먼저 생명체의 일반적인 특성을 알아보고, 지구상의 생물은 어떻게 구분되는지를 살펴보도록 하자. 생물은 비생물과 마찬가지로 물질로 구성되어 있고, 생명현상을 유지하기 위해 끊임없이 외부에서 에너지가 공급되어야 한다. 또한 몸 안에서 일어나고 있는 여러 가지 물질 대사기능을 자체적으로 조절할 수 있는 능력을 갖춘다. 따라서 생물의 특성은 물질계, 에너지 대사계 그리고 자기 조절계로 표현할 수 있다. 이를 좀 더 세분하면 모든 생물은 생식, 물질대사, 반응, 성장, 진화 등의 특성을 갖는다. 이 중에서 반응과 적응은 생태학이나 환경과학에서 특히 중요한 의미가 있다. 생물이 외부와 내부환경으로부터 오는 여러 가지 화학적 또는 물리적인 자극을 감지하여 대처하는 능력을 반응이라고 한다. 생물이 반응하기 위해서는 먼저 여러 가지 감각기관을 통해 자극을 감지하여야 한다. 감지된 자극은 신경을 통해 중추신경계인 뇌로 전달된 후 반응이 나타나는데, 반응의 양상은 다양하다. 예를 들어 날씨가 추우면 의식적으로 옷을 많이 입게 된다든지, 무의식적으로 몸을 떨어 근육의 수축을 통해 열을 발생시킨다. 자극에 대한 반응은 생물에 따라 매우 다양하다. 식물의 굴광성이나 굴지성, 특정한 화학물질에 대한 주화성 등 이루 헤아릴 수 없이 많다. 주변의 환경이 늘 변화하기 때문에 생물의 변신 능력은 생존에 매우 중요하다. 만약 갑작스러운 환경의 변화에 반응하여 변신하지 못하는 생물은 생존이 불가능할 것이다.
생물은 반응을 통해 환경의 변화에 대처한다. 이러한 반응 중 일시적인 현상을 순응(adjustment) 또는 순화(acclimation)라고 하며, 환경조건의 반응에서 비롯된 변화가 영구적일 때 이것을 적응(adaptation)이라고 한다. 적응은 오랜 기간의 진화를 통해 일어난다. 진화란 동일 개체군 내에서 일어나는 형태적, 생리적, 행동적인 변화 과정을 의미한다. 흔히 진화론하면 19세기 영국의 박물학자인 다윈을 연상하지만 진화의 생각은 다윈이 최초로 생각해 낸 것은 아니다. 다윈이 살던 시대에 이미 진화의 생각은 학자 간에 광범위하게 논의되고 있었고, 그가 한 것은 단지 진화가 일어난다는 것을 과학계에 확인시켰다는 것이다. 한 가지 중요한 것은 다윈이 자연선택(natural selection)이란 진화의 체계를 제시하였다는 점이다. 자연선택의 개념은 그 당시 종교적인 이유로 거센 반발을 불러일으킬 것이 확실하였기 때문에 그는 20년 가까이 자기 생각을 발표하지 못하였다. 그러나 윌리스가 자신과 똑같은 이론을 발표하려 한다는 정보를 입수하자 1859년 「종의 기원」을 통해 자신의 이론을 발표하였다. 그러나 그의 사상은 예상했던 것처럼 당시의 종교적인 여건상 쉽게 수용되지 않아 「종의 기원이 발표된 지 약 100년 뒤인 1940년대에야 비로소 널리 인정받게 되었다. 다윈에 의하면 진화가 일어나기 위해서는 개체군 내에 변이가 있어야 하고 그다음에 자연선택이 일어나야 한다. 따라서 진화는 개체군이 가지고 있는 유전물질의 변화로부터 시작된다. 유전물질의 변화, 즉 돌연변이가 일어난 개체는 형태적, 생리적, 행동적인 면에서 다른 개체들과는 차이가 있을 수 있다. 이러한 차이는 돌연변이 개체에 유리할 수도 있고 불리할 수도 있으며 아무런 영향을 주지 않을 수도 있다. 만약 유전적인 변화가 그 개체에 불리할 경우 그 개체는 성숙하여 생식이 가능하기 전에 죽기 쉽다. 그러나 유전적 변이가 그 개체에 유익할 경우는 생존할 확률이 높아진다. 전자의 경우는 자연도태에 해당하며 후자의 경우는 자연선택이라고 할 수 있다. 일반적으로 자연선택은 차등적 생식능력(differential reproduction)으로 나타난다. 유전적인 변이가 환경에 적합하면 생식의 기회가 많아져 자연히 그 자손의 수가 증가하게 된다. 그 결과 개체군의 유전자 풀(gene pool)의 구성이 달라진다. 유전자 풀이란 한 개체군에 속하는 모든 개체가 가지고 있는 유전자 전부를 말한다. 예를 들어 사람의 유전자풀이라고 하면 지구상에 살고 있는 모든 사람이 가지고 있는 유전자 집합을 의미한다. 유전적인 변화가 일어나 개체의 생존율이 증가하고 그 결과 자기 유전자를 후대에 많이 남길 수 있는 경우를 적응이라고 한다.
검댕이가 덮인 수피에 붙어 있는 흰색 후추나방과 검은색 후추나방의 점과 같은 것은 개체군 내의 유전적인 변화를 말하며 늘 있었다. 그러나 유전적인 변화가 있다고 해서 그것이 모두 진화와 직결되는 것은 아니다. 앞에서 설명한 바와 같이 유전적인 변이체가 적응이 가능하여야 한다. 따라서 개체군 내의 유전적인 변화를 진화로 유도하는 힘을 자연선택이라고 할 수 있다. 중요한 것은 환경은 유전물질의 변화와는 밀접한 관계가 없다는 점이다. 환경은 단지 개체군 내에서 유익한 유전적 변화를 일으킨 개체를 자연선택으로 보존하는 역할을 할 뿐이다. 종은 진화나 자연선택을 통해 자신의 환경에 더 잘 적응할 수 있도록 몸을 변화시킨다. 따라서 진화란 생물체의 구조가 단순한 형태에서 복잡한 형태로 변화되는 것을 의미하지는 않는다. 구조의 복잡성과는 관계없이 생물은 진화를 통해 환경에 더 적합하게 된다. 진화의 예로는 영국의 후추나방을 들 수 있다. 1845년에 조사된 보고에 의하면 영국의 후추나방은 99%가 흰색이었고 나머지 1%가 검은색이었다. 그러나 1895년의 조사 결과에 의하면 검은색 후추나방이 전체의 99%를 차지하는 것으로 나타났다. 이유는 간단하다. 영국의 공업화로 인하여 공장에서 방출되는 검은 연기는 나방이 앉아 있는 나무의 수피를 검게 만들었고, 그 결과 흰색 나방은 천적의 눈에 쉽게 띄어 포식 될 확률이 증가하였다. 이에 비해 검은색 나방에게는 검은색의 수피가 보호색 역할을 하여 포식자의 눈에 잘 띄지 않아 생존의 기회가 많아졌다. 최초에 검은색 나방이 생긴 것은 흰색 나방 개체군 내의 유전적 변이에서 비롯되었다.
환경과학
