생지화학적 순환: 탄소, 물, 질소

원자는 재활용되고 에너지는 그렇지 않다

생태학에서 가장 깊이 있는 원리 중 하나: 에너지는 한 방향으로만 흐르지만(태양 → 생산자 → 소비자 → 열), 물질은 순환합니다. 지금 여러분 몸속의 탄소 원자는 10억 년 전에 공룡이나 양치식물, 혹은 대기 중에 있었을 수도 있습니다.

CBE는 세 가지 순환에 집중합니다. 각 순환은 같은 구조를 가지고 있습니다: 원소가 머무는 저장소와 저장소 사이를 이동시키는 과정입니다.

탄소 순환

탄소는 모든 유기 분자의 골격입니다. 크게 네 가지 저장소 사이를 이동합니다:

• 대기 — CO₂ 형태로 존재합니다.
• 동식물 — 포도당, 단백질, 지방, DNA에 포함되어 있습니다.
• 토양과 분해자 — 분해 중인 죽은 물질에 포함되어 있습니다.
• 화석 연료와 해양 — 장기 저장소입니다.

물 순환

물 순환에는 반드시 알아야 하는 네 가지 주요 과정이 있습니다:

• 증발 — 액체 상태의 물이 수증기가 됩니다(주로 바다와 호수에서).
• 증산 작용 — 잎의 기공을 통해 식물이 수증기를 내보냅니다.
• 응결 — 수증기가 식으면서 구름을 형성합니다.
• 강수 — 비, 눈, 진눈깨비가 지표로 다시 내려옵니다.

전체 순환: 바다 → 증발 → 구름 → 강수 → 강 → 바다.

질소 순환

대기의 78%가 질소 기체(N₂)이지만, 식물과 동물은 이를 직접 이용할 수 없습니다. 세균이 모든 번거로운 일을 대신 해 줍니다.

• 질소 고정 — 세균이 대기의 N₂를 이용 가능한 암모니아(NH₃)나 질산염(NO₃−)으로 바꿉니다. 대부분의 질소 고정 세균은 콩과 식물(완두, 콩, 클로버)의 뿌리혹에 삽니다.
• 질산화 작용 — 토양 세균이 암모니아를 아질산염, 다시 질산염으로 바꿉니다.
• 동화 — 식물이 토양의 질산염을 흡수하여 단백질과 DNA를 만드는 데 사용합니다.
• 분해(암모니아화) — 분해자가 죽은 유기물을 분해하여 암모니아로 되돌립니다.
• 탈질(Denitrification) — 토양 세균이 질산염을 다시 대기의 N₂로 되돌립니다. 순환의 고리를 닫습니다.

보너스: 질소 순환 속 상리공생

콩과 식물(완두, 콩, 클로버)은 특별한 뿌리혹 안에 질소 고정 세균을 품고 있습니다. 세균은 식물로부터 당분을 얻고, 식물은 이용 가능한 질소를 얻습니다. 전형적인 상리공생(mutualism)입니다.

스스로 점검하기

CBE 스타일 연습 문제로 연습하기

• 탄소 순환: 대기의 탄소를 식물로 이동시키는 과정은?
• 질소 순환에서 탈질 작용은:
• 물 순환에서 증산 작용은:
• 벌과 꽃 사이의 관계는 어떤 유형입니까?