Τα οικοσυστηματα.

Το εξωτερικό στρώμα της Γής μπορεί να διαχωριστεί σε διάφορα τμήματα (σφαίρες): την υδατόσφαιρα, τη λιθόσφαιρα και την ατμόσφαιρα. Η βιόσφαιρα αποτελεί μια τέταρτη τέτοια "σφαίρα" και αναφέρεται στο σύνολο των ζωντανών οργανισμών του πλανήτη και συγχρόνως στην περιοχή του πλανήτη που καταλαμβάνεται από τη ζωή. Η βιόσφαιρα περιλαμβάνει μεγάλο μέρος των άλλων τριών επιφανειακών σφαιρών. Σε σχέση με τον όγκο της Γης, η βιόσφαιρα αποτελεί ένα πολύ λεπτό επιφανειακό στρώμα μεταξύ των 11000 μ. υπό τη θάλασσα και των 15000 μ. πάνω από αυτή.

Η ζωή αναπτύχθηκε αρχικά στην υδατόσφαιρα, σε μικρά βάθη, στη φωτική ζώνη. Πολυκύτταροι οργανισμοί εμφανίστηκαν στη συνέχεια και αποίκησαν τη βενθική ζώνη. Η ζωή στην ξηρά αναπτύχθηκε αργότερα, έπειτα από το σχηματισμό του στρώματος του όζοντος, το οποίο προστατεύει τους ζώντες οργανισμούς από την υπεριώδη ακτινοβολία. Η ποικιλία των ειδών της ξηράς θεωρείται ότι αυξήθηκε λόγω της μετατόπισης των ηπείρων. Η βιοποικιλότητα εκφράζεται και αυτή σε διάφορα επίπεδα: ως ποικιλία του οικοσυστήματος (στο επίπεδο του οικοσυστήματος), ως ποικιλία ειδών (επίπεδο πληθυσμών), ως βιοποικιλότητα είδους (επίπεδο είδους) και ως γενετική βιοποικιλότητα.

Η βιόσφαιρα περιλαμβάνει μεγάλες ποσότητες άνθρακα, αζώτου και οξυγόνου. Σε μικρότερες ποσότητες περιέχει και άλλα απαραίτητα για την ύπαρξη ζωής στοιχεία, όπως είναι ο φώσφορος, το ασβέστιο και το χλώριο. Σε επίπεδο οικοσυστήματος και βιόσφαιρας, πραγματοποιείται διαρκώς ανακύκλωση των στοιχείων αυτών, ανάμεσα στην ορυκτή και την οργανική κατάσταση.

Η κύρια ενεργειακή πηγή για τη λειτουργία του οικοσυστήματος είναι η ηλιακή ενέργεια, αν και υπάρχει και μια μικρή συμβολή της γεωθερμικής ενέργειας. Τα φυτά και οι φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί μετατρέπουν το φως σε χημική ενέργεια μέσω της χημικής διεργασίας που ονομάζεται φωτοσύνθεση, κατά την οποία παράγεται γλυκόζη (ένα απλό σάκχαρο) και απελευθερώνεται οξυγόνο. Η γλυκόζη αποτελεί μια δευτερογενή ενεργειακή πηγή για τη λειτουργία του οικοσυστήματος. Μέρος αυτής χρησιμοποιείται άμεσα από άλλους οργανισμούς για παραγωγή ενέργειας. Άλλα μόρια σακχάρου μπορούν να μετασχηματιστούν σε δομικά στοιχεία, όπως τα αμινοξέα. Ακόμα και για αναπαραγωγικούς λόγους χρησιμοποιούνται από τα φυτά τα σάκχαρα, συγκεντρωμένα σε νέκταρ, για την προσέλκυση επικονιαστών.

Η κυτταρική αναπνοή είναι η διεργασία με την οποία οι οργανισμοί (όπως τα θηλαστικά) διασπούν τη γλυκόζη στα συστατικά της, δηλαδή νερό και διοξείδιο του άθρακα, ανακτώντας έτσι την ενέργεια που είχε αποθηκευθεί εκεί από τα φυτά. Η ισορροπία της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτών και άλλων φωτοσυνθετών στην αναπνοή των άλλων οργανισμών καθορίζουν την ιδιαίτερη σύνθεση της ατμόσφαιρας της Γης, ιδιαίτερα το επίπεδο του οξυγόνου. Ρεύματα αέρος αναμειγνύονται στην ατμόσφαιρα και διατηρούν την ίδια σχεδόν ισορροπία στοιχείων τόσο σε περιοχές έντονης βιολογικής δραστηριότητας όσο και σε περιοχές περιορισμένης βιολογικής δραστηριότητας.

Το νερό επίσης εναλλάσεται μεταξύ υδρόσφαιρας, λιθόσφαιρας, ατμόσφαιρας και βιόσφαιρας σε σταθερούς κύκλους. Οι ωκεανοί είναι τεράστιες δεξαμενές, που αποθηκεύουν νερό, εξασφαλίζοντας τη θερμική και κλιματική σταθερότητα, όπως και τη μεταφορά των χημικών στοιχείων με τη βοήθεια των μεγάλων ωκεανικών ρευμάτων.

Για την καλύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της βιόσφαιρας, και τις ποικίλλες δυσλειτουργίες που σχετίζονται με την ανθρώπινη δραστηριότητα, Αμερικάνοι επιστήμονες προσομοίωσαν την βιόσφαιρα σε ένα μικρής αναλογίας μοντέλο που ονομάζεται Βιόσφαιρα II.

Η βασική αρχή της οικολογίας είναι ότι κάθε ζωντανός οργανισμός έχει μια προοδευτική και συνεχόμενη σχέση με κάθε άλλο στοιχείο που απαρτίζει το περιβάλλον του. Ως οικοσύστημα μπορεί να οριστεί κάθε τοποθεσία στην οποία υπάρχουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ των οργανισμών και του περιβάλλοντος.

Το οικοσύστημα αποτελείται απο δύο τμήματα, το τμήμα της ζωής (ονομάζεται βιοκοινότητα (biocoenosis) και το περιβάλλον στο οποίο υπάρχει αυτή η ζωή (ο βιότοπος). Στο οικοσύστημα, τα είδη συνδέονται και εξαρτώνται μεταξύ τους μέσω τροφικών αλυσίδων, ανταλλάσσοντας ενέργεια και ύλη μεταξύ τους αλλά και με το περιβάλλον στο οποίο ζουν (βλέπε παραγωγοί, καταναλωτές).

Η έννοια ενός οικοσυστήματος μπορεί να απευθύνεται σε μονάδες διαφόρων διαστάσεων, όπως είναι μια λιμνούλα, ένα χωράφι, ή ένα κομμάτι νεκρού δέντρου. Η μονάδα μικρότερων τμημάτων ονομάζεται μικροοικοσύστημα. Για παράδειγμα, ένα οικοσύστημα μπορεί να είναι μία πέτρα και η ζωή που υπάρχει κάτω από αυτήν. Ένα μεσοοικοσύστημα μπορεί να είναι ένα δάσος, και ένα μακροοικοσύστημα μια ολόκληρη οικοπεριοχή με τη λεκάνη απορροής της.

Οι κύριες απορίες όταν μελετάμε οικοσυστήματα είναι:

Πώς θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί ο εποικισμός μιας άνυδρης περιοχής;
Ποιά είναι η δυναμική και οι δυνατότητες αλλαγής του οικοσυστήματος;
Πώς αλληλεπιδρά ένα οικοσύστημα σε τοπική, επαρχιακή και παγκόσμια κλίμακα;
Η τωρινή του κατάσταση είναι σταθερή;
Ποιά είναι η αξία ενός οικοσυστήματος; Πώς η αλληλεπίδραση των οικολογικών συστημάτων παρέχει οφέλη στους ανθρώπους, κυρίως με την παροχή καθαρού νερού;
Τα οικοσυστήματα συχνά ταξινομούνται αναφερόμενα στους βιότοπους που περιλαμβάνουν. Έτσι τα οικοσυστήματα μπορεί να οριστούν :

ως χερσαία οικοσυστήματα, όπως είναι τα δασικά οικοσυστήματα, τα λιβαδικά οικοσυστήματα (λιβάδια, στέπες, σαβάνες), ή τα γεωργικά οικοσυστήματα (γεωργικές εκτάσεις).
σαν οικοσυστήματα γλυκών νερών όπως είναι τα οικοσυστήματα στάσιμων νερών (λίμνες, λιμνούλες) ή οικοσυστήματα ρεόντων υδάτων (ποτάμια)
σαν ωκεάνια οικοσυστήματα (θάλασσες, ωκεανοί).
Άλλο είδος ταξινόμησης μπορεί να γίνει αναφορικά με τις κοινότητες των οικοσυστημάτων (για παράδειγμα τα ανθρώπινα οικοσυστήματα).