Ekosysteemi
Ekosysteemi tarkoittaa luonnoltaan verraten yhtenäisen alueen eliöiden ja elottomien ympäristötekijöiden muodostamaa toiminnallista kokonaisuutta. Siihen sisältyvät niin luonnon elolliset kuin elottomatkin kohteet tietyllä rajatulla alueella, esimerkiksi metsässä tai lammessa. Ekosysteemejä rajaavat maantieteelliset rajat kuten vuoret, valtameret tai aavikot, tai niiden elottoman osan luontaiset rajat (lammen ekosysteemi ulottuu sen rannoille, mutta ei kauemmaksi). Koska rajat eivät ole jäykkiä, koko maapallo voidaan käsittää yhdeksi ekosysteemiksi, jolla on erikokoisia alasysteemejä. Toisaalta yksi järvikin voidaan jakaa edelleen eri syvyydellä toimiviin ekosysteemeihin. Ekosysteemin eliöt ovat yleensä tasapainossa keskenään ja ympäröivän elottoman ympäristön kanssa. Kaikissa ekosysteemeissä elämän perustana on yhteyttäminen eli energian sitominen elottomasta luonnosta eliöihin. Yhteyttäminen tapahtuu joko fotosynteesillä (esimerkiksi kasvi sitoo auringon valoenergiaa sokeriin) tai kemosynteesillä (esimerkiksi jokin bakteeri saa käyttöönsä energiaa epäorgaanisia yhdisteitä hajottamalla).
Ekosysteemi on eliöyhteisön ja siihen kuuluvan elottoman ympäristön muodostama kokonaisuus tietyssä rajatussa paikassa. Ekosysteemiin kuuluvat sekä paikan ravintoverkko että sen fysikaalis-kemiallinen elinympäristö.
Ekosysteemien rajaaminen luonnossa on hankalaa, joten yksittäisten ekosysteemien rajat ovat melko häilyvät. Koska kaikki ekosysteemit ovat yhteydessä toisiinsa ilmakehän kautta, niiden erottaminen täysin erillisiksi kokonaisuuksiksi on käytännössä mahdotonta. Toisaalta Maa voidaan itsessäänkin rajata omaksi laajaksi ekosysteemikseen, mutta tällainen rajaus ei useinkaan ole käytännöllistä.
Monesti ekosysteemit rajataan yksinkertaisesti käytännön tutkimuksellisiin tarpeisiin. Esimerkiksi suoekosysteemiä tutkittaessa, keskitytään siihen alueeseen, joka on kasvitieteellisesti suota. Sen reunaan rajautuva metsä ei enää ole tämän rajauksen mukaan samaa ekosysteemiä.
Ekosysteemien rajaamiseen on kehitetty myös erilaisia menetelmiä. Näistä selkeimpiä ovat valuma-alueeseen ja kasvillisuuskuvioihin liittyvät rajaukset. Valuma-alue on maaston perusteella rajattu alue, jossa sinne tuleva vesi kerääntyy lopulta yhteen virtaan ja poistuu alueelta. Kasvillisuuskuvio on puolestaan sellainen alue, jossa kasvillisuus, maannokset, pinnanmuodot, pienilmasto ja häiriöhistoria ovat tarpeeksi samanlaisia, jotta sitä voidaan pitää yhtenä yksikkönä.
Ekosysteemiin liittyvien eliöiden massaa kuvataan biomassan käsitteellä. Sillä tarkoitetaan eliöiden massaa pinta-alaa tai tilavuutta kohden. Biomassaan voidaan laajemmassa merkityksessään laskea mukaan myös kuollut eloperäinen aines, mutta yleensä sillä käsitetään vain elävää ainesta. Biomassa ilmoitetaan useimmin kuivapainona pinta-alaa kohden, esimerkiksi kg/ha. Suurimman osan biomassasta muodostaa yhteyttävät kasvit.
Ekosysteemien perustuotantoon perustuu koko maapallon biosfäärin toiminta. Perustuottajat käyttävät Auringon energiaa, jolla ne tuottavat epäorgaanisista aineista orgaanisia yhdisteitä. Fotosynteesiin perustuvan tuotannon lisäksi on joitakin bakteereja, jotka tuottavat energiaa niin sanotulla kemosynteesillä.
Perustuotantoa on kahdenlaista. Yhteyttämisessä syntyvää kokonaisenergiamäärää kutsutaan kokonaisperustuotannoksi. Siitä osa kuitenkin häviää soluhengityksen kautta. Nettoperustuotannoksi on se osa kokonaisperustuotannosta, joka on jäänyt jäljelle soluhengityksen takia hävinneestä tuotannosta. Perustuotannon yksikkönä voi olla energiaa tai kuivapainona pinta-alaa tai ajanjaksoa kohti.
Maapallon maa-alueiden nettoperustuotanto 110–120 miljardia tonnia orgaanista ainesta vuodessa. Merien tuotto on noin puolet siitä, 50–60 miljardia tonnia. Maan perustauotnto kasvaa yleensä siirryttäessä pohjoisesta tai etelästä kohti päiväntasaajaa. Suurimmillaan se on kääntöpiirien välissä, vaikka esimerkiksi resurssipulan vuoksi Saharassa tuotanto on erittäin vähäistä. Järvien perustuotanto kasvaa myös päiväntasaajaa kohti mentäessä, mutta merissä tällaista muutosta ei ole havaittavissa.
Energia virtaa ekosysteemeissä sen läpi. Useimpiin ekosysteemiehin energia tulee auringon valon säteilyenergiana, jonka yhteyttävät kasvit muuttavat kemialliseksi energiaksi.
Energia kulkee pääosin alemmalta trofiatasolta ylemmälle saalistuksen takia, mutta osa energiasta palaa hajottajille eliöiden kuoleman ja ulosteen takia. Eliöt kuluttavat saamaansa energiaa soluhengitykseen, kasvamiseen ja lisääntymiseen. Lisäksi osa energiasta hukkuu lämpöenergiana ympäristöön, joten ekosysteemi tarvitsee jatkuvasti uutta energiaa.
Trofiatasolta toiselle siirtyvän energian määrää riippuu siirtotehokkuudesta, johon vaikuttavat kulutus-, assimilaatio- ja tuotantotehokkuus. Kulutustehokkuudella tarkoitetaan sitä osuutta trofian energiasta, joka kulutetaan seuraavalla tasolla. Assimilaatiotehokkudella kuvataan osuutta, joka siirtyy trofiatasolla eliöiden kasvuun ja muuhun toimintaan. Kasvinsyöjillä se on yleensä noin 20–50 prosenttia, koska eläimet eivät ole kovinkaan tehokkaita käyttämään kasvimateriaalia. Lihansyöjillä se puolestaan on noin 80 prosenttia. Tuotantotehokkuudella puolestaan tarkoitetaan sitä osuutta assimiloidusta energiasta, joka muuttuu biomassaksi.
Trofiatasolta toiselle siirtyvää kokonaisenergiaa kuvastaa energiansiirtotehokkuus, joka on kaikkien edellä mainittujen osatehokkuuksien tulo. Siirtotehokkuus on yleisen käsityksen mukaan vain noin 10 prosenttia, joten jokaisella tasolla häviää noin 90 prosenttia energiasta. Siirtotehokkuutta kuvataan niin sanotulla energiapyramidilla. Samanlainen suhde on myös biomassalla, joten ekosysteemissä ylemmällä trofiatasolla on noin 10 prosenttia sen alapuolella olevan tason biomassasta. Kymmenen prosentin sääntö on hyvin karkea, sillä vaihtelu on eri ekosysteemien välillä suurta.
Ihminen eroaa kahdella tavalla muista lajeista suhteessaan ekosysteemeihin. Hän pystyy halutessaan tuhoamaan ekosysteemejä sekä myös hallitsemaan niitä tekniikallaan. Ihminen on koko historiansa ajan pyrkinyt hankkimaan riittävästi ravintoa ja muita tarvittavia voimavaroja, jotta se on pystynyt elämään erilaisissa ekosysteemeissä. Ongelmana on aina ollut säilyttää ihmisten omien tarpeiden ja ekosysteemien tasapaino.