Mūsų planeta - Žemė yra nepakartojamas gamtos tvarinys. Čia pakanka vandens, gaubia apie 10 km atmosferos sluoksnis (tęsiasi iki 1000 km), kuriame yra anglies dioksido, azoto, deguonies. Šios medžiagos reikalingos gyviesiems organizmams ir patys jas gamina. Anglies dioksidas naudojamas fotosintezei, deguonis - kvėpavimui, o didesniame aukštyje iš jo gaminasi ozonas, sauganti Žemės gyvybę nuo kenksmingos kosmoso radiacijos. Tarpusavyje sąveikaudami, organizmai išlaiko gyvybei tinkamą atmosferą, hidrosferą ir litosferą.
Žemės ekosistemą sudaro gyvųjų organizmų bendrijos ir juos supanti negyvoji gamta. Labai apibendrintai ekosistemą galima apibrėžti kaip gyvųjų ir negyvųjų elementų sistemą, kurioje ją sudarančios komponentės jungiasi tarpusavio ryšiais, užtikrinančiais gyvybei svarbius medžiagų apykaitos bei energijos pasikeitimo procesus. Tai gali būti sausumos ar vandens plotai, kuriuose gyvena įvairiausi mikroorganizmai, augalai, gyvūnai. Kartu su abiotine aplinka, t. y. šviesos, temperatūros, drėgmės, cheminių elementų visuma, jie sudaro vieningą medžiagų ir energijos apytakos sistemą. Tokia augalų, mikroorganizmų ir gyvūnų bendrija su juos supančia negyvąja aplinka sudaro dinamišką kompleksą. Tarp gyvų organizmų susidaro sudėtingi biotiniai veiksniai - vieni organizmai veikia kitus.
Ekosistemos yra labai įvairios: natūralios ar dirbtinės, didelės ir mažos, gėlo vandens ar jūrinės, ariamo lauko ar pelkės. Dideles makroekosistemas sunku aprėpti ir tyrinėti. Didesnėje ekosistemoje tikslinga išskirti mažesnes ekosistemas. Kai vandens ar sausumos plote tarp augmenijos, gyvūnijos ir mikroorganizmų, medžiagų ir energijos apykaitos procese, susiformuoja palyginti pastovūs tarpusavio santykiai bei ryšiai, tai tokia visuma vadinama biocenoze.
Ekosistemos komponentai ir mitybos lygmenys
Ekosistemos biotinės dalys yra skirstomos pagal tai, kaip jas sudarantys organizmai gauna maisto. Energija į ekosistemą patenka fotosintezės metu, o prarandama daugiausia šilumos pavidale, kai organizmas ją naudoja gyvybei palaikyti. Fotosintezės metu žali augalai, panaudodami saulės energiją, anglies dvideginio, vandens ir mineralinių elementų junginius pertvarko į organinius junginius, kuriuose dalis saulės energijos kaupiasi cheminės energijos pavidalu. Organinės medžiagos tampa energijos šaltiniu pačiam žaliam augalui, o pastarasis - gyvam organizmui.
Energija, esanti maiste, išsilaisvina kvėpuojant. Prarasta energija turi būti nuolat papildoma saulės šviesos pavidalu. Žemės gyvybei yra svarbūs vandens, anglies, azoto, fosforo apytakos ratai. Biosferoje vanduo keliauja ratu. Gėlas vanduo susidaro garuojant vandenynams ir iškrenta kaip lietus į sausumą ir vandens telkinius. Vanduo į orą taip pat patenka garuojant gėlo vandens telkiniams, iš sausumos ir augalų.
Anglis dalyvauja augalų fotosintezės ir ląstelių aerobinio kvėpavimo procese. Žalieji augalai gyvūnams yra ne tik maistas, bet ir deguonies gamintojai. Anglies apytakos rate sausumos augalai pasisavina anglies dioksidą iš oro ir fotosintezės metu paverčia organinėmis medžiagomis ir jas vartoja gamintojai ir vartotojai. Vandens ekosistemos anglies dioksido mainus su atmosfera atlieka netiesiogiai. Ore esantis anglies dioksidas reaguoja su vandeniu ir susidaro biokarbonatas. Jį panaudoja vandens dumbliai ir sintetina maisto medžiagas sau ir kitiems gyviems organizmams. Jiems kvėpuojant pašalinamas anglies dioksidas ir virsta bikarbonatu. Tarp vandenyje esančio bikarbonato ir ore esančio anglies dioksido susidaro pusiausvyra. Be to anglies šaltiniu yra gyvi ir žuvę organizmai.
Atmosferoje daugiausia yra azoto - 78 %. Jo trūkumas dirvoje riboja augalų augimą. Augalai ore esančio azoto negali tiesiogiai pasisavinti ir priklauso nuo bakterijų, kurios sugeba azotą įjungti į organines molekules - azoto fiksacijos procesas. Yra žemės augalų šaknų gumbeliuose bakterijų, kurios taip pat gali fiksuoti azotą. Bakterijų fiksuotą azotą augalai gauna iš dirvos. Azoto pavertimas nitratais vyksta dviem etapais. Vienos bakterijos amoniaką paverčia nitritu, o kitos nitritą - nitratu. Šis procesas vadinamas nitrifikacija. Yra ir denitrifikuojančių bakterijų, kurios atlieka priešingą azoto fiksavimui procesą, t.y. nitratus verčia azoto oksidais ir azoto dujomis.
Dūlėjant uolienoms fosfatai patenka į dirvą ir juos gali pasisavinti augalai. Dalis fosfatų išplaunama į vandens ekosistemas. Nespėjusius nusėsti dugne fosfatus pasisavina dumbliai, o nugrimzdę virsta geologinėmis nuosėdomis ir į žemės paviršių, divą, patenka geologinių procesų dėka arba žmonių pagalba. Žmonių veikla (kasyba, gyvulininkystė, trąšų bei skalbimo priemonių gamyba) labai padidina fosfatų kiekį ekosistemose, suintensyvina eutrofikaciją. Fosforas į atmosferą nepatenka.
- Žali augalai vadinami producentais - jie patys pasigamina maistą.
- Bakterijos, grybai ir kai kurie vabzdžiai bei kirmėlės, mintantys dvėseliena, vadinami reducentais - jie panaudoja žuvusių augalų maistingas medžiagas ir skaido į paprastesnius organinius junginius.
Ekosistema galėtų egzistuoti neapibrėžtai ilgai, jeigu ją sudarytų tik producentai ir reducentai. Tačiau didelę energijos dalį, sukauptą producentuose, panaudoja konsumentai: žolėdžiai, visaėdžiai, parazitai bei mėsėdžiai, mintantys žolėdžiais. Tiriant organizmų, kurie sudaro ekosistemą, mitybą, galima sudaryti mitybos tinklą, kuris atspindi energijos ir maisto elementų srautus. Ekosistemoje susidarę mitybos lygiai vadinami trofiniais lygiais. Pirmą lygį sudaro augalai - producentai, antras - konsumentai (žolėdžiai), trečias - antriniai konsumentai (mėsėdžiai).
Bakterijos, grybai, vabzdžiai - reducentai panaudoja žuvusių augalų maistingas medžiagas ir organinius junginius skaido į paprastesnius neorganinius junginius, kuriuos sugeba įsisavinti augalai. Ekosistemoje vienu metu egzistuoja keletas susijusių mitybos grandžių, dažniausiai 3 - 4. Bendras greitis, kokiu augalai įsisavina saulės energiją, vadinamas bendru pirminiu produktyvumu. Beveik pusę tos energijos, sukauptos fotosintezės metu, sunaudoja patys augalai kvėpavimui. Likusi energijos dalis vadinama grynu pirminiu produktyvumu. Pereinant iš vieno mitybos lygmens į kitą produkcija sumažėja 10 kartų.
Procesas, kurio metu mažo produktyvumo ekosistema palaipsniui tampa produktyvia, dėl pastovaus maistinių medžiagų pasipildymo, vadinamas eutrofikacija. ekosistemos degradaciją. Ekosistema yra dinamiškas darinys, todėl vienos organizmų rūšys išnyksta, o kitos atsiranda. Toks procesas, kai vieną ekosistemą pakeičia kita, vadinamas ekologine sukcesija, kitaip - kaita. Vieni pokyčiai būna trumpalaikiai, o kiti ilgalaikiai, visiškai pakeičiantys ekosistemą.
Remiantis pavyzdžiais paaiškinti, kad mitybos grandinė yra kelias, kuris jungia skirtingas bendrijos rūšis. Kiekviena mitybos grandinės rūšis minta prieš ją grandinėje esančios grandies organizmais ir kiekviena tampa maistu po jos esančios grandies organizmams. Pvz., kopūstas → kopūstinis baltukas (vikšras) → zylė; fitoplanktonas → zooplanktonas → planktonu mintančios žuvys → plėšriosios žuvys.Grandžių skaičius mitybos grandinėje yra ribotas, paprastai 4-5, retai 10. Energijai keliaujant iš vienos grandies į kitą didelė jos dalis (apie 80-90 %) išsisklaido šilumos pavidalu ir susidaro dideli suminės biomasės skirtumai (pvz., vikšrų biomasė daug didesnė nei zylių, fitoplanktono - nei žuvų).Ta pati rūšis gali priklausyti kelioms skirtingoms mitybos grandinėms. Pagal pirmųjų lygmenų organizmus skiriami 2 svarbiausi mitybos grandinių tipai: gamintojai ir skaidytojai. Ekosistemoje mitybos grandinės susipynusios ir sudaro mitybos tinklus. Mitybos grandinėmis keliauja ir iš aplinkos į organizmus patekę greitai nesuyrantys teršalai, jų koncentracija didėja nuo žemiausiojo mitybos lygmens iki aukščiausiojo.
Energijai keliaujant iš vienos grandies į kitą didelė jos dalis (apie 80-90 %) išsisklaido šilumos pavidalu ir susidaro dideli suminės biomasės skirtumai (pvz., vikšrų biomasė daug didesnė nei zylių, fitoplanktono - nei žuvų).Remiantis produkcijos piramidėmis, paaiškinti energijos virsmus ir perdavimą ekosistemose.