이 분해된다. 이것들을 종합하여 부식 연쇄(데트라이터스·사이클)라고 부르며, 살아있는 식물을 먹는 것으로부터 시작하는 먹이 사슬, 즉 생식 연쇄(그레이징·사이클)와 함께 먹이 사슬의 2대 조류를 형성하고 있다.

부식 연쇄는 수중 생태계에서도 식물 유체가 대량으로 흘러 들어오는 갯벌이나 맹그로브 숲, 거머리말 밭 등에서 매우 중요한 역할을 한다.^[23]

참조

_[1] 웹사이트 The Food Chain https://www2.nau.edu[...] 2019-05-04
_[2] 논문 Light and nutrients regulate energy transfer through benthic and pelagic food chains https://www.research[...] Nordic Foundation Oikos 2019-10-25
_[3] 서적 Thinking about Life: The history and philosophy of biology and other sciences https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2008-11-05
_[4] 서적 Animal Ecology https://archive.org/[...] Sidgwick and Jackson
_[5] 논문 A general model for food web structure. http://arquivo.pt/wa[...]
_[6] 논문 Understanding food chains and food webs, 1700-1970
_[7] 논문 Productivity, consumers, and the structure of a river food chain. 1993-02-15
_[8] 웹사이트 What is the difference between photosynthesis and chemosynthesis?: Ocean Exploration Facts: NOAA Ocean Exploration https://oceanexplore[...]
_[9] 논문 Food Chain Dynamics: The Central Theory of Ecology? https://www.jstor.or[...] 1987
_[10] 논문 Patterns of food chain length in lakes: A stable isotope study. https://web.archive.[...] 2011-06-14
_[11] 논문 Artifacts or attributes? Effects of resolution on the Little Rock Lake food web http://www.vliz.be/i[...]
_[12] 논문 Prey preference by a top predator and the stability of linked food chains. http://www.cavehill.[...]
_[13] 논문 Parasites dominate food web links
_[14] 논문 Homage to Santa Rosalia or Why Are There So Many Kinds of Animals?
_[15] 논문 Environmental correlates of food chain length. https://web.archive.[...]
_[16] 서적 Fundamentals of ecology https://books.google[...] Brooks/Cole
_[17] 논문 Biogeographic Patterns in Food Web Organization https://www.research[...] 1983-10
_[18] 웹사이트 Food Chain https://www.ck12.org[...] 2019-11-06
_[19] 백과사전 Food chain | Definition, Types, & Facts https://www.britanni[...] 2019-10-25
_[20] 웹사이트 What is a keystone species, and why do they matter? https://www.weforum.[...] 2021-09-16
_[21] 논문 Keystone species and food webs 2009-06-27
_[22] 웹사이트 A Keystone Species, the Sea Otter, Colonizes Glacier Bay - Glacier Bay National Park & Preserve (U.S. National Park Service) https://www.nps.gov/[...]
_[23] 문서 Complex predator communities can mitigate the effects of mesopredators and invasive predators.
_[24] 간행물 ダイオキシン類による人の暴露実態調査の結果について https://www.env.go.j[...] 環境省総合環境政策局環境保健部環境安全課環境リスク評価室 2002-12-24