Μέθοδοι οικολογικής έρευνας: Παρατήρηση, πειραματισμός και μοντελοποίηση

Οικολογία είναι η μελέτη της σχέσης μεταξύ οργανισμών και του περιβάλλοντός τους στη γη. Αρκετές οικολογικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται για τη μελέτη αυτής της σχέσης, συμπεριλαμβανομένου του πειραματισμού και της μοντελοποίησης.

Μπορούν να χρησιμοποιηθούν χειραγωγικά, φυσικά ή παρατηρητικά πειράματα. Η μοντελοποίηση βοηθά στην ανάλυση των συλλεχθέντων δεδομένων.

Οικολογία, η μελέτη του τρόπου με τον οποίο οι οργανισμοί αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους και ο ένας με τον άλλο, βασίζεται σε διάφορους άλλους κλάδους. Η περιβαλλοντική επιστήμη της οικολογίας ενσωματώνει τη βιολογία, τη χημεία, τη βοτανική, τη ζωολογία, τα μαθηματικά και άλλους τομείς.

Η Οικολογία εξετάζει τις αλληλεπιδράσεις των ειδών, το μέγεθος του πληθυσμού, τις οικολογικές θέσεις, τους ιστούς τροφίμων, τη ροή ενέργειας και τους περιβαλλοντικούς παράγοντες. Για να γίνει αυτό, οι οικολόγοι βασίζονται σε προσεκτικές μεθόδους για τη συλλογή των πιο ακριβών δεδομένων που μπορούν. Μόλις συλλεχθούν δεδομένα, οι οικολόγοι το αναλύουν για την έρευνά τους.

Οι πληροφορίες που αποκτώνται από αυτές τις ερευνητικές μεθόδους μπορούν στη συνέχεια να βοηθήσουν τους οικολόγους να βρουν επιπτώσεις που προκαλούνται από ανθρώπους ή φυσικούς παράγοντες. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν στη διαχείριση και τη διατήρηση περιοχών ή ειδών που έχουν προσβληθεί.

Κάθε πείραμα απαιτεί παρατήρηση. Οι οικολόγοι πρέπει να παρατηρούν το περιβάλλον, τα είδη μέσα σε αυτό και πώς αλληλεπιδρούν, αναπτύσσονται και αλλάζουν αυτά τα είδη. Διαφορετικά ερευνητικά έργα απαιτούν διαφορετικούς τύπους αξιολογήσεων και παρατηρήσεων.

Οικολόγοι μερικές φορές χρησιμοποιούν ένα αξιολόγηση βάσει γραφείου, ή DBA, για τη συλλογή και τη σύνοψη πληροφοριών σχετικά με συγκεκριμένους τομείς ενδιαφέροντος. Σε αυτό το σενάριο, οι οικολόγοι χρησιμοποιούν πληροφορίες που έχουν ήδη συλλεχθεί από άλλες πηγές.

Πολλές φορές, ωστόσο, βασίζονται οι οικολόγοι παρατήρηση και επιτόπια εργασία. Αυτό συνεπάγεται την πραγματική μετάβαση στο βιότοπο του ενδιαφέροντος για να το παρατηρήσει στη φυσική του κατάσταση. Κάνοντας επιτόπιες έρευνες, οι οικολόγοι μπορούν να παρακολουθούν την αύξηση του πληθυσμού των ειδών, παρατηρούν κοινοτική οικολογία σε δράση και μελέτη της επίδρασης οποιωνδήποτε νέων ειδών ή άλλων εισαγόμενων φαινομένων στο περιβάλλον.

Κάθε περιοχή πεδίου θα διαφέρει ως προς τη φύση, το σχήμα ή με άλλους τρόπους. Οι οικολογικές μέθοδοι επιτρέπουν τέτοιες διαφορές, έτσι ώστε διαφορετικά εργαλεία να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παρατηρήσεις και δειγματοληψίες. Είναι σημαντικό να γίνει δειγματοληψία με τυχαίο τρόπο για την καταπολέμηση της προκατάληψης.

Τα δεδομένα που λαμβάνονται από την παρατήρηση και την επιτόπια εργασία μπορούν να είναι είτε ποιοτικά είτε ποσοτικά. Αυτές οι δύο ταξινομήσεις δεδομένων διαφέρουν με διαφορετικούς τρόπους.

Ποιοτικα δεδομενα: Τα ποιοτικά δεδομένα αναφέρονται σε α ποιότητα του θέματος ή των προϋποθέσεων. Είναι λοιπόν περισσότερο περιγραφικός μορφή δεδομένων. Δεν μετράται εύκολα και συλλέγεται με παρατήρηση.

Επειδή τα ποιοτικά δεδομένα είναι περιγραφικά, ενδέχεται να περιλαμβάνουν πτυχές όπως το χρώμα, το σχήμα, εάν ο ουρανός είναι συννεφιασμένος ή ηλιόλουστος ή άλλες πτυχές για το πώς μπορεί να φαίνεται ένας ιστότοπος παρατήρησης. Τα ποιοτικά δεδομένα δεν είναι αριθμητικά όπως τα ποσοτικά δεδομένα. Επομένως, θεωρείται λιγότερο αξιόπιστο από τα ποσοτικά δεδομένα.

Ποσοτικά δεδομένα: Τα ποσοτικά δεδομένα αναφέρονται αριθμητικές τιμές ή ποσότητες. Αυτά τα είδη δεδομένων μπορούν να μετρηθούν και είναι συνήθως σε μορφή αριθμού. Παραδείγματα ποσοτικών δεδομένων μπορεί να περιλαμβάνουν τα επίπεδα pH στο έδαφος, τον αριθμό των ποντικών σε μια τοποθεσία, δεδομένα δείγματος, επίπεδα αλατότητας και άλλες πληροφορίες σε αριθμητική μορφή.

Οι οικολόγοι χρησιμοποιούν στατιστικά στοιχεία για την ανάλυση ποσοτικών δεδομένων. Θεωρείται επομένως μια πιο αξιόπιστη μορφή δεδομένων από τα ποιοτικά δεδομένα.

Άμεση έρευνα: Οι επιστήμονες μπορούν να παρατηρήσουν άμεσα ζώα και φυτά στο περιβάλλον τους. Αυτό ονομάζεται άμεση έρευνα. Ακόμα και σε μέρη τόσο απομακρυσμένα όσο ένας θαλάσσιος πυθμένας, ο οικολόγος μπορεί να μελετήσει το υποβρύχιο περιβάλλον. Μια άμεση έρευνα σε αυτήν την περίπτωση θα συνεπαγόταν φωτογράφηση ή μαγνητοσκόπηση ενός τέτοιου περιβάλλοντος.

Ορισμένες μέθοδοι δειγματοληψίας που χρησιμοποιούνται για την καταγραφή εικόνων της θαλάσσιας ζωής στον πυθμένα περιλαμβάνουν έλκηθρα βίντεο, κάμερες κουρτίνας νερού και Ham-Cams. Τα Ham-Cams συνδέονται με ένα Hamon Grab, μια συσκευή δείγματος κάδου που χρησιμοποιείται για τη συλλογή δειγμάτων. Αυτός είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για τη μελέτη των πληθυσμών των ζώων.

Το Hamon Grab είναι μια μέθοδος συλλογής ιζημάτων από τον πυθμένα του θαλάσσιου πυθμένα και το ίζημα μεταφέρεται σε μια βάρκα για να διαλέξουν και να φωτογραφίσουν οι οικολόγοι. Αυτά τα ζώα θα ταυτοποιηθούν σε εργαστήριο αλλού.

Εκτός από το Hamon Grab, οι συσκευές υποθαλάσσιας συλλογής περιλαμβάνουν δοκότρατα, η οποία χρησιμοποιείται για την απόκτηση μεγαλύτερων θαλάσσιων ζώων. Αυτό συνεπάγεται τη σύνδεση ενός διχτυού σε μια χαλύβδινη δοκό και τράτα από το πίσω μέρος ενός σκάφους. Τα δείγματα μεταφέρονται επί του σκάφους και φωτογραφίζονται και μετράται.

Έμμεση έρευνα: Δεν είναι πάντοτε πρακτικό ή επιθυμητό να παρατηρούνται άμεσα οι οργανισμοί. Σε αυτήν την περίπτωση, οι οικολογικές μέθοδοι συνεπάγονται την παρακολούθηση των ιχνών που αφήνουν αυτά τα είδη. Αυτά θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν το ζώο, τα ίχνη και άλλους δείκτες της παρουσίας τους.

Ο πρωταρχικός σκοπός των οικολογικών μεθόδων για την έρευνα είναι η λήψη δεδομένων υψηλής ποιότητας. Για να γίνει αυτό, τα πειράματα πρέπει να προγραμματιστούν προσεκτικά.

Υπόθεση: Το πρώτο βήμα σε κάθε πειραματικό σχεδιασμό είναι να καταλήξουμε σε μια υπόθεση ή ένα επιστημονικό ζήτημα. Στη συνέχεια, οι ερευνητές μπορούν να βρουν ένα λεπτομερές σχέδιο για δειγματοληψία.

Παράγοντες που επηρεάζουν τα πειράματα στο πεδίο εργασίας περιλαμβάνουν το μέγεθος και το σχήμα μιας περιοχής που πρέπει να γίνει δειγματοληψία. Τα μεγέθη των χωραφιών κυμαίνονται από μικρά έως πολύ μεγάλα, ανάλογα με τις οικολογικές κοινότητες που μελετώνται. Τα πειράματα στην οικολογία των ζώων πρέπει να λαμβάνουν υπόψη την πιθανή κίνηση και το μέγεθος των ζώων.

Για παράδειγμα, οι αράχνες δεν θα απαιτούσαν έναν μεγάλο ιστότοπο για μελέτη. Το ίδιο θα ίσχυε κατά τη μελέτη της χημείας του εδάφους ή των ασπόνδυλων του εδάφους. Θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε ένα μέγεθος 15 μέτρων επί 15 μέτρων.

Τα ποώδη φυτά και τα μικρά θηλαστικά μπορεί να απαιτούν χωράφια έως 30 τετραγωνικά μέτρα. Τα δέντρα και τα πουλιά μπορεί να χρειάζονται μερικά εκτάρια. Εάν μελετάτε μεγάλα, κινητά ζώα, όπως ελάφια ή αρκούδες, αυτό θα μπορούσε να σημαίνει ότι χρειάζεστε μια αρκετά μεγάλη έκταση πολλών εκταρίων.

Η απόφαση σχετικά με τον αριθμό των ιστότοπων είναι επίσης σημαντική. Ορισμένες επιτόπιες μελέτες ενδέχεται να απαιτούν μόνο έναν ιστότοπο. Αλλά εάν δύο ή περισσότεροι οικότοποι περιλαμβάνονται στη μελέτη, είναι απαραίτητοι δύο ή περισσότεροι τόποι.

Εργαλεία: Τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται για τοποθεσίες πεδίου περιλαμβάνουν transect, δειγματοληψίες plotless, δειγματοληψία χωρίς πλοκή, τη μέθοδο σημείου, τη μέθοδο transect-intercept και τη μέθοδο point-quarter. Ο στόχος είναι να ληφθούν αμερόληπτα δείγματα μιας αρκετά υψηλής ποσότητας ώστε οι στατιστικές αναλύσεις να είναι πιο υγιείς. Η καταγραφή πληροφοριών σχετικά με τα πεδία δεδομένων βοηθά στη συλλογή δεδομένων.

Ένα καλά σχεδιασμένο οικολογικό πείραμα θα έχει μια σαφή δήλωση σκοπού ή ερώτησης. Οι ερευνητές θα πρέπει να προσέχουν εξαιρετικά για να εξαλείψουν την προκατάληψη παρέχοντας τόσο αντιγραφή όσο και τυχαιοποίηση. Η γνώση του είδους που μελετάται καθώς και των οργανισμών που βρίσκονται μέσα τους είναι υψίστης σημασίας.

Αποτελέσματα: Μετά την ολοκλήρωση, τα συλλεγμένα οικολογικά δεδομένα πρέπει να αναλύονται με υπολογιστή. Υπάρχουν τρεις τύποι οικολογικών πειραμάτων που μπορούν να γίνουν: χειραγώγηση, φυσικό και παρατήρηση.

Τα πειράματα χειραγώγησης είναι εκείνα στα οποία ο ερευνητής μεταβάλλει έναν παράγοντα να δούμε πώς επηρεάζει ένα οικοσύστημα. Είναι δυνατό να το κάνετε αυτό στο χωράφι ή στο εργαστήριο.

Αυτά τα είδη πειραμάτων παρέχουν παρεμβολές με ελεγχόμενο τρόπο. Λειτουργούν σε περιπτώσεις κατά τις οποίες η εργασία πεδίου δεν μπορεί να συμβεί σε ολόκληρη την περιοχή, για διάφορους λόγους.

Το μειονέκτημα των πειραμάτων χειραγώγησης είναι ότι δεν είναι πάντα αντιπροσωπευτικά του τι θα συνέβαινε στο φυσικό οικοσύστημα. Επιπλέον, τα χειραγωγικά πειράματα ενδέχεται να μην αποκαλύπτουν τον μηχανισμό πίσω από τα πρότυπα που παρατηρούνται. Επίσης, δεν είναι εύκολο να αλλάξετε μεταβλητές σε ένα χειραγωγικό πείραμα.

Παράδειγμα: Αν θέλετε να μάθετε για τη σαύρα αρπαγή των αραχνών, θα μπορούσατε να αλλάξετε τον αριθμό των σαυρών στα περιβλήματα και να μελετήσετε πόσες αράχνες προέκυψαν από αυτό το αποτέλεσμα.

Ένα μεγαλύτερο και τρέχον παράδειγμα ενός πειράματος χειραγώγησης είναι η επαναφορά των λύκων στο Εθνικό Πάρκο Yellowstone. Αυτή η επαναφορά επιτρέπει στους οικολόγους να παρατηρούν την επίδραση των λύκων να επιστρέφουν σε αυτό που κάποτε ήταν το φυσιολογικό τους εύρος.

Ήδη, οι ερευνητές έχουν μάθει ότι μια άμεση αλλαγή στο οικοσύστημα συνέβη όταν επαναφέρθηκαν οι λύκοι. Οι συμπεριφορές των κοπαδιών αλκ άλλαξαν. Η αύξηση της θνησιμότητας των αλκών οδήγησε σε μια πιο σταθερή τροφοδοσία τροφίμων τόσο για τους λύκους όσο και για τα καρόνια.

Τα φυσικά πειράματα, όπως υποδηλώνει το όνομά τους, δεν κατευθύνονται από τους ανθρώπους. Πρόκειται για χειρισμούς ενός οικοσυστήματος που προκαλείται από τη φύση. Για παράδειγμα, μετά από μια φυσική καταστροφή, κλιματική αλλαγή ή εισβολή ειδών, το ίδιο το οικοσύστημα αντιπροσωπεύει ένα πείραμα.

Φυσικά, οι πραγματικές αλληλεπιδράσεις όπως αυτές δεν είναι πραγματικά πειράματα. Αυτά τα σενάρια παρέχουν στους οικολόγους ευκαιρίες να μελετήσουν τις επιπτώσεις που έχουν τα φυσικά γεγονότα στα είδη ενός οικοσυστήματος.

Παράδειγμα: Οι οικολόγοι θα μπορούσαν να κάνουν απογραφή ζώων σε ένα νησί για να μελετήσουν πληθυσμός πυκνότητα.

Η κύρια διαφορά μεταξύ των χειρισμών και των φυσικών πειραμάτων από άποψη δεδομένων είναι ότι τα φυσικά πειράματα δεν έχουν ελέγχους. Επομένως, μερικές φορές είναι πιο δύσκολο να προσδιοριστεί η αιτία και το αποτέλεσμα.

Ωστόσο, υπάρχουν χρήσιμες πληροφορίες που πρέπει να αποκτηθούν από φυσικά πειράματα. Περιβαλλοντικές μεταβλητές όπως τα επίπεδα υγρασίας και η πυκνότητα των ζώων μπορούν ακόμη να χρησιμοποιηθούν για σκοπούς δεδομένων. Επιπλέον, φυσικά πειράματα μπορούν να πραγματοποιηθούν σε μεγάλες περιοχές ή σε τεράστια χρονικά διαστήματα. Αυτό τα ξεχωρίζει περαιτέρω από χειραγώγιμα πειράματα.

Δυστυχώς, η ανθρωπότητα έχει προκαλέσει καταστροφικά φυσικά πειράματα σε ολόκληρο τον κόσμο. Μερικά παραδείγματα αυτών περιλαμβάνουν την υποβάθμιση των ενδιαιτημάτων, την κλιματική αλλαγή, την εισαγωγή διεισδυτικών ειδών και την απομάκρυνση των εγγενών ειδών.

Τα πειράματα παρατήρησης απαιτούν επαρκή αναπαραγωγή δεδομένων υψηλής ποιότητας. Ο «κανόνας του 10» ισχύει εδώ. Οι ερευνητές θα πρέπει να συλλέξουν 10 παρατηρήσεις για κάθε κατηγορία που απαιτείται. Οι εξωτερικές επιρροές μπορούν ακόμη να παρεμποδίσουν τις προσπάθειες συλλογής δεδομένων, όπως ο καιρός και άλλες διαταραχές. Ωστόσο, η χρήση 10 επαναληπτικών παρατηρήσεων μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμη για τη λήψη στατιστικά σημαντικών δεδομένων.

Είναι σημαντικό να γίνει τυχαιοποίηση, κατά προτίμηση πριν από την εκτέλεση πειραμάτων παρατήρησης. Αυτό μπορεί να γίνει με υπολογιστικό φύλλο σε υπολογιστή. Η τυχαιοποίηση ενισχύει τη συλλογή δεδομένων επειδή μειώνει την προκατάληψη.

Η τυχαιοποίηση και η αναπαραγωγή πρέπει να χρησιμοποιούνται μαζί για να είναι αποτελεσματικές. Οι ιστότοποι, τα δείγματα και οι θεραπείες θα πρέπει να αντιστοιχίζονται τυχαία για την αποφυγή συγχύσεων αποτελεσμάτων.

Οι οικολογικές μέθοδοι βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε στατιστικά και μαθηματικά μοντέλα. Αυτά παρέχουν στους οικολόγους έναν τρόπο να προβλέψουν πώς ένα οικοσύστημα θα αλλάξει με την πάροδο του χρόνου ή θα αντιδράσει στις μεταβαλλόμενες συνθήκες στο περιβάλλον.

Πρίπλασμα παρέχει επίσης έναν άλλο τρόπο αποκρυπτογράφησης των οικολογικών πληροφοριών όταν η πρακτική δεν είναι πρακτική. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν πολλά μειονεκτήματα για να βασίζεστε αποκλειστικά στην εργασία πεδίου. Λόγω της τυπικά μεγάλης κλίμακας επιτόπιων εργασιών, δεν είναι δυνατόν να αναπαράγονται τα πειράματα ακριβώς. Μερικές φορές ακόμη και η διάρκεια ζωής των οργανισμών είναι ένας παράγοντας περιορισμού του ρυθμού για την εργασία στο πεδίο. Άλλες προκλήσεις περιλαμβάνουν χρόνο, εργασία και χώρο.

Η μοντελοποίηση, επομένως, παρέχει μια μέθοδο για την απλούστευση των πληροφοριών με πιο αποτελεσματικό τρόπο.

Παραδείγματα μοντελοποίησης περιλαμβάνουν εξισώσεις, προσομοιώσεις, γραφήματα και στατιστικές αναλύσεις. Οι οικολόγοι χρησιμοποιούν μοντελοποίηση για την παραγωγή χρήσιμων χαρτών. Η μοντελοποίηση επιτρέπει υπολογισμούς δεδομένων για την κάλυψη κενών από τη δειγματοληψία. Χωρίς μοντελοποίηση, οι οικολόγοι θα παρεμποδίζονταν από την τεράστια ποσότητα δεδομένων που πρέπει να αναλυθούν και να κοινοποιηθούν. Η μοντελοποίηση υπολογιστών επιτρέπει τη συγκριτικά γρήγορη ανάλυση των δεδομένων.

Ένα μοντέλο προσομοίωσης, για παράδειγμα, επιτρέπει την περιγραφή συστημάτων που διαφορετικά θα ήταν εξαιρετικά δύσκολα και πολύ περίπλοκα για τον παραδοσιακό λογισμό. Η μοντελοποίηση επιτρέπει στους επιστήμονες να μελετήσουν τη συνύπαρξη, τη δυναμική του πληθυσμού και πολλές άλλες πτυχές της οικολογίας. Η μοντελοποίηση μπορεί να βοηθήσει στην πρόβλεψη προτύπων για κρίσιμους σκοπούς σχεδιασμού, όπως για την κλιματική αλλαγή.

Οι επιπτώσεις της ανθρωπότητας στο περιβάλλον θα συνεχιστούν. Γίνεται λοιπόν πιο σημαντικό για τους οικολόγους να χρησιμοποιούν μεθόδους οικολογικής έρευνας για να βρουν τρόπους μετριασμού των επιπτώσεων στο περιβάλλον.