지구환경의 구성
by 처사21지구 환경의 구성
지구의 자연 환경은 크게 대기권(atmosphere), 수권(hydrosphere), 내권(interior)으로 나누어진다. 이 중 지구의 환경 구성에 영향을 주는 것으로는 대기권, 수권, 암석권을 들 수 있다. 대기권은 지표면을 둘러싸고 있는 대기의 부분을 말하며, 수권은 지구 표면의 약 70%를 차지하는 해양과 호수, 하천의 부분을 말한다. 이들의 질량 비율은 표1과 같은데 맨틀과 핵을 합친 내권이 99%이상으로 대기권과 수권의 비율은 극히 적다. 그러나 인류 생활에 가장 중요한 부분은 대기권, 수권, 암석권으로 이들이 상호 유기적으로 작용하여 생태계가 유지된다.
① 대기권 : 대기권에서 지구를 둘러싸고 있는 대기는 중력에 의해서 지구 둘레에 묶여 있어 지표면에 압력을 미치고 있다. 대기의 압력은 지표면에서 평균 약 1013mb 정도가 되나 고도가 높아짐에 따라 점차 작아진다. 대기 질량의 약 99%는 약 32㎞ 높이 이내에 존재하며 그의 약 50%가 지상 6㎞ 높이의 범위에 응집되어 있다. 현재의 관측으로는 약 1000㎞의 높이에서도 대기가 있다는 것이 알려져 있다. 대기권은 수직 분포에 따라 아래로부터 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 나누어지는데 이 중 모든 생물이 생존하는 구간은 대류권으로 볼 수 있다.
② 수권 : 수권은 물의 분포에 따라 해수(海水)와 육수(陸水)로 구분할 수 있다. 육수는 다시 호수, 강, 지하수 및 빙하로 나눌 수 있다. 이 중 인간이 이용할 수 있는 물의 양은 제한된다. 물은 어느 다른 용매(溶媒)보다도 가장 많은 종류의 물질을 다량으로 용해시킬 수가 있다. 따라서 비나 눈은 거의 순수한 물에 가까우나 이것이 땅 위에 떨어져서 강물이 되고, 지하수가 되어 흐르는 동안 통과하는 지역의 암석이나 토양의 성질에 따라 여러 가지 물질이 녹아들게 된다. 그러므로 육수에 녹아있는 물질은 그 물이 흐르는 지역의 땅의 성질, 기후, 그곳에 번식하는 식물의 종류에 따라 크게 다르다. 이러한 육수가 바다에 들어오게 되면 바닷물의 순환, 바닷물의 온도, 산성도, 물에 풀려있는 물질의 화학적 성질 등에 의해서, 즉 Ca, CO₂등은 CaCO₃가 되어 바다 밑에 가라앉거나 또한 해서 식물(海棲植物)에 의해서 흡수되므로 해수에 녹아있는 물질의 성분은 육지의 그것과 대단히 달라지게 된다. 수권의 물은 증발하려 수증기로 대기권에 들어가고 다시 비가 되어 수권에 돌아온다. 수권은 지표의 변화 또는 기후와도 밀접한 관계가 있을 뿐만 아니라, 생물 환경에도 극히 중요하다.
③ 암석권 : 주로 지각 부분을 말하며 지각은 육지, 해저, 해중 화산, 광산으로 시추조사 등에 의하여 상당히 알려져 있다. 그 주요 성분은 산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 마그네슘의 8원소이다. 특히 산소와 규소가 큰 함량을 보이며 이는 무게로 보아 전체의 약 75%를 차지한다.
환경의 구분과 생태계
생물을 둘러싸는 바깥 범위를 환경이라고 정의할 수 있다. 이 환경은 자연 환경과 인문 환경, 물리적 환경과 사회적 환경 등 다양하게 구분할 수 있다.
① 자연 환경 : 우주 만물의 생태, 즉 대기, 물, 일조, 통풍, 자연 경관 등을 요소로 하는 자연 그대로의 생물․무생물의 일체를 말한다. 바꾸어 말하면 지구상의 생태계를 구성하고 있는 기본 체계로서 크게 나누어 생물체와 비생물체로 구분될 수 있다.
생물체간이나 생물체와 비생물체간에는 에너지의 흐름을 통하여 상호수수적(相互授受的)인 밀접한 관련성이 있는데 이러한 상호 작용에 의하여 생물권은 그의 생존을 계속할 수 있게 된다.
② 생활 환경
생활 환경이란 자연 환경에 속하지 않는 인공으로 형성된 장소를 말한다. 인간을 둘러싸고 있는 주위의 유형․무형의 요소 일체를 환경이라 할 때 인간의 생활 환경은 재생산의 장소, 즉 처소를 말하는 것이다. 따라서 환경은 넓은 의미로는 자연을 통하여 진화 과정에서 나온 여러 가지 요소와 문화를 바탕으로 인간이 만들어낸 모든 요소들의 행렬(行列, matrix)이라고 정의할 수 있다. 좁은 의미로는 물리적인 환경에만 국한되는, 즉 인간의 생존을 위하고 인간의 건강과 삶에 긴요한 물리적 상황의 결합을 뜻한다. 또 법률에서는 생활 환경을 사람의 일상 생활과 관계가 있는 재산의 보호 및 동식물의 생육에 필요한 환경으로 정의하고 있다.
생태계의 구조와 기능
(1) 생태계(Ecosystem)의 정의
생태계란 어떤 지역의 생물 공동체와 무기적 환경이 종합된 물질계 또는 기능계를 말한다. 이러한 생태계의 개념은 1939년 영국의 생물학자 탠슬리(A.G.Tensley)에 의해 생태학계에 소개되었다. 그는 "계(system)로 생각되는 식생의 단위는 그것이 구성하는 식생의 식물뿐만 아니라 그들과 평소에 관련된 동물들, 그리고 안정된 독립 실재물(entity)을 함께 구성하는 인접 환경 혹은 서식 환경(habitat)의 모든 물리적․화학적 구성 성분을 포함한다."고 정의하였다. 또 1957년 포스베르그(F.R.Fosberg)는 생태계를 간략하게 "유기체 환경에서 포함된 기체의 모든 크기의 자연(nature)의 조각"이라고 했다.
그러므로 생태계는 지구, 숲, 삼림, 바닥에 떨어진 나무 부식물, 섬, 정원 그리고 세균 배양용 페트리 접시(petri dish)일 수도 있다. 생태계는 주변에 그어진 경계선이 양도(洋島)와 같이 정확할 수도 있으나, 가끔은 임의적이고 때로는 관련된 생태계를 연구하는 사람의 편의에 따라 선택적이다.
(2) 생태계의 구조 : 생태계는 비생물 요소와 생물 요소의 2가지로 크게 구성되어 있다.
① 비생물 요소
━ 에너지 : 전 생물 시스템을 움직이는 태양에너지는 녹색 식물의 광합성에 의해서 유기 화합물에 축적된 화학적 에너지로 변화된다. 식물이나 또 다른 동물을 소비하는 식물과 동물들은 에너지를 얻기 위하여 이들 복합 분자들을 파괴한다. 그러므로 에너지는 전체 시스템을 통하여 흐르고 각 수준에서 일정한 양이 생명을 유지하기 위하여 사용된다. 사실 이것의 대부분은 열로서 환경으로 배출되고, 엔트로피(entropy) 수준이 열역학 제2의 법칙에 의해 증가한다.
━ 화합물 : 무기물(산소, 물, 이산화탄소, 필수 광물), 유기물(단백질, 탄수화물, 지방 등)
━ 자연적 요소 : 태양 에너지의 상호작용의 산물인 기온, 빛의 강도, 습도, 강수, 바람 그리고 해류 등의 변수들.
② 생물 요소
━ 생산자(독립 영양 생물)- 작은 부유 식물인 플랑크톤으로부터 거대한 수림까지의 모든 녹색 식물과 몇 종류의 박테리아가 포함된다.
━ 대형 소비자(동물들)- 그들 스스로 영양을 생산하지 못하나 식물과 동물의 조직에서 유기체 화합물을 소비하는 유기체로서 초식동물, 육식 동물, 잡식 동물, 기생 동물 등이 있다.
━ 소형 소비자(분해자)- 죽은 동․식물에서 복합 유기체 화합물을 파괴하는 박테리아, 곰팡이, 그리고 몇몇 원생 동물과 같은 작은 생물체를 일컫는다.
(2) 생태계의 기능 : 지구상의 생태계의 기능은 에너지의 흐름과 물질의 순환으로 구성된다.
① 에너지의 흐름 : 에너지의 흐름은 먹이 사슬(food chains) 현상을 통하여 쉽게 설명될 수 있다. 즉 먹이 사슬을 통하여 한 영양 수준으로부터 다른 영양 수준으로의 에너지 전이는 불완전하다. 열역학 제2의 법칙에 의하면 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 변형될 때마다 일부 에너지를 상실한다.
예를 들면 다음 단계의 영양 수준에서 유기체의 사용이 가능한 에너지는 최초 투입량의 5～20% 수준이고 나머지는 환경 내에 열에너지로 발산된다. 여기서 영양 수준(tripluic level)이란 생태계 내에서 에너지가 전달되는 고리로서 생물의 생명을 유지하는 기본이 되는 것이다. 일반적으로 영양 수준에 의해서 동화(同化)되는 에너지의 약 80～90%는 호흡에 사용되거나 열로서 상실된다.
먹이 사슬 각 단계에서의 이러한 에너지의 상실은 하나의 생태학적 피라미드로 표현된다. 이들은 각 영양 수준 내에서 개체의 수, 단위 지역당 총 생산물량(biomass), 또는 칼로리나 줄(joule) 단위의 실제 에너지 용량을 보여주기 위해서 작성된다. 또 태양 에너지로부터 녹색 식물이 광합성에서 얻는 에너지는 소비자의 먹이 사슬 단계가 길어지면 그만큼 최종 소비자에게 돌아오는 에너지의 양은 줄어든다. 이것은 각 단계를 거치면서 에너지가 계속 환경 내로 방출되기 때문이다. 이때 방출한 모든 에너지 즉 열은 생태계 내에서 무질서를 가져오고 더 나아가 엔트로피(entropy)를 증가시켜 인간의 생활을 어렵게 한다고 보겠다. 즉 이 부분이 우리가 환경 오염과 관련시켜 다루어야 할 중요 부분 중의 하나이다.
② 물질의 순환 : 지표 상에서는 여러 영양소들의 일정한 공급이 이루어지기 때문에 그 영양소들은 계속하여 공기, 물, 토양을 지나서 생태계의 먹이 사슬과 먹이망(food web)을 통한 순환을 막는 기재가 작용한다든지, 인간에 의해 하나의 순환 과정이 파괴된다면 이 순환은 중단되고 이러한 해독은 결국 순환의 한 과정을 파괴한 인간에게 돌아온다. 따라서 이 순환 과정을 정확하게 파악하여 이에 대처하는 것이 우리의 환경 오염 방지의 한 방안이 될 수 있다. 구체적으로 이러한 순환에 중요하게 작용하는 것은 생명에 필수적인 영양소인 탄소, 수소, 질소, 인, 유황 등의 화학 원소들로서 생명이 있는 유기체 구성 물질의 95%를 차지한다. 따라서 위의 주영양소의 순환을 살피는 것이 필요한데 이의 유형에는 크게 다음과 같은 세 가지가 있다.
첫째 가스성 순환(gaseous cycles)으로서 대기가 순환 요소들의 주요 저장처이며 산소, 질소, 탄소 등이 중요 순환 요소들이다.
둘째, 퇴적성 순환(sedimentary cycles)으로서 육지에서 바다로 향했다가 다시 거꾸로 향하는 물질의 운동으로 인(P), 유황(S), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 등이 주요 순환 요소이다.
셋째, 수리학적 내지는 물 순환(hydrological or water cycles)인데 이것은 뒤의 수질 오염에서 구체적으로 다룬다.
생태계의 변화와 균형
"balance of nature"란 말에 익숙한 많은 사람들은 생태계가 시간이 지남에 따라 변하지 않는다고 해석할지 모른다. 그러나 사실 생태계는 정적이 아니라 동적이다. 생태계를 구성하는 식물과 동물 군락은 군락 그 자체 내에서 혹은 화재, 장․단기 기후 변화, 홍수 침식과 퇴적, 농업과 공해, 산업화, 도시화 등의 외부 압력에 강요되면서도 변화에 항상 적응하고 있다. 이렇게 생태계는 계속 변화한다고는 하지만 그들은 안정성-변화에 적응하고 교란 후에 스스로 복구되도록 하는 능력-을 가진다. 이러한 생태계의 안정성을 유지하는 기제로는,
① 시스템 내부의 에너지 방출
② 생화학적 순환률의 조절
③ 종의 다양성과 먹이 사슬의 복잡성의 유지가 있다. 이 중 인간에 의해 야기된 생태계 변화의 주요 문제는 다음과 같은 것이 있다.
━ 기본적․화학적 순환의 붕괴(순환의 파괴, 누출 등에 의한 순환률의 변화, 인공적으로 화학 물질을 순환으로 투입)
━ 막대한 에너지 사용의 의한 열과 엔트로피 상승으로 에너지 흐름 방해
━ 종의 다양성을 감소시키거나, 종의 네트워크의 복잡도를 낮추는 단순화를 통한 파괴 등이다.
이러한 변화 외에 생태계가 순수하게 자연적 변화를 겪는 것도 있는데 천이(遷移, succession)가 그러한 예이다. 그리고 인공 두뇌 내에서 정보를 환류(feed back)함으로써 통제와 안정성을 유지할 수 있는데, 체온 유지 기재가 대표적이다. 또 유기체는 스트레스에 대해 반응 기제를 가지는데 겨울잠과 여름잠이 있다. 이상과 같은 여러 요인으로 볼 때 생태계는 변화하지만 그 변화에 적응하기 위한 갖가지 기제를 가지며 그 결과 안정성을 유지해 가고 있다. 단지 이러한 변화에 인간이 개입되어 생태계의 변화와 안정성에 영향을 주게 되는 것이다.
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