El territorio ocupado por una sociedad humana se distingue por ser un ecosistema extremadamente complejo que incluye la población humana y un conjunto variado de organismos con los que comparte el hábitat. Las ciudades consideradas como ecosistemas se definen por las complejas interacciones que se establecen entre los elementos naturales y los artificiales desarrollados por la inteligencia humana. Existe actualmente una controversia en lo que se refiere a considerar a la urbe como un verdadero ecosistema. Debido a que un ecosistema por definición tiene que ser autosuficiente, es evidente que la ciudad no puede ser considerada como tal, pues además carece de los nichos ecológicos que caracterizan a un verdadero ecosistema. Sin embargo, puede pensarse en las ciudades como ecosistemas sui generis: la energía que proviene del Sol no es suficiente para su mantenimiento, por lo que toman de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) una gran parte de la energía que necesitan. Por otra parte, no existe un reciclaje de materia, sino un flujo incesante de alimento, agua y diversos materiales indispensables para su construcción y mantenimiento. La ciudad es un consumidor voraz de materia; ésta la obtiene, generalmente, a expensas de graves daños ocasionados a la naturaleza y a los pobladores que se encuentran en los sitios de abastecimiento.
Antes de hacer un análisis somero de las condiciones que privan en las urbes, no hay que olvidar lo que sucede en las ciudades de países desarrollados y en las de los países en desarrollo, pues en los dos tipos de ciudades la importación y exportación de materiales es completamente diferente. Sin embargo, podemos esquematizar, de manera general, la relación que tiene la ciudad con su medio externo: diariamente penetra en ella un importante flujo de alimentos y combustibles mediante trenes y camiones; el agua fluye también en forma continua, se conduce por las tuberías, se utiliza y posteriormente sale por las cloacas. Los combustibles fósiles se usan especialmente para las actividades industriales y de transporte; se estima que 90% de combustibles se consume y se transforma en agua y bióxido de carbono, y el 10% restante se transforma en sustancias contaminantes producto de la combustión incompleta.
La acumulación de residuos sólidos, líquidos y gases está en relación directa con el tamaño de la población, pero se agudiza y crea mayores y más complejos problemas si las urbes carecen de programas suficientes y eficientes de reciclado de materiales sólidos, tratamiento de aguas y medidas de control para la emisión de gases en automóviles e industrias.
El consumo excesivo de energía y las condiciones físicas que privan en la ciudad, como la presencia de ladrillos, cemento, piedra y asfalto, que absorben gran cantidad de calor, propician la creación de condiciones climáticas distintas de las que hay en los campos cercanos. Las ciudades son grandes generadoras de calor, especialmente en el invierno de las regiones no tropicales, cuando es necesario calentar los hogares. Pero también, a lo largo del año, las fábricas y los automóviles expelen aire caliente. Además, la ciudad, cuyo suelo es una enorme plancha de cemento y asfalto, no aprovecha la precipitación pluvial: la lluvia se desliza rápidamente hacia el desagüe, lo que aumenta el calor disponible, pues no se emplea, como en el campo, para vaporizar el agua.
Aunado a lo anterior, el aire de la urbe posee una composición peculiar: contiene contaminantes sólidos, líquidos y gaseosos. El 80% de las partículas son tan pequeñas que permanecen suspendidas durante días, formando una "nube" que, al reflejar la energía solar, frena la emisión de energía procedente de la red urbana y del calentamiento artificial provocado por industrias, camiones, autobuses y hogares. Esto hace que el aire de la ciudad sea más caliente que el del campo circundante. Este aire asciende y es reemplazado por aire más fresco procedente de la periferia, con lo que se establece un ciclo: la columna de aire cálido que se eleva por encima del centro (isla térmica), contiene polvo fino y humo; las partículas más finas siguen el movimiento del aire y permanecen en suspensión sobre la ciudad formando una campana o "cúpula de polvo". Al anochecer caen nuevamente sobre la ciudad; mientras que otras, por la acción del viento, pueden transportarse a la periferia de la urbe.
Durante la noche, las partículas actúan como núcleos de condensación de la humedad atmosférica; se forma una niebla que desciende cada vez más sobre la ciudad, formando esmog que hace más lento el enfriamiento del aire y reduce la visibilidad, además de hacer peligrosa la respiración. En invierno, esta cúpula hace de pantalla frente a los rayos solares, y baja la temperatura de la ciudad; se hace necesario quemar más combustible y, con ello, aumenta la formación de esmog. Esta cadena de acontecimientos conduce a la contaminación atmosférica.
La urbe crea, pues, su propio clima. Los periodos de gran calma atmosférica son más frecuentes en las ciudades, y en cuanto a la niebla, se produce 30% más en verano y 100% más en invierno. Las precipitaciones sobre la ciudad son superiores a las del campo en 10%, sobre todo en forma de llovizna, en días en los que apenas llueve en los campos. Inversamente, la humedad relativa anual es 6% inferior a la del campo. Los factores mencionados tienen una incidencia biótica en las ciudades: por ejemplo, los periodos más largos sin heladas y la temperatura media más elevada hacen más prolongado el periodo vegetativo de las plantas y adelantan la época de floración. A pesar de ello, en ciertos casos se adelanta la caída de las hojas.
Las ciudades crecen constantemente por migración centrípeta de la población rural, y en forma paralela se establecen olas de migración centrífuga del centro de las ciudades hacia las zonas suburbanas periféricas, lo que lleva a una nueva forma de establecimiento humano: la metrópolis, que es un área urbana extensa con una ciudad central densa, a la cual se van uniendo otros pueblos o ciudades. Esto propicia la creación de mesoclimas que caracterizan a las diferentes zonas de la ciudad, así como el desarrollo de microclimas tan numerosos como variados; cada edificio, de acuerdo con su orientación, crea un microclima luminoso, cálido y seco y otro umbrío, frío y húmedo. Por su parte, las zonas industriales quedan envueltas por una niebla espesa y esto altera la economía térmica del lugar.
En cuanto a los componentes bióticos, aunque en el ecosistema domina la población humana, existe una biocenosis de extraordinaria complejidad, en la que es posible distinguir especies que encuentran en la ciudad un medio favorable, incluso ideal, para su desarrollo. Éstas incluyen gorriones, tórtolas y zanates, así como otras especies que en ciertas condiciones llegan a constituirse en verdaderas plagas, como moscas, cucarachas, murciélagos, ratas y palomas; además, gatos y perros quedan fuera del control humano. En las urbes también se encuentran especies que subsisten más o menos bien adaptándose a las nuevas condiciones y otras que viven fuera de la ciudad pero se introducen en ella, en determinados momentos, para buscar alimento, tales como ardillas, murciélagos, mapaches, y algunas aves de presa, como halcones y búhos.
En las zonas edificadas y principalmente en las casas habitación hay gran número de plantas y de animales, algunos de los cuales han sido introducidos como mascotas, cuyo mantenimiento puede exigir un dispendio de energía. Existe otro tipo de organismos que coexisten y otros que se consideran enemigos de las personas —como bacterias patógenas, chinches, ratas, etcétera—; los cuales pueden encontrarse en biotopos característicos como:
• Sótanos oscuros, con humedad relativa alta y temperatura baja constante; frecuentemente contienen restos orgánicos y alimentos almacenados. Estas condiciones propician el desarrollo de mohos, que dependen, ante todo, del grado de humedad del aire. Ratas, ratones, insectos, arañas, alacranes y ácaros comedores de moho están entre los habitantes más frecuentes de estos lugares.
• Los lugares habitados, iluminados, con microclima seco y temperatura cálida durante todo el año, están igualmente poblados por una fauna variada, representada por insectos xilófagos —que se alimentan de madera—, viven en las vigas, los muebles y parqués; por los ácaros, que ocupan diferentes nichos en el interior de las habitaciones y cuando son abundantes pueden producir asma en los humanos; así como plagas que afectan las provisiones —cucarachas, gusanos y gorgojos— o los vestidos —polillas—. Procedentes del exterior, penetran moscas de todo tipo en busca de alimento.
• Los espacios verdes urbanos a menudo albergan una fauna variada de pájaros y algunas veces ardillas, zarigüeyas o tlacuaches. Aunque todo mundo conoce los numerosos beneficios de las zonas verdes –como fuentes de oxígeno, para retener el polvo, aislar del ruido, tranquilizar la vida y como lugares de reposo– a menudo se ignora que tienen ciertas desventajas: por ejemplo, el polen de las flores, y sobre todo las esporas de ciertos hongos, pueden originar alergias importantes.
Los gases contaminantes producen una limitación de la biodiversidad: se observa una gran escasez de saltamontes, orugas y caracoles. Los líquenes epifitos casi desaparecen del tronco de los árboles y son reemplazados por algas verdes particularmente resistentes.
Para estudiar el comportamiento de las poblaciones en las grandes ciudades hay que tomar en cuenta características como la densidad y la procedencia, las pirámides de edad y las profesiones —con frecuencia dispares— de sus habitantes. Así, por ejemplo, el aumento excesivo de habitantes por unidad de espacio se considera como uno de los problemas más graves que enfrenta la ciudad moderna; sin embargo, sus efectos no se han podido medir con exactitud, debido a que cada una de las ciudades tiene su propia dinámica producto de la cultura y hábitos de sus habitantes. Además, no puede afirmarse que la aglomeración en sí cause problemas como el estrés, sin considerar el factor de la malnutrición o la escasez de empleo y alojamiento digno.
Se ha intentado extrapolar los datos que se tienen acerca del comportamiento y las respuestas biológicas de los animales cuando se encuentran en condiciones de amontonamiento. Las ratas de laboratorio muestran un aumento de mortalidad, disminución de las tasas de fertilidad, comportamiento negligente de las madres hacia sus crías y, además, se vuelven muy agresivas. Ante este cúmulo de evidencias, muchos investigadores aseguran que en las poblaciones citadinas, la aglomeración produce un aumento en las conductas criminales, así como en el consumo de drogas y alcohol; un estrés generalizado que causa neurosis y, en casos extremos, enfermedades mentales. Si bien es cierto que las grandes ciudades tienen mayores índices de hechos delictivos que las ciudades pequeñas, también es una realidad que no todas las ciudades presentan los mismos resultados, y lo mismo puede decirse en relación con la salud general de la población. Los efectos de la densidad poblacional pueden revertirse con políticas gubernamentales que provean de abundantes espacios verdes, que minimicen los efectos de la aglomeración, y una política digna de vivienda y empleo.
