모든 생물은 살아가기 위해 에너지가 필요하다. 이 에너지는 호흡 과정을 통해 유기물을 분해하여 얻는다. 생태계에서 이용되는 에너지의 근원은 태양이다. 태양의 빛에너지는 식물의 광합성을 통해 화학 에너지로 전환되어 유기물 속에 저장됨으로써 생태계로 유입이 된다.
이 유기물은 먹이 연쇄를 통해 이동하면서 동물의 에너지원으로 이용되고, 사체나 배설물 속의 유기물은 분해자의에너지원으로 이용된다.
물질의 생산과 소비
생태계로 유입된 빛에너지는 식물의 광합성으로 생물이 이용할 수 있는 에너지 형태로 전환된다. 생물이 에너지원으로 필요한 유기물은 식물과 같은 생산자가 광합성으로 만들어 낸다.
총생산량 순생산량
생태계에서 생산자가 광합성을 통해 생산한 유기물의 총량을 총생산량이라고 하며, 이는 생태계의 물질 생산력을 나타낸다. 생산자인 식물은 총생산량 중 일부를 호흡의 원료로 소비하고 나머지는 식물체에 남게 되는데, 이 양을 순생산량이라고 한다.
순생산량의 일부는 낙엽으로 없어지거나 말라죽으며 1차 소비자인 동물에게 먹힌다. 순생산량에서 이러한 고사량이나 피식량을 제외하고 식물체에 남아 있는 유기물의 양이 생장량이다. 동물의 경우 식물이나 다른 동물을 섭취하여 소화되지 않고 배출되는 양을 제외한 것이 실제 동화량이 된다.
이 동화량의 일부는 동물 자신의 호흡 원료로 소비되고 나머지가 몸을 구성하며 생장에 이용된다. 따라서 동물에 의한 동화량은 식물 군집의 생산량에 비해 훨씬 낮게 나타난다. 일반적으로 육상 식물 군집의 생산량은 식물의 종류, 빛의 세기, 토양 속의 무기물의 양, 온도 등 환경의 영향을 받는다.
생태계에서 에너지의 흐름
생태계로 유입된 태양의 빛에너지는 식물의 광합성에 의해 화학 에너지 형태로 유기물에 저장되어 먹이 연쇄를 따라 이동한다. 유기물 속 에너지는 연쇄의 각 영양 단계에서 호흡을 통해 열에너지 형태로 방출되어 흩어지고 남은 에너지만 다음 단계로 이동한다. 따라서 먹이 연쇄의 상위 영양 단계로 갈수록 이동하는 에너지량은 점차 감소한다.
생태계의 각 구성 요소가 가지고 있는 유기물의 총량을 생물량이라고 하는데, 생태계로 유입된 에너지가 유기물의 형태로 먹이 연쇄를 통해 각 영양 단계를 통해 이동할 때 주어진 영양 단계의 생물량에 저장된 에너지의 일부만이 다음 영양 단계의 생물량으로 전환된다.
생태 피라미드
따라서 일반적으로 군집에서 먹이 연쇄의 최하위 영양 단계가 가지는 생물량이 가장 많으며 영양 단계가 높아질수록 생물량이 감소한다.
생물량 외에 개체수와 에너지량도 영양 단계가 높아질수록 감소하므로 이들 요소의 수량을 하위 영양 단계로부터 차례로 쌓아올리면 피라미드 형태를 나타내는데, 이를 생태 피라미드라고 한다. 생태 피라미드에는 개체수 피라미드, 생물량 피라미드, 에너지 피라미드 등이 있다.
먹이 연쇄를 통해 상위 영양 단계로 갈수록 에너지량이 감소한다는 것은 보다 높은 단계의 소비자들이 사용할 수 있는 에너지량이 더 낮은 단계의 소비자들이 사용할 수 있는 것에 비해 적다는 의미이다.
따라서 먹이 연쇄는 여러 단계로 무한히 이어지지 못한다. 사람의 경우 대부분의 에너지원을 식물이 생산한 유기물에 의존한다. 이것은 육류를 먹을 때보다 얻을 수 있는 생물량이 더 많기 때문이다.