Gli ecosistemi sono costantemente attraversati da un flusso di energia, che sostiene il ciclo della materia e rende possibili i fenomeni vitali. L’energia entra nell’ecosistema quando piccole molecole inorganiche sono impiegate per costruire molecole biologiche ricche di energia. L’energia fluisce con il passaggio delle molecole biologiche da un sistema vivente all’altro nelle catene alimentari. L’energia esce dall’ecosistema, in forma degradata, quando le molecole biologiche sono demolite nelle piccole molecole inorganiche di partenza e il ciclo della materia si chiude.
Rispetto a questi processi i sistemi viventi possono svolgere tre ruoli principali: produttori, consumatori, decompositori. I produttori ricavano energia da una fonte non organica e la impiegano per costruire molecole biologiche. I consumatori ricevono energia da molecole biologiche prodotte da altri organismi. I decompositori ricevono energia da molecole biologiche presenti nella sostanza organica morta o nei prodotti di rifiuto.
Negli ecosistemi il ruolo dei diversi sistemi viventi è però molto più sottilmente articolato. Se, ad esempio, la fonte non organica di energia in un certo ecosistema è rappresentata dalla luce solare, ci sono molti modi in cui può essere sfruttata dai produttori, in condizioni molto varie di illuminazione, di temperatura, di umidità, di acidità del suolo e così via. In altri termini, c’è spazio per una grande varietà di soluzioni. Lo stesso vale per i consumatori, che si possono nutrire di produttori dell’uno o dell’altro tipo, di questa o quella parte della pianta, di altri consumatori e così via, e anche per i decompositori.
Il ruolo preciso che una specie ricopre in un ecosistema costituisce la nicchia ecologica. La nicchia ecologica è descritta dalle modalità con cui la specie si procura il cibo, dal tipo di cibo consumato, dalle modalità riproduttive, dalle condizioni chimiche e fisiche tollerate, dai predatori e dai parassiti con cui interagisce. Un esempio di nicchia ecologica è il seguente: un autotrofo fotosintetico sciafilo, che cresce in terreni acidi e costantemente umidi, tollera temperature minime non inferiori a – 2 °C e massime non superiori a 32 °C. Un secondo esempio: un uccello predatore di piccoli pesci e di crostacei, che pesca tuffandosi in acqua, migra, nidifica in aprile, è solitario e può essere predato da serpenti, falchi, volpi.
Se, in uno stesso ecosistema, due specie competono per la stessa nicchia ecologica, una delle due finisce per essere eliminata. Infatti, se le specie sono diverse, differiscono per almeno qualche carattere e la differenza fa sì che nello sfruttamento delle risorse una delle due specie sia favorita. Il vantaggio della specie piω efficiente comporta una continua sottrazione di risorse all’altra, che prima o poi si estingue. La maggiore o minore efficienza di una specie è sempre relativa alle specifiche condizioni ambientali. Una specie che soccombe in un determinato ecosistema, può invece risultare la più adatta in un diverso ecosistema.
Ogni organismo riceve una parte dell’energia che fluisce nell’ecosistema e la impiega per sintetizzare le proprie specifiche molecole biologiche. Le caratteristiche delle molecole biologiche costruite e, di conseguenza, degli organismi dipendono dal programma che guida l’utilizzazione dell’energia. L’informazione biologica che una specie possiede ne determina il ruolo nello sfruttamento del flusso di energia. Le popolazioni sono serbatoi di informazione biologica adatta a conquistare un rivolo, più o meno copioso, dell’energia che fluisce nell’ecosistema. La selezione naturale modella incessantemente la popolazione e l’informazione biologica che essa conserva, in modo da massimizzare la quantità di energia che può essere utilizzata.
I fattori evolutivi sono responsabili della casuale comparsa in una popolazione di mutanti capaci di occupare una nuova nicchia. Se la nuova nicchia è occupata da un’altra specie, si verifica una competizione, in cui generalmente prevalere la specie che da più tempo occupa la nicchia e che è già bene adattata. Se la nuova nicchia è libera, i mutanti svolgono un ruolo pionieristico e hanno il tempo di sviluppare adattamenti efficaci, che consentiranno loro di competere con successo contro eventuali futuri tentativi di colonizzazione. Da queste considerazioni si potrebbe dedurre che la competizione tenda regolarmente a favorire le specie che già occupano una nicchia ecologica e di conseguenza la dinamica evolutiva risulterebbe piuttosto conservatrice. Occorre però ricordare il ruolo svolto dalle estinzioni, in particolare dalle estinzioni di massa. In questi casi nicchie precedentemente occupate si aprono alla colonizzazione di organismi che erano relegati in una nicchia più ristretta. Nel caso delle estinzioni di massa, la subitanea liberazione di molte nicchie ecologiche determina una ampia possibilità di espansione per le specie sopravvissute. Organismi di una o poche specie originarie possono colonizzare numerose nicchie e differenziarsi in molte nuove specie, con un processo di radiazione adattativa.