생태학은 과학이다. 일반적인 정의에 따르면 생태학은 생물과 그들의 환경 간의 관계에 대한 과학적 학문이다. 환경은 물리적 조건뿐만 아니라 생물의 주변을 구성하는 생물적 또는 살아 있는 요소를 포함한다. 생물은 생태계 안에서 환경과 상호작용을 한다. 생태계는 하나의 단위로 작동하는, 상호작용하는 구성 요소들로 이루어진다. 크게 보면 생태계에는 상호작용하는 두 가지 기본 요소, 살아 있는 생물적 요소와 물리적인 비생물적요소가 있다. 삼림에서 서식하는 많은 종류의 생물은 개체군을 이룬다. 개체군이란 주어진 한 지역에 서식하는 동종 개체들의 모임이라 한다. 생태계에서 식물과 동물 개체군은 서로 독립적이 아닌 상호작용을 한다. 한 생태계 내에서 살며 상호작용하고 있는 종들의 모든 개체군을 총괄하여 군집이라고 부른다. 초식동물들은 식물을 먹고, 포식자는 피식자를 먹고, 이처럼 개체들은 제한된 자원을 두고 경쟁한다. 개체들이 죽으면, 다른 생물들이 이들의 시체를 먹고 분해해서, 죽은 조직에 있는 영양소를 다시 흙으로 재순환시킨다. 경관 위의 각 생태계는 물리적 조건들과 관련된 일련의 동식물 개체군들의 고유한 조합으로 구성된다는 점에서 특이하지만, 지구를 특징짓는 기후와 지질의 광범위한 양상은 생태계의 지리적 분포에서의 지역적 양상을 가져온다. 열대우림, 초지, 사막과같이 유사한 생태계 유형들이 우점하는 광역의 지역을 생물군계라고 한다. 생물권이란 생태계 구성의 가장 높은 수준이며, 모든 생물을 부양하는 지구의 얇은 층이다. 군집을 구성하는 생물의 다양성은 주변의 물리적 환경에 반응할 뿐만 아니라 변화시키며, 생물적, 비생물적 환경은 상호작용하여 생태계를 형성한다. 모든 과학은 관찰에서부터 시작한다. 이론은 어떤 유일한 가설이라기보다는 많은 관찰을 함께 설명하는 통합된 일련의 가설들이다. 모델은 실제 시스템의 요약되고 단순화된 표현을 가리킨다. 가설은 모델이다. 우리의 개념이 잘못되었다는 것을 증명할 수 있는 증거를 찾는 것이 과학이다. 생태계 안에서 일어나는 복합한 상호작용은 물리적, 생물적 과정의 모든 다양성을 포함한다. 이러한 상호작용을 연구하기 위하여 생태학자들은 다른 과학을 참고해야 한다. 생태학은 개체부터 생태계에 이르는 넓은 분야의 연구를 포함한다. 관찰값을 모으고, 가설을 발전시키고 검증하고, 예측적인 모델을 구성하는 것이 모든 과학적인 방법의 틀이다. 과학과 예술 모두 개념의 창조를 포함하지만, 이들의 차이는 과학에서는 탐구가 사실에 제한된다는 것이다. 과학에서는 실증적 사실 외 개념의 검증은 없다. 가설 검증의 실제 목표는 부정확한 사고를 제거하는 것이다. 그러므로 우선 제거의 과정에 따라 가설이 틀림을 증명하는 증거부터 찾아야 한다. 과학은 본질적으로 연속적인 논쟁 과정에 의존하여 자동수정 하는 활동이다. 기술 발달과 문제 해결 능력을 위해 과학에 의존한다. 과학에 내재하는 불확실성은 고민거리이다. 불확실성을 혼란으로 알거나 과학자들 간의 불일치가 무위에 대한 변명이 되지 않도록 해야 한다. 관찰자가 어떤 유형의 자료를 수집하든지 해석의 과정은 일반적으로 일련의 관찰값을 그래프로 구현하는 것으로 시작한다. 일련의 자료를 구현하는 가장 일반적인 방법은 도수분포를 구성하는 것이다. 도수분포란 특정 점수나 수치를 가진 관찰값의 수를 세는 것이다. 연속적 자료는 일정 수치 범위를 나타내는 각 범주를 갖는 비연속적 범주로 통상 무리 지어진다. 종종 연구자들은 두 변수 간 또는 두 벌의 관찰값 간의 관계를 조사한다. 두 변수가 모두 수치형일 때, 자료를 도식적으로 표현하는 가장 일반적인 방법은 산포도의 이용이다. 산포도란 각 축이 조사된 두 변수 중 하나를 나타내는 2개의 축을 정의하여 구성된다. 1968년 12월 24일 아폴로 8호 우주비행사 앤더스가 찍은 지구 컬러사진은 한 환경론자가 이제까지 찍은 환경 사진 중 가장 영향력 있는 사진이라고 말할 정도로 강렬하고 감동적인 영상이다. 경제학자 볼딩은 사진에서 영감을 받아 우주에서 본 지구의 유한함을 지구 우주선이라고 은유적으로 표현했다. 인간의 역사를 통해 무한한 미개척지라고 인식되어 왔던 지구가 갑자기 자원이 제한되고, 계속 증가하는 인구로 혼잡스럽고, 대기와 해양이 인간의 소비 폐기물 창고로 이용됨으로써 위협당하는 작은 구가 되었다. 개체 수준에 집중하는 생태학자들은 형태적(구조), 생리적, 행동적 특징들이 생물이 자신의 환경에서 생존, 생장, 번식하는데 어떻게 영향을 미치는지를 조사한다. 반대로, 이들 동일한 특성들(형태, 생리, 행동)은 그 밖의 환경에서 생물들이 성공적으로 작용하는 것을 어떻게 제한하는가? 각기 다른 환경을 점유하는 다른 종들의 특징을 비교하여, 생태학자들은 종의 분포에 영향을 주는 요인들에 대한 통찰력을 얻는다. 생물권 수준에서는 생태계와 대기 같은 지구 시스템의 기타 요소 간의 관련이 강조된다. 예를 들면, 육상생태계와 대기 간의 에너지와 물질 교환이 어떻게 지역적, 지구적 기후 양상에 영향을 미치는가? 생태계와 대기 간의 탄소 원소의 이동 같은 어떤 과정들은 지구적 규모로 일어나고 생태학자들은 해양학자, 지질학자, 대기과학자들과 협력해야 한다. 일단 의문(문제)이 확립되면, 다음 단계에는 가설을 발전시킨다. 가설은 의문에 대한 '근거 있는 추측'이다. 가설을 발전시키는 과정은 경험과 지식에 의해 이루어지며 이는 검증될 수 있는 원인과 결과에 대한 진술이어야 한다. 생태학자들이 연구를 집중하는 일련의 고유한 질문들이 생태계의 각 수준에 있지만, 모든 생태적 연구는 한 가지 점, 즉 과학적 방법이라고 알려진 과정에 있어 공통이다. 이 방법은 과학의 힘과 한계를 보여주고, 각기 따로 행하면 과학적 방법의 각 단계는 평범한 과정들을 의미한다. 그러나 함께 행하면, 이들 과정은 자연을 이해하는 강력한 도구가 된다.
생태학