과학_지구 시스템 / 생물 다양성과 진화

지구 시스템

지구계(지구 시스템)

 - 지구를 구성하는 여러 가지 요소들이 하나의 시스템을 이루어 상호 작용하는 것

 - 기권, 수권, 지권, 생물권, 외권으로 이루어짐

 - 각 권은 에너지와 물질을 서로 주고받으면서 상호 작용함

 

태양계

 - 태양과, 태양을 중심으로 공전하는 천체의 집합

 - 8개의 행성과 왜소 행성, 위성(달), 소행성, 혜성, 유성(별똥별)으로 이루어짐

 + 지구는 태양계의 구성원으로서 태양계의 역학적 시스템의 영향을 받으며, 생명 현상이 지속될 수 있도록 적당한 거리를 유지하며 운동하고 있다

 

외권
 - 기권 밖의 공간으로, 지상으로부터 약 1000km 정도 되는 지점에서 시작됨

 - 우주 방사선, 자외선, X선 등의 전자기파가 많이 존재

 + 우주 방사선 - 태양 또는 우주에서 지구로 들어오는 고속 고에너지의 입자 : 태양풍, 은하 우주선 등

 

기권

 - 지구 대기가 분포하는 영역으로 외권으로부터 지구상의 생명체를 보호하는 보호막 역할

 - 높이에 따라 대류권, 성층권, 중간권, 열권의 층상 구조로 이루어짐

 - 유성체나 우주 방사선의 차단, 태양 복사 에너지의 흡수, 지구 복사 에너지의 흡수

 

지권

 - 암석과 토양으로 이루어진 지구 표면과 내부

 - 지각, 맨틀, 외핵, 내핵의 층상 구조를 이룸

 

수권

 - 지구상 생명체의 생명 유지에 기여

 - 바다, 빙하, 지하수, 호수, 하천수가 분포하는 영역

 

생물권

 - 지권, 기권, 수권의 각 영역에 분포하는 모든 생명체를 포함

 

물

 - 생명체를 구성하는 성분 중 가장 많은 양을 차지하는 물질

 - 다른 물질에 비해 비열(쉽게 온도가 변하지 않음)이 커서 생명체가 체온을 거의 일정하게 유지할 수 있도록 함

 - 다른 액체에 비해 기화열이 크다 (끓는점이 높다)

 -> 쉽게 기체로 바뀌지 않아 생명체 안에서 액체 상태로 지속되며 생명 현상 유지에 큰 역할을 함

 - 물이 액체에서 고체로 변할 때 밀도가 더 작아져 호수는 표면부터 얼게 된다 (밀도 : 물 > 얼음 > 수증기)

 -> 수면 아래 생명체가 추위로부터 보호를 받는다

 - 다른 물질을 잘 녹이는 특성

 -> 생물체들이 물을 통해 영양소를 공급받거나 체내의 독성 물질을 배출할 수 있게 함

생물 다양성과 진화

진화

 - 생물이 오랜 세월 동안 여러 세대를 거치면서 변화하는 현상

 - 하나의 조상 종으로부터 새로운 종이 생겨나는 과정 포함

 - 기존의 생물종으로부터 새로운 종이 분화되는 과정을 통해 수많은 생물종이 생김

 - 현재 알려진 생물종은 약 170만 종으로, 이런 생물 다양성은 진화에 의한 결과이다

 

'허버트 스펜서' - 사회 진화론자로 진화라는 말을 처음 사용

'다윈' - 종의 기원이 나온 지 20년 후 자신의 이론을 진화라고 명명

 

진화론 - 현재 지구상에 존재하는 모든 생물은 단일한 조상으로부터 기원한다는 가설

 (증거 - 단백질 구성 AGCT 동일)

오늘날의 진화 : 염색체와 유전자에 돌연변이가 일어난 개체들이 자연선택과 격리 등의 과정을 거쳐 새로운 집단이 형성되는 것

 

후천적으로 획득된 형질은 유전되지 않는다! 

ex. 카렌족, 야구 선수

 

진화에 대한 가설

가설	핵심내용	장단점
라마르크의 용불용설	- 생물에는 환경에 대한 적응력이 있어 자주 사용하는 기관의 발달하고 그렇지 않은 기관은 퇴화한다  - 후천적으로 얻은 획득 형질이 유전을 통해 다음 세대로 전달되어 진화가 일어난다	장점	최초로 진화의원리를 체계적으로 설명하였고, 다윈의 진화설이 등장하는 토대가 됨
		단점	획득 형질은 후천적으로 얻은 형질로, 유전되지 않음
다윈의 자연 선택설	- 환경에 적응하기 유리한 형질을 가진 개체는 그렇지 않은 개체보다 생존율이 높아 더 많은 자손을 남긴다  - 과잉 생산과 개체 변이 -> 생존 경쟁 -> 적자 생존과 자연 선택 -> 유전과 종 분화	장점	진화의 원리를 과학적으로 설명하여 현대 진화론의 토대가 됨
		단점	개체 변이의 원인과 유전이 일어나는 원리를 정확하게 설명하지 못함

 

과잉 생산

 - 생물은 주어진 환경에서 생존할 수 있는 것보다 더 많은 자손을 낳는 경향

 - 포식자에게 잡아 먹히거나 질병 등으로 죽은 것을 고려할 때 집단의 적절한 개체 수를 유지하기 위함

 

변이

 - 어떤 한 생물 종 내의 개체 사이에서 나타나는 형질의 차이

 - 유성 생식을 하는 모든 개체군에서 나타나며, 형태적 차이뿐만 아니라 분자 수준에서만 관찰 수 있는 변이도 존재함

(모든 변이가 반드시 유전되지 않음)

 - 개체 사이 대부분의 유전적 변이는 돌연변이와 부모로부터 물려받는 대립 유전자들의 새로운 조합에 의해 형성

 

생존 경쟁 - 과잉 생산된 개체들 사이에는 제한된 환경 요인을 두고 필연적으로 경쟁이 일어남 (성선택)

적자생존 - 경쟁이 일어나면 환경에 잘 적응한 개체가 살아남고 경쟁에 진 개체는 자연 도태됨 (자연선택)

자연선택 - 적자생존을 통해 살아남은 개체는 번식에 성공하여 자손을 남김

종 분화 - 자연선택 과정이 되풀이되면서 변이가 유전되고, 이 과정이 대를 거듭하는 동안 누적되어 진화가 일어나 종이 다양해짐

 

자연선택설 - 다양한 생물의 출현을 과학적으로 설명하는 이론은 다윈의 자연선택설을 중심으로 한 진화론

 과잉 생산 -> 개체 변이 -> 생존 경쟁 -> 자연선택-> 종의 분화

 

갈라파고스 군도

 - 남아메리카 대륙으로부터 1000km 저도 떨어져 19개의 섬으로 이루어짐

 - 화산 활동 결과 생긴 이 섬에 남아메리카 대륙으로부터 한 종의 핀치가 이주

 - 오랜 시간이 흐른 후, 각 섬에 사는 핀치는 먹이의 종류에 따라 모양과 크기가 각기 다른 부리를 갖게 됨

 

항생제 내성 세균 - 항생제가 사용되는 환경에 적합한 세균이 자연선택된 것

개체 변이

 - 같은 종의 많은 세균 중에 항생제에 내성(변이)을 가진 세균이 일부 존재

생존 경쟁

 - 항생제를 처리하면 항생제에 내성이 없는 세균은 대부분 죽음

 -> 항생제 내성 세균이 생존 경쟁에서 살아남음

자연선택

 - 항생제 내성 세균이 살아남아 자손을 남김

 -> 생존 경쟁에서 살아남은 항생제 내성 세균이 자연 선택됨

 -> 항생제를 처리해도 항생제 내성 세균이 많아져 세균이 죽지 않음

 -> 항생제 내성 세균의 비율 증가

종의 분화

 - 위의 과정이 대를 거듭하는 동안 살아남은 개체의 형질이 축적되어 진화가 일어나 종이 다양해짐

 

유전적 변이

 - 같은 종의 개체들에서 유전자의 차이에 따라 나타나는 형질의 차이

 - 변이는 유성 생식을 하는 모든 개체군에서 나타남

 - 변이는 형태적 차이뿐만 아니라 눈에 띄지 않는 생화학적, 분자 생물학적 변이도 존재

 - 부모의 유전 형질은 자손에게 전달되지만 각 개체 사이에서 나타나는 모든 변이가 반드시 유전되지는 않음

 + 후천적으로 얻은 형질은 유전되지 않음

 - 집단 내 개체의 형질이 다양하면 환경이 변했을 때 바뀐 환경에 적응할 수 있는 개체가 존재할 가능성이 높아짐

 ->  유전적 변이는 집단의 생존 확률도 높아지게 되므로 진화의 필요조건이다

 - 원인에는 유성 생식, 돌연변이 등이 있다

 -> 유성 생식을 하는 생물에서 생식 세포 분열과 수정 과정에서 염색체의 행동에 의해 변이가 일어남

 

돌연변이

 - DNA의 유전자가 변화하여 일어나는 변이
 (방사선)

 - 돌연변이는 일반적으로 생존에 불리하게 작용하나, 환경에 따라 생존에 유리하게 작용하여 자연 선택되기도 함

 -> 낫 모양 적혈구는 말라리아에 내성을 가지기 때문에 말라리아가 많이 발생하는 중앙아프리카 지역에서는 다른 지역보다 더 많이 나타남(자연선택)

 - 돌연변이는 유전자의 많은 부분에도 일어날 수 있으며, 단 하나의 염기쌍이 변화하여 유발될 수 있음

 

생물 다양성

 - 생물학적 다양성의 줄임말로, 생명체의 다양성과 생명체가 살아가는 환경의 다양성을 총칭하는 용어

 - 생태계 수준의 다양성, 생물종 수준의 다양성, 유전자 수준의 다양성으로 구분됨

 - 생태계란 특정 지역에 살고 있는 생물과 그 생물이 살고 있는 주변 환경을 모두 뜻함

 - 생물은 환경에 영향을 받으며 살아가므로, 특정 생태계에서 서식하는 생물의 종은 서로 다름

 -> 지구에는 해양, 열대 우림, 초원, 사막, 갯벌, 농경지 등 다양한 생태계 존재

 

종 다양성

 - 한 생태계에 얼마나 많은 종이 고르게 분포하여 살고 있는가를 나타낸 것

 - 많은 종의 생물이 균등하게 분포하여 종 다양성이 높을수록 생태계가 안정적으로 유지됨

 

종 - 생물을 분류하는 기본 단위로, 생김새와 생활 방식이 비슷하고, 자연 상태에서 자유롭게 교배하여 생식 능력이 있는 자손을 낳을 수 있는 무리

 

유전적 다양성

 - 같은 종이라도 서로 다른 유전자를 가지고 있어 다양한 형질이 나타나는 것

 - 한 가지 형질에도 다양한 유전자가 존재하기 때문

 - 유전적 다양성이 높으면 환경 변화에 노출되었을 때 한꺼번에 멸종할 확률이 낮아짐

 - 풍부할수록 급격한 환경 변화나 전염병에도 살아남아 쉽게 멸종되지 않으며 새로운 종으로서의 진화도 가능

 ex. 생산성과 경제성만 고려하여 단일 품종의 바나나만 재배하면 전염병 등으로 종 전체가 멸종할 수 있음

 

생물종 다양성

 - 생태계의 평형 유지에 필수적인 역할

 - 생물종이 단순하면 먹이 그물이 단순해져 한 종이 사라질 경우 대체할 수 있는 종이 적어서 생태계 평형이 쉽게 깨어짐

 - 먹이 그물이 복잡하고 다양하면 대체할 수 있는 생물종이 있어서 생태계 평형이 안정적으로 유지됨

 - 생태계가 다양하여 생물의 서식지가 다양할수록 생물종 다양성이 높아짐

 - 다양한 생태계는 그 자체로서 공기, 물, 토양 등을 보호하고 지구 환경을 안정되게 유지함

 ex. 비버가 강가에 나무로 집을 만들면 습지가 형성되어 다양한 새와 물고기가 모여들고 생물 다양성이 증가하여 새로운 생태계가 만들어짐

 

열대 우림 - 공기 중의 이산화 탄소와 산소의 균형을 유지하고 비가 많이 내릴 때는 식물 뿌리에 물을 흡수해 홍수를 막음

늪, 호수, 갯벌 - 육지에서 유입되는 오염 물질을 분해하여 생물들의 서식지를 정화

해양 생태계 - 물고기의 산란장과 서식지

 

생물 다양성 감소 원인

 - 서식지 파괴 및 단편화, 외래종, 포획 및 남획, 토양과 수질 및 대기 오염, 지구 온난화 등

 

- 가장 큰 원인 : 서식지 파괴와 단편화

 -> 개발과 환경 파괴로 생물이 먹이를 먹고 활동을 할 수 있는 공간이 줄어듦

 -> 서식지 면적이 줄어들면 생물다양성이 급격히 감소함

 -> 도로나 댐 등의 건설로 서식지가 분리되면 생물이 다른 곳으로 이동하는 것이 어려워짐

 -> 생물이 도로나 철로를 건너는 도중에 자동차나 기차에 치여 죽는 경우도 발생

 

 - 외래종 : 원래 살고 있던 서식지가 아닌 다른 지역으로 이동한 생물

 -> 블루길 : 북아메리카에서 들여온 외래종으로, 고유종의 어린 물고기와 알 등을 닥치는 대로 잡아먹음 (천적 x)

 -> 가시박 : 주변 식물의 표면이나 가지에 덩굴을 뻗어서 광합성을 방해

 - 대부분의 외래종은 새로운 서식지가 적합하지 않기 때문에 그 지역에 정착하기 어렵지만 일부 종은 새로운 서식지에 천적이나 질병이 없어 대량으로 번성하여 더 이상 고유종이 살 수 없도록 서식지를 변화시켜 생물 다양성을 감소시킴

 

 - 무분별한 포획과 남획은 생태계에서 생물 간의 상호 작용과 먹이 사슬에 영향을 주어 생물 다양성을 감소시킴

 - 남획 : 특정 종을 원래의 상태로 되돌아갈 수 있는 능력 이상으로 과도하게 사냥하거나 밀렵하는 것

 -> 코끼리 상아 밀매 / 참치 남획

 

생물다양성 보전

 - 서식지 보전 : 한 종의 특정 서식지에 초점을 맞추기보다는 군집에 초점을 맞추는 것이 효과적임

 - 단편화된 서식지 연결 : 인공적인 이동 통로인 생태 통로를 만들어 로드킬을 방지

 - 야생 동물의 불법 포획과 남획을 금지하고 외래종을 유입할 때 생태계에 미칠 영향을 검증해야 함

 - 멸종 위기에 처한 동식물을 멸종 위기 야생 생물로 지정하여 보호

 - 보호 구역 지정 : 생태 가치가 높은 장소를 국립공원으로 지정

 -> 보호 구역 지정을 통해 관리자가 인간 활동에 의한 산불, 해충, 파괴적인 영향 등을 효과적으로 통제 가능

 - 국제 사회에서도 국제 협정을 맺고 국가 간의 협력을 위한 틀을 제공

 - 종자 은행 : 여러 작물의 종자를 장기간 저장하여 각 품종이 가진 유용한 유전자를 보전

 

아일랜드 대기근 (유전적 다양성이 빈약한 생물종이 환경 변화에 쉽게 영향을 받은 사례)

 - 아일랜드에서 특정 곰팡이에 저항력이 약한 단일 품종의 감자만 재배한 결과

 -> 아일랜드가 영국의 지배를 받았을 때 영국이 아일랜드 토지를 수탈하고 수확한 곡물 모두 거두어가서 아일랜드 사람들은 저렴하고 키위기 쉬운 농작물인 감자를 재배하여 주식으로 삼음

 -> 1845년 갑자기 아일랜드에 감자 전염병이 퍼져 많은 사람들이 굶어 죽거나 조국을 떠나 미국으로 가는 배 안에서 사망해 아일랜드 인구는 절반 정도로 감소함