Ekologiska forskningsmetoder: Observera, experimentera och modellera

Ekologi är studiet av förhållandet mellan organismer och deras miljö på jorden. Flera ekologiska metoder används för att studera detta förhållande, inklusive experiment och modellering.

Manipulerande, naturliga eller observationsexperiment kan användas. Modellering hjälper till att analysera insamlad data.

Ekologi, studien av hur organismer interagerar med sin miljö och varandra, bygger på flera andra discipliner. Miljövetenskapen i ekologi innehåller biologi, kemi, botanik, zoologi, matematik och andra områden.

Ekologi undersöker interaktioner mellan arter, befolkningsstorlek, ekologiska nischer, matväv, energiflöde och miljöfaktorer. För att göra detta förlitar sig ekologer på noggranna metoder för att samla in de mest exakta uppgifterna de kan. När data har samlats in analyserar ekologerna det för sin forskning.

Informationen från dessa forskningsmetoder kan sedan hjälpa ekologer att hitta effekter orsakade av människor eller naturliga faktorer. Denna information kan sedan användas för att hantera och bevara påverkade områden eller arter.

Varje experimentera kräver observation. Ekologer måste observera miljön, arten inom den och hur dessa arter interagerar, växer och förändras. Olika forskningsprojekt kräver olika typer av bedömningar och observationer.

Ekologer använder ibland en skrivbordsbaserad bedömning, eller DBA, för att samla in och sammanfatta information om specifika intresseområden. I detta scenario använder ekologer information som redan samlats in från andra källor.

Ofta litar dock ekologer på observation och fältarbete. Detta innebär att man faktiskt går in i den intressanta personens livsmiljö för att observera den i sitt naturliga tillstånd. Genom att göra fältundersökningar kan ekologer spåra befolkningstillväxten hos arter, observera samhällsekologi i aktion och studera effekterna av nya arter eller andra införda fenomen i miljön.

Varje fältplats skiljer sig åt i natur, form eller på annat sätt. Ekologiska metoder möjliggör sådana skillnader så att olika verktyg kan användas för observationer och provtagning. Det är avgörande att provtagningen sker på ett slumpmässigt sätt för att bekämpa partiskhet.

Data som erhållits från observation och fältarbete kan vara kvalitativa eller kvantitativa. Dessa två klassificeringar av data varierar på olika sätt.

Kvalitativa uppgifter: Kvalitativa uppgifter avser a kvaliteten på ämnet eller villkoren. Det är därför en mer beskrivande form av data. Det är inte lätt att mäta och det samlas in genom observation.

Eftersom kvalitativa data är beskrivande kan det inkludera aspekter som färg, form, om himlen är grumlig eller solig, eller andra aspekter för hur en observationsplats kan se ut. Kvalitativa data är inte numeriska som kvantitativa data. Det anses därför vara mindre tillförlitligt än kvantitativa data.

Kvantitativa data: Kvantitativa data hänvisar till numeriska värden eller kvantiteter. Denna typ av data kan mätas och är vanligtvis i nummerform. Exempel på kvantitativa data kan inkludera pH-nivåer i jord, antalet möss på en fältplats, provdata, salthaltnivåer och annan information i numerisk form.

Ekologer använder statistik för att analysera kvantitativa data. Det anses därför vara en mer tillförlitlig form av data än kvalitativa data.

Direkt undersökning: Forskare kan direkt observera djur och växter i sin miljö. Detta kallas en direkt undersökning. Även på platser så avlägsna som havsbotten kan ekolog studera undervattensmiljön. En direkt undersökning i detta fall skulle innebära fotografering eller filmning av en sådan miljö.

Några provtagningsmetoder som används för att spela in bilder av havslivet på havsbotten inkluderar videoslädar, kameror med vattengardiner och Ham-Cams. Ham-Cams är fästa på en Hamon Grab, en provskopeanordning som används för att samla in prover. Detta är ett effektivt sätt att studera djurpopulationer.

Hamon Grab är en metod för att samla sediment från havsbotten och sedimentet tas med på en båt för ekologer att sortera igenom och fotografera. Dessa djur kommer att identifieras i ett laboratorium någon annanstans.

Förutom en Hamon Grab inkluderar undervattensuppsamlingsanordningar en stråltrål som används för att få större havsdjur. Detta innebär att man fäster ett nät på en stålbalk och trålar från båtens baksida. Proverna tas ombord på båten och fotograferas och räknas.

Indirekt undersökning: Det är inte alltid praktiskt eller önskvärt att observera organismer direkt. I denna situation innebär ekologiska metoder att observera spår som dessa arter lämnar. Dessa kan inkludera djurutslag, fotavtryck och andra indikatorer på deras närvaro.

Det övergripande syftet med ekologiska metoder för forskning är att få högkvalitativa data. För att göra detta måste experiment planeras noggrant.

Hypotes: Det första steget i varje experimentell design är att komma med en hypotes eller vetenskaplig fråga. Sedan kan forskare komma med en detaljerad plan för provtagning.

Faktorer som påverkar fältarbetsexperiment inkluderar storleken och formen på ett område som måste samplas. Fältstorlekarna varierar från små till mycket stora, beroende på vilka ekologiska samhällen som studeras. Experiment inom djurekologi måste ta hänsyn till potentiell rörelse och storlek på djur.

Till exempel skulle spindlar inte kräva en stor fältplats för studier. Detsamma skulle vara sant när man studerar jordkemi eller ryggradslösa djur. Du kan använda en storlek på 15 meter med 15 meter.

Örtväxter och små däggdjur kan kräva åkrar på upp till 30 kvadratmeter. Träd och fåglar kan behöva ett par hektar. Om du studerar stora, rörliga djur, som rådjur eller björnar, kan det innebära att du behöver ett ganska stort område på flera hektar.

Att bestämma antalet platser är också avgörande. Vissa fältstudier kräver kanske bara en webbplats. Men om två eller flera livsmiljöer ingår i studien är två eller flera fältplatser nödvändiga.

Verktyg: Verktyg som används för fältplatser inkluderar transekter, samplingsdiagram, plotless sampling, punktmetoden, transektavlyssningsmetoden och punktkvartsmetoden. Målet är att få opartiska prover av en tillräckligt stor mängd för att statistiska analyser ska bli sundare. Inspelningsinformation på fältdatablad hjälper till med datainsamlingen.

Ett väldesignat ekologiskt experiment kommer att ha ett tydligt uttalande om syfte eller fråga. Forskare bör vara extra noga med att ta bort partiskhet genom att tillhandahålla både replikering och randomisering. Kunskap om de arter som studeras såväl som organismerna inom dem är av största vikt.

Resultat: När det är klart ska insamlade ekologiska data analyseras med en dator. Det finns tre typer av ekologiska experiment som kan göras: manipulerande, naturligt och observationellt.

Manipulativa experiment är de där forskaren ändrar en faktor för att se hur det påverkar ett ekosystem. Det är möjligt att göra detta på fältet eller i ett laboratorium.

Denna typ av experiment ger störningar på ett kontrollerat sätt. De arbetar i fall där fältarbete inte kan ske över ett helt område av olika skäl.

Nackdelen med manipulerande experiment är att de inte alltid är representativa för vad som skulle hända i det naturliga ekosystemet. Dessutom kan manipulerande experiment kanske inte avslöja mekanismen bakom observerade mönster. Det är inte heller lätt att ändra variabler i ett manipulerande experiment.

Exempel: Om du ville lära dig mer om ödla predation av spindlar, kan du ändra antalet ödlor i höljen och studera hur många spindlar som härrör från denna effekt.

Ett större och aktuellt exempel på ett manipulationsexperiment är återintroduktion av vargar i Yellowstone National Park. Denna återintroduktion gör det möjligt för ekologer att observera effekten av vargar som återvänder till det som en gång var deras normala intervall.

Forskare har redan lärt sig att en omedelbar förändring i ekosystemet inträffade när vargar återinfördes. Älgflockens beteenden förändrades. Ökad älgdödlighet ledde till en mer stabil livsmedelsförsörjning för både vargar och ådrar av ägg.

Naturliga experiment, som namnet antyder, är inte riktade av människor. Dessa är manipulationer av ett ekosystem orsakat av naturen. Till exempel, i kölvattnet av en naturkatastrof, klimatförändringar eller invasiv artintroduktion, representerar ekosystemet ett experiment.

Naturligtvis är verkliga interaktioner som dessa inte riktigt experiment. Dessa scenarier ger ekologer möjligheter att studera effekterna naturliga händelser har på arter i ett ekosystem.

Exempel: Ekologer kunde ta en folkräkning av djur på en ö för att studera deras befolkning densitet.

Huvudskillnaden mellan manipulerande och naturliga experiment ur ett dataperspektiv är att naturliga experiment inte har kontroller. Därför är det ibland svårare att bestämma orsak och verkan.

Ändå finns det användbar information att få från naturliga experiment. Miljövariabler som fuktnivåer och täthet hos djur kan fortfarande användas för dataskäl. Dessutom kan naturliga experiment förekomma över stora områden eller stora tidsperioder. Detta skiljer dem ytterligare från manipulerande experiment.

Tyvärr har mänskligheten orsakat katastrofala naturliga experiment över hela världen. Några exempel på dessa inkluderar nedbrytning av livsmiljöer, klimatförändringar, introduktion av invasiva arter och avlägsnande av inhemska arter.

Observationsexperiment kräver adekvata replikeringar för högkvalitativa data. ”Regeln om 10” gäller här; forskare bör samla in 10 observationer för varje kategori som krävs. Utanför påverkan kan fortfarande hämma ansträngningarna att samla in data, såsom väder och andra störningar. Att använda 10 replikerande observationer kan dock vara till hjälp för att erhålla statistiskt signifikanta data.

Det är viktigt att utföra randomisering, helst innan observationsexperiment utförs. Detta kan göras med ett kalkylblad på en dator. Randomisering stärker datainsamlingen eftersom den minskar bias.

Randomisering och replikering bör användas tillsammans för att vara effektiva. Webbplatser, prover och behandlingar bör alla tilldelas slumpmässigt för att undvika störande resultat.

Ekologiska metoder är starkt beroende av statistiska och matematiska modeller. Dessa ger ekologer ett sätt att förutsäga hur ett ekosystem kommer att förändras över tid eller reagera på förändrade förhållanden i miljön.

Modellering ger också ett annat sätt att dechiffrera ekologisk information när fältarbete inte är praktiskt. Det finns faktiskt flera nackdelar med att enbart förlita sig på fältarbete. På grund av den typiskt stora omfattningen av fältarbete är det inte möjligt att replikera experiment exakt. Ibland är även organismernas livslängd en hastighetsbegränsande faktor för fältarbete. Andra utmaningar inkluderar tid, arbete och utrymme.

Modellering ger därför en metod för att effektivisera information på ett mer effektivt sätt.

Exempel på modellering inkluderar ekvationer, simuleringar, grafer och statistiska analyser. Ekologer använder också modellering för att producera användbara kartor. Modellering möjliggör beräkningar av data för att fylla i luckor från provtagningen. Utan modellering skulle ekologer hindras av den stora mängden data som behöver analyseras och kommuniceras. Datormodellering möjliggör relativt snabb analys av data.

En simuleringsmodell till exempel möjliggör beskrivning av system som annars skulle vara extremt svåra och för komplexa för traditionell kalkyl. Modellering gör det möjligt för forskare att studera samexistens, befolkningsdynamik och många andra aspekter av ekologi. Modellering kan hjälpa till att förutsäga mönster för viktiga planeringsändamål, till exempel för klimatförändringar.

Mänsklighetens påverkan på miljön kommer att fortsätta. Det blir därför allt viktigare för ekologer att använda ekologiska forskningsmetoder för att hitta sätt att mildra effekterna på miljön.