Metódy ekologického výskumu: pozorovanie, experimentovanie a modelovanie

Ekológia je štúdium vzťahu medzi organizmami a ich prostredím na zemi. Na štúdium tohto vzťahu sa používa niekoľko ekologických metód, vrátane experimentovania a modelovania.

Môžu sa použiť manipulačné, prírodné alebo pozorovacie experimenty. Modelovanie pomáha analyzovať zhromaždené údaje.

EkológiaŠtúdia interakcie organizmov s prostredím a navzájom sa opiera o niekoľko ďalších disciplín. Environmentálna veda o ekológii zahŕňa biológiu, chémiu, botaniku, zoológiu, matematiku a ďalšie oblasti.

Ekológia skúma interakcie druhov, veľkosť populácie, ekologické niky, potravné siete, tok energie a faktory prostredia. Na tento účel sa ekológovia spoliehajú na starostlivé metódy zhromažďovania čo najpresnejších údajov. Po zozbieraní údajov ich potom ekológovia analyzujú pre svoj výskum.

Informácie získané z týchto výskumných metód môžu potom pomôcť ekológom nájsť vplyvy spôsobené ľuďmi alebo prírodnými faktormi. Tieto informácie potom môžu byť použité na pomoc pri správe a ochrane postihnutých oblastí alebo druhov.

Každý experiment vyžaduje pozorovanie. Ekológovia musia pozorovať prostredie, druhy v ňom a to, ako tieto druhy interagujú, rastú a menia sa. Rôzne výskumné projekty si vyžadujú rôzne typy hodnotení a pozorovaní.

Ekológovia niekedy používajú a desk-based assessmentalebo DBA, na zhromažďovanie a sumarizáciu informácií o konkrétnych oblastiach záujmu. V tomto scenári používajú ekológovia informácie už zhromaždené z iných zdrojov.

Ekológovia sa však často spoliehajú pozorovacie a terénne práce. To znamená, že sa skutočne dostanete do biotopu predmetu záujmu, aby ste ho pozorovali v prirodzenom stave. Vykonaním terénnych prieskumov môžu ekológovia sledovať populačný rast druhov, pozorovať ekológia komunity v akcii a študovať vplyv všetkých nových druhov alebo iných introdukovaných javov do životného prostredia.

Každá poľná stránka sa bude líšiť svojou povahou, tvarom alebo inými spôsobmi. Ekologické metódy umožňujú také rozdiely, aby bolo možné na pozorovanie a odber vzoriek použiť rôzne nástroje. Je nevyhnutné, aby sa odber vzoriek uskutočňoval náhodne, aby sa zabránilo zaujatosti.

Údaje získané z pozorovania a terénnych prác môžu byť kvalitatívne alebo kvantitatívne. Tieto dve klasifikácie údajov sa líšia odlišnými spôsobmi.

Kvalitatívne údaje: Kvalitatívne údaje sa týkajú a kvalita predmetu alebo podmienky. Ide teda o viac popisný forma údajov. Nie je ľahko merateľný a zhromažďuje sa pozorovaním.

Pretože kvalitatívne údaje majú popisný charakter, môžu zahŕňať aspekty ako farba, tvar, či je obloha zatiahnutá alebo slnečná, alebo ďalšie aspekty vzhľadu miesta. Kvalitatívne údaje nie sú numerické ako kvantitatívne údaje. Preto sa považuje za menej spoľahlivú ako kvantitatívne údaje.

Kvantitatívne údaje: Kvantitatívne údaje sa týkajú číselné hodnoty alebo veličiny. Tieto druhy údajov je možné merať a zvyčajne majú číselnú formu. Príklady kvantitatívnych údajov môžu zahŕňať hladiny pH v pôde, počet myší v poli, údaje o vzorkách, hladiny slanosti a ďalšie informácie v číselnej forme.

Ekológovia používajú štatistiku na analýzu kvantitatívnych údajov. Považuje sa preto za spoľahlivejšiu formu údajov ako kvalitatívne údaje.

Priamy prieskum: Vedci môžu priamo pozorovať zvieratá a rastliny v ich prostredí. Toto sa nazýva priamy prieskum. Aj na tak vzdialených miestach, ako je morské dno, môže ekológ študovať podvodné prostredie. Priamy prieskum by v tomto prípade znamenal fotografovanie alebo natáčanie takéhoto prostredia.

Niektoré metódy vzorkovania používané na zaznamenávanie snímok morského života na morskom dne zahŕňajú videorekordéry, kamery s vodnou clonou a Ham-Cams. Ham-Cams sú pripevnené k Hamon Grab, vedro so vzorkou používané na odber vzoriek. Toto je jeden efektívny spôsob štúdia populácií zvierat.

Hamon Grab je metóda zhromažďovania sedimentov z morského dna a sediment sa odnáša na čln, kde ho môžu ekológovia roztriediť a vyfotografovať. Tieto zvieratá budú identifikované v laboratóriu inde.

Okrem Hamon Grab patria medzi podmorské zberné zariadenia aj trámová vlečná sieť, ktorá sa používa na získanie väčších morských živočíchov. To znamená pripevnenie siete k oceľovému nosníku a vlečné siete zo zadnej časti člna. Vzorky sa prinesú na palubu člna, vyfotografujú a spočítajú.

Nepriamy prieskum: Priame pozorovanie organizmov nie je vždy praktické alebo žiaduce. V tejto situácii znamenajú ekologické metódy pozorovanie stôp, ktoré tieto druhy zanechávajú. Môžu to byť scat zvierat, stopy a ďalšie ukazovatele ich prítomnosti.

Zastrešujúcim účelom ekologických metód výskumu je získanie vysoko kvalitných údajov. Za týmto účelom je potrebné starostlivo naplánovať experimenty.

Hypotéza: Prvým krokom v akomkoľvek experimentálnom dizajne je prísť s hypotézou alebo vedeckou otázkou. Potom môžu vedci prísť s podrobným plánom vzorkovania.

Medzi faktory, ktoré ovplyvňujú experimenty v teréne, patrí veľkosť a tvar oblasti, z ktorej je potrebné odobrať vzorku. Veľkosti poľných stanovíšť sa pohybujú od malých po veľmi veľké, v závislosti od toho, aké ekologické spoločenstvá sa skúmajú. Pokusy v ekológii zvierat musia brať do úvahy možný pohyb a veľkosť zvierat.

Napríklad pavúky by na štúdium nevyžadovali veľké poľné miesto. To isté by platilo pri štúdiu pôdnej chémie alebo pôdnych bezstavovcov. Mohli by ste použiť veľkosť 15 metrov na 15 metrov.

Byliny a malé cicavce môžu vyžadovať poľné plochy až do 30 metrov štvorcových. Stromy a vtáky môžu potrebovať pár hektárov. Ak študujete veľké a pohyblivé zvieratá, ako sú jelene alebo medvede, mohlo by to znamenať potrebu pomerne veľkej plochy niekoľkých hektárov.

Rozhodujúce je aj rozhodovanie o počte stránok. Niektoré terénne štúdie môžu vyžadovať iba jednu lokalitu. Ale ak sú do štúdie zahrnuté dva alebo viac biotopov, sú potrebné dve alebo viac terénnych lokalít.

Nástroje: Medzi nástroje používané pri poľných lokalitách patria transekty, vzorkovacie grafy, vzorkovanie bez pozemkov, bodová metóda, metóda transect-intercept a metóda point-quarter. Cieľom je získať nestranné vzorky dostatočne vysokého množstva, aby štatistické analýzy boli spoľahlivejšie. Zber údajov uľahčuje zaznamenávanie informácií do poľných údajových listov.

Dobre navrhnutý ekologický experiment bude mať jasné vyhlásenie o účele alebo otázke. Vedci by mali venovať mimoriadnu pozornosť odstráneniu zaujatosti poskytovaním replikácie aj randomizácie. Znalosti o študovaných druhoch, ako aj o organizmoch v nich, sú prvoradé.

Výsledky: Po dokončení by sa zhromaždené ekologické údaje mali analyzovať pomocou počítača. Existujú tri typy ekologických experimentov, ktoré je možné uskutočniť: manipulatívne, prírodné a pozorovacie.

Manipulačné experimenty sú tie, pri ktorých výskumník mení faktor aby sme zistili, ako to ovplyvňuje ekosystém. Je možné to urobiť v teréne alebo v laboratóriu.

Tieto experimenty poskytujú kontrolované rušenie. Pracujú v prípadoch, keď z rôznych dôvodov nemôže dôjsť k terénnym prácam na celej ploche.

Nevýhodou manipulatívnych experimentov je, že nie vždy reprezentujú to, čo by sa stalo v prírodnom ekosystéme. Okrem toho manipulatívne experimenty nemusia odhaliť mechanizmus, ktorý stojí za pozorovanými vzorcami. Rovnako nie je ľahké meniť premenné v manipulatívnom experimente.

Príklad: Keby ste sa chceli dozvedieť niečo o jašterici dravosť pavúkov, môžete zmeniť počet jašteríc v ohradách a študovať, koľko pavúkov vyplynulo z tohto efektu.

Väčším a aktuálnym príkladom manipulačného experimentu je znovuzavedenie vlkov do Yellowstonského národného parku. Toto znovuzavedenie umožňuje ekológom sledovať účinok vlkov, ktorí sa vracajú na pôvodné obvyklé rozmedzie.

Vedci sa už dozvedeli, že k okamžitej zmene ekosystému došlo po opätovnom zavedení vlkov. Správanie stáda losov sa zmenilo. Zvýšená úmrtnosť na losy viedla k stabilnejšiemu prísunu potravy pre vlkov aj požieračov zdochlín.

Prírodné experimenty, ako už z ich názvu vyplýva, nie sú riadené ľuďmi. Toto sú manipulácie s ekosystémom spôsobené prírodou. Napríklad v dôsledku prírodnej katastrofy, zmeny podnebia alebo zavedenia inváznych druhov predstavuje samotný ekosystém experiment.

Interakcie v reálnom svete, ako sú tieto, samozrejme nie sú skutočnými experimentmi. Tieto scenáre poskytujú ekológom príležitosti na štúdium účinkov prírodných javov na druhy v ekosystéme.

Príklad: Ekológovia by mohli vziať sčítanie zvierat na ostrove, aby preskúmali ich populácia hustota.

Hlavný rozdiel medzi manipulatívnymi a prírodnými experimentmi z hľadiska údajov je v tom, že prirodzené experimenty nemajú kontroly. Preto je niekedy ťažšie určiť príčinu a následok.

Z prírodných pokusov však možno získať užitočné informácie. Na účely údajov je možné stále používať environmentálne premenné, ako sú úrovne vlhkosti a hustota zvierat. Prírodné experimenty môžu navyše prebiehať na veľkých plochách alebo v obrovských časových úsekoch. To ich ďalej odlišuje od manipulatívnych experimentov.

Ľudstvo, bohužiaľ, spôsobilo katastrofické prírodné experimenty na celej planéte. Medzi niektoré príklady patrí degradácia biotopov, zmena podnebia, introdukcia inváznych druhov a odstránenie pôvodných druhov.

Pozorovacie experimenty si vyžadujú adekvátne replikácie vysoko kvalitných údajov. Tu platí „pravidlo 10“; výskumníci by mali zhromaždiť 10 pozorovaní pre každú požadovanú kategóriu. Vonkajšie vplyvy môžu stále brániť úsiliu o zber údajov, ako je počasie a iné poruchy. Použitie 10 replikujúcich sa pozorovaní sa však môže ukázať ako užitočné pre získanie štatisticky významných údajov.

Je dôležité vykonať randomizáciu, najlepšie pred vykonaním pozorovacích experimentov. To je možné vykonať pomocou tabuľky v počítači. Randomizácia posilňuje zhromažďovanie údajov, pretože obmedzuje zaujatosť.

Randomizácia a replikácia by mali byť použité spoločne, aby boli účinné. Miesta, vzorky a ošetrenia by mali byť náhodne rozdelené, aby sa zabránilo skresleným výsledkom.

Ekologické metódy sa vo veľkej miere spoliehajú na štatistické a matematické modely. Poskytujú ekológom spôsob, ako predpovedať, ako sa bude ekosystém časom meniť alebo reagovať na meniace sa podmienky v životnom prostredí.

Modelovanie poskytuje aj ďalší spôsob, ako dešifrovať ekologické informácie, keď nie je praktická práca v teréne. V skutočnosti existuje niekoľko nevýhod spoliehania sa výlučne na prácu v teréne. Pretože je práca v teréne zvyčajne veľká, nie je možné experimenty presne replikovať. Niekedy je dokonca aj životnosť organizmov faktorom obmedzujúcim rýchlosť pri terénnych prácach. Medzi ďalšie výzvy patrí čas, práca a priestor.

Modelovanie preto poskytuje metódu, pomocou ktorej je možné efektívnejšie zefektívniť informácie.

Príklady modelovania zahŕňajú rovnice, simulácie, grafy a štatistické analýzy. Ekológovia používajú modelovanie aj na vytváranie užitočných máp. Modelovanie umožňuje výpočty údajov na vyplnenie medzier v odbere vzoriek. Bez modelovania by ekológom prekážalo obrovské množstvo údajov, ktoré je potrebné analyzovať a komunikovať. Počítačové modelovanie umožňuje porovnateľne rýchlu analýzu údajov.

Simulačný model napríklad umožňuje popis systémov, ktoré by inak boli pre tradičný počet extrémne náročné a príliš zložité. Modelovanie umožňuje vedcom študovať spolužitie, populačnú dynamiku a mnoho ďalších aspektov ekológie. Modelovanie môže pomôcť predpovedať vzorce pre rozhodujúce účely plánovania, napríklad pre zmenu podnebia.

Vplyv ľudstva na životné prostredie bude pokračovať. Pre ekológov je preto čoraz dôležitejšie využívať metódy ekologického výskumu na hľadanie spôsobov, ako zmierniť účinky na životné prostredie.