생태계 및 생태 피라미드의 에너지 효율 이해

1. 생태계에서의 에너지 흐름

 생태계를 유지하는 에너지의 근원은 태양의 빛에너지입니다. 태양으로부터 생태계로 유입된 빛에너지는 유기물의 화학 에너지로 전환되어 먹이 사슬을 따라 이동하다가 최종적으로 열에너지로 전환되어 생태계 밖으로 방출됩니다. 이처럼 생태계에서 에너지는 순환하지 않고 한 방향으로 흐르는 것을 알 수 있습니다. 따라서 생태계가 유지되려면 태양 에너지가 끊임없이 유입되어야 합니다.

 생태계의 에너지 흐름은 에너지 유입과 에너지 이동과 방출 두 단계로 나누어 설명이 가능합니다. 먼저 태양으로부터 생태계로 유입된 빛에너지는 생산자의 광합성을 통해 화학에너지로 전환되어 유기물로 저장됩니다. 이후 유기물에 저장된 화학 에너지 중 일부는 생산자의 호흡을 통해 생명 활동에 이용되고 열에너지로 전환되어 방출됩니다. 그리고 일부는 먹이 사슬에 따라 1차 소비자, 2차 소비자, 최종 소비자로 전달되며 이 과정에서 각 영양 단계로 전달된 에너지 중 일부는 소비자의 호흡을 통해 생명 활동에 이용되고 열에너지로 전환되어 방출됩니다. 더불어 생물의 사체나 배설물에 포함된 화학 에너지는 분해자의 호흡을 통해 생명 활동에 이용되고 열에너지로 전환되어 생태계 밖으로 빠져나가게 됩니다.

 

2. 생태 피라미드

생태 피라미드는 생태계 내 생물들의 먹이사슬 위치를 시각적으로 표현한 도표를 의미합니다. 이는 아래에서 위로 갈수록 생물의 수, 에너지양이 줄어드는 것을 확인 할 수 있습니다. 생태 피라미드는 에너지 피라미드, 개체 수 피라미드, 생물량 피라미드 크게 3가지로 나누어집니다.

 생태계에서 에너지가 먹이 사슬에 따라 이동할 때 각 영양단계에서 에너지는 호흡이나 생장, 번식 등에 이용되고 사체나 배설물로 방출됩니다. 나머지 에너지는 다음 영양 단계로 전달되기 때문에 상위 영양 단계로 갈수록 각 영양 단계의 에너지양이 줄어들고, 이에 따라 각 영양 단계의 개체 수와 생물량도 감소하게 됩니다. 따라서 안정된 생태계에서는 생태 피라미드가 대부분 위로 갈수록 크기가 작아지는 형태를 나타냅니다.

 

3. 에너지 효율

생태계의 한 영양 단계에서 다음 영양 단계로 이동하는 에너지의 비율로, 특정 양양 단계의 에너지 효율은 (현 영양 단계가 보유한 에너지 총량/전 영양 단계가 보유한 에너지 총량) X 100으로 계산할 수 있습니다. 에너지 효율은 생태계의 유형과 생물종 구성에 따라 차이가 나지만, 일반적으로 상위 영양 단계로 갈수록 증가하는 경향이 있습니다. 그 이유는 상위 영양 단계로 갈수록 개체의 몸집이 커서 단위 무게당 에너지 소모량이 적고, 영양가 높은 동물성 먹이의 섭취 비율이 높기 때문입니다. 

 에너지 효율 피라미드는 일반적으로 에너지 효율이 5~20% 범위에 있으며, 대부분의 생태계에서 에너지양과 달리 상위 영양단계로 갈수록 증가하는 경향이 있습니다. 이에 에너지 효율 피라미드는 역피라미드 형태를 나타냅니다. 에너지 효율뿐만 아니라 개체의 크기, 생물 농축 정도도 상위 영양 단계로 갈수록 증가하는 역피라미드 형태를 가집니다.

 

4. 물질 생산과 소비

 생산자가 태양의 빛에너지를 이용해 광합성을 하여 유기물을 생산하는 것을 물질 생산이라고 합니다. 물질 생산을 통해 빛에너지가 화학 에너지로 전환되어 유기물 속에 저장되고, 이 유기물은 먹이 사슬을 통해 생태계 내의 다른 생물에게 전달되어 호흡 등의 생명 활동으로 소비됩니다. 이처럼 생태계의 모든 생물이 생산자가 생산하는 유기물을 이용하므로, 생산자가 충분한 양의 유기물을 생산하는 것은 생태계 유지가 중요합니다.

 물질 생산과 소비에 있어 총생산량, 호흡량, 순생산량, 생장량, 섭식량 개념을 알려드립니다. 총생산량은 생태계에서 생산자가 일정 기간 광합성을 하여 생산한 유기물의 총량을 의미합니다. 따라서 총생산량은 생산자가 화학 에너지로 전환한 태양 에너지의 양에 해당합니다. 호흡량은 생물이 생명 활동에 필요한 에너지를 얻기 위해 호흡으로 소비한 유기물의 양입니다. 순생산량은 총생산량 중 생산자가 호흡으로 소비한 유기물의 양을 제외하고 생산자에 저장된 유기물의 양을 의미합니다. 순생산량은 소비자 또는 분해자가 이용할 수 있는 화학에너지 양을 포함합니다. 생장량은 순생산량 중에서 말라 죽거나 나뭇잎으로 떨어진 양과 1차 소비자에게 먹힌 양을 제외한 양으로, 생산자에 남아 있는 유기물의 양을 의미합니다. 섭식량은 소비자인 동물이 식물이나 다른 동물을 먹이로 섭취하여 얻은 유기물의 총량을 의미합니다. 1차 소비자인 초식 동물의 섭식량은 식물의 피식량에 해당하며, 초식 동물은 섭식량 중 일부를 소화하지 못하고 체외로 배출합니다. 따라서 초식 동물의 동화량은 식물 생산량에 비해 매우 적습니다.