Ecologische onderzoeksmethoden: observeren, experimenteren en modelleren

Ecologie is de studie van de relatie tussen organismen en hun omgeving op aarde. Er worden verschillende ecologische methoden gebruikt om deze relatie te bestuderen, waaronder experimenteren en modelleren.

Er kunnen manipulatieve, natuurlijke of observatie-experimenten worden gebruikt. Modellering helpt bij het analyseren van de verzamelde gegevens.

Ecologie, de studie van hoe organismen omgaan met hun omgeving en met elkaar, is gebaseerd op verschillende andere disciplines. De milieuwetenschap van ecologie omvat biologie, scheikunde, plantkunde, zoölogie, wiskunde en andere gebieden.

Ecologie onderzoekt interacties tussen soorten, populatiegrootte, ecologische niches, voedselwebben, energiestromen en omgevingsfactoren. Om dit te doen, vertrouwen ecologen op zorgvuldige methoden om de meest nauwkeurige gegevens te verzamelen die ze kunnen. Zodra de gegevens zijn verzameld, analyseren ecologen deze voor hun onderzoek.

De informatie die uit deze onderzoeksmethoden wordt verkregen, kan ecologen vervolgens helpen bij het vinden van effecten veroorzaakt door mensen of natuurlijke factoren. Deze informatie kan vervolgens worden gebruikt om getroffen gebieden of soorten te helpen beheren en behouden.

elke experiment observatie vereist. Ecologen moeten de omgeving observeren, de soorten erin en hoe die soorten op elkaar inwerken, groeien en veranderen. Verschillende onderzoeksprojecten vereisen verschillende soorten beoordelingen en observaties.

Ecologen gebruiken soms een bureaugebaseerde beoordeling, of DBA, om informatie over specifieke interessegebieden te verzamelen en samen te vatten. In dit scenario gebruiken ecologen informatie die al uit andere bronnen is verzameld.

Vaak vertrouwen ecologen echter op observatie en veldwerk. Dit houdt in dat je daadwerkelijk de habitat van het onderwerp van interesse binnengaat om het in zijn natuurlijke staat te observeren. Door veldonderzoek te doen, kunnen ecologen de bevolkingsgroei van soorten volgen, observeren gemeenschapsecologie in actie en bestudeer de impact van nieuwe soorten of andere geïntroduceerde fenomenen in het milieu.

Elke veldlocatie zal verschillen van aard, vorm of op andere manieren. Ecologische methoden houden rekening met dergelijke verschillen, zodat verschillende instrumenten kunnen worden gebruikt voor observaties en bemonstering. Het is van cruciaal belang dat steekproeven willekeurig worden gedaan om vooringenomenheid tegen te gaan.

Gegevens verkregen uit observatie en veldwerk kunnen zowel kwalitatief als kwantitatief zijn. Deze twee classificaties van gegevens verschillen op verschillende manieren.

Kwalitatieve data: Kwalitatieve gegevens verwijzen naar a kwaliteit van het onderwerp of de voorwaarden. Het is dus een meer beschrijvend vorm van gegevens. Het is niet gemakkelijk te meten en wordt verzameld door observatie.

Omdat kwalitatieve gegevens beschrijvend zijn, kunnen ze aspecten bevatten zoals kleur, vorm, of de lucht bewolkt of zonnig is, of andere aspecten voor hoe een observatieplaats eruit zou kunnen zien. Kwalitatieve gegevens zijn niet numeriek zoals kwantitatieve gegevens. Het wordt daarom als minder betrouwbaar beschouwd dan kwantitatieve gegevens.

Kwantitatieve gegevens: Kwantitatieve gegevens hebben betrekking op: numerieke waarden of hoeveelheden. Dit soort gegevens kunnen worden gemeten en zijn meestal in getalvorm. Voorbeelden van kwantitatieve gegevens zijn pH-waarden in de bodem, het aantal muizen op een veld, monstergegevens, zoutgehaltes en andere informatie in numerieke vorm.

Ecologen gebruiken statistieken om kwantitatieve gegevens te analyseren. Het wordt daarom beschouwd als een betrouwbaardere vorm van gegevens dan kwalitatieve gegevens.

Directe enquête: Wetenschappers kunnen dieren en planten in hun omgeving direct observeren. Dit wordt een direct onderzoek genoemd. Zelfs op plaatsen die zo afgelegen zijn als een zeebodem, kan een ecoloog het onderwatermilieu bestuderen. Een direct onderzoek zou in dit geval het fotograferen of filmen van een dergelijke omgeving met zich meebrengen.

Sommige bemonsteringsmethoden die worden gebruikt om beelden van het zeeleven op de zeebodem vast te leggen, zijn onder meer videosleeën, watergordijncamera's en Ham-Cams. Ham-Cams zijn bevestigd aan een Hamon Grab, een monsteremmer die wordt gebruikt om monsters te verzamelen. Dit is een effectieve manier om dierpopulaties te bestuderen.

De Hamon Grab is een methode om sediment van de zeebodem te verzamelen en het sediment wordt op een boot gebracht zodat ecologen het kunnen sorteren en fotograferen. Deze dieren zullen elders in een laboratorium worden geïdentificeerd.

Naast een Hamon Grab, omvatten onderzeese verzamelapparatuur een boomkor, die wordt gebruikt om grotere zeedieren te vangen. Dit houdt in dat een net aan een stalen balk wordt bevestigd en vanaf de achterkant van een boot wordt gesleept. De monsters worden aan boord van de boot gebracht en gefotografeerd en geteld.

Indirect onderzoek: Het is niet altijd praktisch of wenselijk om organismen direct te observeren. In deze situatie houden ecologische methoden in het observeren van de sporen die soorten achterlaten. Deze kunnen onder meer uitwerpselen van dieren, voetafdrukken en andere indicatoren van hun aanwezigheid zijn.

Het overkoepelende doel van ecologische onderzoeksmethoden is het verkrijgen van hoogwaardige gegevens. Om dit te doen, moeten experimenten zorgvuldig worden gepland.

Hypothese: De eerste stap in een experimenteel ontwerp is het bedenken van een hypothese of wetenschappelijke vraag. Vervolgens kunnen onderzoekers een gedetailleerd plan voor bemonstering bedenken.

Factoren die van invloed zijn op veldwerkexperimenten zijn onder meer de grootte en vorm van een gebied dat moet worden bemonsterd. De grootte van het veld varieert van klein tot zeer groot, afhankelijk van welke ecologische gemeenschappen worden bestudeerd. Experimenten in dierecologie moeten rekening houden met mogelijke verplaatsingen en grootte van dieren.

Spinnen zouden bijvoorbeeld geen grote veldsite nodig hebben voor studie. Hetzelfde zou het geval zijn bij het bestuderen van bodemchemie of bodemongewervelde dieren. Je zou een afmeting van 15 meter bij 15 meter kunnen gebruiken.

Kruidachtige planten en kleine zoogdieren hebben mogelijk veldpercelen nodig van maximaal 30 vierkante meter. Bomen en vogels hebben misschien een paar hectare nodig. Als je grote, mobiele dieren bestudeert, zoals herten of beren, kan dit betekenen dat je een vrij groot gebied van enkele hectares nodig hebt.

Het bepalen van het aantal sites is ook cruciaal. Voor sommige veldstudies is mogelijk slechts één locatie nodig. Maar als er twee of meer habitats in het onderzoek worden opgenomen, zijn twee of meer veldlocaties nodig.

Hulpmiddelen: Instrumenten die voor veldlocaties worden gebruikt, zijn onder meer transecten, bemonsteringsplots, plotloze bemonstering, de puntmethode, de transect-intercept-methode en de point-quarter-methode. Het doel is om onbevooroordeelde monsters te krijgen van een hoeveelheid die groot genoeg is om statistische analyses betrouwbaarder te maken. Het vastleggen van informatie op veldgegevensbladen helpt bij het verzamelen van gegevens.

Een goed ontworpen ecologisch experiment zal een duidelijk doel of vraag hebben. Onderzoekers moeten buitengewoon voorzichtig zijn om vooroordelen te verwijderen door zowel replicatie als randomisatie te bieden. Kennis van de soort die wordt bestudeerd en de organismen erin is van het grootste belang.

Resultaten: Na voltooiing moeten de verzamelde ecologische gegevens worden geanalyseerd met een computer. Er zijn drie soorten ecologische experimenten die kunnen worden uitgevoerd: manipulatief, natuurlijk en observationeel.

Manipulatieve experimenten zijn experimenten waarbij de onderzoeker verandert een factor om te zien hoe het een ecosysteem beïnvloedt. Dit kan in het veld of in een laboratorium.

Dit soort experimenten zorgen op een gecontroleerde manier voor interferentie. Zij werken in gevallen waarin veldwerk om verschillende redenen niet over een heel gebied kan plaatsvinden.

Het nadeel van manipulatieve experimenten is dat ze niet altijd representatief zijn voor wat er in het natuurlijke ecosysteem zou gebeuren. Bovendien onthullen manipulatieve experimenten mogelijk niet het mechanisme achter de waargenomen patronen. Het is ook niet eenvoudig om variabelen te veranderen in een manipulatief experiment.

Voorbeeld: Als je meer wilde weten over hagedis predatie van spinnen, zou je het aantal hagedissen in omhuizingen kunnen veranderen en bestuderen hoeveel spinnen het gevolg waren van dit effect.

Een groter en actueel voorbeeld van een manipulatie-experiment is de herintroductie van wolven in Yellowstone National Park. Door deze herintroductie kunnen ecologen het effect observeren van wolven die terugkeren naar wat ooit hun normale bereik was.

Onderzoekers hebben al geleerd dat er een onmiddellijke verandering in het ecosysteem plaatsvond toen wolven opnieuw werden geïntroduceerd. Het gedrag van de elandenkudde veranderde. Verhoogde elandensterfte leidde tot een stabielere voedselvoorziening voor zowel wolven als aaseters.

Zoals de naam al aangeeft, worden natuurlijke experimenten niet door mensen geleid. Dit zijn door de natuur veroorzaakte manipulaties van een ecosysteem. Bijvoorbeeld, in de nasleep van een natuurramp, klimaatverandering of de introductie van invasieve soorten, vormt het ecosysteem zelf een experiment.

Natuurlijk zijn interacties in de echte wereld zoals deze geen echte experimenten. Deze scenario's bieden ecologen wel mogelijkheden om de effecten van natuurlijke gebeurtenissen op soorten in een ecosysteem te bestuderen.

Voorbeeld: Ecologen zouden een volkstelling van dieren op een eiland kunnen houden om hun bevolking dichtheid.

Het belangrijkste verschil tussen manipulatieve en natuurlijke experimenten vanuit een gegevensperspectief is dat natuurlijke experimenten geen controles hebben. Daarom is het soms moeilijker om oorzaak en gevolg vast te stellen.

Toch is er nuttige informatie te halen uit natuurlijke experimenten. Omgevingsvariabelen zoals vochtgehalte en dichtheid van dieren kunnen nog steeds worden gebruikt voor gegevensdoeleinden. Bovendien kunnen natuurlijke experimenten plaatsvinden in grote gebieden of over uitgestrekte tijdsperioden. Dit onderscheidt ze verder van manipulatieve experimenten.

Helaas heeft de mensheid over de hele wereld catastrofale natuurlijke experimenten veroorzaakt. Enkele voorbeelden hiervan zijn habitatdegradatie, klimaatverandering, introductie van invasieve soorten en verwijdering van inheemse soorten.

Observationele experimenten vereisen adequate replicaties voor gegevens van hoge kwaliteit. De "regel van 10" is hier van toepassing; onderzoekers moeten 10 observaties verzamelen voor elke vereiste categorie. Invloeden van buitenaf kunnen nog steeds een belemmering vormen voor het verzamelen van gegevens, zoals weers- en andere verstoringen. Het gebruik van 10 replicerende waarnemingen kan echter nuttig zijn voor het verkrijgen van statistisch significante gegevens.

Het is belangrijk om randomisatie uit te voeren, bij voorkeur voorafgaand aan het uitvoeren van observationele experimenten. Dit kan met een spreadsheet op een computer. Randomisatie versterkt de gegevensverzameling omdat het vooringenomenheid vermindert.

Randomisatie en replicatie moeten samen worden gebruikt om effectief te zijn. Locaties, monsters en behandelingen moeten allemaal willekeurig worden toegewezen om verwarrende resultaten te voorkomen.

Ecologische methoden zijn sterk afhankelijk van statistische en wiskundige modellen. Deze bieden ecologen een manier om te voorspellen hoe een ecosysteem in de loop van de tijd zal veranderen of zal reageren op veranderende omstandigheden in de omgeving.

Modellering biedt ook een andere manier om ecologische informatie te ontcijferen wanneer veldwerk niet praktisch is. In feite zijn er verschillende nadelen aan het uitsluitend vertrouwen op veldwerk. Vanwege de typisch grote schaal van veldwerk is het niet mogelijk om experimenten exact te repliceren. Soms is zelfs de levensduur van organismen een snelheidsbeperkende factor voor veldwerk. Andere uitdagingen zijn tijd, arbeid en ruimte.

Modellering biedt daarom een ​​methode om informatie op een efficiëntere manier te stroomlijnen.

Voorbeelden van modellering zijn vergelijkingen, simulaties, grafieken en statistische analyses. Ecologen gebruiken modellering ook om handige kaarten te maken. Modellering maakt berekeningen van gegevens mogelijk om hiaten in de steekproef op te vullen. Zonder modellering zouden ecologen worden gehinderd door de enorme hoeveelheid gegevens die moet worden geanalyseerd en gecommuniceerd. Computermodellering maakt een relatief snelle analyse van gegevens mogelijk.

Een simulatiemodel maakt het bijvoorbeeld mogelijk om systemen te beschrijven die anders extreem moeilijk en te complex zouden zijn voor traditionele calculus. Modellering stelt wetenschappers in staat om coëxistentie, populatiedynamiek en vele andere aspecten van ecologie te bestuderen. Modellering kan helpen bij het voorspellen van patronen voor cruciale planningsdoeleinden, zoals voor klimaatverandering.

De impact van de mensheid op het milieu zal doorgaan. Het wordt daarom steeds belangrijker voor ecologen om ecologische onderzoeksmethoden te gebruiken om manieren te vinden om de effecten op het milieu te verminderen.