Økologiske forskningsmetoder: Observation, eksperimentering og modellering

Økologi er undersøgelsen af ​​forholdet mellem organismer og deres miljø på jorden. Flere økologiske metoder bruges til at studere dette forhold, herunder eksperimentering og modellering.

Manipulerende, naturlige eller observationseksperimenter kan anvendes. Modellering hjælper med at analysere de indsamlede data.

Økologiundersøgelsen af, hvordan organismer interagerer med deres miljø og hinanden, trækker på flere andre discipliner. Miljøvidenskaben i økologi inkorporerer biologi, kemi, botanik, zoologi, matematik og andre områder.

Økologi undersøger artsinteraktioner, populationsstørrelse, økologiske nicher, madnettet, energistrøm og miljøfaktorer. For at gøre dette stoler økologer på omhyggelige metoder til at indsamle de mest nøjagtige data, de kan. Når data er indsamlet, analyserer økologer dem derefter til deres forskning.

Oplysningerne fra disse forskningsmetoder kan derefter hjælpe økologer med at finde påvirkninger forårsaget af mennesker eller naturlige faktorer. Disse oplysninger kan derefter bruges til at hjælpe med at administrere og bevare påvirkede områder eller arter.

Hver eksperiment kræver observation. Økologer skal observere miljøet, arten i det, og hvordan disse arter interagerer, vokser og ændrer sig. Forskellige forskningsprojekter kræver forskellige typer vurderinger og observationer.

Økologer bruger undertiden en skrivebordsbaseret vurdering, eller DBA, til at indsamle og sammenfatte oplysninger om specifikke interessegrupper. I dette scenarie bruger økologer oplysninger, der allerede er indsamlet fra andre kilder.

Ofte stoler økologer dog på observation og feltarbejde. Dette indebærer faktisk at gå ind i habitatet for emnet af interesse for at observere det i sin naturlige tilstand. Ved at udføre feltundersøgelser kan økologer spore artspopulation, observere samfundsøkologi i aktion og studere virkningen af ​​nye arter eller andre indførte fænomener i miljøet.

Hvert feltsted vil være forskelligt i karakter, form eller på andre måder. Økologiske metoder giver mulighed for sådanne forskelle, så forskellige værktøjer kan bruges til observationer og prøveudtagning. Det er afgørende, at prøveudtagning sker tilfældigt for at bekæmpe bias.

Data opnået fra observation og feltarbejde kan være enten kvalitative eller kvantitative. Disse to klassifikationer af data varierer på forskellige måder.

Kvalitative data: Kvalitative data henviser til en kvaliteten af ​​emnet eller betingelserne. Det er derfor en mere beskrivende form for data. Det måles ikke let, og det samles ved observation.

Da kvalitative data er beskrivende, kan de omfatte aspekter som farve, form, om himlen er overskyet eller solrig eller andre aspekter for, hvordan et observationssted kan se ud. Kvalitative data er ikke numeriske som kvantitative data. Det betragtes derfor som mindre pålideligt end kvantitative data.

Kvantitative data: Kvantitative data refererer til numeriske værdier eller størrelser. Disse slags data kan måles og er normalt i nummerform. Eksempler på kvantitative data kan omfatte pH-niveauer i jord, antallet af mus på et feltsted, prøvedata, saltholdighedsniveauer og anden information i numerisk form.

Økologer bruger statistik til at analysere kvantitative data. Det betragtes derfor som en mere pålidelig form for data end kvalitative data.

Direkte undersøgelse: Forskere kan direkte observere dyr og planter i deres miljø. Dette kaldes en direkte undersøgelse. Selv på steder så fjernt som en havbund kan økolog studere undervandsmiljøet. En direkte undersøgelse i dette tilfælde ville medføre fotografering eller filmning af et sådant miljø.

Nogle prøvetagningsmetoder, der bruges til at optage billeder af havets liv på havbunden, inkluderer videoslæder, vandtæppekameraer og Ham-Cams. Ham-Cams er fastgjort til en Hamon Grab, en prøve spand enhed, der bruges til at indsamle prøver. Dette er en effektiv måde at undersøge dyrepopulationer på.

Hamon Grab er en metode til opsamling af sediment fra havbunden, og sedimentet føres med på en båd, som økologer kan sortere igennem og fotografere. Disse dyr vil blive identificeret i et laboratorium et andet sted.

Ud over en Hamon Grab inkluderer undervandsopsamlingsanordninger en bjælketrawl, der bruges til at opnå større havdyr. Dette indebærer fastgørelse af et net til en stålbjælke og trawling fra bagsiden af ​​en båd. Prøverne bringes om bord på båden og fotograferes og tælles.

Indirekte undersøgelse: Det er ikke altid praktisk eller ønskeligt at observere organismer direkte. I denne situation indebærer økologiske metoder at observere de spor, disse arter efterlader. Disse kan omfatte dyrefisk, fodaftryk og andre indikatorer for deres tilstedeværelse.

Det overordnede formål med økologiske metoder til forskning er at få data af høj kvalitet. For at gøre dette skal eksperimenter planlægges nøje.

Hypotese: Det første skridt i ethvert eksperimentelt design er at komme med en hypotese eller et videnskabeligt spørgsmål. Derefter kan forskere komme med en detaljeret plan for prøveudtagning.

Faktorer, der påvirker feltarbejde, inkluderer størrelsen og formen på et område, der skal samples. Størrelser på markområdet varierer fra små til meget store, afhængigt af hvilke økologiske samfund der undersøges. Eksperimenter i dyreøkologi skal tage højde for potentiel bevægelse og størrelse af dyr.

For eksempel ville edderkopper ikke kræve et stort felt for undersøgelse. Det samme ville være tilfældet, når man studerer jordkemi eller jord hvirvelløse dyr. Du kan bruge en størrelse på 15 meter med 15 meter.

Urteplanter og små pattedyr kan kræve marksteder på op til 30 kvadratmeter. Træer og fugle har muligvis brug for et par hektar. Hvis du studerer store, mobile dyr som hjorte eller bjørne, kan det betyde, at du har brug for et ret stort areal på flere hektar.

Det er også afgørende at beslutte antallet af websteder. Nogle feltstudier kræver muligvis kun ét sted. Men hvis to eller flere levesteder er inkluderet i undersøgelsen, er det nødvendigt med to eller flere feltsteder.

Værktøjer: Værktøjer, der bruges til feltsteder, inkluderer transekter, samplingsdiagrammer, plotless sampling, punktmetoden, transect-intercept-metoden og point-quarter-metoden. Målet er at få upartiske prøver af en tilstrækkelig stor mængde til, at statistiske analyser bliver sundere. Optagelsesinformation på feltdataark hjælper med dataindsamlingen.

Et veldesignet økologisk eksperiment vil have en klar erklæring om formål eller spørgsmål. Forskere bør være ekstraordinære forsigtige med at fjerne bias ved at give både replikering og randomisering. Kendskab til de arter, der undersøges, såvel som organismerne inden for dem er altafgørende.

Resultater: Efter afslutning skal indsamlede økologiske data analyseres med en computer. Der er tre typer økologiske eksperimenter, der kan foretages: manipulerende, naturlige og observationsmæssige.

Manipulative eksperimenter er dem, hvor forskeren ændrer en faktor for at se, hvordan det påvirker et økosystem. Det er muligt at gøre dette i marken eller i et laboratorium.

Denne slags eksperimenter giver interferens på en kontrolleret måde. De arbejder i tilfælde, hvor feltarbejde af forskellige årsager ikke kan forekomme over et helt område.

Ulempen ved manipulerende eksperimenter er, at de ikke altid er repræsentative for, hvad der ville ske i det naturlige økosystem. Derudover kan manipulerende eksperimenter muligvis ikke afsløre mekanismen bag eventuelle observerede mønstre. Det er heller ikke let at ændre variabler i et manipulerende eksperiment.

Eksempel: Hvis du ville lære om firben rovdyr af edderkopper, kan du ændre antallet af firben i kabinetter og undersøge, hvor mange edderkopper der er resultatet af denne effekt.

Et større og aktuelt eksempel på et manipulationseksperiment er genindførelsen af ​​ulve i Yellowstone National Park. Denne genindførelse gør det muligt for økologer at observere effekten af ​​ulve, der vender tilbage til det, der engang var deres normale rækkevidde.

Forskere har allerede lært, at en øjeblikkelig ændring i økosystemet opstod, når ulve blev genindført. Elk flokke adfærd ændret. Øget elgedødelighed førte til en mere stabil fødevareforsyning for både ulve og ådselædere.

Naturlige eksperimenter er, som deres navn antyder, ikke instrueret af mennesker. Dette er manipulationer af et økosystem forårsaget af naturen. For eksempel repræsenterer økosystemet et eksperiment i kølvandet på en naturkatastrofe, klimaforandringer eller introduktion af invasive arter.

Naturligvis er virkelige interaktioner som disse ikke virkelig eksperimenter. Disse scenarier giver økologer mulighed for at undersøge de virkninger, naturlige begivenheder har på arter i et økosystem.

Eksempel: Økologer kunne tage en folketælling af dyr på en ø for at undersøge deres befolkning massefylde.

Den største forskel mellem manipulerende og naturlige eksperimenter set fra et dataperspektiv er, at naturlige eksperimenter ikke har kontroller. Derfor er det undertiden sværere at bestemme årsag og virkning.

Ikke desto mindre er der nyttige oplysninger at få fra naturlige eksperimenter. Miljøvariabler som fugtighedsniveauer og tæthed hos dyr kan stadig bruges til dataformål. Derudover kan naturlige eksperimenter forekomme over store områder eller store tidsrum. Dette adskiller dem yderligere fra manipulerende eksperimenter.

Desværre har menneskeheden forårsaget katastrofale naturlige eksperimenter over hele kloden. Nogle eksempler på disse inkluderer nedbrydning af levesteder, klimaændringer, introduktion af invasive arter og fjernelse af indfødte arter.

Observationseksperimenter kræver tilstrækkelige replikationer til data af høj kvalitet. "Reglen om 10" gælder her; forskere bør indsamle 10 observationer for hver krævet kategori. Indflydelse udefra kan stadig hæmme bestræbelserne på at indsamle data, såsom vejr og andre forstyrrelser. Brug af 10 replikerende observationer kan imidlertid være nyttigt til opnåelse af statistisk signifikante data.

Det er vigtigt at udføre randomisering, fortrinsvis inden udførelse af observationseksperimenter. Dette kan gøres med et regneark på en computer. Randomisering styrker dataindsamlingen, fordi den reducerer bias.

Randomisering og replikering skal bruges sammen for at være effektiv. Websteder, prøver og behandlinger skal alle tildeles tilfældigt for at undgå forvirrede resultater.

Økologiske metoder er stærkt afhængige af statistiske og matematiske modeller. Disse giver økologer en måde at forudsige, hvordan et økosystem vil ændre sig over tid eller reagere på skiftende forhold i miljøet.

Modellering giver også en anden måde at dechiffrere økologisk information, når feltarbejde ikke er praktisk. Faktisk er der flere ulemper ved kun at stole på feltarbejde. På grund af den typisk store skala feltarbejde er det ikke muligt at replikere eksperimenter nøjagtigt. Nogle gange er endda organismernes levetid en hastighedsbegrænsende faktor for feltarbejde. Andre udfordringer inkluderer tid, arbejdskraft og rum.

Modellering giver derfor en metode til at strømline information på en mere effektiv måde.

Eksempler på modellering inkluderer ligninger, simuleringer, grafer og statistiske analyser. Økologer bruger også modellering til at producere nyttige kort. Modellering giver mulighed for beregninger af data for at udfylde huller fra sampling. Uden modellering ville økologer blive hæmmet af den store mængde data, der skal analyseres og kommunikeres. Computermodellering muliggør forholdsvis hurtig analyse af data.

En simuleringsmodel muliggør for eksempel beskrivelsen af ​​systemer, der ellers ville være ekstremt vanskelige og for komplekse til traditionel beregning. Modellering giver forskere mulighed for at studere sameksistens, befolkningsdynamik og mange andre aspekter af økologi. Modellering kan hjælpe med at forudsige mønstre til vigtige planlægningsformål, f.eks. Til klimaforandringer.

Menneskehedens indflydelse på miljøet vil fortsætte. Det bliver derfor mere og mere afgørende for økologer at bruge økologiske forskningsmetoder til at finde måder til at mildne virkningerne på miljøet.