먹이사슬

생태계 내에서 포식자(먹는 쪽)와 피식자(먹히는 쪽)의 관계를 선형으로 나타낸 것으로, 먹이 연쇄라고도 한다.

먹이 사슬은 생명체 사이에서 먹고 먹히는 관계를 일차원적으로 나타낸 것이나 먹이 그물은 좀 더 다양한 개체들의 복잡한 포식 관계를 나타내 있는 것이다. 둘의 모양을 생각해 보면 조금 더 이해하기 쉬울 것이다.

먹이 사슬을 이루는 생물은 크게 두가지 범주로 나뉜다. 생산자와 소비자로 주로 나누는데, 생산자는 무기물에서 영양을 합성하는 역할을 하는 개체로 주로 식물[1]이긴 하나 식충식물처럼 식물이지만 다른 생물로부터 영양을 얻는 경우와 태양충처럼 동물이지만 무기물로부터 영양을 합성하는 등의 경우도 있다. 소비자는 생산자 혹은 소비자에게 영양을 얻어서 살아나가는 개체로 전자를 1차 소비자 후자를 고차 소비자라고 한다.[2] 인간은 고차 소비자 중에서도 최고 정점에 있는 생물이다.

한 지역 내에서 얼마나 많은 생물종이 살고 있느냐는 생태계가 얼마나 건강하느냐 하는 질문과 같다고 볼 수 있다. 따라서 생태계가 건강할수록 그곳에 사는 생물종은 다양해지고 포식-피식 관계 역시 점차 복잡해지게 된다. 위의 사진은 상당히 단순한데, 일단 '풀'이라고 뭉뚱그려 놓았지만 호랑이가 살 만큼 큰 구역에서 풀이 한 종류만 자라지는 않으며, 수십종의 식물이 함께 살아갈 것이다. 게다가 토끼와 사슴이 같은 종류의 풀을 먹지는 않을테고, 메뚜기 중 활동 시간이 안 맞아서 개구리한테는 먹히지 않고 들쥐한테만 먹히는 종이 있을지도 모르니 먹이그물 그림은 점점 더 복잡해지게 된다.

먹이사슬은 이 중 일부를 떼어 표시한 것으로 볼 수 있다. 먹이사슬의 복잡성, 즉 먹이사슬의 단계가 얼마나 길게 진행되느냐는 1차생산을 통해 만들어지는 에너지량, 즉 1차생산량과 먹이사슬이 진행되면서 손실되는 에너지량에 영향을 받는다. 1차생산량이 많으면 많을수록 먹이사슬 단계가 진행되며 손실이 일어나도 더 많은 단계를 수용할 수 있다. 역으로, 에너지 손실량이 적으면 1차생산량이 적더라도 더 많은 단계를 수용할 수 있다. 공세종말점과 비슷한 개념이랄까...

전문적으로는 두 종의 개체 수의 관계를 아래와 같은 미분연립방정식으로 나타낸다. 고안자의 이름을 따서 로트카-볼테라 방정식이라고 한다.
$\displaystyle \left\{\begin{matrix} {\mathrm{d}x \over \mathrm{d}t} = x(\alpha - \beta y) \\ {\mathrm{d}y \over \mathrm{d}t} = - y (\gamma - \delta x) \end{matrix}\right.$
여기서 $\alpha , \beta , \gamma , \delta$는 각 동물 사이의 개체수를 나타내는 상수값이며, $x$는 피식자, $y$는 포식자를 나타내는 변수이다.

이를 풀면 다음과 같다. 아래 식에서 $\ln$은 자연로그.
$\displaystyle {\mathrm{d}y \over \mathrm{d}x} = -{y \over x}{\delta x - \gamma \over \beta y - \alpha} = \mathrm{d} \ln y (\alpha - \beta y) - \mathrm{d} \ln x (\gamma - \delta x) = -\delta x + \gamma \ln x -\beta y + \alpha \ln y$

이것을 가지고 그래프를 그리면 아래처럼 나온다.
파일:external/upload.wikimedia.org/Cheetah_Baboon_LV.jpg

간단하게 풀어 설명하자면, 포식자는 피식자가 너무 적으면 먹을 게 없어 개체수가 줄어들게 되고, 피식자가 많으면 먹을 게 많아서 번성하게 된다. 마찬가지로 피식자는 포식자가 많아지면 너무 많이 잡아먹혀 개체수가 줄고, 포식자가 적으면 잡아먹히는 수가 줄어들어 번성하게 된다. 이렇게 포식자의 개체수와 피식자의 개체수를 서로 상호작용하며, 그래프의 두 선이 서로 반비례하며 상호작용하는 것으로부터 이를 확인할 수 있다.