생태학 3강. 생태계: 에너지 흐름과 물질 순환
에너지는 생태계를 한 번 통과해 열로 흩어지지만, 여러분 몸의 탄소 원자는 수십억 년째 재활용되는 중입니다.
풀고 시작
대원칙: 에너지는 흐르고 물질은 돈다
여러분 몸속의 탄소 원자가 한때 공룡의 일부였다면 믿으시겠습니까? 생태계(ecosystem)는 군집에 비생물 환경까지 합친 단위입니다. 생태계를 관통하는 대원칙은 하나입니다. 에너지는 한 방향으로 흐르고, 물질은 순환한다. 태양 에너지는 광합성으로 포획되어 먹이그물을 타고 오르다가 결국 전부 열로 우주에 방출됩니다. 열역학이 말하듯 에너지는 재활용되지 않으므로, 생태계는 태양이라는 외부 전원에 꽂혀 있어야만 돌아갑니다. 반면 탄소, 질소, 인 같은 원소는 지구가 사실상 닫힌 계이므로 생물과 대기, 바다, 암석 사이를 돌고 돕니다. 여러분의 몸을 이루는 원자들은 한때 바다의 플랑크톤이었고 공룡이었으며, 앞으로도 계속 다른 존재의 일부가 될 겁니다.
10% 법칙과 먹이 피라미드
에너지 흐름을 처음 정량화한 사람은 미국의 젊은 생태학자 린드먼(Raymond Lindeman)입니다. 그는 미네소타의 호수를 통째로 회계장부처럼 분석해서, 한 영양 단계(trophic level)에서 다음 단계로 넘어가는 에너지가 평균 10% 안팎임을 보였습니다. 나머지는 호흡으로 타고, 먹히지 않고, 소화되지 않은 채 버려지죠. 그런데 이 논문은 처음에 "너무 이론적"이라며 게재를 거부당했다가 헛친슨(G. E. Hutchinson)의 옹호로 1942년에야 실렸고, 린드먼 본인은 그해 26세로 요절해 출판을 보지 못했습니다. 10%는 물론 평균값이고 실제 효율은 대략 2%에서 40%까지 변합니다. 그러나 이 손실 구조 하나가 놀랄 만큼 많은 것을 설명합니다. 먹이사슬이 보통 4~5단계를 넘지 못하는 이유, 호랑이 같은 최상위 포식자가 넓은 영역에 드물게 사는 이유, 같은 면적의 땅이 곡물을 직접 먹을 때 더 많은 사람을 부양하는 이유가 모두 피라미드의 기하학에서 나옵니다.
탄소 순환: 기후의 회계장부
탄소는 광합성으로 대기에서 생물로 들어오고, 호흡과 분해로 되돌아갑니다. 바다는 대기보다 훨씬 큰 탄소 저장고이고, 가장 큰 저장고는 퇴적암과 화석연료입니다. 수억 년에 걸쳐 땅에 묻힌 탄소를 인류는 산업혁명 이후 수백 년 만에 꺼내 태우고 있는 것이죠. 1958년 킬링(Charles Keeling)이 하와이 마우나로아에서 시작한 측정, 이른바 킬링 곡선은 대기 이산화탄소가 약 315ppm에서 오늘날 420ppm을 넘어 계속 오르는 것을 보여 줍니다. 곡선에 새겨진 작은 톱니는 북반구 식물의 계절 호흡입니다. 지구 전체가 숨 쉬는 그래프인 셈인데, 그 위에서 인간 활동이 만든 상승 추세가 계절의 리듬을 압도하고 있습니다.
질소 순환: 하버-보슈라는 개입
대기의 78%가 질소인데도 생물 대부분은 이를 쓰지 못합니다. 질소 분자의 삼중결합이 너무 단단하기 때문이죠. 이 결합을 끊는 질소 고정(nitrogen fixation)은 원래 번개와 일부 세균(콩과식물 뿌리혹의 뿌리혹박테리아, 시아노박테리아)의 독점 기술이었습니다. 그런데 1909년 하버(Fritz Haber)가 실험실에서, 이어 보슈(Carl Bosch)가 공업 규모로 이 일을 해내면서 사정이 바뀝니다. 화학 서가에서 다루는 하버-보슈 공정은 공기로 암모니아 비료를 만들었고, 오늘날 인류의 절반가량이 이 공정이 고정한 질소로 자란 식량에 의존한다는 추정이 널리 받아들여집니다. 물론 대가도 있습니다. 농경지에서 씻겨 나간 과잉 질소는 강과 연안을 부영양화시켜, 멕시코만 같은 곳에 산소가 고갈된 데드존(dead zone)을 만듭니다. 인류는 이미 지구 질소 순환의 최대 개입자입니다.
분해자: 순환을 닫는 자들
숲의 낙엽층이 사실은 공장이라면 어떨까요? 곰팡이와 세균 같은 분해자(decomposer)는 사체와 배설물을 무기 양분으로 되돌려 순환의 고리를 닫습니다. 분해자가 멈추면 양분은 사체에 갇히고 생산자는 굶게 되죠. 숲의 낙엽층은 쓰레기가 아니라 재생 공장이고, 눈에 띄지 않는 이 층이 없으면 피라미드 전체가 주저앉습니다. 탄소와 질소 순환에서 생물로 돌아가는 마지막 구간을 담당하는 것도 결국 분해자입니다. 죽은 나무의 리그닌을 분해하는 백색부후균처럼, 남들이 못 여는 화학 자물쇠를 여는 전문가들이 순환의 병목을 뚫어 줍니다. 생태계가 이렇게 정교한 재활용 체계라면, 그 부품인 종들이 사라질 때 무슨 일이 벌어질까요? 이것이 4강의 질문입니다.