Ekologiczne metody badawcze: obserwacje, eksperymenty i modelowanie

Ekologia jest badaniem relacji między organizmami a ich środowiskiem na ziemi. Do badania tej zależności stosuje się kilka metod ekologicznych, w tym eksperymentowanie i modelowanie.

Można stosować eksperymenty manipulacyjne, naturalne lub obserwacyjne. Modelowanie pomaga analizować zebrane dane.

Ekologia, badanie interakcji organizmów ze środowiskiem i sobą nawzajem, czerpie z kilku innych dyscyplin. Nauka o środowisku w dziedzinie ekologii obejmuje biologię, chemię, botanikę, zoologię, matematykę i inne dziedziny.

Ekologia bada interakcje gatunków, wielkość populacji, nisze ekologiczne, sieci pokarmowe, przepływ energii i czynniki środowiskowe. W tym celu ekolodzy polegają na ostrożnych metodach zbierania możliwie najdokładniejszych danych. Po zebraniu danych ekolodzy analizują je pod kątem swoich badań.

Informacje uzyskane dzięki tym metodom badawczym mogą następnie pomóc ekologom w odnalezieniu wpływu człowieka lub czynników naturalnych. Informacje te można następnie wykorzystać do zarządzania i ochrony dotkniętych obszarów lub gatunków.

Każdy eksperyment wymaga obserwacji. Ekolodzy muszą obserwować środowisko, występujące w nim gatunki oraz to, jak te gatunki oddziałują, rosną i zmieniają się. Różne projekty badawcze wymagają różnego rodzaju ocen i obserwacji.

Ekolodzy czasami używają ocena zza biurkalub DBA, aby zbierać i podsumowywać informacje o określonych obszarach zainteresowania. W tym scenariuszu ekolodzy wykorzystują informacje już zebrane z innych źródeł.

Często jednak ekolodzy polegają na obserwacje i prace terenowe. Wiąże się to z wejściem do siedliska przedmiotu zainteresowania, aby obserwować go w stanie naturalnym. Wykonując badania terenowe, ekolodzy mogą śledzić wzrost populacji gatunków, obserwować ekologia społeczności w działaniu i badać wpływ wszelkich nowych gatunków lub innych wprowadzonych zjawisk w środowisku.

Każda strona w terenie będzie różniła się charakterem, kształtem lub innymi sposobami. Metody ekologiczne dopuszczają takie różnice, dzięki czemu do obserwacji i pobierania próbek można używać różnych narzędzi. Bardzo ważne jest, aby próbkowanie odbywało się w sposób losowy, aby zwalczyć stronniczość.

Dane uzyskane z obserwacji i prac terenowych mogą być jakościowe lub ilościowe. Te dwie klasyfikacje danych różnią się w różny sposób.

Dane jakościowe: Dane jakościowe odnoszą się do a jakość przedmiotu lub warunków. Jest to zatem więcej opisowy forma danych. Nie jest to łatwe do zmierzenia i jest zbierane przez obserwację.

Ponieważ dane jakościowe mają charakter opisowy, mogą obejmować takie aspekty, jak kolor, kształt, pochmurne lub słoneczne niebo lub inne aspekty dotyczące wyglądu miejsca obserwacji. Dane jakościowe nie są liczbowe jak dane ilościowe. Dlatego uważa się je za mniej wiarygodne niż dane ilościowe.

Dane ilościowe: Dane ilościowe odnoszą się do wartości liczbowe lub ilości. Tego rodzaju dane mogą być mierzone i zwykle mają postać liczbową. Przykłady danych ilościowych mogą obejmować poziomy pH w glebie, liczbę myszy w terenie, dane z próbek, poziomy zasolenia i inne informacje w formie liczbowej.

Ekolodzy wykorzystują statystyki do analizy danych ilościowych. Dlatego uważa się, że jest to bardziej wiarygodna forma danych niż dane jakościowe.

Ankieta bezpośrednia: Naukowcy mogą bezpośrednio obserwować zwierzęta i rośliny w ich otoczeniu. Nazywa się to ankietą bezpośrednią. Nawet w miejscach tak odległych, jak dno morskie, ekolog może badać środowisko podwodne. Bezpośrednie badanie w tym przypadku wiązałoby się ze sfotografowaniem lub sfilmowaniem takiego środowiska.

Niektóre metody pobierania próbek wykorzystywane do rejestrowania obrazów życia morskiego na dnie morskim obejmują sanki wideo, kamery z kurtynami wodnymi i Ham-Camy. Ham-Camy są przymocowane do Hamon Grab, wiadra na próbki używanego do pobierania próbek. To jeden ze skutecznych sposobów badania populacji zwierząt.

Hamon Grab to metoda zbierania osadów z dna morskiego, które są przenoszone na łódź, aby ekolodzy mogli je posortować i sfotografować. Zwierzęta te zostaną zidentyfikowane w laboratorium w innym miejscu.

Oprócz Hamon Grab, podmorskie urządzenia do zbierania obejmują włok rozprzowy, który służy do pozyskiwania większych zwierząt morskich. Wiąże się to z przymocowaniem sieci do stalowej belki i trałowaniem z tyłu łodzi. Próbki są wnoszone na pokład łodzi, fotografowane i liczone.

Ankieta pośrednia: Bezpośrednia obserwacja organizmów nie zawsze jest praktyczna lub pożądana. W tej sytuacji metody ekologiczne polegają na obserwacji śladów pozostawionych przez te gatunki. Mogą to być odchody zwierząt, odciski stóp i inne wskaźniki ich obecności.

Nadrzędnym celem ekologicznych metod badań jest uzyskanie wysokiej jakości danych. Aby to zrobić, eksperymenty muszą być starannie zaplanowane.

Hipoteza: Pierwszym krokiem w każdym projekcie eksperymentalnym jest postawienie hipotezy lub pytania naukowego. Następnie naukowcy mogą opracować szczegółowy plan pobierania próbek.

Czynniki wpływające na eksperymenty terenowe obejmują wielkość i kształt obszaru, z którego należy pobrać próbki. Rozmiary stanowisk w terenie wahają się od małych do bardzo dużych, w zależności od badanych społeczności ekologicznych. Eksperymenty w ekologii zwierząt muszą uwzględniać potencjalny ruch i wielkość zwierząt.

Na przykład pająki nie wymagałyby dużego terenu do badań. To samo dotyczy badania chemii gleby lub bezkręgowców glebowych. Możesz użyć rozmiaru 15 metrów na 15 metrów.

Rośliny zielne i małe ssaki mogą wymagać pól o powierzchni do 30 metrów kwadratowych. Drzewa i ptaki mogą potrzebować kilku hektarów. Jeśli badasz duże, ruchliwe zwierzęta, takie jak jelenie lub niedźwiedzie, może to oznaczać, że potrzebujesz dość dużej powierzchni kilku hektarów.

Decydowanie o liczbie witryn jest również kluczowe. Niektóre badania terenowe mogą wymagać tylko jednego miejsca. Jeśli jednak badanie obejmuje co najmniej dwa siedliska, konieczne są co najmniej dwa miejsca w terenie.

Przybory: Narzędzia stosowane do lokalizacji w terenie obejmują transekty, powierzchnie do pobierania próbek, bezpowierzchniowe pobieranie próbek, metodę punktową, metodę przecięcia z transektem i metodę punkt-ćwiartka. Celem jest uzyskanie bezstronnych próbek o wystarczająco dużej ilości, aby analizy statystyczne były rozsądniejsze. Zapisywanie informacji w kartach danych terenowych pomaga w gromadzeniu danych.

Dobrze zaprojektowany eksperyment ekologiczny będzie miał jasne określenie celu lub pytanie. Naukowcy powinni zachować szczególną ostrożność, aby usunąć stronniczość, zapewniając zarówno replikację, jak i randomizację. Wiedza o badanych gatunkach i organizmach w nich jest najważniejsza.

Wyniki: Po zakończeniu zebrane dane ekologiczne należy przeanalizować komputerowo. Można przeprowadzić trzy rodzaje eksperymentów ekologicznych: manipulacyjne, naturalne i obserwacyjne.

Eksperymenty manipulacyjne to takie, w których badacz zmienia czynnik aby zobaczyć, jak wpływa na ekosystem. Można to zrobić w terenie lub w laboratorium.

Tego rodzaju eksperymenty zapewniają zakłócenia w kontrolowany sposób. Działają w przypadkach, w których z różnych powodów prace terenowe nie mogą odbywać się na całym obszarze.

Wadą eksperymentów manipulacyjnych jest to, że nie zawsze są one reprezentatywne dla tego, co wydarzyłoby się w naturalnym ekosystemie. Ponadto eksperymenty manipulacyjne mogą nie ujawnić mechanizmu kryjącego się za zaobserwowanymi wzorcami. Nie jest też łatwo zmienić zmienne w eksperymencie manipulacyjnym.

Przykład: Gdybyś chciał dowiedzieć się czegoś o jaszczurce drapieżnictwo pająków, można zmienić liczbę jaszczurek w zagrodach i zbadać, ile pająków powstało w wyniku tego efektu.

Większym i aktualnym przykładem eksperymentu manipulacyjnego jest ponowne wprowadzenie wilków do Parku Narodowego Yellowstone. To ponowne wprowadzenie pozwala ekologom zaobserwować efekt powrotu wilków do tego, co kiedyś było ich normalnym zasięgiem.

Naukowcy dowiedzieli się już, że po ponownym wprowadzeniu wilków nastąpiła natychmiastowa zmiana w ekosystemie. Zmieniły się zachowania stada łosi. Zwiększona śmiertelność łosi doprowadziła do bardziej stabilnych dostaw żywności zarówno dla wilków, jak i padlinożerców.

Eksperymenty naturalne, jak sama nazwa wskazuje, nie są kierowane przez ludzi. Są to manipulacje ekosystemem spowodowane przez naturę. Na przykład w następstwie klęski żywiołowej, zmiany klimatu lub wprowadzenia gatunków inwazyjnych sam ekosystem stanowi eksperyment.

Oczywiście interakcje w świecie rzeczywistym, takie jak te, nie są prawdziwymi eksperymentami. Scenariusze te dają ekologom możliwość badania wpływu, jaki zdarzenia naturalne mają na gatunki w ekosystemie.

Przykład: Ekolodzy mogliby przeprowadzić spis zwierząt na wyspie, aby zbadać ich populacja gęstość.

Główna różnica między eksperymentami manipulacyjnymi a naturalnymi z perspektywy danych polega na tym, że eksperymenty naturalne nie mają kontroli. Dlatego czasami trudniej jest określić przyczynę i skutek.

Niemniej jednak istnieją przydatne informacje, które można uzyskać z naturalnych eksperymentów. Zmienne środowiskowe, takie jak poziom wilgotności i gęstość zwierząt, nadal mogą być wykorzystywane do celów danych. Ponadto naturalne eksperymenty mogą odbywać się na dużych obszarach lub w ogromnych odcinkach czasu. To dodatkowo odróżnia je od eksperymentów manipulacyjnych.

Niestety, ludzkość spowodowała katastrofalne naturalne eksperymenty na całym świecie. Niektóre przykłady obejmują degradację siedlisk, zmianę klimatu, wprowadzanie gatunków inwazyjnych i usuwanie gatunków rodzimych.

Eksperymenty obserwacyjne wymagają odpowiednich replikacji w celu uzyskania wysokiej jakości danych. Obowiązuje tu „reguła 10”; badacze powinni zebrać 10 obserwacji dla każdej wymaganej kategorii. Wpływy zewnętrzne mogą nadal utrudniać gromadzenie danych, takich jak pogoda i inne zakłócenia. Jednak użycie 10 replikujących się obserwacji może okazać się pomocne w uzyskaniu statystycznie istotnych danych.

Ważne jest, aby przeprowadzić randomizację, najlepiej przed przeprowadzeniem eksperymentów obserwacyjnych. Można to zrobić za pomocą arkusza kalkulacyjnego na komputerze. Randomizacja wzmacnia gromadzenie danych, ponieważ zmniejsza stronniczość.

Randomizacja i replikacja powinny być używane razem, aby były skuteczne. Miejsca, próbki i zabiegi powinny być przydzielane losowo, aby uniknąć mylących wyników.

Metody ekologiczne w dużej mierze opierają się na modelach statystycznych i matematycznych. Zapewniają one ekologom sposób przewidywania zmian ekosystemu w czasie lub reagowania na zmieniające się warunki w środowisku.

Modelowanie zapewnia również inny sposób na odszyfrowanie informacji ekologicznych, gdy praca w terenie nie jest praktyczna. W rzeczywistości poleganie wyłącznie na pracy w terenie ma kilka wad. Ze względu na typowo dużą skalę prac terenowych nie jest możliwe dokładne powtórzenie eksperymentów. Czasami nawet długość życia organizmów jest czynnikiem ograniczającym tempo pracy w terenie. Inne wyzwania to czas, praca i przestrzeń.

Modelowanie zapewnia zatem metodę usprawniania informacji w bardziej efektywny sposób.

Przykłady modelowania obejmują równania, symulacje, wykresy i analizy statystyczne. Ekolodzy wykorzystują modelowanie również do tworzenia przydatnych map. Modelowanie pozwala na obliczenia danych, aby wypełnić luki z próbkowania. Bez modelowania ekolodzy byliby utrudnieni przez samą ilość danych, które muszą być analizowane i przekazywane. Modelowanie komputerowe pozwala na stosunkowo szybką analizę danych.

Na przykład model symulacyjny umożliwia opisanie systemów, które w innym przypadku byłyby niezwykle trudne i zbyt złożone dla tradycyjnego rachunku różniczkowego. Modelowanie pozwala naukowcom badać współistnienie, dynamikę populacji i wiele innych aspektów ekologii. Modelowanie może pomóc w przewidywaniu wzorców dla kluczowych celów planowania, takich jak zmiany klimatyczne.

Wpływ ludzkości na środowisko będzie trwał nadal. Dlatego dla ekologów coraz ważniejsze staje się stosowanie ekologicznych metod badawczych w celu znalezienia sposobów na złagodzenie skutków dla środowiska.