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개체군
개체군이란 한 지역에 살고 있는 단일 종 개체들의 집합체를 말한다. 개체군의 구성원은 동일한 자원에 의존해 생활하며 동일한 환경요인의 영향을 받는다. 나아가 서로 영향을 주고 받으며 다른 구성원과 교배할 가능성도 높다. 개체군은 개체 간에 유전되는 변이에 작용하는 자연석택을 통해 변화한다. 자연선택은 개체군 내의 다양한 특성의 출현 빈도를 변화시킨다.
생존 곡선과 상대 수명
생리적 수명이란 최적 조건에서 개체군이 노쇠해 죽었을 때의 평균수명을 말한다. 생태적 수명은 자연 조건에서 질병이나 피식, 먹이부족 등으로 인해 생리적 수명을 다하지 못하고 죽는 개체군의 평균 수명을 말한다. 이러한 생리적 수명에 대한 생태적 수명의 상대적인 비를 통해 상대 연령을 표현할 수 있다. 상대 연령에 따라 살아남은 개체수를 그래프로 나타낸 것을 생존 곡선이라고 한다. 생존 곡선은 크게 세 가지로 구분한다.
① 굴형 : 유생 때의 사망률이 극히 높아서 소수만이 살아남은 것으로 어미가 새끼를 보호하지 않는 경우이다. 굴, 어류 등이 있다.
② 히드라형 : 각 연령의 여러 단계에서 고르게 죽는 경우이다. 히드라, 야생 조류가 이에 속한다.
③ 사람형 : 출생된 개체가 거의 자기 수명을 다하는 경우로 사람이나 대형 포유류가 이에 속한다.
생장 곡선과 환경 저항
이상적인 조건에서 매 20분마다 한번 분열하는 한 마리의 박테리아를 생각해보자. 20분 후에는 2마리, 40분 후에는 4마리, 60분 후에는 8마리로 늘어날 것이다. 만약 이런 속도로 증식이 계속되고 죽지 않는다면 36시간 후에는 전 지구를 덮기에 충분한 정도로 늘어난다. 그러나 실제로는 실험실이나 자연계에서 어떤 종도 이렇게 무한히 개체군이 성장하지는 않는다.
개체수나 생체량의 증가를 개체군의 생장이라고 한다. 개체군의 생장은 먹이 부족, 생활 공간의 제약, 노폐물의 증가나 질병과 같은 환경 요소와 밀접하게 관련돼 있다. 일반적으로 이론적인 생장 곡선은 지수적인 증가 형태를 나타내며 실제로는 S자형 생장 곡선을 나타낸다.
이 내용을 매우 단순한 수리적 모델로 설명할 수 있다. 개체수를 N, 개체수의 증가분은 ΔN, 시간간격을 Δt라 하고 이입이나 이출, 출생과 사망을 포함한 개체군의 증가율을 r이라 한다면 개체수의 증가율(dN/dt)은 개체군의 증가율(r)과 현재 개체수(N)의 곱으로 정의되므로 다음과 같은 식이 성립한다.
1. [난이도 하] 다양한 환경 요소에 따라 개체군의 생장은 특징적인 주기를 갖는다. 짧게는 계절적인 변동부터 수년에서 수십년 단위의 주기가 나타나기도 한다. 우리가 흔히 돌말이라고 부르는 규조류는 민물과 바닷물에 널리 분포하는 플랑크톤이다. 이는 수중 생태계의 생산자이자 어패류의 먹이로서 매우 중요한 지위를 차지한다. 어떤 지역의 호수에서 다음과 같은 환경 변화를 관측했다고 하자. 이때 돌말의 개체수가 계절에 따라 어떻게 변화할지 예측해 보시오.
[전문가 클리닉]
생산자로서 돌말은 독립영양생물이며 광합성을 통해 생장할 수 있다는 사실을 염두에 둡니다. 영양염류의 양과 빛, 수온이라는 것이 어떻게 제한 요소로 작용할지를 생각하면 쉽게 답을 작성할 수 있습니다. 예를 들어 영양염류의 양이 크게 줄어드는 시점이 바로 돌말의 개체수가 급증하는 지점으로 예상할 수 있습니다.
<;예시답안>;
봄철에는 동화작용의 원료가 되는 영양염류가 많고 수온도 적당하므로 돌말 개체수가 급격히 증가할 것이다. 이는 봄철에 영양염류의 양이 급격히 감소하는 것을 통해 예상할 수 있다. 이후 수온이나 빛의 세기가 충분하더라도 영양염류가 소비돼 그 양이 충분하지 않으므로 여름철에는 다시 돌말 개체수가 급격히 감소하는 형태를 예상할 수 있다. 이후 가을 무렵 영양염류의 양이 조금 증가하므로 돌말의 개체수도 조금 증가할 것이다. 빛의 세기나 수온이 충분하더라도 영양염류의 양이 환경적 제한 요소로 작용한다는 것을 예상할 수 있다. 하지만 가을 이후 영양염류의 양이 급증하는 것은 돌말 개체수가 여전히 부족하다는 것으로 이해할 수 있다. 이는 겨울에는 수온과 빛의 세기가 제한 요소로 작용하기 때문이다. 따라서 다음의 그래프를 예상할 수 있다.
2. [난이도 중] 빛이라는 환경 요소에 의해 적응하는 정도는 개체군의 서식지를 결정하거나 개체들의 특징을 결정할 수 있다. 예를 들어 같은 나무에 달린 잎이라도 빛을 잘 받는 곳에 자리한 잎이 빛을 적게 받는 잎보다 두껍다. 해조류 또한 빛에 적응해 깊이에 따라 서식하는 종류가 달라진다. 얕은 곳에서는 주로 녹조류가 깊은 곳에서는 주로 홍조류가 서식하는 이유를 추론하시오.
[전문가 클리닉]
엽록체가 녹색인 이유는 식물이 광합성에 주로 활용하는 빛의 파장이 붉은색과 청색 계통의 빛이기 때문입니다. 따라서 해조류의 색은 주로 이용하는 빛의 파장과 관계가 있을 것입니다. 빛이 파장에 따라 물속을 통과하는 정도가 어떻게 달라질지 예상해봅시다.
<;예시답안>;
광합성을 하는 경우 생물이 이용하는 빛의 파장과 생물이 갖고 있는 광합성 색소 사이에 보색관계가 성립한다. 녹조류는 청색광과 적색광 모두를 활용하고 홍조류는 주로 청색광을 활용하는 것으로 볼 수 있다. 이는 빛이 파장이 짧을수록(진동수가 클수록) 매질을 통과하는 능력이 더 커진다는 사실에서 확인할 수 있다(파장이 매우 짧은 X선은 사람의 몸을 통과할 수 있다). 즉 깊은 곳으로 갈수록 적색광은 잘 통과하지 못하며 청색광만이 통과하기 때문에 깊은 곳에 서식하는 해조류는 붉은색 광합성 색소를 주로 갖고 있을 것이다. 요컨대 빛의 파장과 수심의 관계 때문에 환경의 차이가 발생했고, 깊은 곳으로 갈수록 홍조류가 많이 살게 됐다.
3. [난이도 상] dN/dt=rN 형태의 단순한 수리적 모델은 개체군이 무한정 커질 수 있음을 내포한다. 하지만 실제로 개체군의 크기에는 한계가 있다. 주어진 환경에서 무기한으로 지속할 수 있는 개체군의 최대 개체수를 K라고 한다면 개체군의 S자형 생장 곡선을 어떻게 수식으로 표현할 수 있을지 서술하고, 수식을 토대로 S자형 생장 곡선이 되는 이유를 설명하시오.
[전문가 클리닉]
수학적 능력이 요구되는 문제입니다. 수리모델을 토대로 개체군의 최대개체수 K를 식에 어떻게 활용할 것인지 고민합니다. K를 이용해 임의의 시점에서 주어진 환경에 추가적으로 수용 가능한 개체 수를 추정하고 어떤 방식으로 식에 반영하면 좋을지 생각해봅니다.
라서 K-N/K값은 K에 대한 개체군 생장에서 여유가 있는 부분의 비율을 나타낸다. 이 요인을 모델에 반영하면 S자형 생장곡선에 대한 수리적 모델은 다음과 같다.
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4. [난이도 중] 개체군의 생장을 저해하는 환경 요소중 크게 세 가지를 들자면 자원과 공간에 대한 경쟁, 질병, 포식자를 꼽을 수 있다. 이 세 가지 요소는 음성 피드백의 효과로 개체군의 생장을 저해한다. 세 가지 요소가 어떻게 음성 피드백이 될 수 있는지 설명하시오.
[전문가 클리닉]
일반적으로 피드백이란 시스템에서 산출된 정보가 다시 시스템으로 입력돼 이후의 산출에 영향을 주는 것을 말합니다. 피드백돼 입력된 정보가 작용기의 효과를 감소시키는 결과를 가져오면 이를 음성 피드백이라고 합니다. 환경요소가 어떻게 개체수를 억제할 수 있는지 생각해봅시다.
<;예시답안>;
예시답안 먼저 자원과 공간에 대한 경쟁은 개체가 가진 에너지를 생식이나 출산보다는 생존 자체를 위해 더 많이 사용해 생식을 제한할 것이다. 따라서 개체군 생장을 억제하는 효과를 가져오므로 음성 피드백이다. 질병의 경우 개체수가 적을 때보다 밀집된 형태에서 한 개체의 감염이 다른 개체로 확대되는 (전염)속도가 증가할 것이다. 따라서 질병은 개체수가 많을수록 개체군의 생장을 잘 억제할 것이므로 음성 피드백이다. 포식자에 의한 효과도 마찬가지다. 포식자와 피식자가 마주치는 확률이 포식자에 의해 개체군 생장이 억제되는 상황과 비례할 것이므로 (먹이가 많을수록 포식자도 먹이를 구하기가 쉬워진다) 포식자에 의한 개체군 생장억제 역시 음성 피드백이 된다.
개체군이란 한 지역에 살고 있는 단일 종 개체들의 집합체를 말한다. 개체군의 구성원은 동일한 자원에 의존해 생활하며 동일한 환경요인의 영향을 받는다. 나아가 서로 영향을 주고 받으며 다른 구성원과 교배할 가능성도 높다. 개체군은 개체 간에 유전되는 변이에 작용하는 자연석택을 통해 변화한다. 자연선택은 개체군 내의 다양한 특성의 출현 빈도를 변화시킨다.
생존 곡선과 상대 수명
생리적 수명이란 최적 조건에서 개체군이 노쇠해 죽었을 때의 평균수명을 말한다. 생태적 수명은 자연 조건에서 질병이나 피식, 먹이부족 등으로 인해 생리적 수명을 다하지 못하고 죽는 개체군의 평균 수명을 말한다. 이러한 생리적 수명에 대한 생태적 수명의 상대적인 비를 통해 상대 연령을 표현할 수 있다. 상대 연령에 따라 살아남은 개체수를 그래프로 나타낸 것을 생존 곡선이라고 한다. 생존 곡선은 크게 세 가지로 구분한다.
① 굴형 : 유생 때의 사망률이 극히 높아서 소수만이 살아남은 것으로 어미가 새끼를 보호하지 않는 경우이다. 굴, 어류 등이 있다.
② 히드라형 : 각 연령의 여러 단계에서 고르게 죽는 경우이다. 히드라, 야생 조류가 이에 속한다.
③ 사람형 : 출생된 개체가 거의 자기 수명을 다하는 경우로 사람이나 대형 포유류가 이에 속한다.
생장 곡선과 환경 저항
이상적인 조건에서 매 20분마다 한번 분열하는 한 마리의 박테리아를 생각해보자. 20분 후에는 2마리, 40분 후에는 4마리, 60분 후에는 8마리로 늘어날 것이다. 만약 이런 속도로 증식이 계속되고 죽지 않는다면 36시간 후에는 전 지구를 덮기에 충분한 정도로 늘어난다. 그러나 실제로는 실험실이나 자연계에서 어떤 종도 이렇게 무한히 개체군이 성장하지는 않는다.
개체수나 생체량의 증가를 개체군의 생장이라고 한다. 개체군의 생장은 먹이 부족, 생활 공간의 제약, 노폐물의 증가나 질병과 같은 환경 요소와 밀접하게 관련돼 있다. 일반적으로 이론적인 생장 곡선은 지수적인 증가 형태를 나타내며 실제로는 S자형 생장 곡선을 나타낸다.
이 내용을 매우 단순한 수리적 모델로 설명할 수 있다. 개체수를 N, 개체수의 증가분은 ΔN, 시간간격을 Δt라 하고 이입이나 이출, 출생과 사망을 포함한 개체군의 증가율을 r이라 한다면 개체수의 증가율(dN/dt)은 개체군의 증가율(r)과 현재 개체수(N)의 곱으로 정의되므로 다음과 같은 식이 성립한다.
1. [난이도 하] 다양한 환경 요소에 따라 개체군의 생장은 특징적인 주기를 갖는다. 짧게는 계절적인 변동부터 수년에서 수십년 단위의 주기가 나타나기도 한다. 우리가 흔히 돌말이라고 부르는 규조류는 민물과 바닷물에 널리 분포하는 플랑크톤이다. 이는 수중 생태계의 생산자이자 어패류의 먹이로서 매우 중요한 지위를 차지한다. 어떤 지역의 호수에서 다음과 같은 환경 변화를 관측했다고 하자. 이때 돌말의 개체수가 계절에 따라 어떻게 변화할지 예측해 보시오.[전문가 클리닉]
생산자로서 돌말은 독립영양생물이며 광합성을 통해 생장할 수 있다는 사실을 염두에 둡니다. 영양염류의 양과 빛, 수온이라는 것이 어떻게 제한 요소로 작용할지를 생각하면 쉽게 답을 작성할 수 있습니다. 예를 들어 영양염류의 양이 크게 줄어드는 시점이 바로 돌말의 개체수가 급증하는 지점으로 예상할 수 있습니다.
<;예시답안>;
봄철에는 동화작용의 원료가 되는 영양염류가 많고 수온도 적당하므로 돌말 개체수가 급격히 증가할 것이다. 이는 봄철에 영양염류의 양이 급격히 감소하는 것을 통해 예상할 수 있다. 이후 수온이나 빛의 세기가 충분하더라도 영양염류가 소비돼 그 양이 충분하지 않으므로 여름철에는 다시 돌말 개체수가 급격히 감소하는 형태를 예상할 수 있다. 이후 가을 무렵 영양염류의 양이 조금 증가하므로 돌말의 개체수도 조금 증가할 것이다. 빛의 세기나 수온이 충분하더라도 영양염류의 양이 환경적 제한 요소로 작용한다는 것을 예상할 수 있다. 하지만 가을 이후 영양염류의 양이 급증하는 것은 돌말 개체수가 여전히 부족하다는 것으로 이해할 수 있다. 이는 겨울에는 수온과 빛의 세기가 제한 요소로 작용하기 때문이다. 따라서 다음의 그래프를 예상할 수 있다.
2. [난이도 중] 빛이라는 환경 요소에 의해 적응하는 정도는 개체군의 서식지를 결정하거나 개체들의 특징을 결정할 수 있다. 예를 들어 같은 나무에 달린 잎이라도 빛을 잘 받는 곳에 자리한 잎이 빛을 적게 받는 잎보다 두껍다. 해조류 또한 빛에 적응해 깊이에 따라 서식하는 종류가 달라진다. 얕은 곳에서는 주로 녹조류가 깊은 곳에서는 주로 홍조류가 서식하는 이유를 추론하시오.[전문가 클리닉]
엽록체가 녹색인 이유는 식물이 광합성에 주로 활용하는 빛의 파장이 붉은색과 청색 계통의 빛이기 때문입니다. 따라서 해조류의 색은 주로 이용하는 빛의 파장과 관계가 있을 것입니다. 빛이 파장에 따라 물속을 통과하는 정도가 어떻게 달라질지 예상해봅시다.
<;예시답안>;
광합성을 하는 경우 생물이 이용하는 빛의 파장과 생물이 갖고 있는 광합성 색소 사이에 보색관계가 성립한다. 녹조류는 청색광과 적색광 모두를 활용하고 홍조류는 주로 청색광을 활용하는 것으로 볼 수 있다. 이는 빛이 파장이 짧을수록(진동수가 클수록) 매질을 통과하는 능력이 더 커진다는 사실에서 확인할 수 있다(파장이 매우 짧은 X선은 사람의 몸을 통과할 수 있다). 즉 깊은 곳으로 갈수록 적색광은 잘 통과하지 못하며 청색광만이 통과하기 때문에 깊은 곳에 서식하는 해조류는 붉은색 광합성 색소를 주로 갖고 있을 것이다. 요컨대 빛의 파장과 수심의 관계 때문에 환경의 차이가 발생했고, 깊은 곳으로 갈수록 홍조류가 많이 살게 됐다.
3. [난이도 상] dN/dt=rN 형태의 단순한 수리적 모델은 개체군이 무한정 커질 수 있음을 내포한다. 하지만 실제로 개체군의 크기에는 한계가 있다. 주어진 환경에서 무기한으로 지속할 수 있는 개체군의 최대 개체수를 K라고 한다면 개체군의 S자형 생장 곡선을 어떻게 수식으로 표현할 수 있을지 서술하고, 수식을 토대로 S자형 생장 곡선이 되는 이유를 설명하시오.[전문가 클리닉]
수학적 능력이 요구되는 문제입니다. 수리모델을 토대로 개체군의 최대개체수 K를 식에 어떻게 활용할 것인지 고민합니다. K를 이용해 임의의 시점에서 주어진 환경에 추가적으로 수용 가능한 개체 수를 추정하고 어떤 방식으로 식에 반영하면 좋을지 생각해봅니다.
라서 K-N/K값은 K에 대한 개체군 생장에서 여유가 있는 부분의 비율을 나타낸다. 이 요인을 모델에 반영하면 S자형 생장곡선에 대한 수리적 모델은 다음과 같다.
4. [난이도 중] 개체군의 생장을 저해하는 환경 요소중 크게 세 가지를 들자면 자원과 공간에 대한 경쟁, 질병, 포식자를 꼽을 수 있다. 이 세 가지 요소는 음성 피드백의 효과로 개체군의 생장을 저해한다. 세 가지 요소가 어떻게 음성 피드백이 될 수 있는지 설명하시오.[전문가 클리닉]
일반적으로 피드백이란 시스템에서 산출된 정보가 다시 시스템으로 입력돼 이후의 산출에 영향을 주는 것을 말합니다. 피드백돼 입력된 정보가 작용기의 효과를 감소시키는 결과를 가져오면 이를 음성 피드백이라고 합니다. 환경요소가 어떻게 개체수를 억제할 수 있는지 생각해봅시다.
<;예시답안>;
예시답안 먼저 자원과 공간에 대한 경쟁은 개체가 가진 에너지를 생식이나 출산보다는 생존 자체를 위해 더 많이 사용해 생식을 제한할 것이다. 따라서 개체군 생장을 억제하는 효과를 가져오므로 음성 피드백이다. 질병의 경우 개체수가 적을 때보다 밀집된 형태에서 한 개체의 감염이 다른 개체로 확대되는 (전염)속도가 증가할 것이다. 따라서 질병은 개체수가 많을수록 개체군의 생장을 잘 억제할 것이므로 음성 피드백이다. 포식자에 의한 효과도 마찬가지다. 포식자와 피식자가 마주치는 확률이 포식자에 의해 개체군 생장이 억제되는 상황과 비례할 것이므로 (먹이가 많을수록 포식자도 먹이를 구하기가 쉬워진다) 포식자에 의한 개체군 생장억제 역시 음성 피드백이 된다.
