Los organismos habitan casi todos los entornos de la Tierra, desde los respiraderos calientes de las profundidades del fondo oceánico hasta los confines helados del Ártico. Cada entorno ofrece tanto recursos como limitaciones que configuran el aspecto de las especies que lo habitan, así como las estrategias que estas especies utilizan para sobrevivir y reproducirse. Algunos de los patrones más amplios de diferencias ambientales surgen de la forma en que nuestro planeta orbita el Sol y la consiguiente distribución global de la luz solar (Chapin et al. 2002). En los trópicos, donde la radiación solar es abundante durante todo el año, las temperaturas son cálidas y las plantas pueden realizar la fotosíntesis de forma continua siempre que haya agua y nutrientes disponibles. En las regiones polares, donde la radiación solar es estacionalmente limitada, las temperaturas medias son mucho más bajas, y los organismos deben hacer frente a largos períodos en los que la fotosíntesis cesa.
En todos los ecosistemas, los recursos y las limitaciones ambientales dan forma a la estructura y la fisiología de los organismos. Uno de los legados ambientales más antiguos de la Tierra es el conjunto de elementos químicos que contiene (Schlesinger 1997). En su nacimiento, la Tierra heredó átomos de carbono producidos por estrellas que se quemaron mucho antes de que se formara nuestro sol. Estos átomos de carbono, con su capacidad única de construir cadenas y enlaces cuádruples con otros elementos, constituyen la columna vertebral de todas las moléculas orgánicas que conforman la vida actual (Figura 2). El nitrógeno y el fósforo también son elementos esenciales en los organismos vivos, donde desempeñan un papel fundamental en la composición de las proteínas, los ácidos nucleicos y los compuestos energéticos. Estos elementos no siempre están disponibles para los organismos, por lo que las limitaciones de nutrientes pueden restringir poderosamente las estrategias biológicas. Por ejemplo, el gas nitrógeno inerte constituye el 78% de la atmósfera terrestre, pero las formas de nitrógeno fácilmente utilizables por los organismos suelen ser mucho más escasas en los ecosistemas terrestres (Chapin et al. 2002). A lo largo de la evolución, las simbiosis que se desarrollaron entre las bacterias fijadoras de nitrógeno y las plantas contribuyeron a aumentar la disponibilidad de nitrógeno en muchos ecosistemas. No obstante, dada la fuerte competencia por el nitrógeno y otros elementos, los ecólogos consideran que las limitaciones de nutrientes restringen la vida en muchos entornos (Chapin et al. 1986).
Los organismos son moldeados además por las propiedades físicas del medio en el que viven, incluyendo las densidades y temperaturas del medio. Por ejemplo, los mamíferos marinos como los leones marinos estelares (Eumetopias jubatus) han desarrollado cuerpos aerodinámicos que se mueven eficazmente a través del agua, que es más de 700 veces más densa que el aire, pero que los ralentiza en tierra (Figura 3a; Riedman, 1991). Como resultado, los leones marinos duermen en la costa, pero cazan para alimentarse principalmente en el agua, donde su velocidad es óptima.
Los ecologistas también estudian cómo la temperatura influye en la ecología y la evolución de las especies. Los organismos generalmente se ralentizan o se congelan cuando las condiciones son frías, pero se sobrecalientan y pierden funcionalidad cuando las temperaturas suben. Por ello, muchas especies han desarrollado rasgos que les ayudan a protegerse de las temperaturas extremas e influyen en su ecología. Por ejemplo, mientras que los leones marinos dependen de gruesas capas de grasa para aislarse, las nutrias marinas (Enhydra lutris) que nadan en las mismas aguas frías dependen de un pelaje inusualmente grueso para retener el calor. Como resultado, las nutrias marinas pasan más tiempo acicalándose (Figura 3b), y su grueso pelaje atrajo a los cazadores que las llevaron casi a la extinción (Riedman 1990). En tierra, las investigaciones demuestran que las plantas y los animales de sangre fría desarrollan una coloración oscura y se posicionan para maximizar la ganancia de energía solar en climas fríos. En las regiones más cálidas, los estudios revelan que los animales pueden evitar el sol intenso, mientras que las plantas se protegen transpirando grandes cantidades de agua, maximizando el flujo de aire a través de su follaje o entrando en letargo hasta que vuelvan las temperaturas más frescas. Algunas adaptaciones a la temperatura pueden ser sorprendentes. Por ejemplo, los científicos descubrieron recientemente que las hierbas que crecen cerca de los respiraderos geotérmicos adquieren tolerancia al calor gracias a un virus dentro de un hongo que se encuentra en sus raíces (Márquez 2007).
La disponibilidad de agua también determina la dinámica ecológica en la Tierra. La vida primitiva surgió en ecosistemas acuáticos, y todas las células vivas siguen necesitando agua para funcionar. La disponibilidad de agua está influida por la temperatura, ya que en los climas muy fríos el agua se congela y no está disponible, y en los muy cálidos el agua se evapora rápidamente. Los estudios ecológicos sobre las relaciones hídricas han revelado que los organismos emplean un sorprendente abanico de estrategias para captar y retener los recursos hídricos. Por ejemplo, en el abrasador desierto de Namibia, en Sudáfrica, el escarabajo Stenocara sobrevive capturando el agua de las escasas gotas de niebla que se condensan en estructuras especiales en su espalda (Parker et al. 2008).
A nivel de comunidad, los ecologistas comunitarios estudian cómo la disponibilidad de recursos influye en las características del ecosistema, incluyendo el número y los tipos de especies presentes. Por ejemplo, la cantidad de carbono y energía fijada en la fotosíntesis por las plantas y otros productores (por ejemplo, la productividad) limita la cantidad de consumidores que un ecosistema puede mantener. Debido a este límite y a que la energía se pierde en cada paso de transmisión a través de una red alimentaria, los ecosistemas de baja productividad suelen soportar menos biomasa de consumidores que los sistemas de mayor productividad. Los ecologistas han identificado esta relación como una de las posibles razones por las que la biodiversidad es mayor en las selvas tropicales altamente productivas que en los sistemas menos productivos, como los desiertos (Gaston 2000). Dentro de las comunidades, la variabilidad ambiental puede impulsar una compleja variación de la dinámica ecológica. Por ejemplo, los investigadores han descubierto recientemente que pequeños aumentos de la temperatura pueden incrementar notablemente la agresividad de algunos peces de los arrecifes de coral (Biro et al. 2010). Estos cambios de comportamiento pueden aumentar la exposición de los peces a la depredación y a otros riesgos.
Debido a que el medio ambiente es a la vez dinámico y diverso, los ecologistas reconocen que no existe un conjunto único de atributos o estrategias ecológicas que hagan de un organismo «el mejor». Todas las poblaciones y especies vivas cambian continuamente en respuesta a las presiones de otros organismos y a la variabilidad de la geología y el clima de la Tierra. A lo largo del tiempo, esta danza de interacciones evolutivas ha dado lugar a una increíble variedad de organismos que dependen y compiten entre sí en toda la superficie del planeta. Para reconstruir la historia ecológica de la Tierra, los científicos ecológicos y otros investigadores buscan datos de muchos tipos, como los anillos de los árboles, que describen antiguos patrones de sequía, los núcleos de hielo, que contienen burbujas de la atmósfera terrestre anterior, y el ADN conservado en huesos de animales milenarios. Estos datos muestran cómo los organismos han respondido al cambio medioambiental, incluida la extinción provocada por un meteorito que ayudó a iniciar la era de los mamíferos hace 65 millones de años.