생태계에서 열역학의 제1법칙과 제2법칙
생태계에서 열역학의 제1법칙과 제2법칙은 잎의 탄소동화로 인한 영양소 형성에 따른 태양에너지의 변화로 잘 설명되어 있습니다. 생태계는 에너지를 높은 곳에서 낮은 곳으로 전환함으로써 적절하게 유지되고 낮은 엔트로피 상태를 유지합니다. 위의 물리법칙을 생태계에 도입한 학자는 물리생물학의 원리라는 책을 낸 로트카(1840~1940)입니다. 그는 분할된 시스템의 자연선택이 에너지의 흐름에도 작용할 필요가 있다고 믿었습니다. 태양에서 공급되는 에너지의 양은 평방미터 당 약 500만 칼로리입니다. 이 에너지는 대기를 통과할수록 급속도로 감소하여 지구 표면에 도달하는 에너지양은 약 100만~200만 kcal/m이며, 이 중 약 50%가 표면의 녹색층으로 흡수되며, 약 1~5%가 광합성을 통해 유기물로 합성됩니다. 상기와 같이 방열로 인해 많은 에너지가 손실되므로 이 과정이 헛된 것은 아닙니다. 이들 에너지는 생태계 생명에 필수적인 에너지로 제공됩니다. 사실 태양 에너지의 4분의 1이 지구의 순환 시스템에서 가장 중요한 물의 순환으로 고갈되고 있다는 사실에 주목하는 사람은 많지 않습니다. 이러한 사실을 자세히 설명하는 이유는 물질 순환을 일으키고 진행하는 것은 에너지의 흐름이기 때문입니다. 생태계 흐름도 에너지의 흐름입니다.
생태계에서의 물질 순환
생태계에서의 물질 순환을 살펴보겠습니다. 물질 순환은 보통 여러 경로를 통해 이동합니다. 태양으로부터의 에너지는 지구의 생태계에 계속 주입되고 있습니다. 그러나 이러한 에너지와는 달리, 생태계에서 생활하기 위해서 필요한 많은 물질(예를 들면, 탄소, 질소, 인, 칼륨)이 항상 대기 외로부터 공급되는 것은 아닙니다. 이들 물질은 생태계가 존재하는 한 지속적으로 순환할 필요가 있습니다. 물리적인 관점에서, 이러한 물질의 유통은, 지역 간의 이동(기권과 허가와 영토권의 사이의 이동)과 같은 지역내의 이동으로 나눌 수 있습니다. 이러한 이행은 화학적 변화도 포함해, 생물학적 사이클과 비생물적 사이클의 조합으로서 나타납니다. 생태계에서는 에너지와 영양소 외에도 많은 물질이 순환하고 있고 지질학적 순환과 일치하는 물질도 있습니다. 그러나 유기물의 성분인 탄소, 질소, 인, 황, 물의 순환이 중요합니다. 이들 물질의 순환 과정은 지질학, 생물학, 또는 생태학에서 자주 다뤄집니다.
먼저 탄소순환과정 예시를 살펴보겠습니다. 대기 중의 이산화탄소는 광합성을 통해 생합성 과정에서 식물에 의해 전분이 됩니다. 식물은 이러한 축적된 영양소를 통해서 다시 성장해, 호흡 과정을 통해서 이산화탄소의 일부를 대기 중에 방출합니다. 이러한 식물은 생태계의 고리로부터 만들어지고 있습니다. 게다가 소비자(여기서는 소)는 식물을 소비해, 탄소순환에 참가합니다. 그들 스스로 이산화탄소를 방출하거나 다른 2차 소비자에게 탄소화합물을 제공합니다. "이들 소비 생물도 유기물을 배출하며, 생존기간에 따라 사망하면 분해자에 의해 이산화탄소나 화석연료(석탄이나 석유)로 전환됩니다." 그 후 연소에 의해 이산화탄소로 인해 대기 중에 방출되게 됩니다. 대기는 바닷물에 직접 접촉하여 자유롭게 이산화탄소의 교환 반응을 일으킵니다.
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