Единственным источником энергии, поступающей в экосистему, является солнечная энергия. В результате фотосинтеза солнечная энергия превращается в биохимическую энергию, заключенную в молекулах живого вещества — сахарах, жирах, белках. Солнечная энергия становится определенным количеством живого вещества («растительной биомассы»), поглощаемой затем другими компонентами экосистемы.

Цепи питания. Круговорот энергии и вещества осуществляется в экосистеме через цепи питания, связи между организмами, занимающими последовательные трофические уровни.

Цепи питания организованы по схеме:

Растения — травоядные животные — хищники 1-го порядка — хищники 2-го порядка

Часть энергии, заключенной в растительной биомассе, используется травоядными животными, которые трансформируют ее в животную биомассу. Хищники, в свою очередь, питаются травоядными животными и используют часть их биомассы, и так до самого верхнего трофического уровня. Цепи питания экосистемы объединены и взаимосвязаны в виде трофических систем.

Продуктивность экосистем. По всей трофической цепи циркулирует двойной поток веществ и энергии; энергия заключена в живой биомассе в виде органических соединений. Часть растительной биомассы поставляет энергию для дыхания растений в виде глюкозы, этого «топлива» для живых организмов. Остальная («несгоревшая») часть составляет вещество, которое может быть использовано в трофической системе. Травоядные используют его часть, из которой образуется вторичная продукция в виде животной биомассы, эквивалентная энергии, содержащейся в растениях, которые они поедают. Часть этой продукции, в свою очередь, используется хищниками 1-го порядка, и так далее до последнего трофического уровня.

Этому обмену энергией чужда максимальная продуктивность, поскольку в процессе круговорота энергии в экосистемах происходят неизбежные потери. По закону Линдемана, только часть энергии (часто порядка 10%), достигшей определенного трофического уровня, переводится на более высокий трофический уровень.

Если «сложить» переходы энергии, происходящие на каждом трофическом уровне, получится пирамида энергии экосистемы.

Физиологическая деятельность, обусловливающая рост и нормальное развитие разных организмов, выражается в производстве биомассы. Общее количество живого материала, произведенного за определенный промежуток времени, называется продукцией брутто; оставшееся количество биомассы после вторичного использования ее для дыхания организмов называется продукцией нетто.

Термин «продуктивность» в экологии означает количество биомассы, производимой на единице поверхности в единицу времени. Первичная продуктивность экосистем соответствует всей продукции растительного материала, созданной деятельностью зеленых растений и (или) других типов автотрофных организмов. Она выражается в тоннах сухого вещества на гектар в год или количеством связанного органического углерода в граммах углерода на квадратный метр в год. Вторичная продуктивность, соответствующая комплексу живого материала, произведенного животными, выражается в килограммах сухого живого вещества на гектар в год.

Биогеохимические циклы. В процессе круговорота веществ в экосистеме осуществляется перенос элементов питания к растениям, а затем к животным. Мертвое органическое вещество, гак растительное, так и животное, разлагается гетеротрофами, в результате чего происходит полная его минерализация, завершающая круговорот. Биогеохимический круговорот — круговорот основных элементов живого вещества, характеризующийся постоянным переходом из минерального состояния в органическое и обратно.

Для экологии в целом наиболее важны круговороты биогенных элементов, составной части живого вещества. В порядке убывания количества элементов в биосфере, это круговорот углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора, серы, и т. д., к которым нужно добавить круговорот воды.