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생태계란 무엇인가?
51
관리자
06.11.13
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생태계란 무엇인가?
1.1 생태계란 무엇인가?
1.1.1 생태계의 개념
생태계(ecosystem)은 자급자족적인 우주선과 비교될 수 있다. 유리 탱크안의 조류는 외부에서 공급되는 빛으로 이산화탄소와 물을 흡수하여 광합성을 하여 산소를 생성하고 생장을 한다. 우주비행사는 조류를 먹고 산소로 호흡하며 이산화탄소를 내뱉고 배설물은 다시 조류의 영양분이 된다. 지구의 생태계도 이와 마찬가지로 순환되고 있다.
1.1.2 생태계의 기본 원리
생태계의 기본 원리는 영양물질의 순환, 에너지의 외계의존, 그리고 생태계 구조라고 불리는 식물과 동물과의 독특한 관계 등이다.
1) 영양물질순환(Nutrient Cycling)
영양물질순환: 생물체가 태어나서, 자라며 죽고 분해될 때 화학물질들이 환경으로 부터 생물체로 그리고 생물체로 부터 환경으로 다시 이동하는 것
유기성 (organic): 살아있는 것으로 된 또는 살아있는 것으로 부터 근원하는 것. 죽은 생물, 생물조직, 당분, 꿀, 밀가루, 목재, 가죽
무기성 (inorganic): 살아있는 것으로 부터 기원하지 아니하는 것. 암석, 광물, 금속, 공기, 물 등
생물체와 그 환경 사이의 영양물질순환을 평행시켜주는 것은 유기물질과 무기물질 간의 교환이다.
2) 에너지의 흐름(Energy Flow)
녹색식물이 무기영양물질을 생테 구성요소인 유기물질로 만들기 위해서는 빛이 필요하다. 식물은 빛에너지로 유기물질을 생산하고 일부는 성장하기 위해 쓰여진다. 동물의 경우 에너지는 섭취된 식물에서부터 얻어지고 그들의 배설물은 다시 식물이 흡수 사용한다. 이러한 순환은 빛에너지가 공급되는 한 계속된다.
생태계내 영양물질순환과 반대방향으로 생태계를 통과하는 에너지의 일방통행적이 흐름이 있다.
3) 구조(Structure)
한 생태계 안에서 식물, 동물 및 미생물 등 생물체간에 존재하는 상호관계의 특별한 양태가 곧 생태계 구조이다.
1.1.3 생태계의 정의
생태계란 식물, 동물, 및 미생물 등 생물체들이 서로 그리고 그들의 환경과 상호 작용함으로서 그 자체를 영속화 시키는 생물체들의 집단이다. 생태계는 시간에 따라 변화하는 동적인 실체(dynamic entities)이다.
생태학은 생태계를 연구하는 학문이라고 할 수 있으며 또는 생물체간의 또는 생물체와 그 환경간의 상호작용에 관한 모든것을 연구하는 학문이다.
1.2 생태계의 구성요소
생태계는 무생물적인자와 생물적인자로 구성되어 있는데 생물적 인자는 생산자(producers)와 소비자(consumers) 그리고 분해자(decomposers)로 구성된다.
1.2.1 무생물적 인자
무생물적 인자는 환경을 이루는 모든 화학적 또는 물리적 요소들이다. 예를 들어 온도, 빛, 토양의 특성, 영양물질의 이동가능성, 습도 등
무생물적 인자들은 그들이 일정지역내에서 생존가능한 생태계의 형태와 구조를 결정하기 때문에 매우 중요하다.
한 생태계의 정테적 구조는 한가지 무생물적 인자에 의하여 결정 될 수 있는데 이것을 제한인자(limiting factor)라 한다. 주로 수분(강우량), 온도 토양의 특성 등이 있다.
1.2.2 생물적 인자
1)생산자
녹색식물은 다른 모든 생물체가 직접 또는 간접적으로 먹이로 하는 유기물질을 생산하기 때문에 생산자라고 부른다. 식물은 이산화탄소와 물과 빛에너지를 이용하여 당분을 만들고 산소를 방출한다. 식물중 진균류와 몇 종의 화본과 식물들은 광합성을 할 수 없고 대부분이 분해자들이다.
2)소비자
생산자를 직접 또는 간접적인 먹이로 하는 생물체는 소비자이다. 이들은 다시 부분집단으로 구분되는데 생산자를 먹이로 하는 생물체는 1차 소비자이고 1차소비자를 먹이로 하는 생물체는 2차 소비자이다. 또 소비수준에 따라 3차, 4차 소비자도 있을 수 있다. 식물을 먹이로 하는 동물이 1차 소비자는 초식동물이라 부르고 다른 동물들을 먹이로 하는 2차 이상의 소비자들은 육식동물이다. 또한 동물과 식물을 먹이로 하는 동물들은 잡식동물이라고도 불리운다.
기생생물: 다른 소비자가 하는 것처럼 피식생물을 먹어치우는 것이 아니라 장
시간 동안 피식생물과 가까이 지내면서 먹이로 하지만 그것을 죽이
는 것이 아니라 통상적으로 피해를 주는 생물
사물소비자(detritus feeder): 죽은 생물을 먹이로 하는 생물
3)분해자
생태계내의 많은 죽은 생물들은 죽은 생물 소비자에 의해 먹이가 되지 아니하고 썩어서 분해된다. 이 분해활동은 분해자라고 불리우는 일정한 생물체의 먹이활동에 의한 것이다. 분해자에는 진균류와 박테리아류가 있다. 이들은 효소라고 불리우는 화학물질을 분비하여 죽은 유기물질을 간단한 유기영양물질로 분해시켜서 세포속으로 흡수하여 영양분을 얻는다.
4)자가영양생물과 타가영양생물
에너지와 영양물질 공급원으로써 현존하는 우기물질을 이용하는 생물체를 타가영양생물이라고 하고 소비자, 사물소비자, 분해자이다.
이와 반대로 무기영양물질을 그들의 체내 유기영양물질로 합성하기 위하여 빛이나 무기화학에너지를 사용할 수 있는 생물체를 자가영양생물이라고 하며 생산자들이 있다.
5)기타 관계
기타 종간 관계로 공생관계와 의태가 있다.
공생관계는 서로 상대방을 도와주는 관계이고 의태는 다른 종류처럼 교묘하게 보이게 하는 것이다.
1.3. 에너지와 영양물질의 이동
1.3.1 먹이사슬, 먹이그물, 영양수준
먹이사슬: 어느 생물체가 다른 생물체를 먹이로 하는가에 따라 달라지는 영양물질과 에너지 이동의 독특한 통로
먹이그물: 고립된 먹이 사슬이 아니라 서로 연결되어 순환되기도 하는 것
영양수준: 먹이수준으로 영양물질과 에너지가 영양수준에 따라 이동한다
1.3.2 생물량의 감소와 에너지 이동
생물량(biomass)는 어느 특정한 생물 종들의 중량의 총계이다.
각 영양수준을 지나칠 때마다 에너지의 전환이 완전하지 않아 이용 가능한 에너지가 줄어들기 때문에 상위의 영양수준으로 갈수록 생물량은 감소한다. 그러므로 새로운 생물량을 생성시키는 에너지가 계속적으로 유입되지 아니하면 에너지의 생물학적 소비는 곧 모든 생물량을 감소시킬 것이다.
1.4 생태계의 예
1.4.1 생태계의 수준
식물과 동물들이 특별한 환경에 적응하여 다소간 분명한 집단화를 이룬 거대한 체계를 생물군계(biomes)라 부른다. 생태계는 크든 작든 간에 분명한 경계를 갖지 아니하고 양쪽 체계의 많은 종과 환경특성을 잦는 전이지역(transition region)을 통하여 다음 생태계와 구분된다. 지구상의 모든 개별 생태계들과 생물군체들은 서로 관련되며 그리고 지구전체를 둘어 싼 생물권(biosphere)이라는 단일의 전체 생태계를 형성한다.
1.4.2 자연생태계와 인공생태계
인간이 지배하고 있는 체계를 인공생태계라고 부르는데 우리는 지금 생태계를 생태계의 3가지 기본원리에 위반하여 운영해 오고 있다. 이것은 우리의 생태계를 끝장낼 것이다. 그러므로 우리가 생태계의 원리를 이해하고 사회가 생태계의 원리에 조회를 이루는 것이 정말로 중요하다.
제 2 장 생태계 균형과 불균형
2.1.3 균형과 변화의 인자
1) 포식동물과 피식동물의 균형
2) 식생과 초식동물 및 육식동물의 균형
3) 경쟁종의 균형
모든 생산자는 빚, 영양물질, 그리고 물을 얻고자 경쟁한다. 종의 경쟁의 우열과 균형에는 미세 환경이 많이 좌우한다.
어떤 종류의 식물이라도 일반적으로 한가지 또는 좁은 범위의 서식처에 가장 잘 적응한다. 만일 한 개체가 인접 서식처에 퍼지면 그것이 잘 적응하지 못하는 조건에 직면하여 증가된 환경저항성은 그 식물의 번식을 억제한다.
똑같은 원리가 주어진 생태계 내의 동물종에도 적용된다. 생태학적 의미에서 모든 이러한 인자인 기후, 먹이자원, 활동시간대 등은 한 동물의 적좌(niche)를 구성한다. 적좌에 특별히 적응하므로서 경쟁은 최소화되고 균형된 상호존재가 가능하다.
포식자와 피식자간의 관계처럼 경쟁종간의 균형도 자동적으로 일어나지 않는다. 많은 경우 도입종은 재래종과 경쟁할 수 있는 적좌를 발견하기 어려워 죽어 버린다. 그러나 도입종이 여러가지 적좌에 보다 경쟁적이어서 재래종이 사라지는 경우도 많다.
4) 자원의 이용가능성과 영토성을 통한 균형
생물체의 개체수는 생물적 인자와 무생물적 인자들의 어떤 조함에 의해서 제한된다. 자원의 이용가능성에 따라 개체수 범위에서 제한은 이루어진다. 녹색식물에 필요한 주요한 자원은 빛, 물, 그리고 미량원소들이다. 동물들은 식량과 물, 숨을 수 있는 장소, 집터와 자재 등을 필요로 한다. 한 개 이상의 자원을 적절히 공급받지 못한 생물체는 포식자 또는 기생충에 의해 공격을 받기 쉽다.
개체수의 수는 그의 포식자에 제한을 가하는 것보다 제한자원을 이용하는 것 이 보다 효과적이다. 많은 동물들은 그들의 개체수를 자원한계내에서 유지하려는 행태적 적응력을 갖고 있는데 이것을 영토권이라 한다.
5) 무생물적 인자 및 화재와의 균형
식물과 동물은 무생물적 인자들에 적응하지만 무생물적 인자들은 일정하지가 않다. 조건이 변동됨에 따라 한 지역에 경쟁종이 혼합되어 한 종류는 어느 시기에 유리하고 다른 종류는 다른 시기에 유리한 경우가 있다.
과거 산불은 나쁘다고 생각되었으나 지금은 산불을 모두 억제하는 것이 잘못일 수 있다는 변화가 일어났다. 예를 들어 소나무 숲이 죽은 가지들은 벌레의 서식처가 되므로 산불에 의해 제거되는 것이 좋다. 산불은 산의 균형을 이루는데 영향을 주며 영양물질의 순환에 도움을 준다. 그래서 근래 산불은 숲을 관리하는데 하나의 도구로써 사용되고 있다.
모든 인자들은 실질적으로는 동시에 작용하게 된다. 극생태계에서 모든 종의 생물적 잠재력은 천적, 경쟁종 그리고 불리한 무생물적 인자들의 총합인 환경저항성에 의하여 균형을 이루고 있다.
2.2 자연선택에 대한 적응
어떤 균형을 이루는 주요인자는 그의 환경과 상호관련되는 다른 종에 대한 적응력이다. 각각의 생물종들은 적응력의 종합체로 생각할 수 있다. 적응력은 일반적으로 5가지 범주로 구분 할 수 있는데 무생물적 인자에 대처하는 적응력, 물과 식량, 그리고 식물인 경우에는 에너지와 영양물질을 획득하기 위한 적응력, 배우자(식물의 경우 화분)를 구하고 사랑하여 종족번식을 하는 적응력, 그리고 이주 또는 확산을 위한 적응력 등이다.
2.2.1 자연선택을 통한 변화
1858년에 찰스다윈은 그가 지은 책인 “자연도태에 의한 종의기원”( The origin of Species by Means of Natural Selection)에서 적응력이란 그가 자연도태라 불렀던 과정의 결과라는 증거를 제시하였다.
이론 중 다윈은 모든 종들은 충분한 재생산을 한다는 것, 즉 모든 종들은 죽었을 때 그들을 대체할 수 있는 숫자보다 더욱 많이 후대를 생산한다는 것을 관찰하였다. 모든 종들에게 있어서 각각의 개체들 사이에는 차이가 있다. 다윈은 이러한 차이들 때문에 어떤 개체는 다른 개체들보다 주어진 환경조건에서 살아남는 적응력이 더 많을 수 있다고 주장하였다. 이들 두 가지 개념을 종합하면 우리는 생물체들은 보다 나은 후세대를 낳아 살아 남도록 하고 그 후세대중 어느 것은 다른 것보다 살아남는 적응력이 높다는 것을 알 수 있다. 결론적으로 그들의 차이가 생잔과 번식에 더욱 잘 적응하는 개체들에 대한 자연도태인 것이다. 대규모 변화 혹은 진화는 여러가지 육종은 바람직한 특성을 가진 후세대를 선택하여 육종시키고 나머지는 버림으로써 발전되었다.
다원의 중요한 관찰은 어떤 주어진 특성을 위한 반복적인 선택에도 불구하고 변이는 완전히 사라지지 않는다는 것이다. 경험있는 관찰자들은 후세대중에서 특별한 특성에 관하여 다소 많은 것과 다소 적은 것을 항상 주시할 수 있다. 계속적인 선택에 따라 더욱 개발하거나 변화되는 변이가 항상 있는 것이다.
현대과학에 의하면 생물체의 화학적 물리적 특성은 유전물질인 DNA(deoxyribonucleic acid)로 구성된 유전자에 의한다는 것이다. 이들이 돌연변이와 교잡을 통하여 분리와 재결합을 하여 새로운 유전인자의 결합을 이루어 생물체의 규전적 형태를 변경시키고 이것이 계속적으로 후세대에 전달된다.
결론적으로 자연은 목표를 가지고 설명할 수가 없고 그대신 많은 변화에 의하여 자연은 모든 것을 하려한다고 볼 수 있다. 만일 특별한 변이가 일어나 그것이 살아남아 번식되는 것을 촉진하면 그것을 결정한 유전인자는 생식과정을 통하여 후세대에 옮겨진다. 만일 변이가 살아남지 못하면 그에 관한 유전인자는 생물체가 죽을 때 그 개체로부터 소멸된다.
2.2.2 진화
1) 적응이냐 멸종이냐?
자연도태의 각각의 종들은 무생물적 인자와 다른 생물체에 적응하게 된다. 그러나 세월이 흐름에 따라 환경인자들은 변하게 된다. 변화하는 조건에 따라 종들은 다음 세 가지 중 한 개를 하여야 한다. 첫째, 비슷한 조건을 가진 다른 조건을 가진 다른 지역으로 이동할 수 있다. 둘째, 자연도태에 의하여 새로운 조건에 재 적응할 수 있다. 셋째, 위의 두 가지 방법이 실패하면 그들은 멸종되어 버린다.
2) 종의 분화
어느 개체의 생산과 번식을 돕는 적응은 그 개체가 존재하는 특별한 환경과 항상 관련한다. 식량을 얻기 위한 적응은 이용 가능한 식량의 종류에 달려있고, 천적으로부터 방어 또는 도망을 할 수 있는 적응은 나타난 천적의 종류에 달려 있고, 무생물적 인자에 대한 적응은 존재하는 무생물적 인자들의 범위에 달려 있다. 즉, 자연도태의 과정은 어느 생물종이 특별한 서식처에 적응케 하는 변종을 골라 낼 것이다.
먹이공급원과 천적이 두 지역에서 다르면 자연도태는 두 가지 인자들에 관한 상이한 변종을 선호할 것이다.
이것이 종 분화의 과정이다. 서로 다른 부류와 서로 다른 위치에서 자연도태는 여러가지 특별한 공급원으로 부터 먹이를 얻기 위해 더욱 잘 적응된 변종을 선호하게 되었다.
3) 생태계의 진화
종의 분화 혹은 적응을 논할 때 우리는 어느 시점에 살고 있는 한 종의 생물종에 촛점을 맞춰야 한다. 그러나 생태계내 모든 생물종들은 각 생물종간 그리고 무생물적 환경에 대하여 자연도태와 적응을 동시에 하게 된다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 즉 균형된 상호관계를 유지 달성하는 적응을 하지 못하는 종들은 멸종될 수 밖에 없다.
포식동물과 피식동물의 관계 혹은 경쟁적 관계에서 일어나는 균형의 원리는 모든 생태계에서 비슷하다. 그러나 분리된 대륙 혹은 멀리 떨어진 섬에서 다른 것과는 고립되어 발달된 생태계는 무생물적 인자가 비슷하더라도 매우 다르다. 이것은 그 생태계들이 서로 다른 종으로 시작되었고 그리고 각각의 종들의 유전자의 변이에 임의성이 있기 때문이다.
도입종일 경우 생태계에 심각한 변화를 줄 수 있기 때문에 주의해야 한다.
4) 진화론적 연속
적용하여 변화하고, 멸종되고 그리고 종이 분화되는 과정은 진화론적 연속의 과정을 구성한다. 어느 한 시대에 지구에 살던 생물종들은 서서히 다른 종에 대하여 대체되고 대를 이어 받는다. 화석기록은 새로운 종이 나타나 번성하고 그리고 수많은 종류로 분리되다가 그 중 어느 것 또는 모든 것들이 멸종되어 가는 것의 반복이다.
2.3 생물권과 인류
진화와 갱태계 균형 및 연속이라는 관점에서 우리 인류는 모든 포유동물과 해부학적으로 유사성을 갖는다. 자연도태과정을 통하여 원시영장류로부터 분리되어 나왔다고 가정한다.
종족간의 차이도 자연도태를 기초로 하여 설명 될 수 있다. 인류는 발생지에서 분산하여 지구의 여러지역에서 살게되면서 자연도태의 상이한 힘에 의하여 다른 종족으로 분리하게 되었다. 인류의 진화는 한가지 독특한 면에서 다른 생물종과 다르다. 다른 종들의 경우 자연도태는 어느 특별한 서식처에 적응할 뿐만 아니라 종이 분화되도록 이끌어 간다. 그러나 인류는 그와 반대다. 선택된 특성들은 매우 일반화된 능력들이다. 천적, 경쟁종 그리고 환경인자와의 균형아래 특정한 서식처안에서 진화되는 것이 아니라 인간은 지구상 혹은 우주안에 있는 모든 환경안에서 이동할 수 있는 방법으로 진화하였다.
우리는 현재 생물학적 잠재력과 환경저항간에 존재하는 상당한 불균형 상태하에 있다. 그러나 우리는 우리의 과학과 생활 습성을 생태학적인 제한 안에서 그리고 생물권에 나머지 생물종들과 균형안에서 조절할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
제 3 장 원자와 영양물질 순환
영양물질이 무엇인가와 그들이 환경관 생물체 사이에서 어떻게 순환되고 있는가를 3장에서 다룬다.
3.1 무생물환경내의 원자와 결합
3.1.1. 원자, 원소, 화합물
모든 물질들은 원자라 부르는 기본적인 입자로 구성되어 있다. 세상에는 100여개 이상의 원자의 종류가 있다. 원자는 매우 작으며 안정하다.
같은 종류의 원자로 이루어진 물질은 원소(element)라 하고 2-3종류의 원자로 이루어진 물질을 화합물(compound)라 한다.
3.1.2. 원자와 결합
1) 원자의 구조
한 원자는 중심부에 1개 이상의 양성자와 수소를 제외하고는 1개이상의 중성자를 가지고 있다. 핵 주위에는 전자라는 입자들이 있다. 양성자는 양저하를 가지고 있고 전자는 음전하를 가지고 있으며 중성자는 아무런 전기적 성질이 없다.
2) 원자의 결합
원자의 결합은 인접해있는 원자중의 전자들간의 상호작용으로 부터 일어난다. 결합에는 공유결합과 이온결합이 있다.
가) 공유결합
공유결합에서는 인접원자들 간에 전자를 공유한다.
(1) 물: 물은 산소원자와 수소원자들의 공유결합 생성물이다. 두개의 수소원자는 1개의 산소원자와 결합되어 있다. 그러므로 두개의 수소원자와 한개의 산소원자의 별개의 단위체가 형성된다. 2개이상의 원자들이 별도로 결합된 것을 분자라고 한다. 원자들이 결합하였을 때 그들의 화학적, 물리적 특성은 순수상태의 원소들과는 현저히 다르다. 분자의 수소가 있는 쪽 끝에는 약간 음전하를 띄는 산소가 있는 쪽과 비교해볼 때 약간 양전하를 띈다. 한 분자의 양쪽 끝 사이의 전기적 성질의 차이는 극성이라 부른다. 서로 다른 전기적 성질은 서로 당기므로 이러한 극성은 물 분자간의 끌어 당기는 역활을 한다. 냉각, 증발, 응축 등 물리적 관정에서도 분자 그 자체는 변화하지 않고 분명한 물 분자의 구조 H2O를 유지한다. 변하는 것은 물분자들 간의 상대적인 꿀어 당기는 힘이다.
(2) 공기: 공기는 여러 가지 기체의 혼합물이다. 산소는 공기중의 1/5, 질소는 약 4/5를 차지하며 공기의 아주 작은 부분을 탄산가스가 차지한다. 공기중의 모든 분자들은 서로 임의적으로 섞어서 움직이고 있다. 따라서 개별 분자들은 자유로운 이동 특성을 가지며 통상의 온도와 압력 아래서 액상이나 고상과는 달리 기체상태로 공기가 존재하게 된다.
나) 이온결합
대부분의 원자들과 많은 공유결합된 원자들은 1개이상의 전자를 얻거나 잃어버리는 경향이 있어서 양 또는 음전하를 띄게 된다. 양 또는 음의 전하를 띄는 원자와 원자그룹을 이온이라 부른다. 서로 다른 전하끼리 끌어 당김으로써 이온들이 결합하는 것을 이온결합이라 한다. 자연적으로 양이온과 음이온은 수 많은 방법으로 조합을 이루고 함께 모아져서 바위와 무기 토양입자들을 생산해낸다.
3.1.3 용액
물질간의 수많은 상호작용이 있는데 특히 중요한 것은 용매로 작용하는 물의 능력이다. 극성을 가진 물분자가 그의 극성으로 인하여 주위의 이온들을 끌어당겨 이온들을 한곳에 모은다. 이것은 이온들 사이의 끌어당기는 힘을 약화시키고 이온들은 결정체 표면을 떠나 물분자들에 의하여 부유하게 된다. 한 화합물의 용해성 즉 얼마나 쉽게 화합물이 물에 녹느냐 하는 것은 이온과 이온사이의 끌어당기는 힘과 이온과 물 사이의 끌어당기는 힘의 상대성에 따른다.
3.1.4 화학반응
각각의 원자는 개별적 특성을 유지하지만 원자간의 결합은 변한다. 모든 화학작용은 최종적으로 분석해보면 원자들이 각기 결합한 방법의 단순한 변환이다. 반응되어지는 반응물질과 반응으로부터 생성되는 생산물 사이에는 잠재적인 에너지의 차이가 있다. 에너지를 방출하는 과정은 자연발생적으로 일어난다. 그러나 화학작용은 에너지가 그 체계내로 들어오면 거꾸로 일어날 수 있다. 이러한 에너지 개념은 생태계내 에너지 흐름과 연관된다.
3.1.5. 산과 염기
산소와 수소원자가 참여하는 화학작용의 다른 범주는 산과 염기에 관한 사항이다. 한용액의 상대적인 산성 혹은 염기성은 다른 화합물과 분자들의 용해성에 상당한 영향을 미치고 또한 살아있는 생물체에 직접적 영향을 주므로 매우 중요하다. 산의 특성은 용액중에 수소이온, 염기성 혹은 알카리의특성은 용액중에 수산이온의 결과이다. 수소이온이 많으면 그 용액은 상성을 띄고 수산이온이 많으면 용액은 염기성이 된다. 산과 염기가 결합하면 물을 형성한다.
3.2 생물체내의 원자와 결합
3.2.1 체조직의 체계
생물체들은 여러단계의 조직을 가지고 있어서 복잡한 생물체를 구성한다. 세포는 세포분열을 통하여 성장하고 재생산되는 기본적인 기능단위이다. 세포는 수 많은 세포소 기관을 가지고 있어 특별한 기능을 수행하고 있다. 살아있는 생물체는 원자들이 분자내에 종합되고 차례로 더욱 복잡한 구조로 종합되어 있는 조직이다. 생명체의 화학작용은 원자간의 재조정을 말한다.
3.2.2 생물체내의 거대분자와 역할
생물체의 세포들은 공유결합원자들이 수천 또는 수 백만개씩 존재하는 거대한 분자로 구성되어 있다. 이렇게 기관의 구조를 형성하는 거대한 분자를 거대분자라 부른다. 이들은 단백질, 탄수화물, 지방질 및 핵산의 4종류의 거대분자로 대별된다.
1) 단백질
모든 동물조직의 세포는 거의 다 단백질로 구성되어 있다. 담백질은 모든 세포들의 화학적기능에 필수적이 역할을 하고 있다. 효소와 인슐린 호르몬 등도 단백질이다.
2) 탄수화물
녹말, 설탕 등 탄수화물은 식물과 동물의 에너지 저장 및 방출의 필수요소이다. 이 외에 식물의 구조는 셀루로즈라 부르는 탄수화물 상당히 의존하고 있다.
3) 지방질
지방질은 유지와 기타 유사화합물이다. 유지는 모든 생물체내에서 에너지의 저장과 방출에 중요한 역활을 한다. 인지질은 원형질 구조에 중요한 요소이다.
4) 핵산
핵산은 유전정보의 저장과 변환기능을 하는 거대분자들이다. 유전성분자인 DNA(디옥시리보뉴크레익에시드)는 핵산이다.
3.2.3 거대분자의 일반구조
거대분자들은 모두 공유결합한 탄소원자들로 구성된 기본골격을 갖고 있다. 탄소화물은 수소와 산소원자가 산소 1개당 수소 2개 배율로 탄소고리에 결합되어 있다. 단백질은 기본적으로 탄소, 수소 및 산소원자외에 상당수의 질소원자로 구성되며 핵산은 탄소, 수소, 산소 및 질소 외에 인을 함유한다. 거대분자들의 다른 특징은 수많은 작은 분자들 여러 개가 연결되어 고리형태를 이루는 것이다. 녹말과 셀루로스는 포도당이 서로 연결된 것이다. 단백질은 아미노산분자들의 결합니다. 핵산은 뉴크레오티드라는 네 종류의 구성체가 상이한 배열을 이루어 구성되는 것이다.
3.2.4 성장과 물질대사
생물체 대부분이 단백질, 탄수화물, 지방질 및 핵산으로 구성되어 있어 성장, 보완 그리고 재생산을 위해서는 이러한 분자들의 꾸준한 생산이 요구된다. 생물체의 임무는 이용가능한 여러가지 영양분으로 부터 이들 분자들을 생산하는 것이다. 생물체내에서 유기분자를 생산하고 분해하는데 일어나는 모든 화학작용을 물질대사라 부른다.
3.2.5 천연 및 합성유기분자
유기성은 생물체 혹은 생물체로 부터의 뜻이다. 그러므로 지방질, 탄수화물, 단백질, 핵산 등은 유기분자다. 즉 공유결합의 탄소원자들을 기본구조로 한 분자들은 유기분자이다. 천연유기분자들은 생물체에 의하여 만들어진 것이고 합성유기분자들은 화학자에 의하여 만들어진 것이다.
3.3 원소, 식물영양물질 및 식물성장
3.3.1 필수원소와 영양물질
1) 필수원소
유기분자의 주요 종류는 탄소, 수소, 산소, 질소, 인 및 유황의 여섯가지 원소들로 구성된다. 이들 분자들은 식물이 유기분자를 만드는데 필수적인 것이다. 100여가지 원소 중 단지 17종의 원소가 대부분 식물의 성장에 필요하다. 이중 9종은 상대적으로 다량 필요하고 7종은 극소량이 필요한 미량원소이다.
2) 식물영양물질
식물영양물질이란 식물이 취하여 사용할 수 있는 분자 또는 이온형태의 필수원소이다. 필수원소와 식물영양물질 사이에는 분명한 차이가 있다. 식물은 상이한 분자와 화합물을 흡수하거나 사용하는데 제한된 능력을 가지고 있다. 주어진 분자 혹은 화합물은 이 필수원소를 함유하였어도 식물이 그것을 흡수하거나 사용할 수 없으면 그 물질은 영양물질로 고려될 수 없다.
식물의 기타 필수 요소들은 토양 광물질에 이온으로써 존재하며 그 공급원으로 부터 식물에 흡수된다.
3) 질소와 질소순환
질소가스는 대부분의 식물에서 이용할 수 없는 분자형태로 나타나는 필수원소이다. 질소는 흡수이용되기 전에 질산이온이나 암모늄이온 형태로 있어야한다. N2형태의 질소원자를 NH3로 재결합 시키는 관정을 질소 고정작용이라 하며 이러한 과정을 행할 수 있는 박테리아와 청녹조류는 질소고정생물체 혹은 질소고정자라 한다. 암모니아는 질화박테리아라고 알려진 토양박테리아에 의하여 사용되어 질산이온으로 바뀐다. 이 과정은 질화작용이라한다. 암석이나 토양광물에는 질소가 거의 없으므로 대부분의 육상생태계는 유용질소의 공급원으로 콩과식물의 질소고정박테리아 그리고 질화작용에 의존한다.
4) 인순환
인산은 식물의 뿌리에 의하여 수용액을 통하여 토양중 관물지로 부터 흡수되고 식물에 의하여 여러가지 유기화합물로 변환된다. 유기화합물내에 있는 인산은 흔히 유기인산으로 불린다. 유기인산은 식물로부터 동물의 먹이로써 이송되어 새울체의 세포내호흡관정에서 산화되면서 무기인산으로 변하고 이는 폐기물로 동물체로부터 방출되어 환경에 재진입하게 되며 그 순환이 계속된다. 인산의 순환에는 기체상태가 없어 숙계에 축적되고 적은 수만이 순환된다.
3.3.2 유기분자내 무기영양물질
1) 광합성작용: 포도당 생산
광합성 작용은 빛에너지를 사용하여 탄산가스와 물로부터 포도당을 생산하는 것이다. 산소는 이때 부산물로 나온다.
화학적 공식은 다음과 같다.
↓빛
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
광합성공식은 광합성의 전체작용을 나타내주는 것일 뿐 실제의 광합성 작용은 작은 단계별 작용의 복잡한 연속과정으로 이루어진다. 엽록체는 태양에너지에 의해 포도당을 만들어 낸다. 태양에너지의 수용테인 엽록소분자는 빛에너지를 흡수하고 빛에너지는 효소를 사용하는 힘을 공급하고 효소는 이산화탄소와 물로부터 포도당을 만든다. 산소는 이과정의 부산물이다.
2) 다른 유기분자와 포도당
광합성의 제1차 산물인 포도당은 식물이 다른 유기분자를 생산하는데 이용된다.
가) 셀루로즈와 세포벽
세포벽을 위한 셀루로즈는 포도당 분자들을 긴고리로 연결시킴으로써 만들어진다. 세포벽은 나무와 기타 식물조직의 기본적 구조를 이룬다.
나) 단백질
단백질은 아미노산을 긴 고리로 연결시킴으로써 만들어진다. 아무노산은 약 20개의 종류가 있는데 그들을 여러가지 모양으로 연결시킴으로써 상이한 단백질을 만들 수 있다.
다) 핵산
아미노산, 당분과 그리고 인 이온이 결합하여 핵산구조체를 이루고 핵산구조체는 사슬을 이루어 핵산이 된다.
라) 지방질
지방질의 특성인 긴 탄화수소고리 역시 포도당분자로부터 얻을 수 있다. 두개의 탄소원자를 함유한 부분은 포도당으로부터 얻어져서 긴고리로 결합된다. 이 과정에서 포도당분자의 수산기는 제거되고 수소원자가 첨가된다. 탄화수소의 연결자 또한 포도당 분자로 부터 얻어진다.
3) 에너지와 세포호흡
빛으로 에너지를 이용할 수 없을 때 에너지는 세포호흡과정을 통하여 포도당으로부터 나온다. 세포호흡의 전체과정은 광합성작용의 반대이다.
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
↓ 에너지
4) 포도당의 저장과 사용
성장을 위해서는 원료물질과 에너지의 공급원이 필요하며 포도당은 이들의 공급원이다. 성장기동안 식물은 많은 량의 포도당을 씨, 구근, 덩이줄기와 다른 조직체에 저장한다. 포도당을 지방질로 바꾸는 것은 적은 공간에 더 많은 양의 에너지를 저장하는 방법이다.
5) 식물의 대사작용의 요약
식물의 대사작용은 다섯개의 범주로 나뉜다.
첫째, 광합성과정은 빛에너지를 사용하여 이산화탄소와 물로 포도당을 만든다. 둘째, 포도당분자의 일부는 서로 연결되어 셀루로즈를 만든다.
셋째, 일부 포도당분자는 단백질, 핵산, 지방질 및 기타 유기분자가 된다.
넷째, 약간의 포도당은 호흡을 통해 분해되어 에너지를 방출한다.
다섯째, 식물은 포도당을 저장하여 미래의 성장에 필요한 에너지를 공급한다.
3.3.3. 제한인자, 최적조건, 내성의 정도
식물성장에 필요한 인자가 부족할 때 이것은 제한인자가 된다. 어느 성장인자의 경우 적당한 중용상태가 있게되어 식물이 최대성장을 이루는데 이를 최적조건이라 한다. 식물은 최적조건의 상하 어느 정도까지 즉 내성의 정도 안에서는 성장할 수 있고 그 한계를 초과하면 죽는 내성의 한계가 있다.
1) 온도: 온도는 광합성과 호흡에 모두 영향을 미치고 있고 성장의 정도는 광합성과 호흡의 균형여부에 달려있다.
2) 미량원소: 17가지 필수 원소중 어느 요소 한두개가 부족하여도 생장은 제한된다.
3) 물 : 광합성의 원료로 물은 사용된다. 증산에 의해 손실되기도 하기때문에 많이 필요하다.
4) 빛 : 햇빛은 통상적으로 광합성에 충분하나 응달에서는 제한요인이 되기도 한다.
5) 수소이온농도: 대부분의 식물은 수소이온농도 6내지 7에서 잘자란다.
6) 공간: 식물이 밀착되어 있으면 성장을 방해하고 넒은 공간을 갖게되면 영양물질과 빛이 효과적으로 사용되지 못한다.
3.4 식물에서 동물로 그리고 환경으로의 회귀
3.4.1 필요식품
녹색식물의 영양적 필요는 식물이 유기분자를 생산하고 물질대사기능을 수행하기 위하여 이용하는 무기영양물질에 의해서 결정된다.
1) 성장, 유지 및 조절을 위한 식품
성장, 유지 및 조절을 위한 영양물질은 전생애를 통하여 공급되어야 한다.
가) 단백질: 주요한 체조직과 효소는 단백질이어서 단백질의 공급이 매일매일 필요하다.
나) 비타민: 주효소의 기능을 가진 비타민은 체내에서 합성할 수 없고 매우 적은 양이 필요한 유기분자이다.
다) 미량원소: 종속영양생물도 식물과는 다른 기능을 위해 필요하지만 광물질을 필요로 한다.
2) 에너지용 식품
에너지의 공급이 없으면 성장, 유지관리 및 조절이 일어날 수 없는데 종속영양생물은 에너지를 유기부자를 분해함으로 얻는다. 에너지를 공급하기 위하여 유기분자를 분해하는 것은 세포호흡과정을 통하여 일어난다.
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 에너지
3.4.2 영양물질 순환의 완성
영양물질 순환의 생태학적 연구는 각 요소를 분리하고 한 개 이상의 생물체를 통하여 환경내 영양물질의 통로를 추적하는 것이다. 탄소순환, 인산순환, 질소순환 등이 육상생태계와 수생태계에서 나타난다.
3.4.3 인간생태계의 불완전순환
인간은 순환되어야만 하는 원소들을 자연에 거슬려 영양물질의 흐름을 조작하고 있다. 이는 경제적인 이익이 뒷바침 되었으나 앞으로 자원이 희귀해지면서 커다란 타격을 받을 것이다.
제 4 장 토양생태계와 농업
토양은 대부분의 식량, 사료 목재 및 천연고무 생산의 기초가 된다. 그러나 세계 도처에서 토양관리의 실패로 토지가 불모지가 되어 토양생산이 감소하고 있다.
4.1 식물과 토양의 상호관계
일반적으로 식물의 뿌리가 차지하는 표면적은 가지나 잎이 차지하는 표면적보다 크다. 그러므로 지표 밑의 환경이 식물의 복잡한 환경의 반 이상을 차지하고 있다.
생산적 토양은 그 자체로 복잡한 하나의 생태계이며 토양생태계는 식물과 유기생물체들이 그들의 성장을 적절하게 지탱시켜주는 토양을 유지하는데 중요한 역할을 하는 동적인 상호관계를 포함한다.
4.1.1 토양으로부터 식물이 필요로 하는 것
1) 무기영양물질
식물이 필요로 하는 무기영양물질은 질소산화물(NO-3), 인산화물(PO-33), 칼슘(K+), 그리고 칼슘(Ca-2)이다. 질소산화물은 대기로부터 얻어지지만 다른 무기영양물질들은 원칙적으로 풍화라는 과정을 통해 암석이 분해되어 얻어진다. 그러나 풍화작용은 매우 느리 과정이므로 식물들이 필요로하는 영양물질 모두를 공급할 수는 없다. 자연생태계에서 식물에 대한 영양물질의 주요 공급원은 죽은 동식물의 분해 즉 재순환에 의한 것이다.
토양의 영양물질에 대한 주요한 관점은 이용 가능한 영양물질의 직접적인 양 뿐만 아이라 그들이 식물에 의하여 흡수될 때까지 영양물질을 간직하는 토양의 능력이다.
2) 물: 식물체 조직의 활동은 그들의 수분을 계속 보존하느냐에 달려있는데 나무잎으로부터 증산작용에 의해 잃어버린 것과 광합성 작용에 이용된 부분을 채우기 위하여 계속적이 물 공급이 필요하다.
강우로부터 식물에 이르기 까지 물의 통로가 완성되기 위하여는 토양의 두 가지 측면이 중요하다. 첫째, 강우는 토양에 스며들어야 한다. 둘째, 식물에 물을 공급할 수 있는 저수지 역할을 할 수 있도록 물이 토양에 간직되어야 한다.
3) 공기: 뿌리도 호흡작용을 하므로 산소공급이 필요하고 이산화탄소를 배출하여야 한다. 뿌리는 산소를 토양에서 흡수하여야 하는데 토양과 대기의 가스교환을 통기라 부른다. 통기가 봉쇄되면 뿌리는 곧 질식하여 죽는다.
4) 토양산도: 대부분의 식물들은 중성에 가까운 토양과 수용액을 필요로 하고 대부분의 자연환경은 이를 공급해주고 있다. 수소이온농도는 토양의 중요한 지표중 하나이다.
5) 염과 삼투압: 모든 살아있는 생물체가 적절히 기능할 때 세포들은 일정량의 물 즉 물의 균형을 유지해야한다. 물의 균형은 세포막내외의 상대적인 염분농도에 따라 일차적으로 결정된다. 세포막은 염을 통과시키지 아니하나 물은 염의 농도가 높은 쪽으로 막을 통과하며 이를 삼투압현상이라 한다.
4.1.2 식물성장과 토양특성
1) 토양의 입자조성
암석은 풍화작용에 의하여 서서히 작은 입자 크기로 분쇄된다. 그 입자는 크기에 따라 모래, 미사 및 점토 등으로 구분된다. 이들의 상대적 비율을 입자의 조성이라 부른다. 그리고 토양은 토양삼각도에서 보는 것처럼 입자의 조성에 따라 분류된다.
입자의 크기가 클수록 침수성과 통기성은 증대한다. 보수력과 이온교환 능력은 입자크기에 반비례한다.
2) 유기물, 부식 및 토양구조
가장 좋은 광물토양은 단지 모래와 진흙의 장단점을 절충시킨 것이다. 토양에 유기물질을 투입하면 화학적 및 물리적 특성이 현저히 증대 된다. 유기물질이 분해될 때 무기영양물질이 남는다. 식토에 부식을 더하면 부식의 흡수성은 토양을 느슨하게 하고 침수성, 통기성 및 작업성을 향상시킨다.
4.1.3 토양이 식물로부터 필요로 하는 것
1) 부식형성과 표토
부식은 썩은 유기물의 잔존물이므로 부식이 형성되기 위해서는 우선 생물폐기물이 공급되어야 한다. 자연생태계내에 생물폐기물의 주요 공급원은 식물이다. 죽은 생물체의 생물량은 여러 영양수준으로 구성된 복잡한 먹이 그물을 유지시켜 주고 있다.
죽은 생물체의 대부분은 토양표면에서 썩어지고 죽은 뿌리도 토양표면 근처에 있기 때문에 대부분의 동물체의 먹이활동과 그로 인한 부식 형성 과정도 표토 혹은 그 근처에서 이루어진다.
2) 침식방지
식물들은 침식으로 부터 토양을 보호하는데 상당한 역할을 하고 있다. 침식은 물 또는 바람이 토양입자들을 집어내어 먼곳으로 보내는 과정이다. 물에 의한 침식은 나지에 빗방울이 튀겨짐으로 침식이 일어나느 물튀김 침식으로 부터 시작된다.
침식은 다량의 먼지를 이동시키는 것보다 훨씬 위해한 효과를 미친다. 첫째 표면으로 부터 이동되는 약간의 토양은 가장 가치가 있는 표토이다. 둘째, 토양입자는 크기와 무게에 따라 이동하며 더 작을수록 더 가벼울 수록 더 쉽게 쓸려내려 간다. 토양은 점점 사질토가 되며 이로 인해 토양의 보수력, 이온교환능력 및 식물을 바쳐주는 토양의 힘이 떨어지게 된다.
3) 깔짚과 습도 : 땅위를 덮은 깔짚은 토양의 수분 함량을 유지하는데 도움이 된다.
4.1.4 식물과 토양의 균형
식물은 토양으로 부터 영양물질, 물 및 뿌리의 통기작용을 의지한다. 그러나 이러한 물질을 공급하는데 매우 중요한 토양의 물리적 화학적 특헝은 식물로 부터 얻는 유기물질에 따라 좌우된다.
4.2 인간활동이 토양에 미치는 영향
4.2.1. 경운작업
1) 피해영향
작물을 재배하기 위한 첫 단계는 토양을 경운하는 것이다. 경운의 기본적인 목적은 잡초를 제거하는 것이다. 잡토를 제거하는 것 외에 경운은 토양 파괴를 초래할 수 있고 더욱 중요한 것은 경운은 표토를 바람과 물에 의한 침식에 그대로 토출 시킨다는 것이다.
2) 토양보전
중요한 토양보전기술 중에는 둥고선농법과 줄재배법이 있다. 등고선농법은 등고선을 따라 경운과 농작물을 재배하는 기술로써 배수는 경사면에 따랄 흘러가는 것이 아니라 고랑사이에 물을 고이게 된다. 이러한 농법은 고랑에서 물이 충분히 스며들어 가게 하여 배수와 침식을 억제해 준다. 줄재배법이란 농작물을 심은 줄 사이 사이에 목초를 띠형태로 재배하는 것이다. 줄재배법은 풍식을 예방하는데 특히 효과적이다.
3) 무경운농법
경운의 악영향을 피하는 방법은 경운을 중지하는 것이다. 즉 토양을 그대로 놓아둔 상태에서 작물을 심는 것이다. 잡초가 제거되지 아니하면 농작물의 성장 및 수확량이 상당히 감소되므로 경운 작업은 필요하였다. 화학제초제는 토양을 방해하지 아니하고 잡초를 죽인다. 또는 종작물을 수확한 즉시 또는 그 바로 직전에 독보리 등 인공잡초를 심을 수도 있다. 무경운농법으로 토양구조는 방해받지 아니하고 식물 피복도 항상 유지되므로 침식은 자연생태계에서 자연적으로 이루어지는 이상으로는 일어나지 않는다. 무경운 농경지에서는 수확량이 증가하고 시간, 노동 및 연료를 절약할 수 있다.
4.2.2 유기질 비료와 무기질 비료
작물에는 많은 광물 영양물질을 함유하고 있으므로 작물을 수확한다는 것은 토양으로 부터 영양물질을 제거하는 것과 같다. 이러한 영양물질이 보충되지 아니하면 그 토양의 영양물질원은 서서히 고갈되어 식물성장은 제한될 것이다.
4.2.3 과다방목과 사막화
강유량이 감소함에 따라 삼림에서 초원으로 그리고 사막으로 생태계는 전환된다. 과다방목은 초지의 토지생산량이 서서히 감소하면서 서서히 악화되는 것으로부터 시작된다. 종말에 가서는 갑자기 하락하여 목초생산이 소비되는 목초량을 견지하지 못하고 완전히 헐벗은 토지에서 방목되어야 한다. 토지의 수용능력을 결정하는 데 있어 목초지의 총생산성이 가축먹이로 이용되지 아니한다는 것을 인식하여야 한다.
4.2.4 산림: 완전벌체와 선택벌체
모든 나무가 벌채되어 땅이 노출되는 경우가 완전 벌채이다. 완전벙채방법은 재녹화에도 불구하고 토양에 심각한 영향을 준다. 완전벌채를 대체하는 방법은 선책절 벌채이다. 선책적 벌채를 하면 선별된 입목만이 간헐적으로 베어지고 나머지는 계속 성장하므로 토양을 보호하게 된다.
4.2.5 관개와 염류토화
물이 작물생산의 제한인자가 되는 곳의 치유 방법은 외부로 부터 도랑이나 파이프를 통하여 관개하는 것이다. 관개의 장점은 대부분의경우 단기적인 것이며 그 토지는 결국 염류토화 과정에 의해 농경지로 이용할 수 없는 땅으로 변한다.
4.2.6 산성비와 영양물질의 용탈
뿌리에서 분비된 유기산에서 나온 수소이온이 느슨하게 결합된 영양물질 이온과 교환되어져서 영양물질의 뿌리내 흡수가 가능하게 된다. 황산화물과 질산화물 같은 대기 오염물질이 대기중에 있는 수증기와 작용하여 산을 형성하고 이것이 지표에 빗물로 떨어지는 현상을 산성비라 한다. 산성비로인해 영양원소들의 용탈이 이루어지고 있다.
4.2.7 농약
살포된 농약의 1%이하 만이 목표해충에 도달하고 나머지의 많은 양이 토양에 유독물질로 들어간다.
4.2.8 결론
모든 육상생물은 토양과 뿌리사이의 중간층에 의존하고 있으며 따라서 토양환경을 보존하는 것은 생명 그 자체를 보존하는 것보다 더 우선하여야 한다.
제 5 장 물순환과 인간활동
물은 모든 생활에 필수적이다. 자연생태계는 물을 계속 흐르게 할 뿐만 아니라 계속적으로 물을 정화하고 재순환 시킨다.
5.1 물순환
기본적으로 물순환은 증발과 농축의 연속이다.
5.1.1 대기층으로 물의 유입
대부분의 증발이 대양 표면에서 일어나나 호수, 강, 토양 그리고 기타 습한 표면에서도 일어난다. 식물이 재배되는 곳에서는 증산작용에 의해 증발된다. 공기중의 질소, 산소 그리고 다른 분자들과 섞인 물분자를 수증기라 부른다.
공기중에 수증기량은 습도라고 부른다. 상대습도는 어느 특정 온도에서 공기가 가질 수 있는 최대 수증기량에 대하여 실제 공기중에 수증기량을 말한다.
5.1.2 대기층으로부터 물의 방출 : 강수
강수라는 말은 비, 눈, 진눈깨비, 우박 등 하늘로 부터 지표로 떨어지는 어느 형태의 습기를 말한다. 강수량은 그 지역이 지탱시킬 수 있는 생태계의 형태를 결정하는 제일의 인자이다. 년 강수량은 지구상의 대기의 가열과 냉각의 형태에 따라 좌우된다.
5.1.3 토양층의 물
강수가 지표면에 도달하면 당속에 스며 들거나 혹은 표면으로 흘러 내려간다. 각각의 방향으로 얼마나 많은 양이 갈 것인 가는 토양표면의 특성, 토양의 성질, 경사면, 강우속도, 강우량 등에 따라 달라진다. 땅속에 스며든 물은 토양안에 저장되어 있거나 혹은 암석이나 흙의 깊은 층으로 조금씩 내려갈 수도 있다.
5.2 물순환의 인위적 변경
우리는 물 순환의 계속적인 흐름을 요수원으로써 그리고 생활 또는 산업폐수를 버리는 통로로써 부분적으로 의존하고 있다.
5.2.1 대기오염과 강수
대기오염은 여러지역에 내리는 강수의 질과 양에 영향을 미친다. 물의 농축은 공기중에 떠있는 입자표면에서 일어나므로 공기중에 입자상 물질이 증가하면 농축과 강수를 촉진시킨다. 최근 연료와 쓰레기를 소각시킬 때 배출되는 가스는 도시상공에 입자상 물질의 증대를 가져와 그 지역의 강수량이 증가하게 된다.
5.2.2 지표면의 변화와 배수량 증가
많은 인간의 활동은 지표면의 특성을 변화시켜서 표면 배수량을 증가시키는 대신 토양내 침투량은 감소시킨다. 표면배수량의 증대는 여러가지 장기적 영향을 초래한다.
1) 표면 배수, 침식, 침전물에 의한 오염
수계로 유입된 침전물은 생태계에 복합적인 영향을 준다. 물에 떠있는 진흙입자들은 물을 흙탕물처럼 보이게 하고 광합성율을 떠러트리고 저류생물들을 죽인다. 모래나 미사토도 역시 피해를 준다. 시냇물과 강물을 따라 운반된 침전물이 호수나 만의 잔잔한 물에 유입되면 가라 앉아서 수생생물들을 엎어버려 질식시키거나 수질을 악화시키는 등 비슷한 생태학적 물제를 일으킨다.
2) 침전물의 발생원과 관리
침전물에 의한 오염이나 메꾸어지는 것을 막는 방법은 경지에서 흙을 잘 지키는 것이다. 침전물의 주요한 발생원은 나지로부터의 침식이다.
가) 농업활동: 경운한 농경지, 벌채한 산림지역 그리고 과다방목한 목초지등에 의한 침식
나) 건설부지: 건설작업에 의하여 노출되는 하층토는 침투력이 거의 없고 대부분 그 기울기도 매우 급경사를 이룬다. 그러므로 표면배수량은 상대적으로 많고 그에 따라 침식하는 양도 굉장하다.
다) 광산부지: 석탄채굴이 증대함으로써 매년 확대되고 있다. 토천광산부지에서의 침식은 건설부지로부터의 침식의 정도와 크기에 있어 유사하다.
라) 제방침식 : 제방침식과 폭우의 부적절한 관리로 인한 침식.
3) 인간환경으로부터의 배수와 오염 발생
인간환경에 의해 토양은 침식이 최소화 돌 수 있도록 안정화 되어질 수 있으나 다른 많은 종류의 오염물질들이 수로에 유입된다. 이들 오염물질은 서로 분리하여 관리하는 방법을 고려하여야 한다.
4) 개발, 배수증대와 하천변화
많은 경우 증가된 배수량에 의한 가장 심각한 영향은 증가된 물의 양이 원인이 된다. 주로 지하수에 의존하는 시내는 우수기나 갈수기에 관계없이 일정한 유량을 유지하고 있지만 그 반대로 표면배수에 의존하는 시내는 강우량과 직접 관련되는 물의 유량에 따라 굴곡이 심하다. 그러므로 인간활동이 표면배수량을 증가시키면 시냇물은 안정적으로 계속 흐르는 것에서부터 강우량에 따라 유량이 변화하게된다.
5) 배수증가에 대한 대처방법
배수량이 증가 함에 따라 홍수가 자주 발생한다. 홍수상습지에 준설작업을 하는 것은 임기응면적 조치이다. 폭우관리계획은 비가 내린 곳 또는 근처에 폭우를 걷우고 그 물이 서서히 배수되거나 침투되도록 하는 것이다. 배수를 효율적으로 관리하기 위해서는 종합유역계획이 필요하다.
5.2.3 지하수의 사용과 남용
지하수는 표면으로부터 침투된 물에 의하여 채워진 것보다 빨리 소모되면 지하수위는 모두 다 마를 때가지 내러간다.
1) 지반침하
토양이 지하수에 의하여 포화된 경우에는 토양입자사이의 공간은 물 자체에 의하여 채워진다. 따라서 지하수가 제거되면 토양입자들은 서로 가까이 하려하기 때문에 지반침하 현상이 서서히 일어난다.
2) 염수의 침투: 지하수 감소로 인한 또 다른 문제는 염수의 침투이다. 해안지역에서는 지하수가 유출되는 샘이 해면 아래에 위치하고 있다.
5.2.4 침출수와 지하수 오염
지하수 공급이 유한함에도 불구하고 인간들은 그를 오염시켜 사용할 수 있는 물공급량을 감소시키고 있다. 토양 위에 혹은 내부에 함유한 어떤 물질들은 침출되어 지하수를 더럽힌다.
5.2.5 물의 재분배 : 지역별로 생활용수 공급가능량이 다르므로 흔히 물을 재분재 하게 된다. 용수공급을 휘한 댐 건설의 단점으로 첫째, 저수지로 잠기는 토지의 손실이고 둘째, 물의 흐름을 가르는 것은 강하구의 생태계를 변화시킬 것이다.
5.2.6 물의 보전
우리는 물자원이 고갈되고 물에 의존하는 자연생태계가 파괴되기 전에 물을 절약하여 쓰는데 적응해야한다. 물사용의 절약보다 더욱 중요한 물보전의 한 측면은 물순환의 원상을 보전하는 것이다.
제 6 장 대기오염
6.1 환경오염의 발생
환경에 버려야 할 폐기물은 산업활동의 각 단계 즉 원료물질의 획득, 제품의 생산, 사용 그리고 폐기로 인해 생긴다.
오염(pollution)이란 대기, 수계 또는 토양에 통상적으로 발견되지 아니하는 어느 물질 또는 열이 유입되거나 혹은 정상적인 존재범위를 초과하여 유입되는 것이다.
산업오염은 제조업자가 모두 책임을 져야할 사항이 아니고 그 제품을 소유, 사용 또는 폐기하는 산업사회 전체 구성원이 책임분담을 해야 한다.
6.1.1 왜 인간은 오염을 시키는가?
첫째, 기본적인 원인은 인간은 한가지 목표에 집중하려는 것이다. 사업가 또는 소비자로서, 개인 또는 집단으로서 인간들은 하나의 좁은 목표 달성을 추구하면서 다른 것들은 그대로 내버려두는 경향이다.
둘째, 인간은 개인으로서 오명을 받아들이는데 너무 관용적인 태도를 취하고 있다.
6.1.2 오염에 대한 관용적 태도의 배경
1) 한계수준
인간은 토상적으로 오염물질이라 하더라도 어느 농도수준, 즉 한계수준 이하에서는 환경에 아무런 악영향을 미치지 아니할 것이라고 가정하고 있다.
2) 희석
오명물질은 공기중 또는 수계에 쉽게 혼합되어 한계수준 이하로 희석되어질 것이라고 가정하고 있다.
3) 동화
오염물질은 지구의 자연적인 생물학적순환 혹은 지구화학적 순환과정 속으로 다시 들어가 흡수 동화 될 것이라고 가정하고 있다.
4) 고형폐기물의 부동성
고형폐기물은 매립한 장소에 계속 머물러 있을 것이라고 가정하고 있다.
5) 사고는 발생하지 않을 것이다.
인간은 모든 산업활동을 하면서 사고는 일어나지 않을 것을 가정하는 경향이 있다.
6.1.3 가정의 한계
1) 과잉발생
인구가 증가하고 물질의 풍요가 증대됨에 따라 인간은 자연생태계에서 발견되는 양보다 훨씬 많은 양의 폐기물질들을 배출한다.
2) 신화학물질
화학공업의 발달로 생긴 신화학물질 중 많은 것들은 자연생태계내에서 생산되지 않는 것이어서 자연은 그들을 분해시키지 못하여 결국 축적되어진다.
3) 동화능력의 감소
토양미생물은 아황산가스, 일산화탄소, 에틸렌 등을 매우 효율적으로 동화시킨다. 그리고 산림은 대기오염물질들을 제거하는데 효과적이다. 그러나 인간이 살고 있는 도시에는 이러한 것들이 거의 없다.
6.2 대기오염
6.2.1 대기오염의 역사
대기오염은 연기로 가득찬 동굴에서 살던 원시생활인도 대기오염의 문제를 가졌었다. 대기오염 규제법은 처음 에드워드와 1세가 1273년 제정하였다.
6.2.2 주요 대기오염물질과 그 영향
여러가지 무기가스, 유기화합물, 무기금속물질, 그리고 검댕이 등이 화력발전소 가정난로, 폐기물소각시설, 자동차 등에서 대기중에 버려진다. 이러한 물질들은 인체건강에 피해를 주고 동식물의 피해를 주기도 한다.
6.2.3 도시대기의 희석제한
바람과 공기의 상승작용은 오염물질을 씻어보내어 다량의 주위공기와 혼합 희석시켜서 오염문제를 감소시킨다. 그러나 이러한 공기의 흐름은 항상 나타나지 않는다. 온도 역전 상태 아래서는 찬공기는 지상에 있고 따뜻한 공기는 그 위에 있다. 이러한 조건은 보다 밀집된 찬공기가 따뜻한 공기층 밑에 유입하게 되는 한냉전선의 흐름에 따라 조정된다. 온도역전에 따라 다뜻한 공기의 상층부 이동은 봉쇄되어 오염물질은 지상부에 머물러 있는 찬 공기층에 머무르게 된다.
6.2.4 상승작용 : 상승작용은 두 가지 이상의 물질이 작용하여 개개의 효과를 합한 것 이상으로 어떤 효과를 가져오는 것을 말한다.
1) 광화학스모그
광화학 스모그를 생산하는 범인은 자동차이다. 수소와 탄소로 만들어진 탄화수소 분자인 가솔린을 태웠을 때 불완전 연소되면서 여러 종류의 질소산화물과 일산화탄소가 생기고 연료에 유황이 함유된 경우에는 아황산가스가 안티노크제가 첨가된 경우에는 납이 방출된다. 햇빛은 이들 작용에 에너지를 공급한다. 이러한 오염물질로부터 생성된 연무를 광화학스모그라 한다.
2) 미세입자: 상승작용은 어떤 종류의 연료를 연소시키거나 또는 쓰레기를 소각시킬 때 발생되는 검댕 혹은 연기의 미세입자에서도 발생한다. 이들 입자들은 기본적으로 비활성탄소로 구성되지만 너무 작기 때문에 이들은 대부분의 여과시설을 통과하여 오랫동안 공기중에 떠있게 되어서 납, 탄화수소, 유황, 질소산화물 등의 잠재적인 흡착물질이 된다.
6.2.5 광역적 영향: 오염이 도시에서 일어나서 그 영향이 더욱 넓은 지역에 확산되고 있다.
1) 아황산가스와 산성비
동식물에게 유해한 가스인 아황산가스는 석탄을 태우는 화력발전소에서 주로 배출된다. 독성물질을 피하기 위하여 산업체들은 더 높은 굴뚝을 세워서 가스를 확산 시키므로서 아황산가스를 확산시키려 하고 있다. 아황산가스는 공기중에 머물면서 공기중의 산소와 수증기가 함께 작용하여 황산을 생성한다. 질소산화물도 아황산가스와 유사한 과정을 거쳐 질산을 생성한다. 이러한 산을 함유한 비는 산성비라 불린다. 산성비의 장기적 영향중 가장 무시못 할 것은 물과 토양의 수소이온농도를 점차 낮추는 것이다. 수소이온농도가 점점 낮아지면 토양으로 부터 영양물질을 용탈 시킨다. 이것은 토양 비옥도에 상당한 손실을 초래하는 것이며 결국은 생산성 감소에 영향을 미칠 것이다.
2) 대기오염과 식물성장
대기오염은 눈에 보이는 피해나 비정상적인 증상이 나타나지 아니한 상태에서 식물생장의 감소에 영향을 미치고 있다.
6.2.6 전지구적 영향
어떤 폐기물질들이 공기중에 버려지면 전지구에 영향을 주기도 한다.
1) 오존층
낮은 대기층에서 생성된 오존은 식물과 동물에 독성이 강한 오염물질이다. 동시에 성층권에서는 절대적으로 필요한 물질로써 자외선을 막아주는 차단막의 역활을 한다. 낮은 대기층으로부터 성층권으로 서서히 스며들어간 어떤 오염물질은 오존층에 악영향을 준다. 특히 염소원자들은 오존의 분쇄에 촉매작용을한다. 촉매제로서 염소 한 원자는 그 자신은 변화되지 아니하고 반복적으로 분쇄작용에 참여할 수 있으므로 수백만개의 오존분자들을 분쇄시켜서 자연의 오존균형을 깨트릴 수 있다. 성층권에 도달하는 염소의 주요 발생원은 에어로졸 캔의 충진제로 쓰이는 프레온(CFCl3)등 염화불화탄소화합물이다. CFCl3는 적당한 압려하에서 액상이며 상대적으로 무독성이고 비활성적이다. CFCl3에 의해 오존층이 파괴되면 자외선의 투과율이 높아지고 피부암의 증가외에도 지상의 생태계에 많은 영향을 줄 것이다.
2) 오염과 기후
입자상물질과 이산화탄소는 지구 표면에 그리고 지구 표면으로 부터 복사되는 에너지에 현저한 영향을 준다. 그리하여 그것들은 전반적인 온도를 결정하므로서 기후를 결정하는 주요 인자들이다.
입자상물질은 빚을 반사하여 지구에 더 적은 에너지가 이동하게 한다. 빛은 구름의 상층표면, 연무층, 먼지 등에 의해 반사된다 따라서 입자상물질이 많을 수록 반사량은 많ㄱ 지구 표면까지 도달하는 에너지는 적으므로 서늘한
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