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생태계에서 탄소의 순환
탄소는 주로 석회석과 같은 퇴적암에 많이 분포하고 있다. 하지만 생태계에서는 대기에 존재하는 이산화탄소와 화석연료가 중요하게 여겨진다. 식물은 광합성을 통해 대기에 존재하는 이산화탄소를 탄수화물로 전환한다. 탄수화물은 초식동물이나 곤충으로 이동한다. 몸을 구성하는데 사용되거나 세포호흡을 통해 이산화탄소 형태로 대기에 방출된다. 생물체의 몸을 구성하던 탄소가 생물의 유해 형태로 땅속에 들어가면 석탄이나 석유가 된다. 화석연료가 산업화와 함께 발굴·소모되면서 대기에 이산화탄소의 양을 증가시키고 있다. 이로 인해 지구의 평균 기온이상승하는 지구 온난화가 가속화되고 있다.
생태계에서 질소의 순환
질소는 원자간 삼중결합으로 돼 있어 자연적으로 매우 안정하다. 이를 끊고 환원시키는 과정은 많은 에너지가 소모되는 과정이므로 식물이나 동물은 쉽게 질소를 이용하지 못한다. 질소를 생물이 이용할 수 있는 형태로 바꾸는 것을 질소 고정이라고 부른다. 대기 중의 질소는 번개가 칠때 막대한 에너지에 의해 고정된다. 또한 콩과식물 뿌리에 공생하는 뿌리혹박테리아, 질소고정 박테리아 등에 의해 암모니아 형태가 되거나 질산이온이 돼 식물에 흡수된다.
자연적인 생태계가 아니라, 한 토지에서 계속 같은 농작물을 재배하는 농지의 경우 생산자를 수확하기 때문에 질소의 순환이 이뤄지지 않아 생태계에 질소가 부족해진다. 이를 막기 위해 질소 비료를 토양에 뿌려준다. 20세기 초 독일의 프리츠 하버와 카를 보슈는 공업적인 방법으로 암모니아의 대량 생산에 성공했다. 세계 각국에서 이 방법으로 질소비료를 만들어 농지에 대량으로 공급하고 부족한 질소를 토양에 공급할 수
있었다.
1. 질소순환과 비료에 대한 물음에 답하시오.
1) [난이도 중] 식물이 흡수한 질산과 암모니아는 식물체 내에서 무엇으로 변하나?
2) [난이도 하] 농지에 식물이 다 흡수할 수 없을 정도로 질소비료를 과다하게 사용하면 주변 환경에는 어떤 영향을 줄까?
전문가 클리닉 1) 고정된 질소가 생물에게 어떻게 사용되는지 생각해봅시다. 질소순환이 생물에게 또 생태계에 왜 중요한지를 생각하면 쉽게 답할 수 있습니다.
2) 질소비료는 작물에게 필요하지만 과하면 생태계에 악영향을 줍니다. 토양에 남은 질소비료가 토양 생태계에는 어떤 영향을 줄지, 또 빗물에 씻겨 내려가면 수중 생태계에는 어떤 영향을 줄지 생각해봅시다.
예시답안 1) 흡수된 질소는 식물체 내에서 광합성이나 호흡작용에 의해 생성된 중간대사물질과 결합해 글루타민산과 같은 아미노산이 된다. 이는 다시 각종 아미노산으로 재구성돼 단백질이나 핵산 등의 질소화합물로 합성된다. 질소는 식물체 내에서 단백질, 핵산, 엽록소, 효소 등 중요한 화합물의 구성성분으로 식물의 생명유지에 매우 중요한 역할을 하고 있다.
2) 여분의 질소비료가 생길 경우 잡초들이 예전보다 많이 번성할 수 있다. 때문에 잡초를 없애기 위한 제초제를 더 사용해야 한다. 또한 비가 오면 질소비료 잔여물이 농지에서 씻겨 하천이나 바다, 호수로 들어간다. 이로 인해 부영양화가 일어나면 수중 미생물의 양이 급격하게 늘어난다. 때문에 물 속으로 도달하는 빛의 양이 감소하고 용존 산소량이 급격히 줄어들어 물고기가 떼죽음 당하게 된다.
2. 탄소순환에 대한 다음 물음에 답하시오.
1) [난이도 하] 자연생태계의 탄소순환에서 식물이 하는 역할에 대해 설명하시오.
2) [난이도 중] 유럽은 유채를 이용한 바이오디젤을 생산해 실용화하고 있고, 미국과 브라질은 각각 자국의 우위 농산물인 옥수수와 사탕수수를 이용해 바이오에탄올을 생산, 연료로 공급하고 있다. 이러한 연료를 ‘온실가스발생을 억제하는 친환경 연료’라고 부르는 이유가 무엇 때문인지 설명하시오.
전문가 클리닉 탄소순환 측면에서 화석연료의 역할과 바이오에탄올이 만들어지는 과정을 비교해봅니다. 이를 토대로 생태계에 어떤 영향을 미치는지 답합니다.
예시답안 1) 탄소순환은 대기의 이산화탄소가 고정돼 생물에 이용된 후 다시 대기로 돌아가는 과정을 의미한다. 식물은 광합성을 통해 대기의 탄소를 포도당과 같은 탄수화물로 바꾼다. 즉 식물은 탄소순환에서 대기의 탄소를 다량으로 고정하는 유일한 존재다.
2) 바이오디젤이나 바이오에탄올 등은 대기에 존재하는 이산화탄소를 고정해 연료를 생산하는 것이다. 이 과정에서 추가적인 에너지 투입 없이 오직 광합성만으로 고정시키기 때문에 친환경적이라고 할 수 있다. 또한 대기에 존재하는 이산화탄소를 이용하므로 연소된 이후에도 대기에 이산화탄소가 추가로 쌓이는 것을 방지할 수 있다. 화석연료는 땅속에 있는 탄소를 발굴해 연소시키는 것이므로 대기의 이산화탄소 농도가 높아져 지구온난화를 일으킨다.
3. [난이도 상] 실험실에서 이산화탄소의 농도를 높이면 광합성량이 증가하는데, 실제 지구상 식물의 총생산량은 대기의 이산화탄소 농도가 높아져도 실험실에서처럼 계속 증가하지 않는다. 그 이유는 무엇일지 설명하시오.
전문가 클리닉 광합성에 영향을 주는 여러 요인들은 빛의 세기와 파장, 온도, 이산화탄소 농도 등이 있습니다. 이러한 요인들은 광합성에 복합적으로 영향을 줍니다. 식물은 생장에 필요한 요인중 가장 부족한 요인에 의해 광합성이 제한됩니다.
예시답안 지구온난화에 의해 대기의 온도가 상승하면 극지방이나 온대지방의 식물생산량이 증가하는 결과를 가져올 수 있지만 많은 지역에서는 고온과 함께 수분증발량이 증가한다. 고온 건조한 환경에서는 온도가 높아지면서 광합성이 활발하게 일어날 수 있지만 건조한 환경으로 인해 수분의 방출을 억제하기 위해 기공을 폐쇄한다.
기공이 닫히면 외부에서 CO2를 흡수하지 못하므로 잎 내부의 CO2 농도가 낮아진다. 대부분의 식물은 C3식물이고 이들은 CO2 농도가 낮아지면 루비스코가 산소와 결합하는 비율이 증가하는 광호흡이 일어난다. 이 과정은 빛에 의해 합성된 칼빈 회로의 RuBP가 쓰이고, 산소를 흡수해 CO2를 방출하므로 세포 호흡과 유사하다고 하여 광호흡이라고 한다.
광호흡의 결과 상당한 양의 이산화탄소가 포도당이 되지 못하고 RuBP 또한 제거돼 광합성 효율이 낮아진다. 즉 온도가 높아지면 증산작용을 통한 수분 손실을 막기 위해 기공을 닫고 이때문에 광호흡이 촉진된다. 이 결과 광합성 산물의 생산이 현저하게 감소된다.
4. [난이도 상] 벼나 보리와 같은 C3식물과 달리 옥수수나 사탕수수 같은 C4 작물과, 선인장과 같은 CAM식물은 고온 환경에서 살아남기 위한 전략을 갖고 있다. 이에 대해 간단히 서술하시오.
전문가 클리닉 세 식물의 광합성 경로를 간단한 그림으로 비교하면 다음과 같습니다.
예시답안 옥수수 같은 식물은 루비스코가 있는 캘빈 회로에 CO2만을 공급하는 회로를 갖고 있어서, 루비스코는 오직 CO2와만 결합할 수 있다. 이 경로는 CO2를 고정해 최초로 생산하는 물질이 4탄소 화합물이므로 이러한 식물을 C4식물이라고 한다. 이외의 식물들은 캘빈 회로를 통해 CO2를 고정시키고 첫번째 화합물이 3탄소 화합물이므로 C3식물이라고 한다.
C4식물에서는 C3식물과 달리 엽육 세포로 CO2가 먼저 확산돼 들어간다. 이곳에서 CO2는 루비스코가 아니라 PEP 카르복시화 효소와 만난다. 효소에 의해 C3화합물과 CO2가 결합돼 C4화합물인 말산이 형성된다. 말산은 유관속초 세포로 이동해 C3화합물과 CO2로 분해되므로 그곳의 캘빈 회로에 있는 루비스코는 풍부한 농도의 CO2와 결합할 수 있다. 즉 C4식물의 경우 C4 경로는 엽육 세포에서, 캘빈 회로는 유관속초 세포에서 일어나도록 공간을 분리했다.
CAM식물은 선인장과 같은 사막 식물로서 수분 손실을 막기 위해 낮에는 기공을 닫고 밤에만 기공을 열어 CO2를 흡수하고 고정한다. 이때 C4 유기물 상태로 액포에 저장했다가 낮에 CO2를 유리시키고 빛을 이용해 광합성한다. 즉 CAM식물은 이산화탄소 고정과 광합성의 시간을 분리해 수분 손실에 저항한다.
탄소는 주로 석회석과 같은 퇴적암에 많이 분포하고 있다. 하지만 생태계에서는 대기에 존재하는 이산화탄소와 화석연료가 중요하게 여겨진다. 식물은 광합성을 통해 대기에 존재하는 이산화탄소를 탄수화물로 전환한다. 탄수화물은 초식동물이나 곤충으로 이동한다. 몸을 구성하는데 사용되거나 세포호흡을 통해 이산화탄소 형태로 대기에 방출된다. 생물체의 몸을 구성하던 탄소가 생물의 유해 형태로 땅속에 들어가면 석탄이나 석유가 된다. 화석연료가 산업화와 함께 발굴·소모되면서 대기에 이산화탄소의 양을 증가시키고 있다. 이로 인해 지구의 평균 기온이상승하는 지구 온난화가 가속화되고 있다.
생태계에서 질소의 순환
질소는 원자간 삼중결합으로 돼 있어 자연적으로 매우 안정하다. 이를 끊고 환원시키는 과정은 많은 에너지가 소모되는 과정이므로 식물이나 동물은 쉽게 질소를 이용하지 못한다. 질소를 생물이 이용할 수 있는 형태로 바꾸는 것을 질소 고정이라고 부른다. 대기 중의 질소는 번개가 칠때 막대한 에너지에 의해 고정된다. 또한 콩과식물 뿌리에 공생하는 뿌리혹박테리아, 질소고정 박테리아 등에 의해 암모니아 형태가 되거나 질산이온이 돼 식물에 흡수된다.
자연적인 생태계가 아니라, 한 토지에서 계속 같은 농작물을 재배하는 농지의 경우 생산자를 수확하기 때문에 질소의 순환이 이뤄지지 않아 생태계에 질소가 부족해진다. 이를 막기 위해 질소 비료를 토양에 뿌려준다. 20세기 초 독일의 프리츠 하버와 카를 보슈는 공업적인 방법으로 암모니아의 대량 생산에 성공했다. 세계 각국에서 이 방법으로 질소비료를 만들어 농지에 대량으로 공급하고 부족한 질소를 토양에 공급할 수
있었다.
1. 질소순환과 비료에 대한 물음에 답하시오.
1) [난이도 중] 식물이 흡수한 질산과 암모니아는 식물체 내에서 무엇으로 변하나?
2) [난이도 하] 농지에 식물이 다 흡수할 수 없을 정도로 질소비료를 과다하게 사용하면 주변 환경에는 어떤 영향을 줄까?
전문가 클리닉 1) 고정된 질소가 생물에게 어떻게 사용되는지 생각해봅시다. 질소순환이 생물에게 또 생태계에 왜 중요한지를 생각하면 쉽게 답할 수 있습니다.
2) 질소비료는 작물에게 필요하지만 과하면 생태계에 악영향을 줍니다. 토양에 남은 질소비료가 토양 생태계에는 어떤 영향을 줄지, 또 빗물에 씻겨 내려가면 수중 생태계에는 어떤 영향을 줄지 생각해봅시다.
예시답안 1) 흡수된 질소는 식물체 내에서 광합성이나 호흡작용에 의해 생성된 중간대사물질과 결합해 글루타민산과 같은 아미노산이 된다. 이는 다시 각종 아미노산으로 재구성돼 단백질이나 핵산 등의 질소화합물로 합성된다. 질소는 식물체 내에서 단백질, 핵산, 엽록소, 효소 등 중요한 화합물의 구성성분으로 식물의 생명유지에 매우 중요한 역할을 하고 있다.
2) 여분의 질소비료가 생길 경우 잡초들이 예전보다 많이 번성할 수 있다. 때문에 잡초를 없애기 위한 제초제를 더 사용해야 한다. 또한 비가 오면 질소비료 잔여물이 농지에서 씻겨 하천이나 바다, 호수로 들어간다. 이로 인해 부영양화가 일어나면 수중 미생물의 양이 급격하게 늘어난다. 때문에 물 속으로 도달하는 빛의 양이 감소하고 용존 산소량이 급격히 줄어들어 물고기가 떼죽음 당하게 된다.
2. 탄소순환에 대한 다음 물음에 답하시오.
1) [난이도 하] 자연생태계의 탄소순환에서 식물이 하는 역할에 대해 설명하시오.
2) [난이도 중] 유럽은 유채를 이용한 바이오디젤을 생산해 실용화하고 있고, 미국과 브라질은 각각 자국의 우위 농산물인 옥수수와 사탕수수를 이용해 바이오에탄올을 생산, 연료로 공급하고 있다. 이러한 연료를 ‘온실가스발생을 억제하는 친환경 연료’라고 부르는 이유가 무엇 때문인지 설명하시오.
전문가 클리닉 탄소순환 측면에서 화석연료의 역할과 바이오에탄올이 만들어지는 과정을 비교해봅니다. 이를 토대로 생태계에 어떤 영향을 미치는지 답합니다.
예시답안 1) 탄소순환은 대기의 이산화탄소가 고정돼 생물에 이용된 후 다시 대기로 돌아가는 과정을 의미한다. 식물은 광합성을 통해 대기의 탄소를 포도당과 같은 탄수화물로 바꾼다. 즉 식물은 탄소순환에서 대기의 탄소를 다량으로 고정하는 유일한 존재다.
2) 바이오디젤이나 바이오에탄올 등은 대기에 존재하는 이산화탄소를 고정해 연료를 생산하는 것이다. 이 과정에서 추가적인 에너지 투입 없이 오직 광합성만으로 고정시키기 때문에 친환경적이라고 할 수 있다. 또한 대기에 존재하는 이산화탄소를 이용하므로 연소된 이후에도 대기에 이산화탄소가 추가로 쌓이는 것을 방지할 수 있다. 화석연료는 땅속에 있는 탄소를 발굴해 연소시키는 것이므로 대기의 이산화탄소 농도가 높아져 지구온난화를 일으킨다.
3. [난이도 상] 실험실에서 이산화탄소의 농도를 높이면 광합성량이 증가하는데, 실제 지구상 식물의 총생산량은 대기의 이산화탄소 농도가 높아져도 실험실에서처럼 계속 증가하지 않는다. 그 이유는 무엇일지 설명하시오.
전문가 클리닉 광합성에 영향을 주는 여러 요인들은 빛의 세기와 파장, 온도, 이산화탄소 농도 등이 있습니다. 이러한 요인들은 광합성에 복합적으로 영향을 줍니다. 식물은 생장에 필요한 요인중 가장 부족한 요인에 의해 광합성이 제한됩니다.
예시답안 지구온난화에 의해 대기의 온도가 상승하면 극지방이나 온대지방의 식물생산량이 증가하는 결과를 가져올 수 있지만 많은 지역에서는 고온과 함께 수분증발량이 증가한다. 고온 건조한 환경에서는 온도가 높아지면서 광합성이 활발하게 일어날 수 있지만 건조한 환경으로 인해 수분의 방출을 억제하기 위해 기공을 폐쇄한다.
기공이 닫히면 외부에서 CO2를 흡수하지 못하므로 잎 내부의 CO2 농도가 낮아진다. 대부분의 식물은 C3식물이고 이들은 CO2 농도가 낮아지면 루비스코가 산소와 결합하는 비율이 증가하는 광호흡이 일어난다. 이 과정은 빛에 의해 합성된 칼빈 회로의 RuBP가 쓰이고, 산소를 흡수해 CO2를 방출하므로 세포 호흡과 유사하다고 하여 광호흡이라고 한다.
광호흡의 결과 상당한 양의 이산화탄소가 포도당이 되지 못하고 RuBP 또한 제거돼 광합성 효율이 낮아진다. 즉 온도가 높아지면 증산작용을 통한 수분 손실을 막기 위해 기공을 닫고 이때문에 광호흡이 촉진된다. 이 결과 광합성 산물의 생산이 현저하게 감소된다.
4. [난이도 상] 벼나 보리와 같은 C3식물과 달리 옥수수나 사탕수수 같은 C4 작물과, 선인장과 같은 CAM식물은 고온 환경에서 살아남기 위한 전략을 갖고 있다. 이에 대해 간단히 서술하시오.
전문가 클리닉 세 식물의 광합성 경로를 간단한 그림으로 비교하면 다음과 같습니다.
예시답안 옥수수 같은 식물은 루비스코가 있는 캘빈 회로에 CO2만을 공급하는 회로를 갖고 있어서, 루비스코는 오직 CO2와만 결합할 수 있다. 이 경로는 CO2를 고정해 최초로 생산하는 물질이 4탄소 화합물이므로 이러한 식물을 C4식물이라고 한다. 이외의 식물들은 캘빈 회로를 통해 CO2를 고정시키고 첫번째 화합물이 3탄소 화합물이므로 C3식물이라고 한다.
C4식물에서는 C3식물과 달리 엽육 세포로 CO2가 먼저 확산돼 들어간다. 이곳에서 CO2는 루비스코가 아니라 PEP 카르복시화 효소와 만난다. 효소에 의해 C3화합물과 CO2가 결합돼 C4화합물인 말산이 형성된다. 말산은 유관속초 세포로 이동해 C3화합물과 CO2로 분해되므로 그곳의 캘빈 회로에 있는 루비스코는 풍부한 농도의 CO2와 결합할 수 있다. 즉 C4식물의 경우 C4 경로는 엽육 세포에서, 캘빈 회로는 유관속초 세포에서 일어나도록 공간을 분리했다.
CAM식물은 선인장과 같은 사막 식물로서 수분 손실을 막기 위해 낮에는 기공을 닫고 밤에만 기공을 열어 CO2를 흡수하고 고정한다. 이때 C4 유기물 상태로 액포에 저장했다가 낮에 CO2를 유리시키고 빛을 이용해 광합성한다. 즉 CAM식물은 이산화탄소 고정과 광합성의 시간을 분리해 수분 손실에 저항한다.
