Ökologische Forschungsmethoden: Beobachten, Experimentieren & Modellieren

Ökologie ist das Studium der Beziehung zwischen Organismen und ihrer Umwelt auf der Erde. Mehrere ökologische Methoden werden verwendet, um diese Beziehung zu untersuchen, einschließlich Experimentieren und Modellieren.

Es können manipulative, natürliche oder Beobachtungsexperimente verwendet werden. Die Modellierung hilft bei der Analyse der gesammelten Daten.

Ökologie, die Untersuchung der Interaktion von Organismen mit ihrer Umwelt und untereinander, stützt sich auf mehrere andere Disziplinen. Die Umweltwissenschaft der Ökologie umfasst Biologie, Chemie, Botanik, Zoologie, Mathematik und andere Bereiche.

Die Ökologie untersucht Arteninteraktionen, Populationsgröße, ökologische Nischen, Nahrungsnetze, Energieflüsse und Umweltfaktoren. Um dies zu tun, verlassen sich Ökologen auf sorgfältige Methoden, um möglichst genaue Daten zu sammeln. Sobald die Daten gesammelt sind, analysieren Ökologen sie für ihre Forschung.

Die aus diesen Forschungsmethoden gewonnenen Informationen können Ökologen dann helfen, Einflüsse zu finden, die durch Menschen oder natürliche Faktoren verursacht werden. Diese Informationen können dann verwendet werden, um betroffene Gebiete oder Arten zu verwalten und zu erhalten.

Jeder Experiment erfordert Beobachtung. Ökologen müssen die Umwelt, die darin enthaltenen Arten und wie diese Arten interagieren, wachsen und sich verändern, beobachten. Unterschiedliche Forschungsprojekte erfordern unterschiedliche Arten von Bewertungen und Beobachtungen.

Ökologen verwenden manchmal a Desk-based Assessment, oder DBA, um Informationen zu bestimmten Interessengebieten zu sammeln und zusammenzufassen. In diesem Szenario verwenden Ökologen Informationen, die bereits aus anderen Quellen gesammelt wurden.

Oftmals verlassen sich Ökologen jedoch auf Beobachtung und Feldarbeit. Dies bedeutet, dass man sich tatsächlich in den Lebensraum des interessierenden Objekts begibt, um es in seinem natürlichen Zustand zu beobachten. Durch Feldstudien können Ökologen das Populationswachstum von Arten verfolgen, beobachten Gemeinschaftsökologie in Aktion und untersuchen Sie die Auswirkungen neuer Arten oder anderer in die Umwelt eingeführter Phänomene.

Jeder Feldstandort wird sich in Natur, Form oder auf andere Weise unterscheiden. Ökologische Methoden berücksichtigen solche Unterschiede, sodass verschiedene Instrumente für Beobachtungen und Probenahmen verwendet werden können. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Stichprobenziehung nach dem Zufallsprinzip erfolgt, um Verzerrungen zu vermeiden.

Daten aus Beobachtung und Feldarbeit können entweder qualitativ oder quantitativ sein. Diese beiden Klassifikationen von Daten unterscheiden sich auf unterschiedliche Weise.

Qualitative Daten: Qualitative Daten beziehen sich auf a Qualität des Themas oder der Bedingungen. Es ist daher ein mehr beschreibend Form von Daten. Es ist nicht leicht zu messen und wird durch Beobachtung gesammelt.

Da qualitative Daten beschreibend sind, können sie Aspekte wie Farbe, Form, ob der Himmel bewölkt oder sonnig ist oder andere Aspekte für das Aussehen eines Beobachtungsstandorts enthalten. Qualitative Daten sind nicht numerisch wie quantitative Daten. Sie gelten daher als weniger zuverlässig als quantitative Daten.

Quantitative Daten: Quantitative Daten beziehen sich auf Zahlenwerte oder Mengen. Diese Arten von Daten können gemessen werden und liegen normalerweise in Zahlenform vor. Beispiele für quantitative Daten können pH-Werte im Boden, die Anzahl der Mäuse auf einem Feld, Probendaten, Salzgehalt und andere Informationen in numerischer Form sein.

Ökologen verwenden Statistiken, um quantitative Daten zu analysieren. Sie gelten daher als zuverlässigere Datenform als qualitative Daten.

Direkte Umfrage: Wissenschaftler können Tiere und Pflanzen in ihrer Umgebung direkt beobachten. Dies wird als direkte Umfrage bezeichnet. Selbst an so abgelegenen Orten wie dem Meeresboden können Ökologen die Unterwasserwelt untersuchen. Eine direkte Vermessung würde in diesem Fall das Fotografieren oder Filmen einer solchen Umgebung beinhalten.

Einige Probenahmemethoden, die verwendet werden, um Bilder von Meereslebewesen auf dem Meeresboden aufzunehmen, umfassen Videoschlitten, Wasservorhangkameras und Ham-Cams. Ham-Cams sind an einem Hamon Grab befestigt, einem Probeneimer, der zum Sammeln von Proben verwendet wird. Dies ist eine effektive Möglichkeit, Tierpopulationen zu untersuchen.

Der Hamon Grab ist eine Methode zum Sammeln von Sedimenten vom Meeresboden, und die Sedimente werden auf ein Boot gebracht, damit Ökologen sie sortieren und fotografieren können. Diese Tiere werden in einem anderen Labor identifiziert.

Zu den Unterwassersammelgeräten gehört neben einem Hamon Grab eine Baumkurre, mit der größere Meerestiere gewonnen werden können. Dies beinhaltet das Anbringen eines Netzes an einem Stahlträger und das Schleppnetzen vom Heck eines Bootes. Die Proben werden an Bord des Bootes gebracht, fotografiert und gezählt.

Indirekte Umfrage: Es ist nicht immer praktisch oder wünschenswert, Organismen direkt zu beobachten. Ökologische Methoden beinhalten in dieser Situation die Beobachtung der Spuren, die diese Arten hinterlassen. Dazu können Tierkot, Fußabdrücke und andere Indikatoren für ihre Anwesenheit gehören.

Der übergeordnete Zweck ökologischer Forschungsmethoden ist es, qualitativ hochwertige Daten zu erhalten. Dazu müssen Experimente sorgfältig geplant werden.

Hypothese: Der erste Schritt in jedem experimentellen Design besteht darin, eine Hypothese oder wissenschaftliche Frage zu stellen. Anschließend können die Forscher einen detaillierten Plan für die Probenahme erstellen.

Zu den Faktoren, die Feldarbeitsexperimente beeinflussen, gehören die Größe und Form eines Bereichs, der beprobt werden muss. Die Größe der Feldstandorte reicht von klein bis sehr groß, je nachdem, welche ökologischen Gemeinschaften untersucht werden. Tierökologische Versuche müssen die mögliche Bewegung und Größe der Tiere berücksichtigen.

Zum Beispiel würden Spinnen kein großes Feld zum Studieren benötigen. Dasselbe gilt für das Studium der Bodenchemie oder der Bodenwirbellosen. Sie könnten eine Größe von 15 Metern mal 15 Metern verwenden.

Krautige Pflanzen und kleine Säugetiere benötigen möglicherweise bis zu 30 Quadratmeter große Freilandflächen. Bäume und Vögel brauchen vielleicht ein paar Hektar. Wenn Sie große, mobile Tiere wie Rehe oder Bären untersuchen, kann dies bedeuten, dass Sie eine ziemlich große Fläche von mehreren Hektar benötigen.

Die Entscheidung über die Anzahl der Standorte ist ebenfalls entscheidend. Einige Feldstudien erfordern möglicherweise nur einen Standort. Werden jedoch zwei oder mehr Habitate in die Studie einbezogen, sind zwei oder mehr Freilandstandorte notwendig.

Werkzeuge: Zu den Werkzeugen, die für Feldstandorte verwendet werden, gehören Transekte, Probenahmeplots, plotlose Probenahme, die Punktmethode, die Transekt-Abschnitt-Methode und die Punkt-Viertel-Methode. Das Ziel besteht darin, unverzerrte Stichproben in ausreichender Menge zu erhalten, damit statistische Analysen fundierter sind. Das Aufzeichnen von Informationen auf Felddatenblättern hilft bei der Datenerhebung.

Ein gut konzipiertes ökologisches Experiment hat eine klare Aussage über den Zweck oder die Frage. Forscher sollten besondere Sorgfalt walten lassen, um Verzerrungen zu beseitigen, indem sie sowohl Replikation als auch Randomisierung bereitstellen. Die Kenntnis der untersuchten Arten sowie der darin enthaltenen Organismen ist von größter Bedeutung.

Ergebnisse: Nach Abschluss sollten die gesammelten ökologischen Daten mit einem Computer analysiert werden. Es gibt drei Arten von ökologischen Experimenten, die durchgeführt werden können: manipulative, natürliche und beobachtende.

Manipulative Experimente sind solche, bei denen der Forscher verändert einen Faktor um zu sehen, wie es sich auf ein Ökosystem auswirkt. Dies ist im Feld oder im Labor möglich.

Solche Experimente sorgen auf kontrollierte Weise für Interferenzen. Sie arbeiten in Fällen, in denen Feldarbeit aus verschiedenen Gründen nicht flächendeckend erfolgen kann.

Der Nachteil manipulativer Experimente ist, dass sie nicht immer repräsentativ für das sind, was im natürlichen Ökosystem passieren würde. Darüber hinaus könnten manipulative Experimente den Mechanismus hinter den beobachteten Mustern nicht aufdecken. Es ist auch nicht einfach, Variablen in einem manipulativen Experiment zu ändern.

Beispiel: Wenn Sie etwas über Eidechsen erfahren wollten Raub von Spinnen konnte man die Anzahl der Eidechsen in Gehegen verändern und untersuchen, wie viele Spinnen durch diesen Effekt entstanden sind.

Ein größeres und aktuelles Beispiel für ein Manipulationsexperiment ist die Wiederansiedlung von Wölfen im Yellowstone-Nationalpark. Diese Wiederansiedlung ermöglicht es Ökologen, die Wirkung von Wölfen zu beobachten, die in das einst normale Verbreitungsgebiet zurückkehren.

Forscher haben bereits erfahren, dass es nach der Wiederansiedlung von Wölfen zu einer sofortigen Veränderung des Ökosystems kam. Das Verhalten der Elchherden hat sich geändert. Die erhöhte Sterblichkeit der Elche führte zu einer stabileren Nahrungsversorgung sowohl für Wölfe als auch für Aasfresser.

Naturexperimente werden, wie der Name schon sagt, nicht von Menschen geleitet. Dies sind Manipulationen eines Ökosystems, die von der Natur verursacht werden. Das Ökosystem selbst stellt beispielsweise im Zuge einer Naturkatastrophe, des Klimawandels oder der Einführung invasiver Arten ein Experiment dar.

Natürlich sind Interaktionen in der realen Welt wie diese keine echten Experimente. Diese Szenarien bieten Ökologen die Möglichkeit, die Auswirkungen von Naturereignissen auf Arten in einem Ökosystem zu untersuchen.

Beispiel: Ökologen könnten eine Tierzählung auf einer Insel durchführen, um ihre Population Dichte.

Der Hauptunterschied zwischen manipulativen und natürlichen Experimenten aus Datensicht besteht darin, dass natürliche Experimente keine Kontrollen haben. Daher ist es manchmal schwieriger, Ursache und Wirkung zu bestimmen.

Nichtsdestotrotz können aus Naturexperimenten nützliche Informationen gewonnen werden. Umweltvariablen wie Feuchtigkeitsgehalt und Tierdichte können weiterhin für Datenzwecke verwendet werden. Darüber hinaus können natürliche Experimente über große Gebiete oder über lange Zeiträume hinweg stattfinden. Dies unterscheidet sie weiter von manipulativen Experimenten.

Leider hat die Menschheit auf der ganzen Welt katastrophale Naturexperimente verursacht. Einige Beispiele hierfür sind die Zerstörung von Lebensräumen, der Klimawandel, die Einführung invasiver Arten und die Entfernung einheimischer Arten.

Beobachtungsexperimente erfordern adäquate Replikationen für qualitativ hochwertige Daten. Hier gilt die „10er-Regel“; Forscher sollten 10 Beobachtungen für jede erforderliche Kategorie sammeln. Äußere Einflüsse können die Datenerfassung immer noch behindern, wie etwa Wetter und andere Störungen. Die Verwendung von 10 replizierenden Beobachtungen kann sich jedoch als hilfreich erweisen, um statistisch signifikante Daten zu erhalten.

Es ist wichtig, eine Randomisierung durchzuführen, vorzugsweise vor der Durchführung von Beobachtungsexperimenten. Dies kann mit einer Tabellenkalkulation auf einem Computer erfolgen. Die Randomisierung stärkt die Datensammlung, da sie Verzerrungen reduziert.

Randomisierung und Replikation sollten zusammen verwendet werden, um effektiv zu sein. Standorte, Proben und Behandlungen sollten alle nach dem Zufallsprinzip zugewiesen werden, um verfälschte Ergebnisse zu vermeiden.

Ökologische Methoden stützen sich stark auf statistische und mathematische Modelle. Diese bieten Ökologen die Möglichkeit, vorherzusagen, wie sich ein Ökosystem im Laufe der Zeit verändern oder auf sich ändernde Umweltbedingungen reagieren wird.

Modellieren bietet auch eine andere Möglichkeit, ökologische Informationen zu entschlüsseln, wenn Feldarbeiten nicht praktikabel sind. Tatsächlich gibt es mehrere Nachteile, sich ausschließlich auf die Feldarbeit zu verlassen. Aufgrund des typischerweise großen Umfangs der Feldarbeit ist es nicht möglich, Experimente exakt zu replizieren. Manchmal ist sogar die Lebensdauer von Organismen ein geschwindigkeitsbegrenzender Faktor für die Feldarbeit. Weitere Herausforderungen sind Zeit, Arbeit und Platz.

Die Modellierung stellt daher ein Verfahren bereit, mit dem Informationen auf effizientere Weise rationalisiert werden können.

Beispiele für die Modellierung sind Gleichungen, Simulationen, Grafiken und statistische Analysen. Ökologen verwenden die Modellierung auch, um hilfreiche Karten zu erstellen. Die Modellierung ermöglicht Berechnungen von Daten, um Lücken aus der Stichprobe zu schließen. Ohne Modellierung würden Ökologen durch die schiere Menge an Daten behindert, die analysiert und kommuniziert werden müssen. Computermodellierung ermöglicht eine vergleichsweise schnelle Analyse von Daten.

Ein Simulationsmodell ermöglicht beispielsweise die Beschreibung von Systemen, die sonst für die klassische Infinitesimalrechnung extrem schwierig und zu komplex wären. Die Modellierung ermöglicht es Wissenschaftlern, Koexistenz, Populationsdynamik und viele andere Aspekte der Ökologie zu untersuchen. Modellierung kann helfen, Muster für entscheidende Planungszwecke vorherzusagen, beispielsweise für den Klimawandel.

Der Einfluss der Menschheit auf die Umwelt wird sich fortsetzen. Daher wird es für Ökologen immer wichtiger, mit ökologischen Forschungsmethoden Wege zu finden, die Auswirkungen auf die Umwelt zu mindern.