나뭇잎 교과서

생물 요소와 비생물 요소

같은 교정 안에서도 연못가, 숲 그늘, 잔디밭에 사는 생물은 서로 다릅니다. 조도계와 온습도계로 잰 숫자는 이 차이에 대해 무엇을 말해 주고, 무엇은 말해 주지 못할까요?

먼저 알면 좋은 것 생태계 구성 요소상관과 인과
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생물 요소와 비생물 요소

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건물 북쪽 그늘에서 남쪽 양지까지 한 줄로 2 m마다 방형구를 놓고, 이끼가 땅을 덮은 비율과 빛의 세기, 흙의 수분을 쟀다. 그늘에서는 이끼가 80%를 덮었고 빛은 500 lx였으며, 양지에서는 이끼가 없고 빛이 40 000 lx였다. 빛이 셀수록 이끼가 적다. 그런데 흙의 수분도 그늘에서 35%, 양지에서 8%로 함께 변했다. 이끼를 줄인 것은 빛일까, 마른 흙일까? 하나의 조사만으로 원인을 가려낼 수 있을까?

위치빛 (lx)흙 수분 (%)흙 온도 (°C)이끼 피도 0 m (그늘)500351880% 4 m5 000222135% 8 m (양지)40 0008270% 빛, 수분, 온도가 한꺼번에 변해 하나의 원인을 가리기 어렵다
그림 1. 그늘에서 양지로 가면 빛, 흙 수분, 온도가 함께 바뀌고 이끼 피도가 줄어든다.
먼저 알아야 할 것생태계의 구성 요소, 방형구법(방형구법과 우점종), 상관관계와 인과 관계.

4.3.1함께 변하는 요인들

생태계는 생물 요소와 빛, 온도, 물, 흙 같은 비생물 요소로 이루어지며, 둘은 서로 영향을 주고받는다. 이끼는 몸에 물을 저장하는 조직이 거의 없어 마르기 쉽고, 약한 빛에서도 광합성을 한다. 그래서 그늘의 축축한 곳에 많다. 그런데 자연에서는 비생물 요소들이 서로 얽혀 함께 변한다. 그늘은 빛이 약할 뿐 아니라 증발이 적어 흙이 축축하고 온도도 낮다. 그래서 조사에서 빛과 이끼가 함께 변한다는 것을 보았다고 해서, 빛이 이끼를 줄인 원인이라고 바로 말할 수는 없다.

정리 4.3.1 상관과 원인

두 요인이 함께 변하는 상관관계는 한쪽이 다른 쪽의 원인이라는 증거가 되지 못한다. 원인을 가리려면 의심되는 요인 하나만 바꾸고 나머지를 같게 한 실험을 하거나, 요인들이 따로 변하는 장소를 찾아 비교한다.

빛과 수분의 효과를 가려내려면, 같은 그늘에서 일부 구역에만 매일 물을 덜 주어 말리거나, 양지의 일부 구역에 그늘막을 치고 물을 충분히 주는 실험을 할 수 있다. 그늘막만 친 구역과 물만 준 구역을 비교하면 어느 요인이 이끼에 더 중요한지 드러난다. 또 비가 자주 오는 양지나 물이 고이지 않는 그늘처럼 두 요인이 따로 노는 곳을 찾아 조사해도 단서를 얻는다.1

4.3.2생물도 환경을 바꾼다

비생물 요소가 생물에 영향을 주기만 하는 것은 아니다. 이끼가 땅을 덮으면 흙의 수분이 덜 증발하고, 나무의 잎이 우거지면 그 아래의 빛과 온도가 바뀐다. 이렇게 생물이 비생물 요소를 바꾸는 작용도 있어서, 그늘의 축축한 흙은 이끼가 많은 결과이기도 하다. 그래서 조사 자료를 해석할 때는 화살표가 한쪽으로만 향한다고 단정하지 않고, 서로 영향을 주고받을 가능성을 함께 생각한다.

구역빛물한 달 뒤 이끼 피도 양지 + 그늘막약함보통8% 양지 + 매일 물강함많음25% 양지 + 그늘막 + 물약함많음40%
그림 2. 이끼를 옮겨 심은 양지 구역에서 빛과 물을 따로 바꾸면, 물이 이끼에 더 큰 영향을 준다는 것이 드러난다(가상의 결과).

4.3.3예제 풀이

예제 4.3.2

그림 2는 양지에 같은 양의 이끼를 옮겨 심고 처음 피도를 모두 30%로 맞춘 뒤 한 달 동안 조건을 달리한 결과이다. 빛만 줄였을 때와 물만 늘렸을 때의 효과를 비교하고, 그림 1의 조사 결과를 다시 해석하여라.

그늘막만 친 구역은 30%에서 8%로 줄어 이끼가 대부분 말라 죽었다. 물만 매일 준 구역은 25%로 거의 유지되었다. 둘 다 한 구역은 40%로 늘었다. 따라서 이 양지에서 이끼에 더 중요한 것은 빛의 세기보다 물이고, 빛을 줄이면 증발이 줄어 물을 덜 주어도 되는 효과가 더해진다.

그림 1에서 빛과 이끼가 함께 변한 것은, 빛이 강한 곳일수록 흙이 말라 이끼가 살기 어려웠기 때문으로 다시 해석할 수 있다. 빛은 직접 원인이라기보다 흙의 수분을 통해 이끼에 영향을 준 셈이다. 즉 생물과 비생물 요소의 관계는 조사로 상관을 찾고, 요인을 하나씩 바꾸는 실험으로 원인을 가려내야 정확히 알 수 있다.

아래 탐구 카드에서 학교 안의 여러 장소에서 비생물 요소와 생물의 분포를 조사하고, 그 관계를 실험으로 확인할 방법을 설계해 보자.

  1. 이끼는 몸이 마르면 활동을 멈추었다가 물을 얻으면 몇 분 만에 다시 광합성을 시작하는 종이 많다. 그래서 이끼의 분포는 평균 수분보다 얼마나 자주 다시 젖는지에 크게 좌우된다.
마무리

생태계에서 비생물 요소들은 서로 얽혀 함께 변하므로, 조사에서 어떤 요소와 생물의 분포가 함께 변해도 그것이 원인이라고 바로 말할 수 없고, 생물도 비생물 요소를 바꾼다. 원인은 의심되는 요인 하나만 바꾸고 나머지를 같게 한 실험으로 가려낸다. 처음 질문의 그늘에 이끼가 많은 까닭도 이런 실험으로 가려야 하며, 그림 2와 같은 결과라면 빛보다 흙의 수분이 더 큰 원인이다.

탐구 1

학교 연못 둘레에서 잰 숫자로 생물과 환경의 관계를 말할 수 있을까?

실험 · 생물 요소와 비생물 요소 · 센서 측정과 상관

가로축
세로축

지도의 지점을 눌러 고른 뒤 측정한다. 조도계(0.1 klx), 디지털 온습도계(0.1 °C, 1 %), pH 측정기(0.1), 용존 산소 측정기(0.1 mg/L)를 쓴다. 쥐며느리는 땅에 미리 놓아 둔 판자(30 cm × 30 cm) 한 장 아래의 수, 수서 무척추동물은 뜰채로 1 m를 세 번 훑어 잡은 수이다. 지점별 값은 6월 맑은 날 오후의 교정을 본뜬 교육용 가상 자료이다.

  1. 탐구 문제연못 둘레에는 부들과 소금쟁이가, 숲 그늘에는 이끼와 쥐며느리가 산다. 어떤 생물이 어디에 사는지는 빛, 온도, 물 같은 환경과 어떤 관계가 있을까? 잰 숫자만으로 그 관계를 어디까지 말할 수 있을까?
  2. 복원생태계는 생물 요소(생산자, 소비자, 분해자)와 비생물 요소(빛, 온도, 물, 공기, 토양)로 이루어진다. 비생물 요소는 생물의 분포와 생활에 영향을 주고(작용), 생물도 그늘을 만들고 낙엽을 쌓아 환경을 바꾼다(반작용). 생물끼리는 먹고 먹히거나 경쟁한다(상호 작용).
  3. 설계환경이 다른 지점을 고르고, 같은 센서로 같은 높이(지면 위 10 cm), 같은 시간대에 비생물 요소를 잰다. 같은 지점에서 생물 목록을 적고 대표 동물의 수를 같은 방법(판자 한 장, 뜰채 세 번)으로 센다. 지점마다 두세 번 반복해 평균을 낸다.
  4. 분석지점 목록의 생물을 생산자·소비자·분해자로 나누고 먹이 관계를 화살표로 이어 본다. 산점도에서 쥐며느리는 조도가 낮고 습도가 높은 곳에 많고, 수서 동물은 용존 산소가 많은 곳에 많다. 상관 계수 r이 −1이나 1에 가까울수록 두 값이 함께 변하는 경향이 뚜렷하다. 다만 그늘진 곳은 습도도 높아서 조도와 습도가 함께 움직이므로, 이 자료만으로는 쥐며느리가 어둠을 좇는지 습기를 좇는지 가를 수 없다.
  5. 측정A부터 H까지 지점마다 두 번씩 재자. 가로축을 조도와 습도로 바꿔 가며 쥐며느리와의 r을 비교하고, 용존 산소와 수서 동물의 관계도 보자. 연못가 습지(F)는 어느 경향에서 벗어나는가? 그다음 "20분씩 걸림"을 켜고 같은 순서로 다시 재어 온도 그래프가 어떻게 달라지는지 확인해 보자.
  6. 오차·안전상관이 있다고 원인이라고 단정하면 안 된다. 원인을 가리려면 빛만 다르고 습도는 같은 상자 실험처럼 변인을 통제한 실험이 따로 필요하다. 지점을 차례로 돌며 재는 사이 해가 높아지면 기온이 시간 때문에 오르는데, 이것은 지점 차이와 섞이는 계통 오차이다. 순서를 바꿔 가며 두 번 재거나 여러 모둠이 동시에 재면 줄일 수 있다. 연못 가장자리는 미끄러우니 혼자 다가가지 않고, 물에 손을 담근 뒤에는 비누로 씻는다. 판자 밑을 뒤집을 때는 장갑을 끼고, 관찰한 생물은 제자리에 돌려놓는다.

확인조건이 달라지면

다른 학교에서 조사했더니 그늘진 곳일수록 지렁이가 많았고, 조도와 지렁이 수의 상관 계수는 r = −0.85였다. 가장 알맞은 결론은?

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