Metody ekologického výzkumu: Pozorování, experimentování a modelování

Ekologie je studium vztahu mezi organismy a jejich prostředím na Zemi. Ke studiu tohoto vztahu se používá několik ekologických metod, včetně experimentování a modelování.

Lze použít manipulační, přírodní nebo pozorovací experimenty. Modelování pomáhá analyzovat shromážděná data.

Ekologie, studium interakce organismů s jejich prostředím a navzájem, vychází z několika dalších oborů. Environmentální věda o ekologii zahrnuje biologii, chemii, botaniku, zoologii, matematiku a další obory.

Ekologie zkoumá interakce druhů, velikost populace, ekologické výklenky, potravní sítě, tok energie a faktory prostředí. Za tímto účelem se ekologové spoléhají na pečlivé metody sběru co nejpřesnějších údajů. Jakmile jsou data shromážděna, ekologové je poté analyzují pro svůj výzkum.

Informace získané z těchto výzkumných metod pak mohou pomoci ekologům najít dopady způsobené lidmi nebo přírodními faktory. Tyto informace lze poté použít ke správě a ochraně zasažených oblastí nebo druhů.

Každý experiment vyžaduje pozorování. Ekologové musí sledovat prostředí, druhy v něm a to, jak tyto druhy interagují, rostou a mění se. Různé výzkumné projekty vyžadují různé typy hodnocení a pozorování.

Ekologové někdy používají a desk-based assessmentnebo DBA, shromažďovat a sumarizovat informace o konkrétních oblastech zájmu. V tomto scénáři ekologové používají informace již shromážděné z jiných zdrojů.

Ekologové se však často spoléhají pozorování a terénní práce. To znamená, že skutečně vstoupíme do stanoviště subjektu zájmu, abychom jej pozorovali v jeho přirozeném stavu. Prostřednictvím terénních průzkumů mohou ekologové sledovat populační růst druhů, pozorovat ekologie komunity v akci a studovat dopad všech nových druhů nebo jiných zavedených jevů do životního prostředí.

Každé pole se bude lišit povahou, tvarem nebo jinými způsoby. Ekologické metody umožňují takové rozdíly, takže pro pozorování a odběr vzorků lze použít různé nástroje. Je zásadní, aby vzorkování probíhalo náhodně, aby se předešlo zaujatosti.

Údaje získané z pozorování a terénních prací mohou být kvalitativní nebo kvantitativní. Tyto dvě klasifikace dat se liší odlišnými způsoby.

Kvalitativní údaje: Kvalitativní údaje se týkají a kvalita předmětu nebo podmínky. Jedná se tedy o více popisný forma údajů. Není snadno měřitelný a je shromažďován pozorováním.

Protože kvalitativní data jsou popisná, mohou zahrnovat aspekty, jako je barva, tvar, zda je obloha zatažená nebo slunečná, nebo další aspekty toho, jak by pozorovací místo mohlo vypadat. Kvalitativní data nejsou numerická jako kvantitativní data. Považuje se proto za méně spolehlivé než kvantitativní údaje.

Kvantitativní data: Kvantitativní údaje se týkají číselné hodnoty nebo veličiny. Tyto druhy dat lze měřit a jsou obvykle v číselné formě. Příklady kvantitativních údajů mohou zahrnovat úrovně pH v půdě, počet myší v poli, údaje o vzorcích, hladiny slanosti a další informace v numerické formě.

Ekologové používají statistiky k analýze kvantitativních údajů. Považuje se proto za spolehlivější formu údajů než kvalitativní.

Přímý průzkum: Vědci mohou přímo pozorovat zvířata a rostliny v jejich prostředí. Tomu se říká přímý průzkum. I na místech tak vzdálených jako mořské dno může ekolog studovat podvodní prostředí. Přímý průzkum by v tomto případě znamenal fotografování nebo natáčení takového prostředí.

Některé metody vzorkování používané k záznamu snímků mořského života na mořském dně zahrnují videoreklamy, kamery na vodní clony a Ham-Cams. Ham-Cams jsou připojeny k Hamon Grab, kbelíku na vzorky, který se používá k odběru vzorků. Jedná se o jeden efektivní způsob studia populací zvířat.

Hamon Grab je metoda sběru sedimentu z mořského dna a sediment je převezen na loď, kterou ekologové roztřídí a vyfotografují. Tato zvířata budou identifikována v laboratoři jinde.

Kromě Hamon Grab zahrnují podmořská sběrací zařízení vlečnou síť s paprskem, která se používá k získávání větších mořských živočichů. To znamená připevnění sítě k ocelovému nosníku a vlečnou síť ze zadní části lodi. Vzorky jsou přineseny na palubu lodi a vyfotografovány a spočítány.

Nepřímý průzkum: Není vždy praktické nebo žádoucí přímo sledovat organismy. V této situaci znamenají ekologické metody pozorování stop, které tyto druhy zanechávají. Ty by mohly zahrnovat zvířecí scat, stopy a další ukazatele jejich přítomnosti.

Zastřešujícím účelem ekologických metod výzkumu je získávání vysoce kvalitních dat. K tomu je třeba pečlivě naplánovat experimenty.

Hypotéza: Prvním krokem v každém experimentálním návrhu je přijít s hypotézou nebo vědeckou otázkou. Poté mohou vědci přijít s podrobným plánem vzorkování.

Faktory, které ovlivňují experimenty v terénu, zahrnují velikost a tvar oblasti, kterou je třeba vzorkovat. Velikost polních lokalit se pohybuje od malých po velmi velké, v závislosti na tom, jaké ekologické komunity jsou studovány. Pokusy v ekologii zvířat musí brát v úvahu potenciální pohyb a velikost zvířat.

Například pavouci by pro studium nevyžadovali velké terénní stanoviště. Totéž by platilo při studiu chemie půdy nebo půdních bezobratlých. Můžete použít velikost 15 metrů na 15 metrů.

Byliny a drobní savci mohou vyžadovat pole až 30 metrů čtverečních. Stromy a ptáci možná potřebují pár hektarů. Pokud studujete velká a mobilní zvířata, jako jsou jeleni nebo medvědi, mohlo by to znamenat, že budete potřebovat poměrně velkou plochu několika hektarů.

Rozhodující je také počet stránek. Některé terénní studie mohou vyžadovat pouze jednu stránku. Pokud jsou však do studie zahrnuta dvě nebo více stanovišť, jsou nutná dvě nebo více terénních lokalit.

Nástroje: Mezi nástroje používané pro terénní weby patří transekty, vzorkovací grafy, vzorkování bez plotů, bodová metoda, metoda transect-intercept a metoda point-quarter. Cílem je získat nezaujaté vzorky dostatečně velkého množství, aby statistické analýzy byly zdravější. Zaznamenávání informací na polní datové listy pomáhá při sběru dat.

Dobře navržený ekologický experiment bude mít jasné prohlášení o účelu nebo otázce. Vědci by měli věnovat mimořádnou pozornost odstranění zkreslení poskytováním replikace i randomizace. Znalost studovaných druhů i organismů v nich je prvořadá.

Výsledek: Po dokončení by měla být shromážděná ekologická data analyzována pomocí počítače. Lze provádět tři typy ekologických experimentů: manipulativní, přírodní a pozorovací.

Manipulativní experimenty jsou ty, ve kterých výzkumník mění faktor vidět, jak to ovlivňuje ekosystém. Je možné to provést v terénu nebo v laboratoři.

Tyto experimenty poskytují řízené rušení. Pracují v případech, kdy k terénní práci nemůže dojít z celé oblasti, a to z různých důvodů.

Nevýhodou manipulativních experimentů je, že ne vždy představují to, co by se stalo v přírodním ekosystému. Manipulační experimenty navíc nemusí odhalit mechanismus za pozorovanými vzory. Není také snadné měnit proměnné v manipulativním experimentu.

Příklad: Pokud jste se chtěli dozvědět ještěrky predace pavouků, můžete změnit počet ještěrek v uzavřených prostorách a studovat, kolik pavouků bylo výsledkem tohoto efektu.

Větším a aktuálním příkladem manipulačního experimentu je znovuzavádění vlků do Yellowstonského národního parku. Toto znovuzavedení umožňuje ekologům sledovat účinek vlků, kteří se vracejí na místo, které bylo kdysi v jejich normálním rozmezí.

Vědci se již dozvěděli, že k okamžité změně v ekosystému došlo po opětovném zavedení vlků. Chování losů se změnilo. Zvýšená úmrtnost losů vedla ke stabilnějšímu zásobování vlky i mrchožrouty.

Přírodní experimenty, jak naznačuje jejich název, nejsou řízeny lidmi. Jedná se o manipulace s ekosystémem způsobené přírodou. Například po přírodní katastrofě, změně klimatu nebo zavlečení invazivních druhů představuje samotný ekosystém experiment.

Interakce v reálném světě, jako jsou tyto, samozřejmě nejsou skutečnými experimenty. Tyto scénáře poskytují ekologům příležitosti ke studiu účinků přírodních jevů na druhy v ekosystému.

Příklad: Ekologové by mohli studovat sčítání zvířat na ostrově populace hustota.

Hlavní rozdíl mezi manipulativními a přirozenými experimenty z pohledu dat spočívá v tom, že přirozené experimenty nemají ovládací prvky. Proto je někdy těžší určit příčinu a následek.

Z přírodních experimentů lze nicméně získat užitečné informace. Pro účely dat lze stále používat proměnné prostředí, jako jsou úrovně vlhkosti a hustota zvířat. Kromě toho mohou přirozené experimenty probíhat na velkých plochách nebo v obrovských časových úsecích. To je dále odlišuje od manipulativních experimentů.

Lidstvo bohužel způsobilo katastrofické přírodní experimenty po celém světě. Některé příklady zahrnují degradaci stanovišť, změnu klimatu, zavádění invazních druhů a odstraňování původních druhů.

Pozorovací experimenty vyžadují adekvátní replikace vysoce kvalitních dat. Zde platí „pravidlo 10“; vědci by měli shromáždit 10 pozorování pro každou požadovanou kategorii. Vnější vlivy mohou stále bránit snahám o shromažďování údajů, jako je počasí a další poruchy. Použití 10 replikačních pozorování se však může ukázat jako užitečné pro získání statisticky významných dat.

Je důležité provést randomizaci, nejlépe před provedením pozorovacích experimentů. To lze provést pomocí tabulky v počítači. Randomizace posiluje sběr dat, protože snižuje zkreslení.

Randomizace a replikace by měly být použity společně, aby byly účinné. Místa, vzorky a ošetření by měla být náhodně přiřazena, aby nedošlo ke zmateným výsledkům.

Ekologické metody do značné míry závisí na statistických a matematických modelech. Poskytují ekologům způsob, jak předpovědět, jak se bude ekosystém v průběhu času měnit nebo reagovat na měnící se podmínky v životním prostředí.

Modelování také poskytuje další způsob, jak dešifrovat ekologické informace, když terénní práce nejsou praktické. Ve skutečnosti existuje několik nevýhod spoléhání se pouze na práci v terénu. Kvůli typicky velkému rozsahu terénní práce není možné přesně replikovat experimenty. Někdy je dokonce i délka života organismů faktorem omezujícím rychlost pro práci v terénu. Mezi další výzvy patří čas, práce a prostor.

Modeling proto poskytuje metodu, pomocí které lze efektivněji zefektivnit informace.

Mezi příklady modelování patří rovnice, simulace, grafy a statistické analýzy. Ekologové používají modelování také k vytváření užitečných map. Modelování umožňuje výpočty dat k vyplnění mezer v odběru vzorků. Bez modelování by ekologům bránilo obrovské množství dat, které je třeba analyzovat a sdělit. Počítačové modelování umožňuje poměrně rychlou analýzu dat.

Simulační model například umožňuje popis systémů, které by jinak byly pro tradiční kalkul extrémně obtížné a příliš složité. Modelování umožňuje vědcům studovat soužití, populační dynamiku a mnoho dalších aspektů ekologie. Modelování může pomoci předpovědět vzorce pro klíčové účely plánování, například pro změnu klimatu.

Dopad lidstva na životní prostředí bude pokračovat. Pro ekology je proto stále důležitější používat metody ekologického výzkumu k hledání způsobů, jak zmírnit dopady na životní prostředí.