In biologia, il termine specie si riferisce a tutti gli organismi dello stesso tipo che sono potenzialmente in grado, in condizioni naturali, di riprodursi e produrre prole fertile. I membri di una specie che vivono in una data area allo stesso tempo costituiscono una popolazione. Tutte le popolazioni che vivono e interagiscono in una particolare area geografica costituiscono una comunità biologica (o biotica). Gli organismi viventi in una comunità insieme al loro ambiente non vivente o abiotico costituiscono un ecosistema. In teoria, un ecosistema (e la comunità biologica che forma la sua componente vivente) può essere piccolo come poche larve di zanzara che vivono in una pozzanghera o grande come una prateria che si estende per migliaia di chilometri.
Una comunità biotica molto grande e generale come la foresta boreale è chiamata bioma.
Spesso è difficile, tuttavia, definire dove una comunità o un ecosistema si ferma e inizia un altro. Gli organismi possono trascorrere parte della loro vita in una zona e parte in un’altra. Acqua, nutrienti, sedimenti e altri fattori abiotici sono trasportati da un luogo all’altro dalle forze geologiche e dagli organismi che migrano. Mentre potrebbe sembrare che un lago e la terraferma che lo circonda, per esempio, siano nettamente diversi nelle loro condizioni ambientali e comunità biologiche, ci può essere una grande quantità di scambio di materiali e organismi da uno all’altro. Gli insetti cadono nel lago e vengono mangiati dai pesci. Gli anfibi lasciano il lago per cacciare sulla riva. Il suolo erode dalla terra e fertilizza l’acqua. L’acqua evaporata dalla superficie del lago ricade sulla terra come pioggia che nutre la vita delle piante. Ogni comunità biologica richiede un afflusso più o meno costante di energia per mantenere i processi viventi.
Diverse importanti categorie e processi ecologici caratterizzano ogni comunità biologica. La produttività descrive la quantità di biomassa prodotta dalle piante verdi mentre catturano la luce del sole e creano nuovi composti organici. Una foresta pluviale tropicale o un campo di mais del Midwest possono avere tassi di produttività molto alti, mentre i deserti e l’artictundra tendono ad essere molto improduttivi. I livelli trofici descrivono i metodi usati dai membri della comunità biologica per ottenere il cibo. I produttori primari sono le piante verdi che dipendono dalla fotosintesi per il loro nutrimento. I consumatori primari sono gli erbivori che mangiano le piante. I consumatori secondari sono i carnivori che si nutrono di erbivori. I primi carnivori sono animali grandi e feroci che occupano il livello più alto della catena alimentare. Nessuno mangia i carnivori superiori tranne gli spazzini (come avvoltoi e iene) e i decompositori (come funghi e batteri) che consumano organismi morti e riciclano i loro corpi nella componente abiotica dell’ecosistema. A causa della seconda legge della termodinamica, la maggior parte dell’energia di ogni livello trofico non è disponibile per gli organismi del livello immediatamente superiore. Questo significa che ogni livello trofico successivo ha generalmente molti meno membri delle prede di cui si nutrono. Mentre ci potrebbero essere migliaia di produttori primari in una particolare comunità, ci potrebbero essere solo pochi predatori superiori.
L’abbondanza è un’espressione del numero totale di organismi in una comunità biologica, mentre la diversità è una misura del numero di specie diverse in quella comunità. La tundra artica dell’Alaska ha grandi nuvole di insetti, enormi stormi di uccelli migratori e grandi branchi di poche specie di mammiferi durante la breve stagione di crescita estiva. Così, ha un’alta abbondanza ma pochissima diversità. La foresta pluviale tropicale, d’altra parte, potrebbe avere diverse migliaia di specie di alberi diversi e un numero ancora maggiore di specie di insetti in pochi ettari, ma ci possono essere solo pochi individui che rappresentano ciascuna di queste specie in quell’area. Così, la foresta potrebbe avere una diversità estremamente elevata ma una bassa abbondanza di qualsiasi specie particolare. La complessità è una descrizione della varietà di processi ecologici o il numero di nicchie ecologiche (modi di vivere) all’interno di una comunità biologica. La foresta pluviale tropicale è probabilmente molto complessa, mentre la tundra artica ha una complessità relativamente bassa.
Le comunità biologiche generalmente subiscono una serie di cambiamenti evolutivi nel tempo conosciuti come successione. Le prime specie a colonizzare una superficie terrestre appena esposta, per esempio, sono note come pionieri. Organismi come licheni, erbe e piante da fiore infestanti con un’alta tolleranza per le condizioni difficili tendono a cadere in questa categoria. Nel corso del tempo, i pionieri intrappolano i sedimenti, costruiscono il suolo e trattengono l’umidità. Forniscono riparo e creano condizioni che permettono ad altre specie come arbusti e piccoli alberi di mettere radici e prosperare. Le piante più grandi accumulano il terreno più velocemente delle specie pioniere. Forniscono anche ombra, riparo, maggiore umidità, protezione dal sole e dal vento, e spazio vitale per gli organismi che non potrebbero sopravvivere su terreno aperto. Alla fine questi processi di successione risultano in una comunità molto diversa da quella stabilita inizialmente dai pionieri originali, la maggior parte dei quali sono costretti a spostarsi su altri terreni appena disturbati. Una volta si pensava che ogni area avrebbe avuto una comunità climax come un bosco di querce o una prateria determinata dal clima, dalla topografia e dalla composizione minerale. Dato abbastanza tempo e libertà dal disturbo, si credeva che ogni comunità avrebbe inevitabilmente progredito verso il suo stato climax. Ora si riconosce, tuttavia, che alcuni ecosistemi subiscono continue perturbazioni. Alcuni assemblaggi biologici, come le foreste di conifere, che una volta pensavamo fossero comunità climax stabili, ora riconosciamo come associazioni casuali in un mosaico sempre mutevole di paesaggi regolarmente disturbati e in costante cambiamento.
Molte comunità biologiche sono relativamente stabili per lunghi periodi di tempo e sono in grado di resistere a molti tipi di disturbo e cambiamento. Un bosco di querce, per esempio, tende a rimanere un bosco di querce perché le specie che lo compongono hanno meccanismi di autoperpetuazione. Quando un albero cade, altri crescono per sostituirlo. La capacità di riparare i danni e di resistere ai cambiamenti è chiamata “resilienza”. Per molti anni c’è stato un dibattito in corso tra ecologi teorici e sul campo sul fatto che la complessità e la diversità in una comunità biologica aumentino la resilienza. I modelli teorici suggeriscono che una popolazione di poche specie erbacee molto resistenti, come i denti di leone e le cimici di sambuco, potrebbe essere più resistente al cambiamento di una comunità più altamente specializzata e più diversificata, come una foresta tropicale. Recenti prove empiriche suggeriscono che almeno in alcune comunità, come le praterie, una maggiore diversità impartisce una maggiore resistenza al cambiamento e una migliore capacità di riparare i danni dopo uno stress o un disturbo.