과학 기술의 발달로 다수의 로봇이나 비행체 등을 운영하게 되면서 하나의 시스템을 운용할 때는 나타나지 않던 새로운 동역학적 특성들이 나타나게 되었다. 생물 및 생태학에서는 이미 오래전부터 이러한 군집 현상과 그 현상의 이면에 있는 목적 등이 연구의 대상이 되었고 그것에서 새로운 교훈을 얻고자 하였다. 서로 상호 작용을 하는 다수의 부시스템로 구성된 다개체 시스템의 출현으로 인해 그것의 공학적 분석을 위해 새로운 시스템 이론적 해석과 그에 따른 제어 문제들이 주목을 받고 있다. 다개체 시스템이 특정한 목적을 달성하기 위하여 개별 부시스템이 달성해야 할 세부 제어 문제 정의 및 제어 알고리즘에 대한 연구가 활발히 주목을 받고 있다. 본 기고에서는 자연과 공학에 나타나는 다개체 시스템이 보이는 군집 현상의 사례들과 주요 연구 문제를 소개한다.
최근 그 중요성이 인식되면서 수학에서 뿐만 아니라, 생물학, 의학, 면역학 등의 여러 분야에서 세계적으로 광범위하게 연구되어지고 있는 수리 생물학(Mathematical biology) 분야의 학문적 시초이며 그 기초를 제공하는 개체 수 생태학 (population ecology) 은 생물 종 (種) 의 개체 수가 서식지 안의 특정 위치에서 시간에 따라 어떻게 변하는 지를 연구하는 분야이다. 이 논문에서는 두 종류의 생물 종이 한 서식지 안에서 상호작용하는 형태로서 포식자-먹이 관계, 경쟁관계, 협력관계를 나타내는 모델들을 살펴본다.
일정 영역에 서식하는 생물 종의 개체 수가 변화하는 역학적 과정을 이해하고 실질적인 예측을 하는데 도움을 주는 여러가지 수학적 모델이 현재 수학과 생태학 분야에서 활발하게 연구되고 있다. 영국의 경제학자 Malthus가 1798년부터 시작하여 1826년까지 출간한 An Essay on the Principle of Population에서 제안했던 세계인구 변화 모델과 1845년 Verhulst의 한계수용모델은 개체 수 변화에 대한 초기 수학적 모델로서 지수적 형태에 기초한 것이었다. 수리생물학으로 불리는 학문분야는 1920년경 Lotka의 연구에서 본격적으로 시작되었다고 할 수 있다. 이때부터 여러 가지 다양한 수학적 모델들이 제안되어지고 검증되어져 왔다. 이 논문에서는 주로 상미분방정식(ordinary differential equations)으로 표현되는 단일 생물종에 대한 개체 수 변화모델들을 살펴본다.
구상나무림 보전관리의 기초자료를 마련하고자 지리산 한라산 및 덕유산의 아고산지대에 95개의 조사구를 설치하여 한국특산종 구상나무의 생육현황과 구상나무 서식지의 입지인지를 조사하였다 구상나무는 흉고직경 10-30cm의 범위에 드는 나무들이 주로 고사목으로 나타났으며 고사목의 비율은 전체적으로 총개체수의 11.51%였다 고사목의 비율또한 덕유산에서 18.18%로 가장높게나타났고 한라산 지역이 8.11%로 가장 낮게 나타났다 조사구당 구상나무 개체수 치수의 개체수 구상나무의 수고와 흉고직경 생육현황표에 의한 점수 구상나무의 상대밀도 등은 지역간에 통계적 유의차가 인정되었다 생육중인 구상나무의 활력은 한라산 지리산, 덕유산으로 순으로 좋았다 조사구당 구상나무 치수의 개체수는 한라산에서 6.00개체로 가장 많았으며 덕유산에서는 치수가 없는 것으로 나타났다 구상나무의 상대밀도도 한라산, 지리산, 덕유산 순으로 높게 나타났다. 조사구당 구상나무 개체수는 해발고와 정의 상관, 방위, 낙엽퇴의 두께, 조사구당 교목의 개체수 및 종수, 활엽수 상대밀도와는 부의 상관이 인정되었다. 구상나무 상대밀도는 해발고와는 고도의 정의 상관관계 방위 조사 구당교목의 개체수 및 종수 수관울폐도, 활엽수 상대밀도와는 부의 상관관계가 인정되었다 지리산, 한라산 및 덕유산에 자생하는 구상나무는 해발고가 높으며 볕이 잘들고 낙엽퇴가 얕으며 종구성이 단순하고 활엽수가 적은 지역에 보다 많이 분포한다.
지리산 국립공원의 동부지역을 대상으로 구상나무개체군 동태를 파악하기 위하여 1999년 7월에 49개의 조사구(20m$\times$15m)를 설치하여 식생구조를 조사하였다. 조사대상지의 구상나무는 북사면에서 해발 900m 이상 남사면에서 해발 1,000m 이상에서 분포하였다 구상나무의 상대우점치는 북사면의 경우 해발 1,300-1,500m 사이에서 높게나타났으며 남사면의 경우 해발 1,400-1,600m 사이에서 높게 나타났다. 조사구별 구상나무의 상대우점치는 북사면에서 높게 나타났으나 흉고직경 2-17m 미만의 개체수 경우 북사며에서보다 남사면의 조사구에서 많이 나타났고 대경목은북사면에서 많이 나타났다.
거제도 남동 해안지역의 한려해상국립공원 보호구역에서 해상자원의 보존을 위한 기초자료를 확보하고자 거제도 일운면 예구리, 남부면 다대리 및 남부면 저구리 해얀지역에서 1999년 6월부터 2000년 3월까지 어류상 조사를 실시하였다. 조사를 통하여 확인된 어류는 총 16목 47목 69속 85 종 2, 789개체가 채집되었으며, 45종이 출현한 농어목(Perciformes), 10종씩 출현한 가자미목 (Pleuronectiformes) 및 횟대목(Scorpaseniformes)의대부분 저서생활을 하는 어류가 주로 채집되었다. 전체 조사기간 동안 가장 만하은 개체가수가 채집된 어류를 줄비늘치(Coelorhyncus multispinulosus) 458개체(16.4%)로 확인되었고 칠서대(Cynoglossus interruptus) 384개채(13.8%), 노랑촉수(Upeneus bensasi) 285개체(10.2%) 등의 순 이었다. 조사시간 6월에 가장 다양하고 풍부한 어류가 채집되었다.
영산강 수계의 습지생태계 모니터링의 일환으로 4개 지역을 선정하여 황소개구리 205개체를 채집하여 이들의 외부기형 출현율 및 양상을 조사하고 그들의 체내 조직에 축적된 중금속 농도를 분석하였다. 황소개구리의 기형 출현율은 6.8%로 다른 척추동물에서의 자연발생률 3%보다 높았으며, 기형은 모두 앞 또는 뒷발갉에서 나타났다. 유형별로 보면 결손(Ectrodactyly)이 64.3%로 가장 많았고 다음으로 확장(Dilation)이 28.6%, 절단(Truncation) 7.1%의 순이었다. 정상과 기형 개체간에 중금속의 농도를 조직별로 비교해 본 결과 기형개체의 신장에서 Mn은 4배, Zn 은 1.5배, Cu은 7배, Pb는 8배, Cd는 7배 정도 높았다. 또한 기형 개체에서는 이들 원소의 조직분포 패턴도 변화한 것으로 나타났다. 이러한 결과들로부터 황소개구리는 습지생태계의 모니터링 시료로서 유용하게 이용될 수 있음을 알 수 있었다.
내장산국립공원에 자생하고 있는 굴거리나무 개체군의 분포와 식생구조를 분석하였다. 굴거리나무 개체군은 내장사지구의 금선계곡과 원적계곡, 백양사지구의 운문암 주변에서 분포하고 있으며, 그 면적은 각각 1.8km2, 0.6km2 이었다. 굴거리나무 개체군의 밀도는 금선계곡 전망대 주변이 가장 높았고, 금선계곡과 운문암 주변에서 비교적 높았다. 굴거리나무는 경사가 급한 전석지대에서 생육하고 있으며, 대팻집나무, 산딸나무, 작살나무와 생태적 적소가 유사한 것으로 생각된다. 식생구조분석 결과 내장산국립공원 산림의 아교목층과 관목층에서 굴거리나무의 우점도가 증가할 것으로 예상된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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