나뭇잎 교과서

생태계의 물질 순환과 에너지 흐름

생물의 몸을 이루는 탄소와 질소는 생물과 환경 사이를 돌고 돕니다. 그런데 에너지는 한 번 지나가면 돌아오지 않습니다. 탄소와 질소의 길을 따라가 보고, 에너지가 영양 단계를 거치며 어디로 사라지는지 따져 봅니다.

본문

생태계의 물질 순환과 에너지 흐름

본문

풀을 먹은 토끼의 몸을 이루는 탄소는 토끼가 죽어 분해되면 다시 공기로 돌아가고, 언젠가 다른 풀의 몸이 된다. 그런데 풀이 햇빛에서 받은 에너지는 토끼와 여우를 거치며 점점 줄어들 뿐 다시 풀로 돌아오지 않는다. 같은 생태계 안에서 왜 물질과 에너지가 다르게 움직일까?

그림 1. 생산자가 고정한 에너지 10 000 kJ가 영양 단계를 올라갈 때마다 일부만 전달된다. 나머지는 각 단계의 세포 호흡으로 열이 되어 생태계 밖으로 나간다.
먼저 알아야 할 것광합성과 세포 호흡(물질대사와 에너지 전환), 생산자, 소비자, 분해자, 먹이 사슬(통합과학).

1.6.1물질의 순환

탄소는 공기 중의 이산화 탄소로 있다가 생산자의 광합성으로 유기물에 들어간다. 이 유기물은 먹이 사슬을 따라 소비자에게 옮겨 가고, 생산자와 소비자의 세포 호흡으로 다시 이산화 탄소가 되어 공기로 돌아간다. 죽은 생물과 배설물의 유기물은 분해자가 분해하여 이산화 탄소로 되돌린다. 원자는 사라지지 않으므로 생태계 안에서 끝없이 돌고 돈다.

질소도 순환한다. 공기의 질소 기체는 대부분의 생물이 쓰지 못하지만, 뿌리혹박테리아 같은 질소 고정 세균이 이를 암모늄 이온으로 바꾸고, 질산화 세균이 다시 질산 이온으로 바꾸면 식물이 흡수하여 단백질을 만든다. 탈질산화 세균은 질산 이온을 다시 질소 기체로 되돌린다.1

1.6.2에너지의 흐름

생태계로 들어오는 에너지는 거의 모두 태양의 빛에너지이다. 생산자는 광합성으로 빛에너지를 유기물의 화학 에너지로 바꾼다. 그런데 생산자는 이 유기물의 상당 부분을 자기 세포 호흡에 쓰고, 일부는 먹히지 않은 채 죽어 분해자에게 간다. 그래서 다음 단계인 1차 소비자에게 전달되는 에너지는 일부에 불과하다.

정의 1.6.1 에너지 효율

한 영양 단계가 가진 에너지 가운데 다음 영양 단계로 전달되는 비율을 에너지 효율이라 한다. \[\text{에너지 효율}(\%) = \frac{\text{현 영양 단계의 에너지양}}{\text{전 영양 단계의 에너지양}} \times 100\] 생태계에서는 대체로 10% 안팎이다.

세포 호흡으로 쓰인 에너지는 결국 열이 되어 생태계 밖으로 빠져나가고, 생물은 열을 다시 화학 에너지로 바꾸지 못한다. 그래서 에너지는 한 방향으로만 흐르고, 생태계가 유지되려면 태양 에너지가 계속 들어와야 한다. 그림 1에서 전달 비율을 바꾸어 보면, 위로 갈수록 에너지가 급격히 줄어 피라미드 모양이 된다.

물질순환한다 태양생산자, 소비자열 에너지는 한 방향으로 흐른다
그림 2. 물질은 생산자, 소비자, 분해자와 비생물 환경 사이를 순환하지만, 에너지는 태양에서 들어와 열로 빠져나간다.

1.6.3예제 풀이

예제 1.6.2

어떤 생태계에서 생산자의 에너지양이 10 000 kJ, 1차 소비자 1000 kJ, 2차 소비자 150 kJ, 3차 소비자 30 kJ이다. 각 단계의 에너지 효율을 구하여라.

1차 소비자의 에너지 효율은 \(\dfrac{1000}{10\,000} \times 100 = 10\)%, 2차 소비자는 \(\dfrac{150}{1000} \times 100 = 15\)%, 3차 소비자는 \(\dfrac{30}{150} \times 100 = 20\)%이다.

상위 영양 단계로 갈수록 에너지 효율이 높아지는 경향이 있다. 육식 동물이 먹는 고기는 풀보다 소화하기 쉽고 에너지가 많기 때문이다. 그래도 전달되는 양 자체는 아주 적어, 생산자가 고정한 에너지의 0.3%만 3차 소비자에게 이른다. 먹이 사슬이 대개 4~5단계를 넘지 못하는 까닭이다.

사람이 곡물을 직접 먹으면 같은 밭에서 고기로 먹을 때보다 훨씬 많은 사람이 먹고살 수 있는 것도 같은 이유이다. 아래 탐구 카드에서 탄소와 질소의 순환, 에너지의 흐름을 직접 따라가 보자.

  1. 사람은 하버-보슈법으로 공기 중 질소를 비료로 바꾸어 자연의 질소 고정량에 맞먹는 양을 생태계에 더하고 있다. 넘치는 질소는 강과 바다로 흘러 녹조를 일으킨다.
마무리

탄소와 질소 같은 물질은 생물과 비생물 환경 사이를 오가며 순환하지만, 에너지는 태양에서 들어와 각 영양 단계에서 세포 호흡으로 열이 되어 빠져나가므로 한 방향으로 흐른다. 그래서 처음 질문의 토끼 몸의 탄소는 다시 풀로 돌아올 수 있지만, 풀이 받은 에너지는 단계마다 약 10%만 전달되고 나머지는 열로 흩어져 돌아오지 않는다.

탐구 1

탄소는 생태계를 어떻게 돌까?

탄소 순환 · 상자 모형 · 모식
대기 CO₂ (ppm)
—
육지 순흡수
—
바다 흡수
—
배출 중 대기에 남은 몫
—

모식 모형이다. 저장량과 흐름(GtC, 10억 톤 탄소)은 산업화 이전 지구 전체의 어림값에 맞추었고, 바다는 흡수량만 단순하게 넣었다. 흐름 단위는 GtC/년이다.

  1. 질문우리 몸의 탄소는 어디서 왔고, 우리가 죽은 뒤에는 어디로 갈까?
  2. 복원생산자는 광합성으로 대기의 CO₂를 유기물로 바꾼다. 이 유기물은 먹이 사슬을 따라 소비자로 옮겨 가고, 생물의 호흡으로 다시 CO₂가 되어 대기로 돌아간다.
  3. 설명또 죽은 생물과 배설물 속 탄소는 분해자(세균, 곰팡이)가 분해해 CO₂로 되돌린다. 그래서 광합성으로 들어오는 양과 호흡, 분해로 나가는 양이 같으면 대기 CO₂는 일정하게 유지된다.
  4. 연결그런데 땅속에 오래 묻혀 순환에서 빠져 있던 탄소가 화석 연료이고, 이것을 태우면 순환에 없던 탄소가 대기에 더해진다. 일부는 육지 생물과 바다가 흡수하지만 나머지는 대기에 쌓인다.
  5. 적용‘계절 변화’를 눌러 그래프가 해마다 오르내리는 까닭을 생각해 보자. ‘화석 연료 연소’에서 배출된 탄소 가운데 대기에 남는 몫이 얼마인지 보고, 분해자 활동을 0%로 내리면 탄소가 어디에 쌓이는지도 확인해 보자.
  6. 판단화살표 굵기를 보면 광합성과 호흡에 비해 화석 연료 연소는 작은 흐름이다. 그런데도 CO₂가 늘어나는 까닭은 크기가 아니라 균형 때문이다. 큰 흐름끼리는 서로 상쇄되지만, 한쪽으로만 더해지는 흐름은 작아도 계속 쌓인다. 실제 하와이 마우나로아의 관측 곡선도 계절에 따라 해마다 몇 ppm씩 오르내리며 올라간다.

확인조건이 달라지면

토양이 늘 차갑고 물에 잠겨 있는 이탄 습지에서는 죽은 식물이 수천 년 동안 쌓인다. 그 까닭으로 알맞은 것은?

탐구 2

공기의 78%가 질소인데 식물은 왜 질소가 모자랄까?

질소 순환 · 세균의 역할 · 모식 모형

생물 사체·배설물 NH₄⁺ NO₃⁻

50년 뒤 생물 속 질소
—
강으로 빠지는 질소
—
흙 속 NH₄⁺
—

모식 모형이다. 양은 상대값이고, 50년 뒤 값은 모든 세균이 일하는 처음 상태와 비교했다. 번개로 고정되는 적은 양은 늘 들어오도록 넣었다.

  1. 질문식물은 질소 기체 속에서 살고 있는데도 질소 비료를 주면 잘 자란다. 공기 속 질소는 왜 바로 쓰지 못할까?
  2. 복원질소는 단백질과 핵산을 만드는 데 꼭 필요하다. 그런데 공기 속 질소(N₂)는 두 원자가 삼중 결합으로 단단히 묶여 있어 대부분의 생물은 이를 직접 쓰지 못한다.
  3. 설명그래서 뿌리혹박테리아 같은 질소 고정 세균이 N₂를 암모늄 이온(NH₄⁺)으로 바꾼다. 이어서 질산화 세균은 NH₄⁺를 질산 이온(NO₃⁻)으로 바꾸고, 식물은 주로 이 이온을 흡수해 단백질을 만든다(질소 동화 작용).
  4. 연결생물이 죽거나 배설하면 분해자가 유기 질소를 다시 NH₄⁺로 바꾸고, 탈질산화 세균은 NO₃⁻를 N₂로 바꿔 대기로 돌려보낸다. 즉 질소 순환의 거의 모든 문을 세균이 지키고 있다.
  5. 적용세균 무리를 하나씩 꺼서 어느 상자에 질소가 쌓이고, 생물 속 질소가 어떻게 되는지 보자. 모두 켠 상태에서 비료를 늘리면 강으로 빠지는 질소가 어떻게 되는지도 확인해 보자.
  6. 판단탈질산화 세균을 끄면 생물 속 질소가 오히려 늘어난다. 그렇다고 탈질산화가 ‘나쁜’ 과정은 아니다. 이 과정이 없으면 고정된 질소가 흙과 물에 계속 쌓이기 때문이다. 비료를 많이 줄 때처럼 강과 호수로 흘러든 질소는 조류를 크게 늘려 물속 산소를 줄이는 부영양화를 일으킨다.

확인조건이 달라지면

콩과 식물을 기른 밭에서 다음 해 다른 작물이 잘 자라는 경우가 많다. 그 까닭으로 알맞은 것은?

탐구 3

물질은 순환하는데 에너지는 왜 흘러가 버릴까?

에너지 흐름 · 생태 효율 · 실측 자료와 모형
1차 소비자 / 생산자
—
3차 소비자 / 생산자
—
생물 호흡으로 나간 열
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슬라이더 모형은 생산자 총생산량을 실버스프링스 값으로 두고, 호흡 비율을 60% 안팎으로 정한 모식이다.

  1. 질문풀밭 하나에 메뚜기는 많고 매는 적다. 왜 먹이 사슬의 위로 갈수록 생물이 적어질까?
  2. 복원생태계에 들어오는 에너지는 거의 모두 햇빛이다. 생산자가 광합성으로 이를 유기물의 화학 에너지로 바꾸고, 그 에너지가 먹이 사슬을 따라 소비자에게 전달된다.
  3. 설명그런데 각 영양 단계는 받은 에너지의 상당 부분을 자기 호흡에 쓰고, 이 에너지는 열이 되어 빠져나간다. 또 먹히지 않은 부분은 사체와 배설물로 분해자에게 간다. 그래서 다음 단계로 가는 몫은 대략 10% 안팎(생태 효율)이다.
  4. 연결물질은 분해자를 거쳐 무기물이 되어 다시 생산자에게 돌아간다. 하지만 열로 바뀐 에너지는 생산자가 다시 쓸 수 없다. 그래서 물질은 순환하고, 에너지는 한 방향으로 흐르며, 생태계가 유지되려면 햇빛이 계속 들어와야 한다.
  5. 적용비율을 10%로 두고 3차 소비자에게 가는 몫을 보자. ‘로그 눈금’을 켜면 막대가 보이고, 그다음 ‘실버스프링스 실측’을 눌러 실제 생태계에서 단계마다 비율이 얼마였는지 확인해 보자.
  6. 판단‘10%’는 법칙이 아니라 대략적인 경향이다. 실버스프링스에서도 단계마다 16%, 11%, 5.5%로 달랐고, 생물 종류에 따라 1%에서 20% 넘게까지 차이가 난다. 또 분해자로 간 에너지도 결국 분해자의 호흡으로 열이 된다.

확인조건이 달라지면

같은 넓이의 밭에서 기른 곡물로 사람을 먹일 때, 곡물을 직접 먹는 경우와 곡물을 소에게 먹여 쇠고기를 먹는 경우를 비교하면?

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