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미생물이야기 자연환경에서 생물체는 단일 개체로 거의 존재하지 않고 개체군(population)으로 존재
2013-08-13 14:51:48
이엠생명과학연구원

대부분의 자연환경에서 생물체는 단일 개체로 거의 존재하지 않고 개체군(population)으로 존재하며 이런 개체군들이 많이 섞여 있는 군집(community)을 형성하고 있다. 군집내에 존재할 때 각 개체군들은 여러 상호작용을 하게 되는데 경우에 따라 이로울 수도 있고 또 해로울 수도 있다. 이런 원리는 단일 생물체 집단에서도 동일하게 적용될 수 있다.

단일 생물집단에서의 생장은 밀도에 의해 영향을 받을 수 있는데 개체들 간에 긍정적인 상호작용(positive interaction)은 개체군의 밀도가 낮을 때 보통 일어나게 된다. 긍정적인 상호작용이 일어나면 개체군의 생장율은 증가한다. 그러나 어느 정도 이상의 밀도가 되면 부정적인 상호작용(negative interaction)이 일어나게 되어 생장율은 감소하게 된다.

개체들 간의 긍정적인 상호작용은 협동(cooperation)에 의한 것으로 이러한 예는 생물의 군락형성 과정에서 쉽게 볼 수 있다. 자연환경에서 소수의 개체가 새로운 환경에서 집락을 형성하는 것은 용이하지 않으나 어느 정도의 밀도를 갖는 집단은 집락을 형성하기 용이하다. 개체들 사이에서는 경쟁(competition)도 일어나는데 밀도가 어느 정도 이상으로 증가하면 경쟁에 의해 생장율이 감소하게 된다. 단일 생물집단에서는 모든 개체들이 동일한 것을 요구하기 때문에 기질, 전자 수용체, 생장인자(growth factor) 등 이용하는 물질 뿐만 아니라 심지어 서식 공간에 대한 경쟁도 일어난다. 밀도가 높아지면 이용하는 물질의 고갈과 더불어 유해한 대사산물 등의 축적에 의해서 생장율이 감소할 수 있다.

특별한 미세서식지를 제외하고는 단일 생물집단은 자연환경에서는 거의 존재하지 않는다. 대부분의 자연 환경은 계속적으로 매우 다양한 생물들의 침투가 일어나고 있으며 그 결과 혼합된 개체군의 생장을 유지하게 된다. 혼합 개체군내로 들어오는 모든 종들이 생존하여 그 체제의 안정된 구성 요소가 되는 것은 아니다. 그것들의 생존과 생장은 존재하는 다른 종들과의 관계의 성질과 정도, 필수 영양물질의 가용 여부 등에 의해 결정된다.

 

표1. 생물군집에서 생물종간의 상호관계

상호관계

정의

영향

중립(neutralism)

상호작용이 없음

두 종의 생장은 각 종의 독립생장 시와 동일

경쟁(competition)

일반적인 생장제한요소를 공통적으로 요구

높은 생장률과 환경적응력을 가진

종이 유리

편리공생(commensalism)

한 종의 생장이 다른 종에 의해 촉진됨

두 종의 공존 시 한 종이 더욱

높은 생장을 나타냄

상조공생(synergism)

서로 다른 종의 생장을 촉진

두 종의 공존 시 모두 더욱 높은

생장을 나타냄

상리공생(mutualism)

특정한 두 종이 반드시 서로를 필요로 함

서로 떨어져 있을 때에는 생장이

일어나지 못함

포식(predation)

한 종(포식자)이 다른 종(피식자)를 잡아먹음

피식자의 밀도는 포식자에 의해

조절됨

기생(parasitism)

기생체가 숙주의 세포물질을

이용해서 생장

숙주의 밀도와 생장은 기생체에

의해 조절됨

 

 

자연환경에서 인접한 생물체들 간에 중립(neutralism)을 나타내는 경우는 매우 드물다. 비록 다른 종들이 종종 다른 주된 탄소원을 이용할 수 있어도 어떤 조건하에서 그것들이 인, 질소 또는 미량 요소와 같은 제한 요인(limiting factors)을 공통적으로 요구할 수 있으며 심지어 생물체들이 적당한 서식 장소를 같이 필요로 한다. 따라서 자연환경에서 중립은 동일한 또는 중복되는 생태적 지위(niche)를 차지하고 있는 개체군 사이에서는 일어날 수 없으나 개체군 사이의 상호작용의 중요성이 매우 적은 경우 중립관계로 인정하기도 한다. 중립이 일어날 수 있는 상황으로는 한 서식지 내에서도 공간적으로 떨어져 있을 경우, 매우 낮은 개체군 밀도를 유지할 경우, 그리고 고유의 서식지에 존재하지 않거나 환경조건이 나빠서 활발한 생장이 일어나지 못할 경우 등을 들 수 있다.

경쟁(competition)은 아주 흔한 관계이다. 경쟁은 둘 또는 그 이상의 종들이 동일한 물질을 이용하거나 동일한 조건을 요구할 때 일어나는데 그 결과 경쟁에 뒤진 집단이 제거되는 경쟁적 배제(competitive exclusion)가 일어난다. 그러나 자연환경에서는 서식지의 다른 지역을 차지하고 있거나 또는 환경조건이 주기적으로 변화하면 생장율과 기질 친화력이 다른 두 종이 공존할 수도 있다.

자연 생태계에서 흔히 일어날 수 있는 관계 중에 편리공생(commensalism)이 있다. 이것은 한 종이 다른 종에 도움을 주지만 도움을 받는 종은 상대편에 아무런 작용도 하지 않는 관계이다. 편리공생은 영향을 받지 않는 개체군이 정상적인 생장을 하는 과정에서 다른 개체군에 유리하게 작용할 수 있는 방식으로 서식지를 변형시킬 때 일어날 수 있다. 개체군 사이에서의 편리공생 관계는 한 집단에 의한 생장인자의 생성, 분비와 다른 집단에 의한 이용의 경우가 많다. 난분해성 유기물의 미생물 분해에 크게 기여하는 공동대사(cometabolism)도 편리공생의 한 예가 될 수 있다.

편리공생과는 달리 두 집단 모두 서로에게 도움을 주는 관계가 상조공생(synergism)으로 원시협동(protocooperation)이라고도 한다. 그러나 이 관계는 서로에게 반드시 필요한 의무적인 관계는 아니다. 상조공생은 서로에게 필요한 물질을 제공하는 경우에 흔히 나타날 수 있는데 이런 관계를 영양공생(syntrophism)이라 한다. 우리가 흔히 공생이라고 부르는 관계들의 상당수가 상조공생으로 악어와 악어새, 말미잘과 집게의 관계 등이다.

두 집단 모두에게 도움을 주는 의무적인 관계가 상리공생(mutualism 또는 symbiosis)이다. 두 종간의 관계는 매우 특수해서 오로지 정해진 두 집단 만이 공생관계를 맺을 수 있으며 공생이 일어나면 각 집단 단독으로는 생존하지 못하는 환경조건에서 서식이 가능해진다. 이런 상리공생의 예로는 지의류(lichen)가 있다. 지의류는 조류와 진균류의 공생체로서 조류공생자(phycobiont)가 광합성을 하여 균류에 유기물을 제공하고 균류공생자(mycobiont)는 조류공생자를 보호하고 무기영양염류나 생장인자를 공급한다. 조류공생자에는 시안세균(cyanobacteria)과 녹조류 등이 있으며 균류공생자는 주로 자낭균류(Ascomycetes)로 구성되어 있다. 지의류는 매우 느리게 성장하지만 건조와 온도변화 등에 저항성이 크다. 대기중의 아황산가스(sulfur dioxide)는 조류공생자의 엽록소를 파괴하며 조류공생자가 파괴되면 균류 단독으로는 그 서식지에서 생존할 수 없게 된다. 이러한 이유로 지의류가 대기 오염의 지표생물(indicator organism) 역할을 할 수 있다.

한 종이 다른 종을 저해하며 그 종은 그로 인해 아무런 영향을 받지 않거나 또는 상대 종의 저해에 따른 반사 이득을 얻기도 하는 관계를 편해작용(amensalism)이라 한다. 편해작용은 항생물질(antibiotics), 유기산, 알코올 등 다른 집단을 저해하는 물질을 생성하는 경우에 주로 나타난다. 이렇게 알려져 있는 저해물질에 의한 항생작용(antibiosis) 외에 자연환경에서는 해수에 존재하는 바이러스를 죽이는 인자(virucidal factor)와 토양에서 균류 포자의 발아를 억제하는 물질에 의한 fungistasis와 같이 아직 정확하게 밝혀지지 않은 복잡한 편해작용의 예들이 많이 존재한다.

공중보건 공학의 관점에서 원생동물(protozoa), 특히 편모충류(Mastigophora), 섬모충류(Ciliata)와 육질충류(Sarcodina)는 아마도 가장 중요한 종류가 될 것인데 그 이유는 그것들이 영양원으로 세균을 섭취하기 때문이다. 원생동물같이 큰 포식자(predator)가 세균같은 작은 피식자(prey)를 잡아먹는 관계를 포식(predation)이라 한다. 일반적으로 포식에 의해 피식자의 개체수가 감소하게 되는데 많은 포식성 원생동물과 세균의 혼합 연속 배양에서 종종 두 종은 같이 생존할 수 있는데 아마 포식자에 의한 세균의 섭취가 포식자 개체군이 더 이상 유지되지 못할 정도의 수준으로 세균 개체수를 감소시키기 때문이다. 이것은 포식자의 수의 감소를 일으키며 포식율의 저하에 따라 세균 개체군은 다시 한 번 증가하게 된다. 따라서 시간에 따라 포식자와 피식자 간의 주기적인 증감 현상이 나타날 수 있다.

기생(parasitism)은 일반적으로 작은 기생체(parasite)가 큰 숙주(host)로부터 영양물을 얻으며 살아가는 관계인데 기생체는 숙주의 내부에 존재할 수 있으며(endoparasite), 외부에 존재하기도 한다(ectoparasite). 기생체-숙주 관계는 매우 특수해서 기생체가 특정한 숙주에만 기생할 수 있는데 이런 현상을 숙주특이성(host specificity)이라 한다. 숙주특이성은 보통 물리적인 부착이 가능한 생물체 세포의 표면 특성에 의해 일어난다. 기생을 하는 대표적인 종류로 바이러스가 있는데 바이러스는 각종 동물, 식물, 세균, 균류, 조류, 원생동물에 기생할 수 있는 종류들이 각각 존재하며 어떤 경우에는 서식지의 생물집단의 감소나 소멸의 원인이 되기도 한다.




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