먹이 연쇄를 통한 에너지 흐름

먹이 연쇄를 통한 에너지 흐름

 

한 영양단계의 순생산성이 다음 단계의 생산성으로 전환되는 효율은 얼마나 될까? 이는 닭 같은 가금(집짐승)에서는 매우 높은 전환효율을 얻을 수 있을 것으로 여겨지나 여기서도 100 %에는 아주 못 미치는 효율이다. 통닭용 영계는 자라면서 먹은 사료 생체 중의 절반쯤을 얻어 낸다 (양쪽이 함유한 물의 양은 다르나 효율은 실제적으로 50% 미만이다).

이보다 더 큰 전환효율을 얻을 수 있는 것은 아마도 없을 것 같다. 왜냐하면 생물이 얻은 에너지의 대부분은 생물이 살아가는 데 써야 하기 때문에 순생산성으로 저장될 수없다. 먹이에너지는 세포호흡에 의하여 ATP에너지 형태로 전환된다. (1) 이 에너지를 사용하여 소화시킨 음식분자를 병아리 몸체로 바꾸는 대사활동에 사용될 수 있고, (2) 병아리가 여기저기 돌아다니며, 체온을 따뜻하게 지속시키는 항상성 (homeostasis)을 유지할 수 있는 것이다. 사실 병아리의 모든 대사활동으로부터 나오는 에너지의 최종 형태는 열이다. 그래서 높은 전환효율을 얻기 위해 닭을 가두고 따뜻하게 사육하는 것은 이 때문이다. 생물의 신체활동이 많으면 많을수록 순생산성인 생장에 이용되는 에너지의 양이 적어지게 된다.

먹이 연쇄를 통한 에너지 흐름을 측정한 연구중에서 가장 훌륭한 연구는 미국 플로리다의 실버스프링(Silver spring) 하천 생태계에 대한 H. T. Odum 의 연구이다. 그는 생산자의 순생산성이 연간 8,833 kcal/m²임을 알아냈다. 이의 대부분(5,465 kcal/m²)은 식물의 부스러기가 되어 분해자에 의해 분해되거나 강하류로 흘러간다. 초식동물은 일년에 3,368kcal/m㎡를 소비했다. 이의 절반 이상(1,890kcal/m)은 주로 호흡을 통해 소모되므로 초식동물의 순생산성은 일년에 1,478kcal/m²로 이것은 생산자 생산성의 17%에 상당한 값이다. 1차소비자의 일부는 죽고 그의 잔류물은 거기서 분해되거나 흘러내려간다. 단지 일년에 383kcal/m²만이 2차소비자에 의해 소비될 뿐이다. 이 중 316kcal는 호흡에 사용되고, 이 영양단계에서 생산성은 일년에 67 kcal/m² 정도다. 이는 처음 생산자 단계의 순생산성의 4.5%에 상당한 것이다. 이와 같이 낮은 전환효율이 육식동물의 특징으로 그들은 먹이를 얻기 위해 보다 많은 에너지를 소비해야 하기 때문이다.

2차소비자 (1차 육식동물) 단계에서 일년에 얻은 67kcal/m²의 생산성 중 46 kcal/m²는 썩거나 흘러감으로써 손실되고 일년에 단지 21 kcal/m만이 3차소비자에게 전달된다. 이 중에 그들은 15kcal/m²는 호흡에 사용되고 일년에 단지 6kcal/m²의 생산성만을 얻는다. 더 높은 단계의 육식동물이 없어 더 이상의 에너지 저장도 없고(즉 3차소비자의 생체량은 해마다 더 증가되지 않는다), 순생산성은 결국 부패생물에게 전달되거나 하류로 흘러가 버리게 된다. 늪이나 신생 산림에서 기술된 것과는 달리 실버스프링 하천 생태계에서는 어느 영양단계에서도 에너지의 저장이 없다. 다시 말해서 생체량이나 어느 영양단계의 총생물량 모두에서 해마다 증가가 없는 것이다.

 

실버스프링 생태계에서 한 영양단계에서 다음 단계로의 에너지 전환효율은 17%에서 4.5%로 다양하다. 사실 다른 생태계에서 행한 유사한 연구에서도 대략 10% 의 전환효율로 보고하고 있다(한 단계의 생산에서 다음 단계의 생산까지). 경우에 따라 이 값은 의미가 있다. 예를 들면 이것이 옥수수 1kg보다 쇠고기 1kg 이 왜 더 비싼가 하는 이유가 된다. 쇠고기 1kg을 생산하기 위해서는 옥수수 수 kg이 소모된다. 그러나 우리 인간은 대부분 잡식성(omnivore), 즉 동식물 모두를 먹는다. 그러나 우리가 고기를 먹을 때는 에너지면에서 3차소비자가 된다. 이의 생산에는 어쩔 수 없이 이에 따른 에너지 손실이 더 수반되는 것이다. 다른 육식동물을 잡아먹는 육식동물에서는 그 손실이 더 커진다. 원래 광합성을 하는 독립영양생물에 의해 붙잡힌 태양에너지는 먹이연쇄의 각 고리에서 그에 따른 일정한 몫을 환경으로 다시 내놓게 되는 것이다(결국 열로서). 일정 개체군에 저장된 총에너지량은 그 개체군의 영양단계에 좌우된다고 결론지을 수 있다. 개구리 집단의 총에너지량은 먹이인 곤충보다 훨씬 적은 양인 것이다. 또 곤충도 그들이 먹이로 하는 식물에 저장된 에너지에 비하면 아주 적은 양이다. 이와 같이 보다 높은 영양단계로 올라감에 따라 총유용에너지가 이렇게 감소되는 것을 에너지피라미드(pyramid of energy)라고 한다. 실버스프링 하천에서의 다양한 영양단계의 순생산성에 대한 Odum 의 자료로 에너지피라미드를 얻어냈다. 한 개체군내의 총에너지량은 어떻게 측정하는 것일까? 모든 생물은 거의 같은 유기분자로 구성되어 있므로 건조량의 측정은 그에 함유된 에너지량의 개략치가 된다. 개체군 수를 조사한 후 개체의 평균 무게를 곱하면 개체군의 총중량치를 얻을 수 있다. 이는 또한 독립영양생물로부터 시작되는 먹이연쇄에 따른 거리를 감소시키는데 이는 독립영양생물은 첫단계에서 유기분자를 만들기 때문이다. 일정 지역에 사는 개구리의 총무게는 개구리가 먹은 곤충의 총무게보다 적을 수밖에 없다. 

연구된 생태학적 원리의 다른 한 결론은 작은 동물이 큰 동물보다 수가 많다는 것이다. 초원 1에이커에 살고 있는 독립 영양생물, 초식동물, 육식동물을 조사했을 때 나타난 개체수피라미드(pyramid of number)이다. 피라미드는 각 생물마다 그의 영양단계에 따라 생체량이 적어지면서 상승한다. 개체의 크기가 크면 수는 적어진다. 포식자는 항상 그들의 먹이보다 크지만 높은 영양단계에 있으므로 생체량은 더 적다. 결과적으로 포식자 개체군의 수는 피식자 개체군의 수보다 훨씬 적은 것이다.