1. Vad är ekologi?

Efter att ha studerat detta avsnitt ska du kunna:
1.1 Diskutera begreppet miljö i relation till vetenskapen om ekologi.

Ekologi är studiet av hur levande organismer samspelar med varandra och med sin fysiska miljö. Dessa samspel påverkar många delar av naturen, inklusive var organismer finns, hur många av varje art som finns på ett ställe, och hur energi rör sig i naturen.

Människor förändrar jordens miljö snabbt, men vi förstår inte helt vad dessa förändringar kan leda till. Till exempel har mänsklig aktivitet ökat mängden kväve i våra sjöar och åar, ändrat hur vi använder marken i Sverige, och ökat mängden koldioxid (CO₂) i atmosfären. Sådana förändringar hotar livets mångfald på jorden och kan också äventyra de system som stödjer vårt liv. På grund av den snabba miljöförändringen i början av det tjugoförsta århundradet är det viktigt att vi bättre förstår jordens ekologi.

Bakom den enkla definitionen av ekologi finns en bred vetenskaplig disciplin. Ekologer kan studera enskilda djur eller växter, hela skogar eller sjöar, eller till och med hela planeten. Ekologer mäter saker som antalet individer, hur snabbt organismer förökar sig och processer som fotosyntes och nedbrytning. Ofta studerar ekologer även icke-biologiska delar av miljön, som temperatur och jordkemi. I vissa fall är miljön som studeras andra arter. Även om många ekologer arbetar ute i fält, kommer några av de viktigaste vetenskapliga framstegen från ekologer som bygger teoretiska modeller eller forskar i laboratorier. Vår enkla definition av ekologi fångar inte den stora bredden av disciplinen eller mångfalden av dess utövare. För att bättre förstå vad ekologi är, låt oss kort granska dess omfattning.

Översikt över ekologi

Efter att ha studerat detta avsnitt bör du kunna:
1.2 Beskriva de olika nivåerna av ekologisk organisation, som till exempel populationer, som ekologer studerar.
1.3 Identifiera vilka typer av frågor ekologer ställer på varje nivå av ekologisk organisation.
1.4 Förklara hur förståelse av en nivå av ekologisk organisation kan hjälpa forskning på en annan nivå.

Ekologer studerar relationer med miljö från enskilda organismer till processer som sker i global skala. Dessa ämnen organiseras i olika nivåer av ekologisk organisation, som ordnas som en hierarki. Figur 1.1 visar denna hierarki på ett visuellt sätt.

Historiskt sett har studier av enskilda organismer (Figur 1.1A) varit fokus för två områden: fysiologisk ekologi och beteendeekologi. Fysiologiska ekologer studerar hur organismer har utvecklat fysiska och anatomiska egenskaper för att anpassa sig till olika miljöutmaningar. Beteendeekologer fokuserar på hur djurs beteenden har utvecklats för att hjälpa dem att överleva och reproducera sig i en föränderlig miljö.

Det finns en nära koppling mellan studier av enskilda individer och studier av populationer, särskilt när det gäller evolutionära processer. Populationsekologi fokuserar på de faktorer som påverkar strukturen och beteendet hos populationer. En population är en grupp individer av samma art som lever i ett specifikt område (Figur 1.1B). Populationsekologer studerar processer som anpassning, utdöende, artens utbredning, populationstillväxt och hur arter förökar sig. De är särskilt intresserade av hur dessa processer påverkas av miljön, både biotiska (levande) och abiotiska (icke-levande) faktorer.

När vi lägger till samspelet mellan olika arter går vi vidare till nästa nivå av organisation: samhället (Figur 1.1C). Ett samhälle är en grupp av olika arter som interagerar med varandra. Ekologer som studerar dessa interaktioner tittar ofta på hur dessa relationer påverkar de inblandade arterna och strukturen av populationer eller ekologiska samhällen.

Nästa nivå är ekosystemet (Figur 1.1D). Ett ekosystem innefattar både samhället av arter och deras fysiska och kemiska miljö. Medan samhällsekologer fokuserar på typerna och mångfalden av organismer i ett område, studerar ekosystemekologer processer som energiflöde och nedbrytning. I studiesyfte kan ett ekosystem anses vara ett mer eller mindre distinkt biotiskt samhälle som lever i en viss miljö. Således kan en skog, en gräsmark, en savann, ett kärr, en damm, en tundra och ett korallrev, var och en med sina respektive arter i en viss miljö, studeras som distinkta ekosystem. 

Ekologer har försökt studera isolerade samhällen och ekosystem, men i verkligheten är alla samhällen och ekosystem sammankopplade. De utbyter material, energi och organismer med varandra. Studien av dessa utbyten, särskilt mellan ekosystem, kallas landskapsekologi (Figur 1.1E). Liknande eller relaterade ekosystem eller landområden grupperas ofta tillsammans för att bilda större typer av ekosystem som kallas biomer. Tropiska regnskogar, gräsmarker och öknar är några exempel. Även om ett biom är mer omfattande än ett ekosystem i sin bredd och komplexitet, är det i grunden en distinkt typ av biotiskt samhälle som stöds och begränsas av vissa abiotiska miljöfaktorer. Precis som med ekosystem finns det i allmänhet inga skarpa gränser mellan biomer, men en biom övergår i en annan genom övergångsregioner som kallas ekotoner. 

Detta leder oss till den största nivån av ekologisk organisation: biosfären. Biosfären innefattar alla delar av jorden som stödjer liv, som land, vatten och atmosfär (Figur 1.1F).

De andra sfärerna

Efter att ha studerat detta avsnitt bör du kunna:
1.5 Beskriva atmosfärens, hydrosfärens och litosfärens sammansättning och betydelse för levande organismer.
1.6 Förklara hur vatten övergår mellan olika tillstånd (fast, flytande, gas) och varför dessa förändringar är viktiga för levande organismer.

Under tillväxt och nedbrytning flyttas atomer från omgivningen till levande varelser och återvänder sedan till omgivningen. För att föreställa sig denna process kan man tänka sig miljön som tre öppna, icke-levande system, eller ”sfärer”, som interagerar med biosfären. Atmosfären är det tunna skikt av gaser (inklusive vattenånga) som skiljer jorden från yttre rymden. Hydrosfären är vatten i alla dess flytande och fasta delar: hav, floder, is och grundvatten. Litosfären är jordskorpan, som består av stenar och mineraler. Det sker ett ständigt utbyte av materia inom och mellan dessa fyra sfärer (Figur 1.2).

Atmosfären

Den nedre atmosfären består av tre viktiga gaser—syre (O₂), kväve (N₂) och koldioxid (CO₂)—samt vattenånga och små mängder av andra gaser. Dessa gaser är vanligtvis stabila, men ibland kan de reagera och bilda nya ämnen. Till exempel skapas ozon (O₃) från syre i den övre atmosfären. Växter tar upp koldioxid från luften (se 3. Flöde av energi och kretslopp av materia), oftast genom sina blad. Djur tar in syre, vanligtvis genom organ som lungor, men vissa, som daggmaskar, kan absorbera syre direkt genom huden.

Hydrosfären

Medan atmosfären ger organismer kol och syre, får de sitt väte från hydrosfären. Vatten, som består av två väteatomer och en syreatom (H₂O) (Figur 1.3A), är nödvändigt för livet. Vatten kan finnas i tre tillstånd: fast (is), flytande, och gas (ånga). Vid temperaturer under fryspunkten blir vatten fast (is eller snö) eftersom vätebindningar håller molekylerna på plats. I flytande form håller vätebindningar molekylerna nära varandra men tillåter dem att röra sig. När vatten avdunstar bryts dessa bindningar och molekylerna rör sig fritt som gas. Ibland kan vatten gå direkt från fast tillstånd till gas utan att bli flytande; denna process kallas sublimering (Figur 1.3D till 1.3B). Att omvandla vatten från ett tillstånd till ett annat kräver eller frigör mycket energi, vilket är anledningen till att djur, inklusive människor, svettas för att svalka sig—avdunstning av svett tar bort värme från kroppen. Trots att vatten byter tillstånd, förblir dess grundläggande kemiska struktur H₂O densamma; det är bara relationen mellan molekylerna som förändras.

Litosfären

Litosfären innehåller alla andra grundämnen som levande organismer behöver, samt cirka 72 grundämnen som de inte behöver. Dessa ämnen finns i berg och jordmineraler. Ett mineral är ett naturligt förekommande fast ämne med en specifik kemisk struktur, skapat genom geologiska processer. De flesta bergarter består av små kristaller av två eller flera mineraler, och jord består av partiklar av många olika mineraler. Varje mineral är uppbyggt av täta kluster av atomer som är bundna tillsammans genom attraktionen mellan positiva och negativa laddningar.