Ein Ökosystem ist das Wirkungsgefüge aus Lebensraum und Organismen. Der unbelebte Lebensraum heißt Biotop, die Gesamtheit der Lebewesen darin Biozönose. Auf die Organismen wirken ökologische Faktoren:

• Abiotische Faktoren gehören zur unbelebten Umwelt: Licht, Temperatur, Wasser, Salzgehalt, pH-Wert, Sauerstoff- und Nährstoffgehalt.
• Biotische Faktoren gehen von Lebewesen aus: Konkurrenten, Fressfeinde, Parasiten, Symbiosepartner.

Ob eine Art an einem Ort lebt, hängt von beiden Gruppen ab.

Die Toleranzkurve zeigt die Lebenstüchtigkeit einer Art (etwa Wachstum oder Fortpflanzung) in Abhängigkeit von der Stärke eines abiotischen Faktors. Sie ist meist glockenförmig. Beim Optimum ist die Lebenstüchtigkeit am größten. Daneben liegen die Pessimumbereiche, in denen die Art nur überlebt, aber kaum wächst. Außerhalb von Minimum und Maximum stirbt sie. Das Intervall dazwischen ist der Toleranzbereich. Ist er weit, heißt die Art für diesen Faktor euryök (Karpfen), ist er eng, stenök (Bachforelle).

Die physiologische Potenz ist der Toleranzbereich im Labor ohne Konkurrenz. Die ökologische Potenz ist der Bereich, den die Art im Freiland unter Konkurrenz und Fressfeinden tatsächlich besiedelt. Sie ist meist schmaler und kann ihr Optimum verschieben: Die Waldkiefer wächst im Versuch auf mittelfeuchten Böden am besten, im Freiland steht sie vor allem auf sehr trockenen oder sehr nassen Böden, wo die Rotbuche zurückbleibt.

Das Gesetz vom Minimum (Liebig): Das Wachstum begrenzt der Faktor, der im Verhältnis zum Bedarf am knappsten ist (Minimumfaktor). Mehr von den anderen Faktoren hilft nicht.

Intraspezifische Beziehungen bestehen zwischen Individuen einer Art: Konkurrenz um Nahrung, Raum und Partner (Revier), aber auch Zusammenarbeit (Brutpflege, Rudel). Interspezifische Beziehungen bestehen zwischen verschiedenen Arten. Man beschreibt sie nach Nutzen (+) und Schaden (−):

Für ein vereinfachtes Modell aus einer Räuberart und einer Beuteart (der Räuber frisst nur diese Beute, die Umwelt ist konstant) gelten drei Regeln.

• Erste Regel, periodische Schwankung: Beide Populationen schwanken periodisch mit gleicher Periodendauer. Die Räuberkurve folgt der Beutekurve zeitlich versetzt.
• Zweite Regel, Konstanz der Mittelwerte: Über längere Zeit bleiben die Mittelwerte beider Populationsgrößen gleich.
• Dritte Regel, Störung der Mittelwerte: Werden beide Populationen gleichmäßig dezimiert, etwa durch ein Gift, erholt sich die Beute schneller. Ihr Mittelwert steigt, der des Räubers sinkt.

So kann ein Insektizid, das Schädlinge und ihre Fressfeinde trifft, den Schädling fördern. Grenzen des Modells: Räuber haben meist mehrere Beutearten, und Beute findet Verstecke. Die Kurven von Luchs und Schneeschuhhase (etwa zehn Jahre Periode) folgen dem Modell nur grob.

Die ökologische Nische ist die Gesamtheit der Beziehungen einer Art zu ihrer Umwelt: die Faktoren, die sie verträgt, die Ressourcen, die sie nutzt, und ihre Rolle im Nahrungsnetz. Der Lebensraum ist die Adresse, die Nische der Beruf. Die Fundamentalnische ist die Nische ohne Konkurrenz (entspricht der physiologischen Potenz), die Realnische die tatsächlich besetzte, durch Konkurrenten eingeengte (entspricht der ökologischen Potenz).

Das Konkurrenzausschlussprinzip (Gause): Zwei Arten mit gleicher Nische können auf Dauer nicht zusammenleben, die konkurrenzstärkere verdrängt die andere. Im Versuch mit den Pantoffeltierchen Paramecium aurelia und P. caudatum in einer Kultur mit begrenzter Nahrung überlebt nur P. aurelia, einzeln wachsen beide gut. Koexistenz ist möglich, wenn sich die Nischen unterscheiden (Einnischung): andere Nahrung, anderer Ort, andere Zeit, wie bei Meisenarten im Wald.

Produzenten (Pflanzen, Algen, Cyanobakterien) bauen mit Lichtenergie organische Stoffe auf. Konsumenten fressen organische Substanz: Pflanzenfresser sind Konsumenten 1. Ordnung, ihre Fressfeinde Konsumenten 2. Ordnung. Destruenten (Bakterien, Pilze) zersetzen Totes und setzen Mineralstoffe und CO2 frei. Die Ebenen der Ernährung heißen Trophiestufen (1. Stufe: Produzenten, 2. Stufe: Konsumenten 1. Ordnung usw.). Da die meisten Arten mehrere Nahrungsquellen nutzen, bilden die Nahrungsketten ein Nahrungsnetz.

Energie stammt meist aus dem Sonnenlicht und fließt nur in eine Richtung. Als Faustregel wird etwa 10 % der Energie einer Stufe in Biomasse der nächsten eingebaut. Der Rest dient der Zellatmung und verlässt das System als Wärme oder bleibt in Kot und ungefressenen Teilen. Darum gibt es nur wenige Stufen.

Stoffe kreisen. Kohlenstoff gelangt als CO2 durch Fotosynthese in die Produzenten, wandert durch das Nahrungsnetz und kehrt durch Zellatmung und Verbrennung als CO2 in Luft und Wasser zurück. Speicher sind Atmosphäre, Biomasse, Humus, Ozean, Kalkgestein sowie Kohle, Erdöl und Erdgas.

Sukzession ist die zeitliche Abfolge von Lebensgemeinschaften an einem Standort. Die Primärsukzession beginnt auf Rohboden ohne Vorbesiedlung (Lavafeld, Gletschervorfeld). Pionierarten wie Flechten und Moose verwittern das Gestein und bilden erste Humusreste. Es folgen Gräser, Sträucher, Lichtbaumarten (Birke) und schattenverträgliche Arten wie die Rotbuche. Die Sekundärsukzession beginnt auf vorhandenem Boden, etwa auf einer Brache oder nach einem Windwurf, und läuft schneller ab. Die Endstufe mit kaum noch veränderter Zusammensetzung heißt Klimaxstadium. Meist nehmen Biomasse, Humus und Artenzahl zu, und Nahrungsnetze werden komplexer.

Abiotische Faktoren misst man am Standort und wiederholt: Licht mit dem Luxmeter, Temperatur mit dem Thermometer, pH-Wert mit Indikatorpapier oder Sonde, Sauerstoff im Wasser mit einer Sonde, Bodenfeuchte durch Wiegen vor und nach dem Trocknen.

Die qualitative Erfassung fragt, welche Arten vorkommen, nicht wie viele. Man fängt oder beobachtet sie (Kescher, Bodenfallen), bestimmt sie mit Bestimmungsschlüsseln und führt eine Artenliste. Zeigerarten kennzeichnen Bedingungen: Die Brennnessel zeigt stickstoffreichen Boden an, bestimmte Flechten saubere Luft, Steinfliegenlarven sauberes Wasser.