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올해 8월의 폭염은 1994년의 기록을 넘어서 역대 최고 폭염으로 기록됐다. 8월 1일 강원도 홍천의 최고 기온은 41도였고, 전국 관측소의 60%가 관측사상 최고 기온을 기록했다. 대한민국과 아프리카를 합친 ‘대프리카’라는 말이 나올 정도였다. 전문가들은 이런 폭염이 우리나라뿐만 아니라 전 세계적인 현상이었으며, 세계 각지에서 산불이 증가하고 홍수가 일어나는 등 이상 기후가 인간이 초래한 기후 변화의 극단적인 결과라고 지적한다. 

이번 호에서는 우리가 속한 생태계가 어떻게 구성되고, 생태계에 속한 생물이 환경과 어떻게 상호작용을 하는지 알아보자. 그리고 인간의 활동으로 발생하는 다양한 이상 기후 증후와 이를 극복하기 위한 방안도 살펴보자. 마지막으로 우리가 살아가는 데 필요한 에너지의 종류와 에너지 사이의 전환, 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 방법을 알아보자. 

생태계 구성 요소와 환경 

생태계는 생물적 요소와 비생물적 요소로 구성되며, 이들 사이에는 끊임없이 상호작용이 일어난다. 생물적 요소 중에는 ‘개체군’과 ‘군집’이 있다. 한 지역에 사는 동일한 종을 ‘개체’라고 하며, 이런 개체들의 모임을 ‘개체군’, 그 지역에 서식하는 다양한 개체군의 집합을 ‘군집’이라고 한다. 

또한 생물적 요소는 영양분을 얻는 방법에 따라 생산자, 소비자, 분해자로 구분하기도 한다. 생산자는 광합성을 통해 스스로 영양분을 얻는데, 식물과 조류(藻類)가 여기에 해당한다. 소비자는 생산자나 다른 동물을 먹이로 삼아 영양분을 얻으며, 초식동물과 육식동물이 여기에 해당한다. 마지막으로 분해자는 생산자와 소비자의 사체 또는 배설물을 분해해서 다시 환경(자연)으로 되돌려 보내는 역할을 하고, 이 과정에서 에너지를 얻는다. 세균, 곰팡이 등이 분해자에 속한다.

생태계 구성 요소들은 서로 영향을 주고받으며 살아간다. 비생물적 요소인 환경이 생물적 요소에 영향을 주는 것을 ‘작용’, 생물적 요소가 환경에 영향을 주는 것을 ‘반작용’이라고 한다. 생물적 요소가 서로 영향을 주고받는 것은 상호작용이라고 한다. 생물적 요소와 비생물적 요소의 관계를 조금 더 구체적으로 살펴보자.

생물과 빛, 온도, 물, 토양

빛에너지는 생태계가 유지되는 원천이다. 식물은 태양의 빛에너지로 광합성을 하고, 이를 통해 양분을 합성하며 살아간다. 식물 중에는 강한 빛에 유리한 양지식물과 약한 빛에 유리한 음지식물이 있다. 즉, 빛의 세기에 따라서 식물의 분포가 달라질 수 있다. 

빛을 많이 받는 양지식물의 잎은 두껍고 좁은 반면, 빛을 적게 받는 음지식물의 잎은 얇고 넓다. 한 식물을 이루는 잎 중에서도 빛을 많이 받는 잎은 두껍고 좁은 반면, 빛을 적게 받는 잎은 얇고 넓다.

빛의 파장은 바다에 서식하는 조류의 분포에 영향을 준다. 바다로 들어가는 빛은 파장에 따라 투과율이 달라진다. 적색광은 수심이 얕은 곳까지만 투과하고, 청색광은 수심이 깊은 곳까지 투과할 수 있다. 그래서 얕은 바다에는 적색광을 주로 이용하는 녹조류가, 깊은 바다에는 청색광을 주로 이용하는 홍조류가 많이 분포한다.

구름이나 안개에 가려지지 않고 햇빛이 실제로 내리쬐는 시간을 ‘일조시간’이라고 한다. 일조시간이 길어지거나 짧아지는 변화에 따라 꽃이 피는 시기, 새가 알을 낳는 시기가 달라질 수 있다. 
꾀꼬리는 일조시간이 길어지는 봄에 주로 산란하며, 송어나 노루는 일조시간이 짧아지는 가을에 주로 번식한다.

식물은 일조시간에 따라 개화 여부가 달라지는데, 단일식물은 빛이 없는 기간이 일정 시간(한계암기) 이상 지속될 때 개화하고, 장일식물은 빛이 없는 기간이 일정 시간 이하일 때 개화한다. 지속적인 암기는 단일식물과 장일식물의 개화에 미치는 결정적인 요인이다.

생물은 지속적인 물질대사를 통해 살아가는데, 물질대사에는 반드시 효소가 관여한다. 효소는 일정한 온도 범위에서만 작용할 수 있으며, 이에 따라 생물은 체온을 일정하게 유지하기 위해 다양한 적응 기작을 갖고 있다. 

주변 온도에 관계없이 체온이 일정하게 유지되는 동물을 ‘정온동물’이라고 한다. 정온동물은 몸이 털로 덮여 있거나 피하지방을 축적해 열이 빠져 나가는 것을 막는 방식으로 체온을 일정하게 유지한다. 일부 정온동물은 먹이를 찾기 어려운 겨울에 에너지 소모를 줄이기 위해 겨울잠을 잔다. 

베르그만의 법칙과 알렌의 법칙에 따르면 일반적으로 추운 곳에 사는 동물일수록 몸집이 크고, 귀와 꼬리 같은 몸의 말단부가 작은 경향이 있다. 부피에 대한 체표면적의 비율이 낮아져 열 손실이 줄어드는 원리다. 북극여우가 사막여우에 비해 몸집이 크고 말단부가 작은 것은 이 때문이다. 

주변 온도에 따라 체온이 변하는 파충류, 양서류 등 변온동물은 햇빛을 받는 양을 조절해서 체온을 조절한다. 기온이 낮아지면 겨울잠을 자면서 온도에 적응한다. 개구리나 뱀이 겨울잠을 자는 것도 이런 이유다.

식물도 다양한 방식으로 온도에 적응한다. 낙엽수는 겨울이 되면 추위를 견디기 위해 잎을 떨어뜨려 낙엽을 만든다. 하지만 상록수는 기온이 내려가면 세포에 포도당을 축적해 세포액의 삼투압을 높이고 어는점을 낮춰 세포가 얼지 않게 한다.  오른쪽 위 그래프는 계절에 따른 식물의 삼투압 변화다.

사막에 사는 파충류는 몸이 비늘로 덮여 있어 물의 손실을 막을 수 있다. 파충류와 조류(鳥類)의 알은 단단한 껍데기로 싸여 있어 물의 손실을 막는다. 낙타나 캥거루쥐는 건조한 환경에 적응하기 위해 고농도의 오줌을 배설해 물의 손실을 줄인다. 물이 부족한 곳에 사는 건생식물은 뿌리와 저수 조직이 발달하고, 잎이 가시로 변해 수분의 증발을 막는다. 물속이나 물 위에 서식하는 수생식물은 뿌리가 잘 발달하지 않고, 줄기나 잎에는 공기가 쉽게 이동하고 저장될 수 있는 통기 조직이 발달해 있다.

이는 모두 생물이 물에 적응한 사례다. 물은 생물체를 구성하는 성분 중 가장 많으며, 물질대사에 있어서 매우 중요하기 때문에 생물은 체내 수분을 보존하는 방향으로 몸의 구조를 변형시켜 적응한다. 

토양은 여러 생물의 서식지다. 토양은 물질과 에너지가 순환하도록 하며 식물은 뿌리를 통해 토양으로부터 생장에 필요한 물질을 얻는다. 그리고 토양 속에 사는 세균과 곰팡이는 동식물의 사체나 배설물을 분해해 다시 토양으로 돌려보낸다. 토양의 깊이에 따라 공기의 함량이 다르며, 이에 따라 분포하는 세균의 종류도 다르다. 공기가 풍부한 토양 표면에는 산소를 이용해 호흡하는 호기성 세균이, 공기가 부족한 토양 깊은 곳에는 산소 없이 물질을 분해하는 혐기성 세균이 주로 분포한다. 

생물의 호흡과 광합성으로 공기의 성분은 끊임없이 변한다. 공기가 희박한 고산지대에 사는 사람들의 혈액에는 평지에 사는 사람들의 혈액보다 적혈구 수가 많은데, 이는 산소가 부족한 환경에 적응한 결과다. 이처럼 생물들은 다양한 환경에 적절하게 적응하며 살아간다. 

생태계 평형 

생태계를 구성하는 생물 군집이 먹이사슬에서 차지하는 위치를 영양 단계라고 한다. 생산자로부터 같은 수의 단계를 거쳐 먹이를 얻는 생물은 ‘같은 영양 단계에 있다’고 한다. 

먹이사슬은 생산자부터 소비자까지 먹고 먹히는 관계가 사슬처럼 연결된 것을 말한다. 먹이사슬 여러 개가 복잡하게 얽혀 그물 모양을 나타낸 것을 먹이그물이라고 한다. 먹이사슬에서 각 영양 단계의 개체 수, 생체량, 에너지를 하위 영양 단계에서부터 상위 영양 단계로 쌓아 올린 것을 생태 피라미드라고 한다. 일반적으로 상위 영양 단계로 갈수록 개체 수, 생체량, 에너지는 감소한다.

물론 모든 값이 상위 영양 단계로 가면서 감소하는 건 아니다. 일반적으로 개체의 크기, 에너지 효율, 체중 등은 상위 영양 단계로 갈수록 증가하는 역 피라미드 모양을 이룬다. 에너지 효율은 하위 영양 단계에서 상위 영양 단계로 넘어갈 때 이동하는 에너지의 비율을 말하는데, 식으로 나타내면 다음과 같다.

생태계를 구성하는 생물의 종류와 수가 급격하게 변하지 않고 안정된 상태를 유지하는 현상을 생태계 평형이라고 한다. 생태계의 어느 한 영양 단계의 개체 수가 일시적으로 증가하거나 감소하더라도 시간이 지나면 먹이사슬에 의해 다시 평형을 유지하게 된다. 이때 먹이그물이 복잡한 생태계일수록 생태계는 안정적으로 평형을 유지할 수 있다. 먹이사슬에 의해 생태계의 평형이 유지되는 과정은 다음과 같다.

최근 우리 주변의 환경은 다양한 요인으로부터 위협받고 있다. 산사태, 산불, 홍수, 화산 활동, 지진, 해일 등 자연재해로 생태계가 위협을 받기도 하고, 외래종이 유입되고 먹이사슬이 바뀌어 생태계 평형이 파괴되기도 한다. 특히, 인위적인 자연 개발과 인간의 무분별한 활동은 서식지를 파괴하고 환경을 오염시켜 생태계 평형을 깨뜨렸다. 지금부터 인간의 활동에 의해 나타나는 지구 환경의 변화를 알아보자.

지구 환경 변화와 인간 생활 

기후란 오랜 세월 나타난 한 장소의 평균적인 기상 상태로, 인간 생활과 동식물의 분포에 큰 영향을 미친다. 기후는 여러 해 동안의 평균적인 기상 상태이므로 일상에서 변화를 느끼기는 쉽지 않다. 하지만 점점 높아지는 겨울철 평균 기온, 짧아지는 봄과 가을 등으로 기후가 변화하고 있음을 알 수 있다. 세계적으로는 산불과 홍수의 발생 빈도가 늘어난 만큼 현재 우리나라에 나타나는 기후변화가 세계적으로 나타나고 있다는 것도 알 수 있다. 

아래 그래프는 1850~2008년 우리나라와 지구 전체의 평균 기온 편차, 그리고 같은 기간 온실가스인 이산화탄소와 메테인(메탄)의 대기 중 농도 변화를 나타낸다. 그래프에서 볼 수 있듯 우리나라의 평균기온은 지구의 평균기온 증가량에 비해 더 큰 폭으로 상승했다.

이렇게 지구의 평균 기온이 높아지는 현상을 지구온난화라고 한다. 지구온난화는 19세기부터 계속됐으며, 최근 들어 기온 상승 폭이 점점 커지는 추세다. 지구온난화의 원인은 화석 연료와 관련돼있다. 1800년대부터 산업화가 진행되면서 화석 연료 사용량이 증가했다. 그 결과 이산화탄소와 메테인을 포함한 온실 기체의 농도가 크게 증가했고, 온난화 현상이 나타났다. 그리고 최근 온실 기체 농도의 상승폭도 급격하게 증가하고 있다. 

지구온난화로 녹은 빙하는 해수로 유입된다. 아울러 온난화로 수온이 상승하면 해수가 열팽창을 일으켜 해수면이 상승한다. 이는 기후대 변화에 따른 생태계 변화, 식량 생산량 감소, 질병 증가 등으로 이어진다. 태풍, 홍수, 가뭄과 같은 기상 이변의 발생 횟수와 강도를 증가시키기도 한다.

‘엘니뇨ʼ란 스페인어로 남자아이 혹은 아기 예수를 뜻하며, 적도 동태평양의 해수가 평년보다 0.5도 이상 높은 상태가 5개월 이상 지속되는 현상을 말한다. 평상시 태평양 적도 부근 해역은 무역풍에 의해 따뜻한 해수(적도 해류)가 서쪽으로 이동하기 때문에 동태평양 해역에서는 찬 해수가 용승해 표층 수온이 낮다. 

하지만 태평양 적도 부근 해역에서 부는 무역풍이 약해지면 동태평양 해역에서 용승 작용이 약해지고 태평양 중앙부에서 동태평양에 이르는 해역의 표층 수온이 높아지는 엘니뇨가 발생한다. 그 결과 인도네시아 연안에는 내려야 할 비가 내리지 않아 가뭄이 발생하고, 페루 연안에서는 홍수가 발생한다. 

‘라니냐ʼ는 스페인어로 여자아이를 뜻하며, 엘니뇨와는 반대로 적도 동태평양 해수면의 온도가 평년보다 0.5도 이상 낮은 상태가 5개월 이상 지속되는 현상을 말한다. 무역풍이 강화되면서 평상시 차가운 동태평양 해역의 온도가 더욱 낮아진다. 라니냐는 동태평양 지역에 극심한 가뭄과 잦은 한파를 가져오며, 인도네시아를 비롯한 서태평양 지역에는 폭우가 발생한다.

위도 30도 부근에는 대기 대순환의 하강 기류로 고기압이 형성된다. 맑고 건조한 날씨가 지속되고 건조한 기후의 사막이 분포한다. 그런데 최근 사막 주변의 초원 지대에도 사막화가 나타났다. 사막화란 토양의 생산력이 저하돼 사막으로 변해가는 현상으로, 아프리카 사하라 사막 남쪽의 사헬 지역에서 주로 나타난다. 

사막화의 직접적인 원인은 강수량의 감소다. 그러나 인간에 의한 과잉 경작이나 과잉 방목, 지나친 삼림 벌채 등도 사막화를 촉진한다. 사막화가 진행되면 식수와 식량이 부족해지고, 황사 발생 빈도가 늘어나는 등 인간에게 피해를 입힌다. 그리고 사막화로 늘어난 사막 지역은 지표면의 반사율을 높여 지표가 흡수하는 태양 복사에너지의 양을 감소시킨다. 

지구온난화는 한 나라만의 문제가 아니라 전 지구적인 문제다. 그러므로 기후변화에 대처하기 위해서는 국제적인 노력이 필요하다. 2015년에는 세계 196개 회원국이 모인 제 21차 유엔기후변화협약 당사국 총회가 열렸고, 지구온난화를 줄이기 위해 자발적 온실 가스 감축 목표를 정한 신(新)기후체제를 마련했다. 

에너지 전환과 효율적 이용

에너지란 일을 할 수 있는 능력으로, 단위는 줄(J)이다. 물체가 일을 하면 에너지가 감소하며, 일을 받으면 에너지가 증가한다. 다음은 다양한 에너지의 종류다.

이처럼 에너지는 다양한 형태로 존재할 수 있다. 또한 한 가지 형태로만 머물러 있지 않고 다른 형태로 바뀌는데, 이를 에너지 전환이라고 한다. 아래 그림은 다양한 형태로의 에너지 전환을 나타낸다.
 

에너지 전환은 우리 주변에서 자주 일어난다. 우리는 충전기를 써서 전기에너지를 화학에너지로 전환해 휴대전화의 배터리에 저장하고, 그 에너지로 휴대전화를 사용한다. 또한 세포호흡을 하면서 체내의 포도당이 가진 화학에너지를 근육운동과 같은 역학적 에너지로 전환한다. 에너지를 전환하는 과정에서 에너지의 총량은 항상 일정하게 보존되는데, 이를 에너지 보존 법칙이라고 한다. 
열에너지를 공급받아 역학적인 일로 전환하는 장치를 열기관이라고 한다. 18세기 산업혁명을 주도했던 증기기관을 비롯해 디젤기관과 가솔린기관이 모두 열기관에 속한다. 주로 화석 연료를 연소시켜 얻은 열에너지를 일로 바꾸는 열기관은 공급된 열에너지의 일부를 일을 하는 데 쓰고 나머지는 외부로 방출한다.

이때 에너지 보존 법칙에 따라 열기관에 공급된 열에너지는 열기관이 외부에 한 일의 양과 외부로 방출돼 버려지는 열에너지의 합과 같다. 이때 열기관에 공급된 에너지 중 열기관이 외부에 한 일의 비율을 열효율이라고 한다.

휘발유를 쓰는 자동차의 열효율은 20% 정도다. 열기관에는 항상 버려지는 열에너지가 존재하기 때문이다. 즉, 열기관은 공급된 열에너지를 모두 일로 바꾸지 못하며, 열효율은 100%가 될 수 없다. 최근에는 다양한 분야에서 에너지 효율을 개선하기 위해 노력하고 있다.

하이브리드 자동차는 내연 기관, 전기 모터, 배터리를 함께 사용하며, 감속하거나 정지할 때 운동에너지를 전기에너지로 전환해 에너지 효율을 높인다. 출발할 때는 전동기로 시동을 걸어 연료를 절약하며, 가속할 때나 오르막에서는 전동기가 엔진을 보조하며 연료 소모를 줄인다. 감속할 때나 내리막에서는 연료 공급을 중단하고, 자동차의 운동에너지는 전기에너지로 전환돼 배터리에 저장된다.

화석 연료를 전혀 쓰지 않는 에너지 자립형 주택을 에너지 ‘제로 하우스’라고 한다. 자연의 에너지를 이용해 자체적으로 난방과 발전을 하고, 단열 성능을 높이거나 건물의 구조를 개선해 에너지 이용 효율을 극대화한다. 탄소 배출량을 0으로 만드는 것이 에너지 제로 하우스의 궁극적인 목표다.

생물은 환경과 어울려야 살아갈 수 있다. 생물에는 당연히 우리 인간도 포함된다. 한동안 인류는 과학기술을 발전시켜 환경 파괴를 극복하고, 나아가 자연을 지배할 수 있다고 여겼다.

하지만 현재 우리 주변에서 일어나는 여러 현상은 자연이 지배의 대상이 아닌 조화의 대상임을 말해준다. 에너지 효율 개선을 위한 탄소 포인트 제도, 친환경 자동차 구매 지원 제도와 같은 정책도 자연과 조화를 이루기 위한 노력 중 하나다. 독자 여러분도 자원을 재활용하고, 수도와 전기를 절약하고, 대중교통을 이용하는 등 환경과 조화를 이루기 위한 작은 일부터 실천해보길 바란다.