생명과학 ② 11-1. 생태계와 환경

▎생명과학 ② 11-1. 생태계와 환경

◈ 생태계의 구조

1) 생태계의 구성 체계

① 생태계 : 일정한 지역에 살고 있는 생물 군집인 생물 환경과 그들을 둘러싸고 있는 빛, 공기, 토양 등과 같은 비생물 환경이 조화를 이루는 하나의 계를 생태계라고 한다.

② 구성체계 : 개체 → 개체군 → 군집 → 생태계

2) 환경요인

생물을 둘러싸고 있어 생물의 생활에 영향을 주는 모든 조건을 환경이라고 하며, 이 환경을 구성하는 각각의 조건을 환경 요인이라고 한다.

① 최적조건 : 생물이 생활하는 데 가장 적합한 조건을 최적 조건이라고 한다.  또 최적 조건의 범위를 벗어나 생물의 생활을 제한하는 최고의 환경조건을 최고 조건, 최저의 환경 조건을 최저 조건이라고 한다.

② 한정 요인 : 어떤 환경 요인이 최고 조건이나 최저 조건의 범위를 벗어나게 되면 생물의 생활 전과정이 제한을 받게 되는데, 이와 같이 생물의 생활을 제한하는 요인을 한정 요인이라고 한다.

③ 생물의 적응 : 생물이 그 서식지의 환경에 알맞게 구조나 기능에 변화를 일으키는 것을 적응이라고 한다.  (예) 선인장의 가시

3) 생물적 환경 요인

① 생산자: 무기물로부터 유기물을 생산하는 능력을 가진 독립 영양 생물로, 식물, 광합성 세균, 화학 합성 세균 등이 있다.

② 소비자 : 생산자가 생산한 유기 양분을 먹이로 하는 생물로, 1차 소비자, 2차 소비자, 3차 소비자 등으로 구분한다.

③ 분해자 : 동식물의 사체나 배설물에 포함된 유기물을 분해하는 생물로, 곰팡이, 세균 등이 있다.  분해자가 분해한 무기 양분은 다시 생산자가 이용한다.

4) 비생물적 환경 요인

생물을 둘러싸고 있는 모든 자연 환경 요인을 말한다.

① 빛과 생물 : 빛은 광합성의 원동력이며, 생태계에 공급되는 에너지의 근원이므로 빛의 세기나 파장, 일조 시간 등은 생물의 생활에 큰 영향을 미친다.

  ⓐ 빛의 세기와 식물 : 양지 식물은 음지 식물보다 보상점과 광포화점이 높고 빛의 요구도가 크며, 같은 개체라 하더라도 양엽이 음엽보다 두껍고 잎의 면적이 좁다.

  ⓑ 빛의 파장과 조류의 분포 : 바닷속에 사는 해조류는 빛의 파장에 영향을 받는다.  깊은 곳에서는 짧은 파장의 청색광만 투과하므로, 이를 이용하는 홍조류가 분포하고, 얕은 곳에서는 긴 파장의 적색광을 이용하는 갈조류나 녹조류가 분포한다.

  ⓒ 빛과 식물의 굴광성 : 빛을 향해 구부러지는 굴광성은 식물의 생장호르몬인 옥신의 불균등 분포에 의해 일어난다.

    •옥신은 줄기나 뿌리 끝 생장점에서 생성되며, 빛의 반대 방향과 중력 방향으로 이동하는 성질이 있다.

  ⓓ 일조 시간 : 일조 시간의 주기적인 변동에 의해 생물이 주기적인 변화를 나타내는 현상을 광주기성이라고 한다.

    •조류와 산란 : 봄에 일조 시간이 길어지면 뇌하수체가 자극을 받아 성 호르몬의 분비가 촉진되어 생식 활동이 활발해지므로, 대부분의 조류는 주로 봄에 산란한다.

    •플랑크톤의 일주 현상 : 동물성 플랑크톤은 낮에는 깊은 곳으로 내려가고 밤에는 수면 가까이 올라오는 일주 현상을 보인다.

    •식물의 개화 : 일조 시간이 꽃눈 형성에 미치는 영향에 따라 식물을 장일 식물, 중일 식물, 단일 식물로 나눈다.

    •장일 식물 : 하루 일조 시간이 12~14시간 이상일 때 꽃눈을 형성하는 식물로, 주로 봄이나 이른 여름에 꽃이 핀다. (예) 보리, 시금치

    •단일 식물 : 하루 일조 시간이 14~16시간 이하(암기가 8~10시간 이상)일 때 꽃눈을 형성하는 식물로, 주로 가을에 꽃이 핀다. (예) 국화, 코스모스

    •중일 식물 : 꽃눈의 형성이 주로 온도 변화에 의해 일어나며, 광주기성과는 관계가 없다.

     (예) 가지, 옥수수, 토마토

일조 시간과 식물의 개화

다음은 빛을 비춰 주는 시간과 꽃눈 형성과의 관계를 알아보는 실험을 나타낸 것이다.

ⓐ 식물 A에서 꽃이 피는 데 중요한 요인은 일정 시간 이상의 연속된 암기이므로 식물 A는

   단일 식물이다.  단일 식물은 암기 도중에 빛을 잠깐이라도 비추면 꽃이 피지 않는다.

ⓑ 식물 B에서 꽃이 피는 데 중요한 요인은 일정 시간 이상의 명기이므로 식물 B는 장일 식물이다.  장일 식물은 암기 도중에 빛을 잠깐 비추어도 꽃이 핀다.

결론 : 가을에 꽃이 피는 식물을 봄이나 여름에도 꽃이 피게 하려면 인위적으로 암기를 길게 하면 된다.

② 물과 생물 : 물은 모든 생물에 필수적이며, 생물은 수분 조건에 따라 적응하여 생활한다.

  ⓐ 수분 조건과 식물의 적응

   • 건생 식물 : 사막과 같은 건조지의 식물은 소량의 물로도 생존이 가능하도록 잎의 크기가 작고 큐티클 층이 발달하며, 뿌리와 저수 조직이 발달되어 있다.  (예) 선인장

   • 중생 식물 : 대부분의 육상 식물이 속하며, 식물의 각 기관이 알맞게 발달되어 있다.

   • 수생 식물 : 몸체가 유연하고 통기 조직이 발달되어있다.  (예) 부들, 수련, 검정말

  ⓑ 수분 조건과 동물의 적응

   • 파충류 : 피부가 각질의 비늘로 덮여 있어 수분 증발이 방지되며, 알도 단단한껍데기로 싸여 있어 수분 유지에 적절하다.

   • 캥거루쥐 : 사막에 사는 캥거루쥐는 물질 대사로 생성되는 물을 다시 이용하고 수분 배설량을 줄여 건조한 환경에 적응하여 살고 있다.

③ 토양과 생물

  ⓐ 토양의 종류와 식물 : 토양은 구성 입자와 부식질의 함량 차이에 따라 수분의 저장과 무기 염류 함량 등이 다르다.  모래땅에는 몇몇 건생 식물이 살며, 대부분의 식물은 모래와 진흙이 알맞게 섞인 부식질 토양에서 잘 자란다.

  ⓑ 산성도와 식물 : 대부분의 식물은 중성 토양에서 잘 자라지만, 옥수수, 벼, 고구마 등은 약산성 토양에서, 시금치, 콩 등의 식물은 약염기성 토양에서 잘 자란다.

④ 온도와 생물 : 생물의 생명 활동은 효소가 조절하는 물질 대사에 의해 유지되므로 온도는 생명 활동에 많은 영향을 준다.

  ⓐ 온도와 동물 : 철새나 어류의 계절적 이동, 변온 동물의 겨울잠 등이 온도에 대한 동물의 적응 현상이다.

    •정온 동물의 온도 적응 : 추운 지방의 동물은 몸을 크게 하여(베르그만의 법칙) 열을 많이 얻고, 몸의 말단부는 작게 하여(알렌의 법칙) 열 발산을 막는다.

    •계절형 ; 호랑나비는 여름형이 봄형보다 크고 색깔이 진하며, 물벼룩은 여름형이 겨울형보다 크다.

  ⓑ 온도와 식물 :온도는 식물의 발아, 개화 시기, 단풍, 낙엽, 나이테 형성에 관여한다.  기온이 낮아지면 낙엽수는 단풍이 들고 잎을 떨어뜨리며, 겨울눈을 만들어 월동을 한다.  상록수는 10월경부터 세포의 포도당 농도를 높여 어는 것을 방지한다.

생물의 생활형

같은 환경에 사는 생물들은 종이 달라도 모습이나 생활 방식이 비슷하게 적응되는데, 이를 생활형이라고 한다. 라운키에르는 저온이나 건조에 견디기 위해 만들어지는 겨울눈의 위치에 따라 식물의 생활형을 다음과 같이 6가지로 분류하였다.

5) 생태계 구성 요소 간의 상호 작용

① 작용 : 비생물적 환경 요인이 생물의 생활에 미치는 영향을 작용이라고 한다.

② 반작용 : 생물들이 생활하면서 환경에 미치는 영향을 반작용이라고 한다.

③ 상호 작용 : 비생물적 환경 속에서 생물과 생물이 서로 영향을 주고받는 것을 상호 작용이라고 한다.

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