3. 수환경

물은 생명의 필수적인 물질이고 살아 있는 모든 생물의 중심 성분이다. 살아 있는 모든 세포 무게의 75~95%는 물이며, 근본적으로 물이 중요한 역할을 하지 않는 생리적인 과정의 거의 없다. 지구 표면의 약 75%를 덮고 있는 물은 지구의 지배적인 환경이기 하다. 수생환경에 서식하는 생물의 적응에 영향을 끼치는 주요 요소 중 하나는 물의 염도이다. 이런 이유로, 수생환경은 염수와 담수의 두 범주로 나뉜다. 이 두 주요한 범주는 다시 물의 깊이와 흐름, 기질, 우점하는 생물에 근거하여 다양한 수생태계로 나뉜다. 다양한 수생환경과 여기에 서식하는 생물들은 후에 탐구할 것이다. 이 장에서는 물 특유의 물리적, 화학적 특성을 알아본 후 그러한 특성들이 어떻게 상호작용을 해서 각기 다른 수 환경을 이루고, 이런 환경에 서식하는 생물들의 진화를 어떻게 제한하는지 알아볼 것이다. 3.1 물은 지구와 대기 사이를 순환한다. 모든 바다와 담수의 수환경은 물이 대기에서 지구로 이동하고 다시 대기로 돌아가는 과정인 물순환 또는 수문학적순환의 요소들을 통해 직접적 또는 간접적으로 연결되어 있다. 지구의 대기를 가열하고 물을 증발시키는 에너지를 제공하는 태양 복사는 물순환의 원동력이다. 강수가 물순환을 시작한다. 대기에서 순환하는 수증기는 결국 강수의 형태로 떨어진다. 이 물 중 일부는 직접 토양과 수 체에 내린다. 일부는 식생, 땅 위의 죽은 유기물, 도시의 건물과 길에 의해 차단된다. 상당한 양이 될 수 있는 차단 때문에 가변적인 강수량은 땅에 스며들지 않고 대기 중으로 바로 다시 증발한다. 토양에 닿은 강우는 침투로 땅속으로 스며든다. 침투율은 토양의 종류, 경사, 식생, 강수의 강도에 달려있다. 많은 비로 인해 토양이 포화하면 여분의 물은 표면유출 수나 육상 유수의 형태로 지면 위로 흐른다. 어떤 곳에서는 웅덩이나 골짜기로 모이고, 포장도로에서 도랑으로 흐를 때 도심길에서 볼 수 있듯이 물 흐름은 판상에서 수로 형태로 바뀐다. 저조한 침투로 인해 도시에서는 유출수가 강수의 약 85%까지 차지할 수 있다. 토양으로 들어가는 일부 물은 점토나 암석의 불침투성 층으로 스며들어 지하수로 모인다. 이곳에서부터 물은 샘과 하천을 이룬다. 하천은 경관의 지형에 따라 강으로 모아진다. 집수역과 범람키에는 호수와 습지가 형성된다. 강은 결국 연안으로 흘러나가 담수에서 해양환경으로의 전환이 이루어진다. 개울, 호수, 해양 표수층의 물과 더불어 지표와 토양의 상층에 남은 물, 식생 표면에 모인 물은 증발해서 다시 대기 중으로 돌아간다. 증발률은 포화수증기압에 상대적인 대기 중 수증기의 양으로 결정된다. 식물은 토양의 물을 추가로 감소시킨다. 식물은 뿌리를 통해 토양에서 물을 흡수하여 잎과 그 밖의 기관에서 일어나는 증산이라 불리는 과정으로 물을 잃는다. 증산은 잎, 줄기 및 기타 살아 있는 부분의 내부 표면에서의 물을 증발을 가리킨다. 지표와 식생에서 증발하는 물의 총량을 증발산이라고 한다. 지구상 물의 총부피는 약 14억이고 그중 97% 이상이 해양에 존재한다. 전체 물의 약 2%는 극지의 만년설과 빙하에 있으며, 세 번째로 크고 활발한 저장고는 지하수이다. 해양에서는 증자라는 물이 강수량보다 약 40 유출수의 형태로 강을 통해 마침내 해양으로 돌아간다. 이 양은 대기로 물이 증발하여 해양에서 일어나는 물의 순손실의 균형을 맞춘다. 대기 저장고의 비교적 작은 크기는 지구적 물순환에서의 그 중요성을 반영하지 않는다. 일정 주어진 시간에 대기 중에 있는 물의 양에 대한 대기, 해양, 지표 사이의 커다란 흐름에 주목하자. 지구적 물순환에서 대기의 중요성은 이 저장고의 전환시간에 더 잘 반영되어 있다. 전환시간은 저장고 크기를 유출률로 나누어 계산한다. 3.2 물에는 중요한 물리적 특성이 있다 구성 분자의 물리적 배열 때문에 물은 특이한 물질이다. 물 한 문자는 산소 원자 1개에 연결된 2개의 수소원자로 구성되어 있다. 수소 원자는 산소 원자에 비대칭적으로 연결되어 있어, 2개의 수소원자는 분자의 한쪽 끝에 위치하고, 산소 원자는 다른 쪽 끝에 있다. 2개의 수소 원자와 1개의 산소원자 사이의 결합은 공동의 전자로 이루어져 각 수소원자는 산소와 1개의 전자를 공유한다. 공유된 수소의 전자는 수소 원자보다 산소원자에 더 가깝다. 그 결과 수소 원자가 놓여있는 물 분자 쪽은 양전하를 지니며, 산소 원자가 붙어 있는 쪽은 음전하 성질을 지녀 물 분자는 극성을 지니게 된다. 극성으로 인해, 각 물분자는 주변 분자와 약하게 결합한다. 한 문자의 양전하 쪽은 다른 분자의 음전하 쪽을 끌어당긴다. 수소 원자 사이의 각으로 인해 물 분자는 열린 사면체 같은 배열을 하게 된다. 이처럼 수소원자가 물분자 사이의 연결 고리 역할을 하는 상황이 수소 결합이다. 수소원자 하나가 두 다른 물 분자의 산소원자에 동시에 결합하면 분자들의 격자구조를 가져온다. 그러나 이러한 결합은 수소와 산소원자 사이의 결합보다 약해 쉽게 깨지고 재형성된다. 물에는 수소결합에 관련된 많은 고유의 성질이 있다. 그중 하나는 높은 비열이며 1g의 물을 1℃ 올리는 데 필요한 cal이다. 물의 비열은 1이며, 그 박의 물질의 비열 값은 물을 기준으로 표현된다. 물은 온도를 적게 올리면서 많은 열에너지를 함유할 수 있다. 그로 인해 연못, 호수, 바다 등 자연의 물이 단 1℃라도 증가하기 위해서는 많은 양의 열이 흡수되어야 한다. 물은 봄에 천천히 가열되고 가을에는 마찬가지로 천천히 식는다. 이러한 행동은 수행 서식지에 기온처럼 계절적으로 환경의 온도를 조절해 준다. 물의 높은 비열은 생물의 열 조절에도 중요한 역할을 한다. 모든 살아 있는 세포의 75~95%는 물이기 때문에 주변에 비해 온도 변화가 또한 적다. 물의 높은 비열로 인해 고체, 액체 및 가스 상태로 물의 상태를 변화시키는데 많은 열에너지가 요구된다. 총체적으로 물을 하나의 상태에서 다른 상태로 변화시킬 때 방출되거나 흡수되는 에너지를 잠열이라고 한다. 물 1g을 2℃에서 1℃로 낮추는 데 단지 1cal만 빼앗으면 되지만, 같은 야의 물을 1℃에서 얼음으로 변화시키려면 그의 80배나 되는 열에너지를 제거해야 한다. 마찬가지로, 분자 간의 친화력을 극복하고 1g의 물을 100℃에서 수증기로 변화시키는 데 536cal가 필요하고 536g의 물을 1도씨 올리는 데 필요한 열의 양이기도 하다. 분자들의 격자구조로 인해 물은 특유의 밀도-온도 관계를 맺는다. 대부분의 액체는 차가워지면서 밀도가 높아진다. 빙점에 이르게 되면 고체가 되고, 고체가 액체보다 밀도가 높다. 그러나 물은 그렇지 않다. 순수한 물은 4℃까지는 차가워지면서 밀도가 높아진다. 이 온도 이하로 냉각하면 밀도가 낮아진다. 0℃에 이르면 얼고, 각 산소원자가 수소 원자를 통해 4개의 산소 원자와 연결되는 격자구조가 구축된다. 그 결과 커다란 개방된 공간의 격자가 생겨나고 따라서 밀도가 낮아진다. 이렇게 구축된 물 분자는 액체 상태에서 보다 많은 공간을 차지한다. 낮아진 밀도로 인해 얼음은 물보다 가벼우며 뜨게 된다. 이 성질은 수생환경의 생물에 특히 중요하다. 수 채 표면의 얼음은 수면 밑의 물을 단열해, 커다란 수 채가 겨울 동안 고체로 오는 것을 방지한다. 수소결합의 결과, 물분자는 서로 강하게 결합하여 수소결합을 끊는 외부 힘에 저항한다. 이런 성질을 응집이라고 한다. 한 수체 내에서, 이렇게 당기는 힘은 모든 방향에서 똑같이 작용한다. 그러나 물 표면에서 상황은 다르다. 수면 아래에 있는 물 분자는 서로 강하게 끌어당긴다. 물 위로 물 분자와 공기는 훨씬 약하게 서로 끌어당긴다. 따라서 표면에 있는 물 분자들은 아래쪽으로 당겨져서 풍선이 부푼 것처럼 팽팽한 표면이 만들어진다. 표면장력이라고 불리는 이 조건은 수생생물에게 중요하다. 예를 들어, 물 표면은 소금쟁이와 물거미류처럼 연못 수면을 뛰어 건너는 작은 동물이나 물체를 지지할 수 있다. 그 밖의 작은 생물들이 물 아래로 진입하거나 공기 중으로 탈출하거나 할 때 표면장력은 장벽의 역할을 한다. 표면장력은 몇 생물에게는 너무 커서 깨뜨릴 수 없는 정도이고 다른 생물에게는 먹이를 찾거나 알을 낳기 위해 수면 위를 스쳐 지나칠 때 피해야 하는 덫이 된다.