이러한 변화를 일으키게 하는 환경요인은 무엇인가? 해석 : (온도 변화. 생물의 생활에 온도가 크게 영향을 주는 것은 생명 활동에 필요한 모든 물질 대사를 조절하고 있는 효소의 활성이 온도 변화에 아주 민감하게 반응하기 때문이다.)
녹말량과 당분량의 변화가 반비례하는 이유는 무엇인가? 해석 : (온도가 높은 곳에서는 pH가 낮아져 녹말량이 많아지고, 온도가 낮으면 pH가 높아져 당분량이 많아지므로 서로 반비례 관계이다.)
※탐구활동 : 공기
여름에 호수의 깊은 곳에서는 왜 붕어가 안 잡힐까?
[준비물]
개구리 또는 물고기, 핀, 고무줄, 스포이트, 받침판, 샬레, 헝겊, 현미경
[자료해석]
<그림> 수심에 따라 왜 용존산소량이 다를까?
수온(℃)
포화 산소량(㎎/L)
5
12.37
10
10.92
15
9.70
20
8.84
25
8.14
30
7.53
<표>수온에 따른 물의 포화 산소량
다음 글은 호수의 용존 산소에 대하여 설명한 것이다. 그림 및 표를 참고로 하여 용존 산소량이 계절과 수심에 따라 어떻게 달라지는지 탐구하여 보자.
용존 산소는 호수의 수면에서 공기 중의 산소가 용해되어 들어가거나, 물속의 식물 플랑크톤이 광합성한 결과 배출한 것이다.
수온이 높아지면 물 속의 산소 용해도가 낮아지므로 용존산소량은 감소한다.수중 생물이 호흡할 때, 또 호기성 미생물이 유기물을 분해할 때도 물 속의 산소는 감소된다.
그림은 우리 나라의 어느 호수에서의 계절별 수심에 따른 용존 산소량을 그래프로 나타낸 것이다.
[고찰]
수심이 얕을수록 용존 산소가 많은 이유는 무엇일까? 해석 : (공기 중의 산소가 용해되고, 수중 식물과 식물 플랑크톤이 광합성을 하기쉽도록 수심이 얕은 곳에 많이 서식하기 때문이다.)
7월과 10월에는 10m이하의 수심에서는 산소가 거의 없으나, 겨울철에는 그렇지 않은 이유는 무엇일까? 해석 : (여름철에 깊은 곳에서의 산소 부족은 생물적 요인과 관계가 깊다.)
1월에 수심에 따른 산소의 양이 거의 일정한 이유는 무엇일까? 해석 : (깊이에 따른 온도가 일정하기 때문이다.)
여름에 5m이상 되는 수심에서 낚시를 했더니 붕어가 잡히지 않았다. 그 이유는 무엇일까? 해석 : (여름에 5m이상 되는 곳의 용존산소량은 무척 낮기 때문이다.)
여름에 태풍이 불면 용존 산소량 곡선은 어떻게 변할까? 해석 : (태풍이 불면 저층수와 상층수가 뒤섞일 것이다.)
여름에 수심이 얕은 호수나 강에서 물고기의 떼죽음이 일어나는 이유는 무엇일까? 단, 산소량 이외의 조건은 생각하지 않는다. 해석 : (여름에 수온이 높아지면 물 속의 산소 용해도는 낮아지므로 용존산소량은 감소하게 되고, 수중 생물이나, 호기성 미생물의 활동으로 산소가 소모되기 때문이다. )
물고기의 떼죽음은 주로 밤에 나타날까,낮에 나타날까? 해석 : (낮에는 식물이 광합성을 하여 산소를 방출하지만 밤에는 오히려 호흡을 위해 산소를 소비한다. 따라서 밤에 주로 나타날 것이다. )
생물적 요소 : 같은 종 또는 다른 종의 생물.
2.작용과 반작용 : 환경 요소가 생물의 생활에 영향을 미치는 것을 작용,
생물의 생활에 의해 환경이 변하는 것을 반작용이라고 한다.
또한 생물과 생물이 서로 영향을 주고 받는 것을 상호 작용이라고 한다.
(2) 빛과 생물
보상점과 광포화점
보상점 : 광합성량과 호흡량이 같아서 CO₂의 출입이 없을 때의 빛의세기
광포화점 : 광합성량이 더 이상 증가 하지 않는 최소한의 빛의 세기
양지 식물은 음지 식물에 비하여 보상점과 광포화점이 높고, 동화 조직이 발달되어 있다.
2. 보상점과 광포화점
식물은 일조 시간에 따라 개화 시기가 달라지는데, 장일 식물은 일조 시간이 길어지는 봄에 꽃이 피고 단일 식물은 일조 시간이 짧아지는 가을에 꽃이 핀다.
※탐구활동 : 일조 시간이 개화에 주는 영향
[자료해석]
그림은 명기와 암기를 조절하여 보리와 국화의 개화가 빛에 의해 어떤 영향을 받는지를 알아 본 것이다.
명기를 16시간, 암기를 8시간으로 처리하였더니 보리는 개화, 국화는 개화되지 않았다.
명기를 8시간, 암기를 16시간으로 처리하였더니, 국화는 개화, 보리는 개화되지 않았다.
실험 2와 같이 처리하되,암기 중 8시간이 될 때 1분간 빛을 비추었더니, 보리는 개화되고, 국화는 개화되지 않았다.
[고찰]
위 실험으로 볼 때 보리는 어떤 빛에 의해 개화가 된다고 볼 수 있는가? 해석 : (장일 처리)
위의 결과로 볼 때 국화를 봄에 꽃 피우려면 어떻게 하면 되는가? 해석 : (단일 처리 )
실험 3에서 암기의 중간에 빛을 비추었을 때,보리는 꽃이 피었지만, 국화는 꽃이 피지 않은 이유를 어떻게 추리할 수 있을까? 해석 : (암기 동안 중간에 빛을 비추면 앞에 비춘 빛의 효과는 상실된다고 볼 수 있다. 따라서 국화는 계속된 암기가 일정 시간 있어야 꽃이 핀다는 것을 알 수 있다. )
일조 시간은 동물의 생식 활동에 영향을 준다. 예) 조류 : 일조 시간의 변화 -> 뇌 -> 뇌하수체 전엽 -> 생식선 자극 호르몬 분비 -> 성호르몬 분비 -> 생식 활동(산란)
3. 빛의 파장과 해조류의 분포
바다의 깊은 곳에는 파장이 짧은 청색광을 이용하여 광합성을 하는 홍조류가 분포하고, 얕은 곳일수록 긴 파장의 빛을 이용하는 녹조류나 갈조류가 분포한다. 해조류는 자신이 가지고 있는 색소와 보색 관계에 있는 파장의 빛을 잘 흡수한다.
(3) 온도와 생물
동물의 동면, 식물의 단풍과 낙엽 등은 저온에 대한 적응 현상이다.
생태형 - 서식지의 온도에 적응하여 다른 형태를 나타낸 것이다.
베르크만의 법칙 : 추운 지방에 사는 동물일수록 몸통이 크다.
알렌의 법칙 : 추운 지방에 사는 동물일수록 귀나 코와 같은 몸의 말단부가 작다.
계절형
호랑나비의 여름형은 봄형에 비하여 몸통이 크고 체색이 진하다.
물벼룩은 계절에 따라 체형을 변화시켜 몸의 비중을 조절한다.
춘화 처리 - 종자를 저온(0 ~ 5℃ 정도)처리하면 개화, 결실이 촉진된다.
*베르크만의 법칙
*알렌의 법칙
2. 환경에 대한 적응
(1) 적 응
서식처의 환경에 알맞도록 몸의 구조나 기능을 변화시키는 현상이다.
오랜 세월을 통해 적응된 형질은 다음 대로 유전된다.
순응 : 짧은 기간 동안의 환경 변화에 적응하기 위하여 몸의 구조나 기능을 변화시키는 현상을 순응이라고 하며, 이 형질은 유전되지 않는다.
(2) 생활형
환경에 적응하여 변화된 생물의 형태를 생활형이라고 한다.
※ 탐구활동 : 생활의 분류
여우의 온도 적응
[자료해석]
그림은 지역에 따른 여우의 모양을 나타낸 것이다.
[고찰]
지역에 따른 여우의 모양, 서식지의 기후와 얼굴의 모양, 귀의 크기를 비교해 보자. 해석 : (추운 지방에 사는 여우일수록 얼굴이 크며 귀가 작다.)
비교적 추운 지방에 사는 여우는 어떤 특징을 가지고 있는가? 그 이유는 무엇인가? 해석 : ( 몸의 말단부를 작게 하여 열 손실을 방지한다.)
2. 라운키에르의 생활형 : 겨울눈의 위치에 따라 다음 <표>과 같이 식물의 생활형을 분류하였다.
생활형
지상 식물
지표 식물
반지중 식물
지중 식물
수생 식물
1년생 식물
겨울눈의 위치
지표 30㎝ 이상
지표 30㎝ 이내
지표에 접함
지중
수중
종자로 겨울을 보냄
종류
참나무
벚나무
토끼풀
국화
민들레
질경이
산나리
튤립
검정말
마름
나팔꽃
해바라기
3. 물질 순환
(1) 물질 생산
총생산량 : 녹색 식물이 일정 기간 동안 광합성을 통해 생산한 유기물 총량
순생산량 : 총생산량 중 식물의 호흡에 의해 소비되고 남은 양
순생산량 = 총생산량 - 호흡량
생장량
식물의 순생산량 중에서 말라 죽거나 낙엽 등으로 소실되는 고사량과 초식 동물에게 먹히는 피식량을 제외한 양
생장량 = 순생산량 - (고사량 + 피식량)
현존량(생물량) 일정한 면적 내에 존재하는 생물체의 총량
* 식물 군집에서의 총생산량은 초원 > 삼림 > 해양으로, 현존량은 삼림 > 초원 > 수직적으로 나타낸 그림을 생산 구조도라고 하며, 광엽형과 협엽형이 있다.
광엽형 - 동화 기관인 잎과 비동화 기관인 줄기, 뿌리의 양을 수직적으로 나타낸 그림을 생산 구조도라고 하며, 광엽형과 협엽형이 있다.
예) 명아주, 쑥
협엽형 - 동화 기관이 줄기의 하층부에 많이 분포한다.
예) 억새, 보리
*광엽형
* 협엽형
(2) 물질 순환
물질의 순환 경로
생태계에서 생물체에 필요한 여러 가지 물질들은 생물과 비생물적 환경 사이를 끊임없이 순환한다.
탄소 순환
공기나 물 속에 있는 CO₂ 는 생산자의 광합성을 통해 유기물로 동화되어 생물체의 구성 성분이 되며, 호흡과 미생물의 분해 작용을 받아 다시 공기나 물 속으로 되돌아간다.
3. 질소 순환
대기 중의 N₂ 와 토양이나 물 속에 있는 NH₄+, NO₃- 등은 질소 고정이나 질화 작용을 거쳐 식물체에 흡수되고, 질소 동화 작용에 의해 아미노산과 단백질 등이 되어 생물체의 구성 성분이 된다. 생물체의 사체나 배설물은 미생물의 분해 작용을 받아 대기나 토양 및 물 속으로 되돌아간다.
* 질소 고정 생물 - 공기 중에 있는 유리 질소(N₂)를 식물이 흡수할 수 있는 형태로 고정할 수 있는 생물을 말하며 뿌리혹박테리아, 아조토박터, 클로스트리듐과 같은 세균류와 남조류 등이 있다.
4. 에너지 흐름
(1) 에너지 흐름
에너지의 근원 - 생태계로 유입되는 에너지의 근원은 태양의 빛에너지이다.
태양의 빛에너지는 생산자인 녹색 식물의 광합성에 의해 화학 에너지로 고정된 다음 먹이 연쇄를 따라 이동한다.
한 영양 단계에서 다음 영양 단계로 이동될 때, 에너지의 일부는 각 영양 단계에 있는 생물이 이용하고 나머지는 열로 전환되어 소실된다. 이와 같이 생태계에서 에너지는 순환되지 않고 한쪽 방향으로만 흐른다.
(2) 영양 단계와 생태 피라미드
영양 단계 - 먹이 연쇄에서 생산자, 1차 소비자, 2차 소비자, ...등으로 물질과 에너지가 옮겨 가는 각 단계를 영양 단계라고 한다.
생태 피라미드 - 어느 생물 군집에서 영양 단계별로 생물의 개체수, 생물량, 에너지량을 조사하여 쌓아 가면 피라미드 모양이 되는데, 이를 생태 피라미드라고 한다.
개체수 피라미드 - 영양 단계가 올라갈수록 개체수는 감소하지만 한 개체의 크기는 점점 커지는 경향이 있다.
생물량 피라미드 - 생물의 총 건조 중량을 영양 단계별로 나타낸 것이다.
에너지 피라미드 - 각 영양 단계가 보유하고 있는 총에너지량을 영양 단계별로 나타낸 것이며, 영양 단계가 올라갈수록 유동 에너지량은 감소한다.
* 역피라미드 - 소나무에 많은 수의 송충이가 붙어 사는 기생 연쇄에서 개체수 피라미드를 나타내면, 생산자인 소나무가 적고 소비자인 송충이가 많기 때문에 거꾸로 된 피라미드 형태가 된다.
(3) 에너지 효율
생태계에서 각 영양 단계가 보유하고 있는 에너지의 일부는 자체의 생활 에너지로 소비되고 나머지는 다음 영양 단계로 이동하게 된다. 이 때 전 영양 단계의 에너지량(E1)에 대한 어떤 영양 단계의 에너지량(E2)의 비율을 에너지 효율이라고 한다.
에너지 효율(%) = {E2(어떤 영양 단계의 에너지량)/E1(이전 영양 단계의 에너지량)} X 100
에너지 효율은 영양 단계가 올라갈수록 그 값이 커진다.
* 영양 단계별 에너지 효율 - 태양에서 지구에 도달한 에너지량의 약 1% 정도만 생산자의 광합성에 의해 화학 에너지로 전환된다. 또, 소비자 단계에서는 영양 단계로 들어온 에너지의 약 80~90% 정도는 호흡에 소비되거나 열의 형태로 버려지며 나머지 약 10~20% 정도의 에너지만이 다음 영양 단계로 넘어간다. 따라서 소비자의 먹이 연쇄가 길어지면 최종 소비자가 이용할 수 있는 에너지량이 매우 적어지기 때문에 대부분의 먹이 연쇄는 3~5단계 정도로 이루어져 있다.
※탐구활동 : 에너지 효율
영양 단계에 따라 전달되는 에너지는 얼마나 될까?
[자료해석]
식물은 총생산량 중에서 약90%를 식물 자신의 대사를 위한 호흡 에너지로 소비하거나 낙엽 등의 고사체로 된다.
1차 소비자가 식물체를 먹고 만드는 유기물량은 식물의 약 10%이다. 또 영양 단계가 진행됨에 따라 다음 영양 단계의 에너지량은 그 앞 영양단계의 약 10%가 된다. 이 관계를 나타낸 것이 그림이다.
[고찰]
어느 지역의 식물의 총생산량은 10000Kcal이다. 4차 소비자의 몸 속에 들어 있는 에너지량은 대략 얼마나 될까? 해석 : (1kcal)
지구상의 동물 총무게는 식물의 총무게의 몇 분의 1이나 될지 추정하여 보자. 해석 : (동물이 모두 1차 소비자라고 가정할 경우 동물의 총무게는 식물의 총무게보다 적을 것이다. )
어느 연못에서 먹이 연쇄가 식물 플랑크톤→동물 풀랑크톤→곤충의 유충→ 송사리→메기와 같이 형성되어 있다. 이 연못에서 메기가 100kg생산되었는데,송사리를 모두 제거하면 메기는 곤총의 유충을 먹고 살아야 한다. 이 경우 메기는 얼마나 생산될 수 있을까? 해석 : (문제를 풀기 전에 본문을 먼저 읽어 보자. )
5. 생태계의 구조
(1) 생물적 구성 요소
생물적 구성 요소
생산자 : 무기물로부터 유기물을 합성하는 독립 영양 생물
소비자 : 생산자가 합성한 유기물을 먹이로 섭취하여 이용하는 생물
분해자 : 동·식물의 사체와 배설물 등의 유기물을 무기물로 분해하는 미생물
비생물적 구성 요소 - 생물이 살고 있는 생활 환경과 물질 대사의 원료 및 원동력이 되는 빛, 온도, 수분, 토양, 공기, 산소 등의 무기 환경이다.
먹이 연쇄와 먹이 그물 - 생태계에서 생물 상호간에 먹고 먹히는 관계를 먹이 연쇄라 하고, 여러 개의 먹이 연쇄가 복잡하게 그물 모양으로 얽히는 관계를 먹이 그물이라고 한다.
* 포식자와 피식자 - 생물 A가 생물 B를 잡아먹는 경우 A를 포식자, B를 피식자라고 하며, A를 B의 천적이라고 한다.
(2) 생태계의 평형
생태계의 평형은 생태계를 구성하는 요소들의 상호 관계가 일정하게 유지되는 상태이며, 먹이 연쇄가 원만하게 유지됨으로써 평형이 이루어진다.
생태계 평형의 파괴 - 귀화 생물이 침입하게 되면 그 생물에 대한 천적이 없어서 그 수가 급격히 증가하고 그 결과 생태계의 평형이 깨진다. 또한 자연적, 인공적인 재해와 대기, 수질, 토양 등의 환경 오염에 의해서도 생태계의 평형이 깨진다.
※탐구활동 : 먹이 연쇄와 생태계 평형
[자료해석]
그림은 3개의 영양 단계로 구성되어 있는 어떤 안정된 생태계를 나타낸 것이다.
[고찰]
개체군 (나)의 개체수가 갑자기 증가된 경우에 일시적으로 개체군 (가)와(다)의 크기는 어떻게 변화 되는가? 해석 : (개체군 (가)는 증가하고, (다)는 감소한다.)
개체군 (가)와 (다)의 크기 변화는 개체군 (나)의 크기에 어떤 변화를 가져오게 하는가? 해석 : (개체군 (나)의 크기가 감소한다. )