Struktura ekosystemu – rozmieszczenie elementów specyficznego systemu, którym jest ekosystem, oraz wzajemne powiązania między tymi elementami.
Za najmniejsze elementy systemu uznano organizmy poszczególnych gatunków. Gatunki zajmują określone nisze ekologiczne, które uważa się za komplet odpowiadających organizmom czynników abiotycznych i biotycznych (np. zależności międzygatunkowe, konkurencja wewnątrzgatunkowa, zależności w stadach). Zamieszkujące ten sam obszar populacje różnych gatunków wspólnie tworzą biocenozę, która jest zależna od swojego siedliska, a równocześnie je kształtuje, tworząc biotop. System biocenoza-biotop dąży do klimaksu, w którym jest osiągana równowaga biocenotyczna – struktura optymalna pod względem rodzaju gatunków oraz liczebności i rozmieszczenia ich populacji. Zrównoważony ekosystem jest traktowany jak układ termodynamicznie zamknięty (zamknięty system ekologiczny). W takim systemie materia cyrkuluje dzięki dopływowi energii z zewnątrz, najczęściej pobieranej w postaci promieniowania słonecznego (fotosynteza). Energia jest oddawana na sposób ciepła.
Struktura ekosystemu ulega stopniowym przeobrażeniom. Jeżeli zmiany zewnętrznych warunków funkcjonowania danego systemu są powolne, nadąża za nimi jego ewolucyjna adaptacja biologiczna. Tego rodzaju przekształcenia zachodziły niejednokrotnie w historii Ziemi (zob. tabela stratygraficzna), np. pod wpływem powolnej wędrówki kontynentów przez strefy klimatyczne. Szybsze zmiany warunków życia, zachodzące lokalnie (np. pod wskutek wielkich pożarów lasów i innych klęsk żywiołowych) lub w skali globalnej (np. spowodowane katastrofami kosmicznymi), prowadzą do zniszczenia ekosystemu. Zmiany warunków spowodowane działalnością człowieka (np. tworzeniem budowli hydrotechnicznych i sieci autostrad, zanieczyszczaniem powietrza, wód i gleb) są zawsze na tyle szybkie, że naturalna adaptacja ekosystemu (zob. sukcesja ekologiczna) nie jest możliwa.
System
System ( systema – rzecz złożona) to układ elementów powiązanych wzajemnymi zależnościami (tworzącymi jego strukturę). Dzięki tym specyficznym powiązaniom całość realizuje określoną funkcję nadrzędną. Miarą złożoności systemu jest liczba elementów składowych oraz liczba i rodzaj relacji między nimi. Od tych parametrów zależy liczba możliwych do wyróżnienia stanów wieloelementowej całości, w których system może się znaleźć.
Ekosystem jest systemem zawierającym elementy żywe – organizmy, które są uzależnione wzajemnie od siebie (biocenoza) oraz od nieożywionych elementów układu (biotop). Zespół charakterystycznych oddziaływań odróżnia ekosystemy od „układów biotycznych” – fragmentów biosfery, w których występują organizmy należące do różnych gatunków (grupy, zespoły), jednak nie wytworzyła się charakterystyczna dla tego zbioru elementów sieć wzajemnych powiązań, umożliwiająca trwałość układu po jego zamknięciu (zob. układ termodynamicznie zamknięty)Układ termodynamicznie zamknięty nie jest układem izolowanym. Nie jest możliwa wymiana materii z otoczeniem (zachodzi wyłącznie jej obieg), a jest możliwa wymiana energii, np. odbieranie promieniowania słonecznego i wymiana energii na sposób ciepła..
Gdy układ biotyczny jest zbudowany z niewielkiej liczby przypadkowo dobranych elementów (np. akwarium, pomarańczarnia), osiągnięcie równowagi ekologicznej jest mało prawdopodobne. Pierwsza próba zbudowania i eksploatacji przez ludzi dużego, wielogatunkowego sztucznego ekosystemu – zamkniętego systemu ekologicznego Biosfera 2 (grupa 8 osób, 2 lata) – została podjęta w Arizonie w latach 80. XX w. Analogiczne badania są kontynuowane (w mniejszej skali), m.in. w związku z amerykańskimi planami eksploracji kosmosu (np. projekty baz marsjańskich).
W Polsce działaniem systemów o różnym stopniu złożoności zajmuje się m.in. Instytut Badań Systemowych PAN, prowadzący badania w dziedzinie nauk podstawowych i stosowanych, np. dotyczące modelowania i optymalizacji systemów w różnych dziedzinach nauki i techniki. Jednym z obszarów działalności są zastosowania analizy systemowej w ochronie środowiska. Badania wykonywane w Centrum Zastosowań Informatyki w Inżynierii Środowiska obejmują m.in. oceny stanu i kierunków zmian poszczególnych parametrów ekosystemów naturalnych i antropogenicznych, modelowanie i projektowanie systemów wodnych (hydrografia) lub modelowanie i symulacje w meteorologii (np. prognozowanie pogody i zmian klimatu).
Podstawowe informacje o biosferze i ekologii
thumb|Warunkiem powstawania pierwszych komórek było prawdopodobnie odizolowanie części wody praoceanu od otoczenia warstwą nierozpuszczalnych w wodzie cząsteczek, podobną do dzisiejszych błon biologicznych. W takich odizolowanych przestrzeniach można analizować termodynamikę i kinetykę cykli reakcji chemicznych, czyli – według Gántiego Na rysunku – warstwy powstające pod wpływem oddziaływań międzycząsteczkowych; 1 – podwójna warstwa lipidowa (zob. błona komórkowa, 2 – warstwa pojedyncza (zob. micela); P, U – ciecze o różnej polarności thumb|Endosymbioza według Lynn Margulis thumb|Liczba gatunków ziemskich organizmów – nawet współczesnych – nie jest znana; są kwestionowane nawet zasady taksonomii. Wnioski z badań bioróżnorodności w przeszłości Ziemi (np. przedstawiony powyżej wykres dotyczący fanerozoiku) mają charakter hipotez, opartych na interpretacji niepełnego zapisu paleontologicznego. Według Jerzego Dzika:Generalny obraz zmian liczebności gatunków w dziejach Ziemi jest znany od stuleci. Szczegółowy jego opis jest podstawą programu badawczego tzw. paleobiologii ilościowej. Przy dzisiejszym stanie wiedzy i metodologii badań może to prowadzić jedynie do odkrywania prawidłowości powierzchownych, lub pozornych, opisujących raczej środowisko uczonych niż przyrodę. thumb|Schemat ilustrujący strukturę poglądowej „biosfery” z czterema ekosystemami;
♦ w systemie wyróżniono 4 typy biotopu (różne kolory tła A, B, C, D), ♦ w każdym z ekosystemów organizmy zajmują cztery poziomy troficzne:1 – producenci (kolor zielony),2 – konsumenci I (roślinożercy, kolor żółtozielony),3 – konsumenci II (drapieżnicy I, kolor pomarańczowy),4 – konsumenci III (drapieżcy II, kolor czerwony), ♦ niewypełnione okręgi w polach poszczególnych poziomów troficznych oznaczają populacje, punkty wewnątrz tych okręgów – organizmy, ♦ strzałki ilustrują wzajemne zależności między elementami systemu.
Historia biosfery Ziemia powstała ok. 4,5 mld lat temu, w czasie tworzenia się Układu Słonecznego na skutek grawitacyjnego zapadnięcia się obłoku molekularnego spowodowanego najprawdopodobniej wybuchem pobliskiej supernowej. Fala uderzeniowa doprowadziła do kurczenia się obłoku, a zarazem wymieszania materii z supernowej i materii obłoku, wzbogacając mgławicę o atomy powstające tylko w wybuchach supernowych. Atomy pierwiastków chemicznych – elementy chemicznej struktury byłej gwiazdy – oraz cząsteczki związków chemicznych, które z nich powstały, są dotychczas podstawowymi elementami ziemskiej materii – ożywionej i nieożywionej. Narodzinami biosfery Ziemi było pojawienie się życia – pierwszych organizmów (zob. też samoorganizacja, chemoton) – a jej dzisiejsza struktura ukształtowała się w toku wielu zmian. Przekształcanie zachodziło powolnie, wskutek ewolucji, oraz gwałtownie, np. w następstwie licznych katastrof kosmicznych w końcowej fazie akrecji planetozymali dysku protoplanetarnego na powierzchnię młodej Ziemi. Przypuszcza się, że między nielicznymi pierwszymi organizmami była powszechna „współpraca” – oddziaływania nazywane „egoistycznym altruizmem”, na które zwracał uwagę w swoich pracach Piotr Kropotkin (1842–1921)„Egoistyczny altruizm” jest obserwowany również współcześnie. Jego popularnym przykładem jest mikoryza. Przykładem z obszaru mniej znanego mikroświata jest symbiotyczna struktura grzybka kefirowego (przypominającego jeden organizm), w której skład wchodzą elementy nieożywione i ożywione (liczne mikroorganizmy).. Szczególnie ważną konsekwencją takich oddziaływań między organizmami jednokomórkowymi mogło być – zgodnie z koncepcją Lynn Margulis (1938–2011) – powstanie na drodze endosymbiozy pierwszych eukariontów wyposażonych w mitochondria i plastydy.
Wzrost gatunkowej różnorodności – taksonomicznego zróżnicowania (zob. powstawanie gatunków, radiacja ewolucyjna, radiacja adaptacyjna) – oraz liczebności organizmów (zob. dynamika liczebności populacji, zagęszczenie populacji) prawdopodobnie doprowadził do zwiększenia się roli darwinowskiej „walki o byt”, zgodnej z zasadami ewolucji i doboru naturalnego.
Liczba ziemskich organizmów i ich taksonomiczne zróżnicowanie były wielokrotnie redukowane, np. wskutek zmian składu atmosfery (np. pojawienia się i wzrostu stężenia tlenu – produktu fotosyntezy, zob. katastrofa tlenowa) i poziomu mórz, łączenia się lub rozpadu kontynentów i powstawania pokryw lawowych, kolizji Ziemi z planetoidami. Liczne w historii Ziemi wielkie wymierania prowadziły do niszczenia wcześniej utworzonych ekosystemów i powstawania nowych zależności między gatunkami – tymi, które przetrwały okres wymierania, i tymi, które powstały w nowych warunkach.
Współczesna biosfera i ekologia Współczesna biosfera jest jednym z systemów najbardziej złożonych i najmniej poznanych. Liczba wchodzących w jej skład gatunków organizmów jest wciąż tematem badań i polemik. Szacuje się, że mieści się w zakresie 5–50 mln; według części źródeł wynosi ok. 8,7 mln (± 1,3 mln), a według orientacyjnych oszacowań T.L. Erwina (1982) tylko stawonogi lasów równikowych mogą reprezentować 30 mln różnych gatunków. Wśród znanych gatunków współczesnych organizmów największą grupę stanowią zwierzęta (ok. 1,03 mln poznanych gatunków); 751 tys. spośród nich to gatunki owadów, a 42,3 tys. – gatunki kręgowców. Liczba poznanych gatunków roślin wynosi ok. 248,4 tys. (w tym dwuliścienne – 170 tys.). Prawdopodobnie liczba gatunków dotychczas nie opisanych jest wielokrotnie większa niż opisanych. Nieznana jest liczba gatunków mikroorganizmów, a temat jest rzadko podejmowany przez specjalistówMikroorganizmami zajmuje się zaledwie 2–3 % taksonomów..
Strukturą tego złożonego systemu zajmuje się ekologia. Jej nazwę wprowadził Ernst Haeckel już w 1869 roku. Jednoznaczne określenie jej zakresu i celów okazało się trudne. W roku 1927 Charles Sutherland Elton nazwał ją „nauką o historii naturalnej”. Podobnie szeroki zakres wskazał Eugene Odum (1963), pisząc, że ekologia to „nauka o strukturze i funkcjonowaniu przyrody”. Herbert Andrewartha (1961) zakres ekologii sprecyzował, stwierdzając:
Dalszego uściślenia dokonał Charles J. Krebs, zwracając uwagę na zainteresowanie ekologów przyczynami określonego rozmieszczenia i liczebności:
Własną propozycję skomentował we wstępie do swojej książki „Ekologia. Eksperymentalna analiza rozmieszczenia i liczebności” pisząc:
Typy układów sterowania ekosystemem Podejmując poszukiwania odpowiedzi na pytania, gdzie i w jakich liczebnościach występują organizmy, przyjmuje sięIstnieją kontrowersje między botanikami i zoologami, dotyczące pojęcia biocenoza, które utrudniają przyjęcie wspólnych zasad wyodrębniania ekosystemów. Botanicy stosują, poza pojęciem fitocenoza, rozbudowany system innych określeń ugrupowań roślinnych, np. zespół roślinności, zbiorowisko roślinne, synuzjum, agregacja roślinna lub socjacja, które nie mają odpowiedników w zoologii. Ch.J. Krebs („Ekologia”, rodz. 20) napisał m.in.:, że system-biosfera jest złożony z wielu podsystemów – mniejszych ekosystemów o zróżnicowanej wielkości i strukturze, łatwiejszych do jednoznacznego formalnego opisania (umożliwiających opracowywanie matematycznych modeli). W każdym z podsystemów wyodrębnia się dwie podstawowe części: biocenozaPojęcie „biocenoza” nie jest stosowane przez wszystkich specjalistów. W książce Stevena N. Stanleya z dziedziny geografii i biogeografii Historia Ziemi (PWN 2002, przekład Ireneusz Walaszczyk) są stosowane pojęcia „zespół biotyczny” i „zespół ekologiczny”. – zespół wszystkich populacji zamieszkujących siedlisko,