Pilsētu ekoloģija ir jauna apakšnozare ekoloģijas zinātnes ietvaros. Tradicionāli pētījumi ekoloģijā ilgstoši fokusējušies uz dabisku ekosistēmu izpēti, ko motivējusi vēlēšanās izzināt dabisku (cilvēka darbības neietekmētu) ekosistēmu funkcionēšanu. Pilsētu ekoloģijas apakšnozarē vairākums pētījumu ir par vieglāk pētāmajām sauszemes ekosistēmām, lielajiem dzīvniekiem un putniem, bet mazāk – par zivīm, kukaiņiem un mikroorganismiem.

Pilsētu vide ir ļoti atšķirīga no dabiskajām ekosistēmām to būtiskās transformācijas pakāpes dēļ. Pilsētās pastāv raksturīgs mikroklimats, salīdzinoši nelielās teritorijās ir raksturīga augstāka gaisa temperatūra, lielāks iztvaikojums, zemāka ūdens infiltrācija augsnē, kā arī neparedzamas gaisa plūsmas (turbulences) un izmainīts nokrišņu režīms. Tāpat pastāv augsts gaisa, ūdens, gaismas, trokšņa un augsnes piesārņojums salīdzinājumā ar dabiskām un daļēji dabiskām teritorijām. Pilsētās veģetācijas segums ir fragmentārs, lielas platības ir asfaltētas vai nobruģētas, un bioloģiskā daudzveidība ir zema, respektīvi, pilsētvidē dominē ģenerālistu sugas un reģionam neraksturīgi dzīvnieki (žurkas, lapsas, baloži, ruderālie augi un svešzemju augi). Atšķirīgā ekosistēmu telpiskā struktūra pilsētvidē ietekmē dabiskos ekoloģiskos procesus – veģetācijas attīstību un skābekļa ražošanu, barības ķēdes un vielu apriti, organisko vielu sadalīšanos, sugu mijiedarbības veidus (koakcijas), kā arī ekosistēmu noturību un atjaunošanās spēju.

Pilsētu ekoloģijai ir pieaugoša nozīme ne tikai ekoloģijā, bet arī pilsētu plānošanā, it īpaši zaļās infrastruktūras kontekstā. Tā palīdz labāk izprast mijiedarbību starp dabas vidi un modernās sabiedrības dzīvi, kad lielākā daļa pasaules iedzīvotāju jau ir pilsētu iedzīvotāji un urbanizācijas līmenis tikai pieaug. Klasiskās ekoloģijas pamatā ir organisma un vides attiecību izpēte, un šo pieeju nepieciešams adaptēt pilsētu videi.

Galvenās vides problēmas, kas ietekmē urbānās ekosistēmas visā pasaulē, ir piesārņojums, traucētā vielu aprite (samazināta nokrišņu infiltrācija augsnē, augstais iztvaikojums), zemais albedo (atstarošanas spēja) un zaļās veģetācijas trūkums, kas ļautu labāk regulēt temperatūru. Šīm problēmām tiek meklēti un testēti risinājumi, kas ietver:

• jaunus apstādījumus, “zaļos jumtus” un urbānos dārzus (plašā nozīmē – zaļo infrastruktūru), kas palīdz regulēt temperatūru un dod iespēju audzēt arī pārtiku;
• piesārņoto teritoriju remediāciju un rekultivāciju, novēršot grunts piesārņojuma sekas;
• labāku pilsētu telpisko plānošanu, veidojot zaļās zonas un zaļos koridorus un optimizējot transporta plūsmas.

Pilsētu ekoloģija ir ekoloģijas apakšnozare, kas specializējas pilsētu (urbāno) ekosistēmu izpētē. Šeit jāprecizē atšķirība starp lielpilsētām (angļu cities) un mazpilsētām (towns), kas veido būtiski atšķirīga tipa ekosistēmas, tādēļ ar jēdzienu “pilsētu ekoloģija” galvenokārt tiek saprasta lielpilsētu pētniecība, atsevišķi izdalot mazpilsētu ekoloģijas (town ecology) jomu. Pilsētu ekoloģija ir īpaša ekoloģijas zinātnē kopumā, jo tajā tiek plaši izmantotas pētniecības metodes no sociālajām un dzīvības zinātnēm, kā arī svarīga ir jomas saistība ar pilsētu (telpisko) plānošanu, pārvaldību un dabas aizsardzību.

Pilsētu ekoloģijā tiek izmantotas unikālas zinātniskās teorijas, ka ir atbilstošas komplicētajai pilsētvides ekosistēmu izpētei. Galvenās no tām ir:

• sociāli ekoloģisko sistēmu koncepcija – definē pilsētvides ekosistēmas kā sapārotas dinamiskās sistēmas (coupled dynamic systems), kas integrē sabiedrību un dabas vidi ar tām raksturīgajiem procesiem;
• ainavu ekoloģijas teorija – akcentē telpisko struktūru nozīmi ekoloģisko sistēmu funkcionēšanā un dinamikā, pēta organismu pārvietošanos, biotopu fragmentāciju un malas efektus;
• urbānā un rurālā gradienta koncepcija – definē pētījumu tēmas apbūves un urbanizācijas pakāpju kontekstos;
• jauno ekosistēmu (novel ecosystems) koncepcija – atzīst, ka pilsētu ekosistēmām nav vēsturisku analogu un tās ir problemātiski analizēt dabisko un daļēji dabisko ekosistēmu kontekstos.

Pilsētu ekoloģijas pētījumos izmanto metodes, kas pielāgotas pilsētvides specifikai un var būt krietni atšķirīgas no klasiskās ekoloģijas pamatmetodēm. Galvenās pētniecības metožu grupas ir:

• ekoloģijas metodes – lauka apsekojumi (veģetācijas uzskaite), slazdi, kameras, ūdens un augsnes paraugošana, sensori monitoringam, laboratorijas analīzes un eksperimenti;
• tālizpētes metodes – satelītattēlu, bezpilota lidaparātu, LIDAR datu analīzes un ģeogrāfisko informācijas sistēmu izmantošana datu apstrādei, kartēšanai un analīzei;
• vides zinātņu metodes – ekosistēmu pakalpojumu inventarizācija un analīze;
• sociālo zinātņu pētījumu metodes – aptaujas, intervijas, līdzdalības kartēšana (participatory mapping) un citas;
• sabiedriskā zinātne – brīvprātīgā datu ziņošana, galvenokārt mobilajās aplikācijās (Dabas Dati, iNaturalist un citi);
• statistiskās metodes – statistiskās analīzes, sugu sastopamības modelēšana, simulācijas, tīklu analīze, mašīnmācīšanās metodes.

Pilsētu ekoloģijas vēsture ir cieši sasitīta ar urbanizāciju, globalizāciju un tehnoloģiju attīstību, it īpaši Ziemeļamerikā un Rietumeiropā pēc Otrā pasaules kara. Pilsētu ekoloģijas pieejas Ziemeļamerikā un Eiropā ir atšķirīgas – Eiropas pilsētu ekoloģija galvenokārt pēta urbāno teritoriju dzīvo dabu (biotu), savukārt Ziemeļamerikā lielāks akcents ir uz sociālo faktoru izpēti, kā arī ekosistēmu plūsmu un procesu pētniecību.

Roberts Pārks (Robert Park) un Ernests Bērdžess (Ernest Burgess) bija pirmie pētnieki, kas 20. gs. 30. gados izmantoja terminu “pilsētu ekoloģija”. Šie zinātnieki arī pirmo reizi mēģināja pielietot ekoloģiskās likumsakarības cilvēku uzvedības izpētē pilsētvidē. Žana Marijas Pelta (Jean-Marie Pelt) 1977. gada grāmata “Renaturalizētais cilvēks” (The Re-Naturalized Human) izplatīja ideju, ka nepieciešams ciešāk integrēt dabas vidi pilsētās, lai uzlabotu dzīves kvalitāti pilsētvidē. Ž. M. Pelts uzsvēra, ka daba padara pilsētas humānākas un ka parki, zaļās zonas un pilsētu meži kalpo ne tikai estētikai, bet arī sabiedrības veselībai, labbūtībai, sociālajai kohēzijai un dabisko sistēmu līdzsvaram. Kopš tā laika daudzas Ž. M. Pelta un citu pētnieku un praktiķu idejas ir kļuvušas par pieņemtu praksi pilsētu plānošanā.

Pilsētu ekoloģija mūsdienās ir kļuvusi par patstāvīgu ekoloģijas apakšnozari, kuras nozīme palielinās, ne tikai pieaugot urbanizācijas līmenim pasaulē, bet arī sabiedrībai kopumā labāk apzinoties vides problēmu nozīmību. Problēmu risināšana pilsētu ekoloģijā prasa starpdisciplināru pieeju, sadarbojoties ekologiem, telpiskajiem plānotājiem, inženieriem, politikas veidotājiem un arī sabiedrībai kopumā. Galvenajiem risinājumiem, lai veidotu dzīvotspējīgas un veselīgas pilsētas, ir jābūt dabā balstītiem un ilgtspējīgiem.

Būtisks faktors pilsētu ekoloģijas pētījumos mūsdienās ir klimata pārmaiņu ietekmes izpēte uz urbānajām ekosistēmām. Pilsētvidē klimata pārmaiņu sekas ir vēl izteiktākas nekā dabiskajās un daļēji dabiskajās ekosistēmās un ietver karstuma viļņus, virsnormas un nokrišņus (arī neraksturīgā sezonā), plūdus un neparedzamus vējus. Papildus izaicinājumus klimata pārmaiņu adaptācijai pilsētvidē rada augstais apdzīvojuma blīvums un sarežģītā infrastruktūra.

Nozīmīgākās pētniecības iestādes pilsētu ekoloģijas jomā ir Delftas Tehnoloģiju universitāte (Technische Universiteit Delft, Nīderlande), Kārdifas Universitāte (Cardiff University, Apvienotā Karaliste), Helsinku Universitāte (Helsingin yliopisto, Somija), Zviedrijas Lauksaimniecības universitāte (Sveriges lantbruksuniversitet, Zviedrija) un citas.

Pilsētu ekologi ir pārstāvēti ekologu profesionālajās apvienībās, piemēram, Britu Ekoloģiskā biedrībā (British Ecological Society), Amerikas Ekoloģiskā biedrībā (Ecological Society of America), kā arī Vācijas, Austrijas un Šveices Ekoloģijas biedrībā (Gesellschaft für Ökologie für Deutschland, Schweiz und Österreich).

Urban Ecosystems (izdevējs Springer, tiek izdots kopš 1997. gada), Landscape and Urban Planning (izdevējs Elsevier, tiek izdots kopš 1974. gada), Ecological Applications (izdevējs Ecological Society of America, tiek izdots kopš 1990. gada), Journal of Urban Ecology (izdevējs Oxford University Press, tiek izdots kopš 2015. gada).

Pilsētu ekoloģijā lielu ieguldījumi snieguši vairāki zinātnieki, galvenokārt no Rietumeiropas un Amerikas Savienotajām Valstīm. Amerikāņu ainavu ekologs Ričards Formans/Formens (Richard T. T. Forman) no Hārvarda Universitātes (Harvard University) ir viens no vadošajiem pilsētu ekoloģijas pētniekiem pasaulē, autors grāmatai “Pilsētu ekoloģija: pilsētu zinātne” (Urban Ecology: Science of Cities, 2014) un virziena “mazpilsētu ekoloģija” (town ecology) aizsācējs. Vācu zinātnieks Herberts Zukops (Herbert Sukopp) no Berlīnes Tehniskās universitātes (Technische Universität Berlin) ir ievērojamākais no Eiropas pilsētu ekologiem, Berlīnes pilsētu ekoloģijas virziena aizsācējs. Amerikāņu ainavu ekologs Džjango Vu (Jianguo Wu) no Arizonas Pavalsts universitātes (Arizona State University) pētījis urbāno ekosistēmu noturību (resilience) un ekoloģiskās ilgtspējas jautājumus pilsētvidē.