生態系平衡생태계평형

◁ 生態系생태계와 環境환경 ｜ 溫室效果온실효과 ▷
【深化심화】12saenggwa-0106

■ 10統통科과2-02-02: 먹이 關係관계와 生態생태 피라미드를 中心중심으로 生態系平衡생태계평형이 維持유지되는 過程과정을 理解이해하고, 環境환경의 變化변화가 生態系생태계에 미칠 수 있는 影響영향에 對대해 協力的협력적으로 疏通소통할 수 있다.

먹이關係관계

먹이사슬, 먹이그물

生態系생태계에서 生物생물들이 먹고 먹히는 關係관계로 一列일렬로 이어진 것을 먹이사슬이라고 합니다. 그런데 實際실제 自然자연에서 한 生物생물이 오직 한 種類종류의 먹이만 먹는 境遇경우는 드뭅니다. 여러 먹이사슬이 그물처럼 얽힌 것을 먹이그물이라고 합니다.

먹이사슬에서 生物생물이 차지하는 位置위치를 營養영양 段階단계라고 하며, 生産者생산자가 第제1 營養영양 段階단계, 一次일차 消費者소비자가 第제2 營養영양 段階단계가 되는 식입니다.

먹이그물이 複雜복잡할수록 生態系생태계는 安定안정합니다. 어떤 種종이 減少감소해도 捕食者포식자가 代替대체 먹이로 옮겨 갈 수 있어, 影響영향이 特定특정 사슬 하나에 集中집중되지 않기 때문입니다. 反對반대로 먹이 關係관계가 單純단순하면 한 種종의 變化변화가 곧바로 全體전체로 波及파급됩니다.

生態생태 피라미드

營養영양 段階단계가 올라갈수록 個體數개체수, 生物量생물량, 에너지量양은 大部分대부분 줄어듭니다. 이를 아래에서부터 段階단계別별로 쌓아 그리면 下部하부가 넓은 피라미드 模樣모양이 되는데, 이를 生態생태 피라미드라고 합니다.

에너지 피라미드가 逆轉역전되지 않는 理由이유는 熱力學열역학의 原理원리 때문입니다. 앞 段階단계의 에너지 中중 相當상당 部分부분은 呼吸호흡으로 消耗소모되거나 消化소화되지 않고 排出배출되며, 다음 段階단계로 넘어가는 것은 一部일부뿐입니다.

이때 앞 段階단계의 에너지 中중 다음 段階단계로 넘어간 比率비율을 에너지 效率효율이라고 하며, 大略대략 10% 程度정도입니다. 그래서 營養영양 段階단계는 普通보통 4~5段階단계를 넘기 어렵고, 最上位최상위 捕食者포식자의 個體數개체수는 必然的필연적으로 적습니다.

에너지 效率효율은 該當해당 段階단계의 에너지量양을 前전 段階단계의 에너지量양으로 나눈 뒤 100을 곱해 計算계산합니다.

例예를 들어 生産者생산자가 固定고정한 에너지가 10,000이고 一次일차 消費者소비자가 1,000이라면 에너지 效率효율은 10%입니다.

注意주의할 점은 營養영양 段階단계가 올라갈수록 에너지 總量총량은 줄지만, 에너지 效率효율 自體자체는 오히려 조금씩 높아지는 傾向경향이 있다는 것입니다.

에너지 效率효율은 絶對量절대량이 아니라 比率비율이므로, 分子분자와 分母분모가 함께 줄어도 그 比비는 커질 수 있기 때문입니다.

實際실제로 草食초식 動物동물은 植物식물의 셀룰로스처럼 消化소화하기 어려운 部分부분을 많이 먹으므로 相當상당量양이 그대로 排出배출됩니다. 反面반면 肉食육식 動物동물이 먹는 것은 다른 動物동물의 몸이며, 이는 自身자신의 몸과 成分성분 構成구성이 비슷해 同化동화가 效率的효율적입니다.

다만 이는 먹은 것 中중 自身자신의 몸이 되는 比率비율이 높다는 뜻일 뿐, 上位상위 段階단계가 에너지를 더 많이 받는다는 뜻은 絶對절대 아닙니다.

生態系平衡생태계평형

平衡평형의 維持유지

生態系생태계에서 各각 營養영양 段階단계의 個體數개체수와 物質물질·에너지의 흐름이 크게 흔들리지 않고 一定일정한 範圍범위에서 維持유지되는 狀態상태를 生態系平衡생태계평형이라고 합니다.

平衡평형은 固定고정된 狀態상태가 아니라, 늘어났다 줄어드는 變動변동을 反復반복하면서 平均的평균적으로 維持유지되는 狀態상태입니다. 그 中心중심에는 陰음의 되먹임이 있습니다.

어떤 理由이유로 一次일차 消費者소비자가 增加증가했다고 합시다.

먼저 아래 層位층위에서는 生産者생산자가 減少감소합니다. 먹히는 量양이 늘었기 때문입니다. 同時동시에 위層位층위에서는 二次이차 消費者소비자가 增加증가합니다. 먹이가 豐富풍부해졌기 때문입니다.

그러면 一次일차 消費者소비자는 위아래 兩양쪽에서 壓力압력을 받습니다. 아래로는 먹을 生産者생산자가 줄어 競爭경쟁이 激化격화되고, 위로는 捕食포식 壓力압력이 커집니다. 結局결국 一次일차 消費者소비자는 減少감소합니다.

一次일차 消費者소비자가 줄면 生産者생산자는 먹히는 量양이 줄어 다시 增加증가하고, 二次이차 消費者소비자는 먹이가 줄어 다시 減少감소합니다. 그리고 처음의 狀態상태로 돌아갑니다.

이처럼 中間중간 段階단계의 變化변화는 위아래 兩양 方向방향으로 同時동시에 作用작용하며, 그 結果결과가 다시 自身자신에게 되돌아옵니다. 이 때문에 生態생태 피라미드의 模樣모양이 大體대체로 維持유지됩니다.

이처럼 結果결과가 原因원인 쪽으로 되돌아가 變化변화를 抑制억제하는 方向방향으로 作用작용하는 것을 陰음의 되먹임이라고 합니다. 被食者피식자가 늘어난 것이 結局결국 被食者피식자를 줄이는 方向방향으로 이어지기 때문에, 個體數개체수가 한없이 늘거나 줄지 않고 一定일정한 範圍범위 안에서 오르내리게 됩니다.

이 되먹임은 實際실제 記錄기록으로도 確認확인됩니다. 캐나다의 毛皮모피 會社회사인 허드슨灣만 會社회사는 1840秊代년대부터 1930秊代년대까지 사들인 스라소니와 눈신토끼 毛皮모피의 數수를 꼼꼼히 記錄기록했는데, 두 動物동물의 數수는 約약 10秊년을 週期주기로 함께 오르내렸습니다. 눈신토끼가 늘어나면 그 뒤를 따라 스라소니가 늘고, 스라소니가 많아지면 토끼가 줄며, 토끼가 줄면 다시 스라소니가 줄어듭니다. 捕食者포식자의 頂點정점이 被食者피식자의 頂點정점보다 1~2秊년 늦게 나타난다는 點점이 重要중요합니다. 되먹임이 바로 作用작용하지 않고 時間差시간차를 두고 作用작용하기 때문에, 個體數개체수가 한 값에 멈춰 있지 않고 週期的주기적으로 振動진동하는 것입니다. 뒤의 硏究연구에서는 토끼의 增減증감에 먹이 植物식물의 量양도 함께 作用작용한다는 것이 밝혀져, 實際실제 生態系생태계의 되먹임은 위아래 여러 營養영양 段階단계가 얽힌 것임을 보여 줍니다.

生物생물 多樣性다양성

生物생물 多樣性다양성이 높다는 것은 種종의 數수가 많고 먹이그물이 複雜복잡하다는 뜻입니다. 이런 生態系생태계는 外部외부 衝擊충격을 받아도 復元力복원력이 커서 元來원래 狀態상태로 돌아오기 쉽습니다.

한便편 復元力복원력에는 限界한계가 있습니다. 衝擊충격이 너무 크거나 오래 持續지속되면 生態系생태계는 元來원래대로 돌아오지 못하고 아예 다른 狀態상태로 넘어갑니다. 한番번 森林삼림이 사라진 자리가 草地초지나 沙漠사막으로 固着고착되는 것이 그 例예입니다.

먹이그물 속에서 모든 種종이 같은 무게를 갖는 것은 아닙니다. 1960秊代년대 美國미국의 生態學者생태학자 페인은 太平洋태평양 沿岸연안의 갯바위에서 불가사리를 계속 없애는 實驗실험을 했습니다. 불가사리가 사라지자 그 먹이였던 홍합이 바위를 뒤덮었고, 홍합과 자리를 다투던 다른 生物생물들이 밀려나 이 갯바위에 사는 種종의 數수는 몇 해 만에 15種종에서 8種종으로 줄었습니다. 個體數개체수는 많지 않아도 群集군집의 構造구조를 떠받치는 種종이 있다는 것으로, 페인은 이런 種종을 아치의 이맛돌에 빗대 核心種핵심종(키스톤種종)이라 불렀습니다. 核心種핵심종이 사라지면 그 影響영향은 그 種종과 直接직접 먹고 먹히는 關係관계에 있는 生物생물을 넘어 群集군집 全體전체로 번집니다.

事例사례

捕食者포식자를 사람이 人爲的인위적으로 없앤 境遇경우를 생각해 봅시다. 初期초기에는 草食초식 動物동물이 急激급격히 增加증가합니다. 그러나 늘어난 草食초식 動物동물이 植物식물을 지나치게 먹어 치우면 植生식생이 破壞파괴되고, 結局결국 먹이가 不足부족해져 草食초식 動物동물도 大量대량으로 굶어 죽습니다. 植生식생이 사라진 土壤토양은 浸蝕침식되어 回復회복이 더 어려워집니다.

즉 한 營養영양 段階단계만 除去제거해도 그 影響영향은 위아래 段階단계 全體전체와 非生物的비생물적 環境환경에까지 波及파급됩니다.

實際실제로 이런 일이 일어났다고 널리 알려진 例예가 美國미국 애리조나州주 카이밥 高原고원의 사슴입니다. 1906秊년 이 地域지역이 사냥 保護보호 區域구역으로 指定지정된 뒤, 사슴을 보호한다는 目的목적으로 늑대·퓨마·코요테 같은 捕食者포식자를 대대적으로 잡아 없앴습니다. 처음 4,000마리 안팎이던 사슴은 1920秊代년대 中盤중반에는 10萬만 마리에 이르렀다는 推定추정까지 나올 만큼 늘었다고 보고되었고, 사슴이 어린나무와 풀을 먹어 치우자 植生식생이 크게 훼손되었으며, 이어 먹이가 바닥나면서 사슴이 대량으로 굶어 죽어 個體數개체수가 절반 以下이하로 急減급감했습니다. 이 事例사례는 오랫동안 敎科書교과서에 실렸지만, 當時당시의 個體數개체수 調査조사가 부정확했고 家畜가축 放牧방목과 날씨 같은 다른 要因요인도 작용했다는 批判비판이 뒤에 提起제기되어, 正確정확한 數値수치보다는 捕食者포식자 除去제거가 낳을 수 있는 結果결과의 方向방향을 보여 주는 例예로 읽는 것이 適切적절합니다.

環境환경 變化변화의 影響영향

自然的자연적 要因요인에는 山산불, 洪水홍수, 가뭄, 火山화산 活動활동, 氣候기후의 長期장기 變動변동 등이 있습니다. 이런 變化변화는 生態系생태계를 一時的일시적으로 破壞파괴하지만, 遷移천이를 通통해 다시 回復회복되는 境遇경우가 많습니다.

遷移천이는 群集군집의 構成구성이 時間시간에 따라 順序순서 있게 바뀌어 가는 過程과정입니다. 火山화산 鎔巖용암이 굳은 곳처럼 흙조차 없는 곳에서 始作시작하면 一次일차 遷移천이, 산불이나 伐採벌채로 植生식생만 사라지고 흙이 남은 곳에서 始作시작하면 二次이차 遷移천이라고 합니다. 二次이차 遷移천이는 흙과 그 속의 씨앗, 뿌리가 남아 있어 훨씬 빠르게 進行진행됩니다.

陽樹林양수림에서 陰樹林음수림으로 바뀌는 까닭은 「生態系와 環境」에서 본 反作用반작용입니다. 소나무가 자라 숲이 짙어지면 숲 바닥이 어두워지고, 그늘에서는 소나무의 어린나무보다 光補償點광보상점이 낮은 陰樹음수의 어린나무가 잘 자랍니다. 生物생물이 바꾼 環境환경이 다음 群集군집을 고르는 셈입니다. 遷移천이의 마지막에 比較的비교적 安定안정된 狀態상태를 極相극상이라고 합니다.

問題문제가 되는 것은 人爲的인위적 要因요인입니다. 速度속도가 빠르고 範圍범위가 넓어 生態系생태계의 復元力복원력을 넘어서기 쉽기 때문입니다.

分解분해되지 않고 排出배출도 잘 되지 않는 物質물질은 먹이사슬을 따라 濃度농도가 점점 높아집니다. 이를 生物생물 濃縮농축이라고 합니다. 上位상위 營養영양 段階단계일수록 아래 段階단계를 많이 먹어야 하므로, 最上位최상위 捕食者포식자에게 被害피해가 集中집중됩니다. DDT나 水銀수은이 代表的대표적입니다. 1950秊代년대 日本일본 水俣미나마타에서는 工場공장에서 흘려보낸 水銀수은이 물고기와 조개에 濃縮농축되고, 이를 먹은 住民주민에게 神經신경 障礙장애가 나타났습니다. 카슨의 『沈默침묵의 봄』(1962)은 DDT가 새의 알껍데기를 얇게 만들어 猛禽類맹금류를 줄인다는 問題문제를 알려, 여러 나라에서 DDT 사용이 制限제한되는 契機계기가 되었습니다.

富營養化부영양화는 生活생활 하수나 肥料비료에 든 窒素질소·燐인이 湖水호수나 바다에 많이 들어가 植物性식물성 플랑크톤이 急增급증하는 現象현상입니다. 강과 湖水호수에서는 綠藻녹조, 바다에서는 赤潮적조로 나타납니다. 늘어난 플랑크톤이 죽어 가라앉으면 分解者분해자가 이를 分解분해하면서 酸素산소를 많이 써서 물속 酸素산소가 不足부족해지고, 물고기가 大量대량으로 죽습니다. 營養영양이 늘어난 것이 오히려 生態系생태계를 무너뜨리는, 陽양의 되먹임에 가까운 過程과정입니다.

捕食者포식자의 復歸복귀

美國미국 옐로스톤 國立公園국립공원에서는 1920秊代년대에 늑대가 사라진 뒤 엘크가 크게 늘어 강가의 버드나무와 사시나무를 먹어 치웠습니다. 1995秊년부터 늑대를 다시 들여오자 엘크의 數수와 行動행동이 바뀌었고, 일부 地域지역에서는 강가의 나무가 回復회복되면서 비버와 새의 棲息서식 環境환경도 달라졌다는 硏究연구가 發表발표되었습니다. 앞의 事例사례와 반대 方向방향으로, 最上位최상위 捕食者포식자 하나의 變化변화가 營養영양 段階단계를 따라 아래로 連鎖的연쇄적으로 波及파급되는 現象현상을 營養영양 段階단계 連鎖연쇄라고 합니다. 다만 回復회복의 程度정도가 地域지역마다 달랐고 氣候기후·人間인간의 사냥 같은 다른 要因요인도 함께 作用작용했다는 點점에서, 그 效果효과의 크기는 지금도 硏究연구가 이어지고 있습니다.

協力的협력적인 疏通소통

環境환경 變化변화가 生態系생태계에 미칠 影響영향은 미리 正確정확히 알기 어렵고, 그 影響영향을 받는 사람들의 利害이해도 서로 다릅니다. 河川하천에 洑보를 세우거나 갯벌을 干拓간척하는 決定결정에는 農民농민, 漁民어민, 地域지역 住民주민, 開發개발 事業者사업자, 環境환경 團體단체, 專門家전문가가 함께 얽힙니다. 科學的과학적 知識지식만으로 結論결론이 나지 않는 問題문제이므로, 證據증거를 共有공유하고 서로 다른 立場입장을 調整조정하는 疏通소통이 必要필요합니다.

生態系생태계는 한 要素요소의 變化변화가 되먹임을 거쳐 豫想예상하지 못한 곳으로 번지는 體系체계입니다. 그래서 生態系생태계에 關관한 決定결정일수록 한 番번에 結論결론을 내기보다, 影響영향을 持續的지속적으로 觀察관찰하고 그 結果결과에 따라 方向방향을 고쳐 가는 順應的순응적 管理관리가 强調강조됩니다. 協力的협력적인 疏通소통은 合意합의를 强要강요하는 것이 아니라, 서로 다른 知識지식과 利害이해를 가진 사람들이 같은 證據증거를 보고 判斷판단을 함께 고쳐 나가는 過程과정입니다.