에너지 흐름과 생태 피라미드 — 왜 위로 갈수록 줄어드는가

"소 한 마리를 키우려면 풀이 얼마나 필요할까요?" 이 질문을 던지면 학생들은 대충 "많이요"라고 답합니다. 그럼 숫자를 하나 줍니다. 대략 열 배쯤이라고요. 소가 1kg 늘어나려면 풀 10kg 정도가 들어가야 합니다.

그러면 바로 되묻는 학생이 있어요. "그럼 나머지 9kg은 어디 갔어요? 소가 다 먹었는데."

이 질문이 오늘 글 전체입니다. 사라진 9할의 행방을 끝까지 따라가 보면, 생태 피라미드가 왜 그 모양인지, 그리고 왜 먹이사슬이 네댓 단계에서 멈추는지가 한꺼번에 풀립니다.

에너지는 생태계를 '통과'합니다

먼저 큰 그림부터 세우고 가죠. 생태계에서 에너지의 경로는 이렇게 생겼습니다.

태양 → 생산자 → 소비자들 → 열

시작이 있고 끝이 있는 한 방향 통로입니다. 태양에서 들어와 생물들을 차례로 지나가고, 마지막에는 전부 열이 되어 우주로 빠져나가요. 돌아오지 않습니다. 그래서 생태계는 매일 새 햇빛을 공급받아야만 돌아가는 구조예요. 태양이 꺼지면 물질은 그대로 남아 있어도 생태계는 며칠 못 갑니다.

이것을 에너지 흐름(energy flow)이라고 부릅니다. '흐름'이라는 단어를 쓴 이유가 여기 있어요. 순환이 아니라 흐름입니다. 이 구분이 왜 중요한지는 물질 순환 글에서 정면으로 다룹니다.

사라진 9할의 행방 — 세 갈래

이제 본론입니다. 어떤 영양단계가 가진 에너지 중에 다음 단계로 넘어가는 건 왜 일부뿐인가. 빠져나가는 길은 크게 세 갈래예요.

① 먹히지 않고 남는 것

초원의 풀이 전부 초식동물 입으로 들어가지 않습니다. 대부분은 아무도 먹지 않은 채 시들고 떨어져요. 나무라면 더 심하죠. 줄기와 뿌리는 거의 먹히지 않습니다. 이 몫은 다음 소비자 단계로 넘어가는 게 아니라 죽어서 분해자에게 갑니다. 먹이사슬에서 옆으로 새는 셈이에요.

② 먹었는데 소화되지 않는 것

소가 풀을 뜯어 삼켰다고 그 에너지가 다 소의 몸이 되지는 않습니다. 셀룰로스처럼 분해하기 힘든 성분, 씹었지만 흡수되지 않은 성분은 그대로 똥으로 나갑니다. 중요한 포인트가 있어요. 배설물의 에너지는 그것을 먹은 동물의 것이 아니라, 아직 앞 단계에 남아 있던 에너지입니다. 소가 쓴 적이 없으니까요. 이것도 분해자에게 갑니다.

③ 호흡으로 열이 되어 빠지는 것 — 이게 핵심입니다

앞의 두 갈래는 "다른 데로 갔다"에 가깝습니다. 세 번째는 성격이 달라요. 진짜로 생태계 밖으로 없어지는 길입니다.

소가 흡수한 영양분은 대부분 몸집을 불리는 데 쓰이지 않습니다. 걷고, 되새김질하고, 심장을 뛰게 하고, 체온을 유지하고, 세포막의 이온 농도를 붙들어 두는 데 씁니다. 그 모든 일의 연료가 세포호흡이에요. 그리고 세포호흡의 최종 산물에는 ATP만 있는 게 아니라 열이 있습니다.

ATP를 만드는 산화적 인산화 과정을 떠올려 보세요. 전자가 전자전달계를 타고 내려오면서 방출하는 에너지 중 일부만 ATP에 담기고, 나머지는 열로 흩어집니다. ATP를 써서 근육을 움직일 때도 마찬가지고요. 에너지가 형태를 바꿀 때마다 일부는 반드시 열이 됩니다. 산소 없이 돌아가는 경로에서도 사정은 다르지 않아요.

그리고 열은 생물이 다시 붙잡아 쓸 수 없습니다. 이게 열역학 제2법칙이 생태계에 새겨 놓은 흔적이에요. 소가 쉬는 동안에도 몸에서 끊임없이 열이 빠져나가고, 그 열은 공기로 흩어져 다시는 돌아오지 않습니다.

그래서 '대략 10%'

이 세 갈래를 다 빼고 나면, 한 영양단계의 에너지 중 다음 단계의 몸으로 남는 몫은 대략 10% 안팎입니다. 이것을 에너지 효율 또는 영양단계 간 전달 효율이라고 불러요.

다만 이 숫자는 못 박아 외울 값이 아닙니다. 생태계마다, 생물 종류마다 꽤 다릅니다. 한두 가지만 생각해 봐도 그래요.

• 체온을 유지하는 동물은 그 자체로 열을 계속 만들어 내보내야 하니 효율이 낮아지는 쪽입니다.
• 주변 온도에 몸을 맡기는 동물은 체온 유지에 쓰는 몫이 적으니 먹은 것 중 몸으로 남는 비율이 상대적으로 높아지는 쪽이고요.
• 먹이가 얼마나 소화하기 쉬운지, 얼마나 많이 움직이며 사는지에 따라서도 달라집니다.

그래서 시험에서 "약 10%"라고 쓰는 건 괜찮지만, "정확히 10%"라고 단정하거나 특정 생태계의 값을 외워서 쓰는 건 위험합니다. 중요한 건 숫자가 아니라 왜 크게 줄어드는가예요.

생태 피라미드 — 세 가지가 있습니다

영양단계별로 무언가를 재서 아래부터 쌓아 올린 그림을 생태 피라미드라고 합니다. 그런데 "무엇을 재느냐"에 따라 세 종류가 되고, 모양도 달라져요. 이걸 뭉뚱그리면 시험에서 꼭 틀립니다.

종류	재는 것	단위 성격	뒤집힐 수 있나
개체수 피라미드	각 영양단계의 개체 수	마릿수(그루수)	뒤집힐 수 있음
생물량 피라미드	각 영양단계의 유기물 총량	저장량	뒤집힐 수 있음
에너지 피라미드	단위 시간에 각 단계를 지나간 에너지	속도(시간당)	절대 못 뒤집힘

개체수 피라미드가 뒤집히는 경우

커다란 상수리나무 한 그루를 떠올려 보세요. 그 나무에는 애벌레가 수천 마리 살 수 있습니다. 생산자 1, 1차 소비자 수천 — 아래층이 위층보다 수가 적습니다. 역피라미드죠.

이유는 간단합니다. 개체수 피라미드는 각 개체의 크기를 무시하기 때문이에요. 나무 한 그루와 애벌레 한 마리를 똑같이 '1'로 세니까 그림이 뒤집힙니다. 숙주 한 마리에 기생충이 잔뜩 붙은 경우도 같은 이유로 뒤집혀요.

생물량 피라미드도 뒤집힐 수 있습니다 — 그런데 이유가 다릅니다

이쪽이 더 헷갈리는 지점입니다. 생물량은 크기를 고려한 값인데 왜 뒤집힐까요.

바다를 떠올려 보세요. 생산자는 식물플랑크톤이고 1차 소비자는 동물플랑크톤입니다. 어느 한순간에 바닷물을 떠서 재 보면, 식물플랑크톤의 총 무게가 동물플랑크톤보다 적게 나올 수 있습니다.

식물플랑크톤이 게을러서가 아닙니다. 오히려 반대예요. 식물플랑크톤은 수명이 아주 짧고 엄청나게 빨리 번식하면서 그만큼 빨리 먹힙니다. 생겨나는 족족 먹히니까 어느 순간에 남아 있는 양은 적어요. 반면 동물플랑크톤은 상대적으로 오래 살아서 몸이 계속 쌓입니다.

핵심은 이겁니다. 생물량은 어느 한 시점의 '잔고'일 뿐, 그 단계를 얼마나 많은 에너지가 지나갔는지를 말해 주지 않습니다. 통장 잔고가 적다고 월급이 적은 게 아닌 것과 같아요. 이 '저장량 vs 속도' 구분은 생산량 글에서 본격적으로 다룹니다.

에너지 피라미드는 절대 뒤집히지 않습니다

이제 남은 하나. 에너지 피라미드는 어떤 생태계에서도, 어떤 특수한 상황에서도 뒤집히지 않습니다. 예외를 찾으려 애쓸 필요가 없어요. 논리적으로 불가능하니까요.

이유를 정리하면 이렇습니다.

• 에너지 피라미드가 재는 것은 단위 시간에 그 단계를 통과한 에너지의 총량입니다. 순간 잔고가 아니라 흘러간 양이에요. 그래서 앞에서 본 '회전이 빨라서 잔고가 적다'는 반칙이 통하지 않습니다.
• 상위 단계가 가진 에너지는 전부 하위 단계에서 받은 것입니다. 다른 공급원이 없어요.
• 그리고 넘어오는 과정에서 반드시 일부가 열로 빠져나갑니다. 앞에서 본 세포호흡이죠. 100%가 넘어가는 일은 열역학 제2법칙상 일어나지 않습니다.

받은 것의 일부만 가질 수 있는데 어떻게 준 쪽보다 많아지겠습니까. 위 칸이 아래 칸보다 커지려면 에너지가 어디선가 새로 생겨나야 하는데, 그런 일은 없습니다.

쌤 한마디 — 시험에서 "다음 중 역피라미드가 나타날 수 있는 것은?" 문제가 나오면 저는 학생들에게 질문 하나만 던지게 합니다. "이건 잔고를 재는 거야, 흘러간 양을 재는 거야?" 개체수와 생물량은 어느 한순간의 잔고라서 회전 속도나 개체 크기 때문에 얼마든지 뒤집힙니다. 에너지는 시간당 흘러간 양이라 뒤집히면 에너지 보존과 열역학이 무너져요. 이 한 줄만 붙들면 표를 외울 필요가 없습니다.

폭을 실제 비율로 그리면 맨 위 층은 선 한 줄이 된다 — 송쌤생명과학 자체 제작

다시, 먹이사슬은 왜 짧은가

앞 글에서 남겨둔 질문으로 돌아가죠. 영양단계가 보통 네댓 단계에서 멈추는 이유.

이제 답이 보입니다. 한 단계 오를 때마다 쓸 수 있는 에너지가 10분의 1 수준으로 줄어듭니다. 네 단계만 올라가도 생산자가 붙잡은 에너지의 1000분의 1 언저리밖에 남지 않아요. 그 정도 양으로는 포식자 개체군을 유지할 수 없습니다. 몸집이 큰 최상위 포식자일수록 넓은 행동권이 필요한 이유도 같습니다. 환경수용력이 에너지에서 결정되는 셈이죠.

같은 논리로 설명되는 이야기가 하나 더 있습니다. 같은 면적의 땅에서 곡물을 길러 사람이 직접 먹을 때와, 그 곡물을 가축에게 먹여 고기로 먹을 때를 비교해 보세요. 후자는 영양단계를 한 칸 더 거치는 것이라 대부분의 에너지를 가축의 호흡열로 버리게 됩니다. 식량 문제와 축산의 효율 논의가 여기서 출발해요.

정리하면

에너지는 태양에서 들어와 영양단계를 차례로 지나 열로 빠져나가는 한 방향 흐름입니다. 단계마다 크게 줄어드는데, 먹히지 않고 남는 몫과 소화되지 않는 몫이 옆으로 새고, 무엇보다 호흡으로 열이 되어 생태계 밖으로 나가기 때문이에요. 남는 건 대략 10% 안팎이고, 이 값은 생태계마다 다릅니다.

개체수와 생물량 피라미드는 어느 한순간의 잔고라서 뒤집힐 수 있지만, 에너지 피라미드는 흘러간 양을 재기에 절대 뒤집히지 않습니다. 그럼 맨 아래 칸, 생산자가 애초에 붙잡는 에너지는 얼마나 되고 그중 얼마가 위로 갈 수 있을까요? 다음 글 — 총생산량과 순생산량에서 그 회계를 열어 봅니다.