해양 생태계와 환경의 상호작용

(1) 해양생태계

  해양생물은 생물들 상호 간이나 주변의 물과 끊임없이 물질과 에너지를 교환한다. 이렇게 상호작용하는 생물들과 주위 환경을 포함하여 생태계라 한다. 생명체는 체내의 엔트로피를 줄이기 위해 외부로부터 지속해서 에너지를 유입한다. 심해저의 일부 생물을 제외한 지구 생태계의 모든 생물은 이 에너지를 근본적으로 태양에서 공급받는다. 그러나 전자기복사의 형태로 도달하는 태양에너지는 생물의 신진대사에 직접 이용되지 못하며, 광합성이라는 과정을 통하여 태양에너지의 생화학적 저장고라 할 수 있는 유기물 속에 축적된 후에야 이용될 수 있다. 즉, 엽록소를 지닌 식물이 태양에너지를 이용하여 물과 이산화탄소로부터 유기물을 합성하며 이 과정에서 산소가 부산물로 생성되어 배출된다. 생물은 호흡작용으로 이 유기물을 산화시켜 저장된 에너지를 방출함으로써 신진대사에 이용하는 것이다. 말하자면 유기물은 생태계에서 에너지가 흐르는 통로로 작용한다. 지구상의 모든 생물은 신진대사를 포함한 제반 생명 활동의 에너지를 유기물에서 얻는다. 생물이 자신의 생존에 필요한 유기물을 스스로 합성할 능력이 있으면 독립영양생물이라 한다. 독립영양생물과 종속영양생물은 유기물 순환의 관점에 따라 각각 생산자와 소비자라고 불리기도 한다. 독립영양생물에는 광합성을 하는 식물과 화학합성을 하는 일부 박테리아가 포함되며, 종속영양생물에는 모든 동물과 대부분의 미생물이 포함된다. 한편, 종속영양생물 중에서 유기물을 분해하여 무기물로 다시 환원하는 박테리아를 포함한 일부 미생물의 생태적 역할을 특별히 구별하여 분해자라 부르기도 한다. 해양생태계 내에서 무엇이 무엇을 먹는가 하는 관계는 일반적으로 먹이사슬로 표시하며, 먹이사슬에서 먹고 먹히는 관계의 각 단계는 영양단계로써 나타낸다. 따라서 광합성으로 유기물을 직접 생산하는 식물은 1차 영양단계를 구성하며, 식물에 의한 유기물 생성이 해양생태계의 먹이사슬을 유지하는 기초가 되는 까닭에 이를 기초생산이라 한다. 이에 대하여 동물이 식물을 먹이로 취하여 성장에 필요한 유기물질로 다시 재생산하는 과정은 2차 생산이라 한다. 생물이 섭취한 먹이는 일부만이 흡수되고 나머지는 배설되며, 흡수된 먹이의 많은 부분은 생존에 필요한 신진대사와 운동 등에 소모된다. 결과적으로 섭취한 먹이 중에서 성장이나 번식 등으로 재생산되는 양은 일부에 불과하며, 섭취한 먹이에서 유기물로 재생산되는 비율은 생태효율이라 불린다. 생태효율은 생물의 종이나 개체의 상태, 환경조건 등에 따라 변화하지만 약 10% 정도의 값을 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서 생태계 최초의 생산자인 식물로부터 초식동물, 1차 육식동물, 2차 육식동물 등으로 영양단계가 높아지면서 생물의 양은 앞 단계의 10분의 1씩으로 감소하게 된다.

 

(2) 광합성과 환경의 상호작용

  광합성에 의한 식물의 기초생산은 해양생태계를 구성하는 모든 생물이 살아가는 데 필요한 에너지 공급의 기본을 이룬다. 광합성은 식물이 생활하고 성장해가는 과정에서 이루어지기 때문에 탄산가스와 물 그리고 태양광선 외에도 식물의 몸체를 구성하는 데 필요한 여러 무기물질이 필요하다. 이들 중 어느 것이라도 부족하면 광합성이 원활하게 수행될 수 없다. 이렇게 필요한 물질들은 대부분 바닷물 속에 풍부하게 존재하나, 질소계 화합물들과 인산염의 경우는 예외로서 표층 해수 속의 양이 매우 적어 식물의 광합성을 제한하는 요소가 된다. 이렇게 적은 양으로 존재하는 광합성의 필수 구성 물질을 영양염류라 한다. 한편 해양식물 중 가장 중요한 종류의 하나인 규조류는 그 껍질을 구성하는 규소의 공급이 부족할 경우 광합성을 통한 성장이 원활하지 않으며, 해수 속에 존재하는 규소의 양이 극히 적어 이것이 광합성을 제한하는 요인으로 작용하는 까닭에 규소도 영양염류로 취급된다. 한편 비록 해수 속에 영양염류가 풍부하더라도, 처리 결핍되면 광합성이 제약받는다는 사실이 근래의 연구 결과 밝혀진 바 있다. 식물의 광합성에 빛이 필수적인 요소인 까닭에 해양식물의 분포와 광합성은 빛이 투과할 수 있는 깊이의 천해나 대양의 표층 오광대에 제한된다. 온대 해역에서 계절적인 태양 일조량 변화는 기초생산의 계절변화를 일으키며, 태양 빛을 적게 받는 극지방에서는 빛이 광합성의 제한요인으로 작용한다. 질산염이나 인산염 같은 영양염류는 식물의 광합성으로 계속 소모되는 까닭에 대양의 표층 오광대에서는 대부분 부족한 상태에 있고 이는 광합성의 주된 제한요소로 작용한다. 한편, 생물이 죽으면 박테리아에 의해 분해되면서 유기물에 포함된 영양염이 주위의 바닷물 속으로 다시 녹아 나온다. 표층해수에 녹아 나온 영양염류는 다른 식물에 의해 흡수되어 이용되나 심층 부광대에서는 소모되지 않는 까닭에 영양염류가 해수 속에 충적된다. 결과적으로 대양에서는 광합성이 가능한 표층해수에는 영양염류가 고갈되어 광합성이 제한되며, 깊은 곳의 해수는 영양염류가 풍부하나 빛이 도달하지 않는 까닭에 광합성이 일어나지 않는다. 따라서 영양염류가 풍부한 깊은 곳의 물이 표층 합성에 의한 식물의 기초생산이 가장 활발한 해양환경을 구성한다. 일차생산이 활발한 해역에서는 식물 플랑크톤을 먹이로 하는 동물들이 번성하며, 따라서 인류가 식량으로 이용할 수 있는 수산물이 풍부하여 좋은 어장을 형성하게 된다.